智能牛舍管理系統(tǒng)的研究

張小平，錢(qián)冠華，李長(zhǎng)武

智能牛舍管理系統(tǒng)的研究

張小平，錢(qián)冠華，李長(zhǎng)武

（黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化所，哈爾濱 150090）

智能牛舍管理系統(tǒng)主要應(yīng)用于大型規(guī)?；翀?chǎng)的牛舍運(yùn)行和管理，可有效提高牧場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效率、降低運(yùn)營(yíng)成本。該系統(tǒng)由上位管理平臺(tái)軟件、傳輸設(shè)備、終端控制器及執(zhí)行部分組成，形成了一個(gè)易于使用并可遠(yuǎn)程控制及訪問(wèn)的高效管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?yàn)槟膛I(yíng)造最佳的環(huán)境條件，最大限度提高奶牛的產(chǎn)奶量。

熱應(yīng)激；牛舍；溫濕度指數(shù)（THI）

1　系統(tǒng)概述及組成

該系統(tǒng)主要應(yīng)用規(guī)?；翀?chǎng)的牛舍運(yùn)行和管理，系統(tǒng)的使用可有效提高牧場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效率、降低運(yùn)營(yíng)成本。系統(tǒng)由上位管理平臺(tái)軟件、傳輸設(shè)備、終端控制器及執(zhí)行部分組成。該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?yàn)槟膛I(yíng)造一個(gè)最佳的環(huán)境條件，最大限度提高奶牛的產(chǎn)奶量。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

系統(tǒng)由中心管理部分、移動(dòng)終端和遠(yuǎn)程訪問(wèn)端、中繼站、牛舍終端等幾部分構(gòu)成，其中中心管理部分主要由一臺(tái)操作員工作站、一臺(tái)工程師站和三臺(tái)服務(wù)器組成，主要完成各個(gè)牛舍環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、整理、分析、歸檔等，根據(jù)分析處理結(jié)果生成控制指令對(duì)牛舍設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。中心控制部分的移動(dòng)終端服務(wù)器的功能是與智能移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，智能移動(dòng)終端可通過(guò)該服務(wù)器實(shí)時(shí)對(duì)所有牛舍內(nèi)的溫濕度環(huán)境及設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)與控制。中繼站是為了根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行配置，主要功能為接收和轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)。牛舍終端控制部分主要由終端控制器、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集儀表、傳感器和執(zhí)行器等組成，終端控制器負(fù)責(zé)所有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線或有線的方式發(fā)送至中心控制平臺(tái)，形成執(zhí)行命令再發(fā)送回終端控制器，最終由終端控制器控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2：

圖2　牛舍設(shè)施連接框圖Fig.2 Cowshed facilities connection

控制終端數(shù)據(jù)采集主要為溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、二氧化碳、氨氣和風(fēng)速風(fēng)向等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)傳感器將通過(guò)RS485總線或ModBus總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，終端控制器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后打包，通過(guò)無(wú)線或有線的方式發(fā)送至上位系統(tǒng)平臺(tái)，終端控制器控制的主要有水泵、風(fēng)機(jī)、噴淋、充氣墻和照明等，終端控制器將通過(guò)控制這些設(shè)備使牛舍內(nèi)的溫濕度達(dá)到一個(gè)良好的水平，為奶牛營(yíng)造一個(gè)舒適的環(huán)境。

2　應(yīng)激值計(jì)算

奶牛的產(chǎn)奶性能主要受環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)因素制約。因?yàn)闇貪穸冗^(guò)高會(huì)影響奶牛的采食量，所以溫?zé)岘h(huán)境是制約奶牛產(chǎn)奶量的主要因素，溫濕度指數(shù)（THI）作為溫?zé)岘h(huán)境的綜合指標(biāo)被廣泛用于評(píng)估奶牛熱應(yīng)激程度。根據(jù)研究，THI小于72時(shí)，奶牛不表現(xiàn)熱應(yīng)激癥狀。當(dāng)THI在72～79，奶牛表現(xiàn)出輕度熱應(yīng)激，此時(shí)采食量和產(chǎn)奶量開(kāi)始下降。當(dāng)THI在79～88，奶牛表現(xiàn)出中度熱應(yīng)激，此時(shí)采食量和產(chǎn)奶量急劇下降。當(dāng)THI在89～99，奶牛表現(xiàn)出嚴(yán)重?zé)釕?yīng)激，此時(shí)可致奶牛死亡。在熱應(yīng)激條件下，奶牛產(chǎn)奶量下降幅度在10%～40%［1］，為此，如何通過(guò)溫濕度指數(shù)（THI）來(lái)計(jì)算奶牛的應(yīng)激值，并通過(guò)這些數(shù)據(jù)控制牛舍內(nèi)的風(fēng)機(jī)、噴淋等設(shè)備來(lái)營(yíng)造一個(gè)最佳的環(huán)境條件是本項(xiàng)目的一個(gè)主要研究?jī)?nèi)容。

