畜禽舍智能化环境控制的研究进展

时间：2024-02-17 点击：次来源：猪业科学作者：朱佳明，龙定彪 - 小 + 大

1 数据采集
畜禽舍现场的数据采集主要包括温度、湿度、氨气、二氧化碳、风速、粉尘、光照等，早在1988年，Seedor等人在畜禽舍布置温湿度一体传感器采集温湿度数据。Phillips等人在畜禽舍7个不同位置布置传感器来监测环境参数，为畜禽舍污染物的量化排放设定了一套通用方法。Ni等采集猪舍内的氨气浓度数据，并通过数据曲线拟合、构建了猪舍氨气挥发数学模型，这为舍内氨气浓度调控奠定了理论基础。Andonov等采集了不同季节下自然通风和空调控制下温湿度数据，提出了一种新型的自然通风控制方法。Kim等人对冬季密闭猪舍中热量空间分布及空气尘粒含量进行了研究，发现猪舍内的尘粒含量与猪舍内的空气温度和湿度密切相关。Daskalov等采集了猪舍内冬夏两季气流数据，并提出了一种根据猪舍内空气流速、温湿度和流向联合控制的非线性自适应修正算法，对指导猪只生产有着重要意义。Banhazi等采集了160个猪舍内的细菌、可吸入颗粒和有害气体浓度等环境数据，研究发现适当的环境改善策略能够降低猪舍环境中的空气污染物浓度。

无线传感器网络技术在现代畜牧业中主要用于监测各类环境参数。如陈俊杰、王冉等基于无线传感网络，实现了畜禽环境参数实时监测。康瑞娟等在肉牛养殖信息采集基础上实现了数据传输方法的研究。柳平增等设计了一套畜禽规模养殖环境信息采集系统，研究并设计了多种环境参数检测模块，应用后发现该系统稳定可靠、检测精度高。Hwang等人建立了猪舍环境监控系统，系统将采集到的环境数据进行分析，最终控制环境调控设备的运行。王雷雨等对畜禽健康养殖环境监测及预警系统进行了研究，并实现猪舍的环境实时监测及预警。Shen等通过响应面的方法对奶牛舍自然通风和换气率进行模型控制。Stinn通过长期的试验监测数据对猪舍环境进行评价及控制。
2 数据处理
单片机和PLC等在环境监控系统中起主要作用，单片机可以嵌入到各种仪器设备中。如彭建盛等研发的环境监测系统以ADuC824单片机为核心芯片，可以高效实时采集数据，响应速度快、灵敏度高。戴春霞以C8051F020单片机为核心，以Modbus总线进行现场组网，对猪舍环境因子进行了测量以及自动控制。但单片机故障率高、编程越来越复杂、开发周期长，故现在一般采用性能高、价格低、可扩展性强的嵌人式 ARM 芯片进行数据处理。马亮等人采用PIC单片机和TCP/IP网络协议实现嵌入式Web服务器研发出鸡舍网络环境参数监测系统，管理员可实时监测鸡舍的环境信息。熟悉嵌入式操作系统需要具备较高的专业素养。
PLC编程简单，功能性强，后期维护工作量小。如于明珠等基于PLC实现了仔猪舍温度自动控制。关铭洁研发出PLC的分布式控制系统，通过传感器采集各种环境参数，并通过风机和水泵等设备对环境进行调节。路玉等利用PLC实现了猪舍环境智能控制。但各PLC厂家的硬件体系是相互独立的，用户必须先选定PLC的型号，再学习相应的控制规程和编程语言。
3 数据传输
目前在畜禽舍及温室中应用最广泛的有线通信是RS485总线和CAN总线，近距离无线通信有蓝牙（Bluetooth）、无线局域网（Wi-Fi）、红外线数字链路（IrDA）、无线个人区域网近场通信（NFC）、紫蜂（Zigbee）、和超宽带（UWB）等，各通信协议的特点见表1。如Ma等开发了基于CAN总线建立了猪生长环境智能控制系统。Wu等以ARM和ZigBee技术为基础研发的鸡舍智能环境控制系统实现了鸡舍环境的远程监测。毛德平等通过RS-485总线设计出实现更长距离的分布式数据采集和控制系统。周丽萍等利用移动巡检车和Wi-Fi采集猪舍内各处的环境数据。周晨飞基于Zigbee设计了猪舍智能环境采集系统，可通过电脑远程查看。李理等利用ZigBee设计环境传感系统，并通过中心服务器调节温湿度，给猪只提供适宜的温湿度成长环境。
通过硬件结合软件使得环境控制系统更稳定、高效。如谢秋菊等人以CC2430芯片为基础，设置了传感器终端节点、单舍控制节点以及ZigBee协同器，以进行更多传感器数据与计算设备的结合，从而能够将环境数据收集和传送到控制中心。沈忱等人以CC2530模块为硬件内核组成的无线通信技术节点，利用ZigBee无线通信技术实现传输，并以MSP430单片机作为内核处理单元处理数据，并控制外设元件来调控家禽畜舍内环境。牛海春等以TM32单片机为主控芯片，梁天航等人综合利用了ZigBee技术、PLC技术和传感技术全方位监测猪舍环境，将采集到的数据与系统参考数据比较判断后合理控制电气机构，对大型猪舍环境进行调控。

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