奶牛的熱應(yīng)激一般受到輻射、舍內(nèi)溫濕度、風(fēng)速、營(yíng)養(yǎng)水平以及奶牛的體表和呼吸道蒸發(fā)等多種因素的影響。

不同的溫度和濕度點(diǎn)的溫濕度指數(shù)根據(jù)下式計(jì)算：

其中td為華氏溫度，RH為相對(duì)濕度。

但考慮到華氏溫度在國(guó)內(nèi)不常使用，通過(guò)以下公式將其轉(zhuǎn)換到攝氏溫度。

代入，

本系統(tǒng)以溫濕度指數(shù)為主控參數(shù)，程序通過(guò)上述公式計(jì)算出奶牛的應(yīng)激值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制牛舍內(nèi)的風(fēng)機(jī)噴淋進(jìn)行降溫，在奶牛進(jìn)入輕度應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，風(fēng)機(jī)間隔開(kāi)啟降溫，開(kāi)啟10min，停止10min。在奶牛進(jìn)入中等應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，風(fēng)機(jī)全部開(kāi)啟，與噴淋進(jìn)行間隔循環(huán)運(yùn)行，即噴淋開(kāi)啟30s，噴淋完畢以后開(kāi)啟風(fēng)機(jī)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)開(kāi)啟3min，然后停止15min，15min過(guò)后繼續(xù)循環(huán)運(yùn)行，以上風(fēng)機(jī)與噴淋時(shí)間參數(shù)可以設(shè)定。在奶牛進(jìn)入到嚴(yán)重應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，首先系統(tǒng)提示報(bào)警，噴淋運(yùn)行30s，噴淋停止后開(kāi)啟風(fēng)機(jī)降溫，風(fēng)機(jī)運(yùn)行10min，風(fēng)機(jī)停止繼續(xù)開(kāi)啟噴淋，依次循環(huán)運(yùn)行。

3　終端控制器設(shè)計(jì)

牛舍終端控制器的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由中央處理單元、數(shù)據(jù)采集部分、GPRS網(wǎng)絡(luò)部分、近距離自動(dòng)組網(wǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)、時(shí)鐘、大容量存儲(chǔ)器、液晶、IO接口、模擬量接口等組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

圖3　牛舍終端控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Cowshed terminal controller structure diagram

牛舍終端控制器的主要功能是將牛舍內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，牛舍控制器將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行前預(yù)處理后打成數(shù)據(jù)包，通過(guò)無(wú)線或有線方式將數(shù)據(jù)包發(fā)送至中心控制室的系統(tǒng)管理平臺(tái)上，系統(tǒng)管理平臺(tái)再根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理形成執(zhí)行命令下發(fā)到終端控制器，終端控制器接收到執(zhí)行命令后控制牛舍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行降溫處理，最終達(dá)到控制牛舍環(huán)境的目的。

4　系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)平臺(tái)的建設(shè)是基于KingView為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)建設(shè)，以實(shí)現(xiàn)牧場(chǎng)牛舍高效、快速的信息化管理，平臺(tái)以模塊化方式建設(shè)，主要由以下幾個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析、生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表、工況診斷、故障報(bào)警、權(quán)限管理、WEB遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)、移動(dòng)終端訪問(wèn)、數(shù)據(jù)庫(kù)等。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：

圖4　系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.4 System platform architecture

5　結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是針對(duì)現(xiàn)代化大型奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)的牛舍環(huán)境控制進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)的一套自動(dòng)化環(huán)境管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以溫濕度指數(shù)（THI）為主控制參數(shù)，系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)提高牛奶產(chǎn)量具有重要的意義。

［1］薛白，王志勝.溫濕度指數(shù)與奶牛生產(chǎn)性能的關(guān)系［J］.中國(guó)畜牧獸醫(yī)，201O，37（03）：153.

Research on intelligent cowshed management system

ZHANGXiao-ping，QIANGuan-hua，LI Chang-wu
（Institute ofAutomation，HeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150090，China）

Intelligent cowshed management system is mainly used in large-scale operation and management of the ranch cowshed，and ranch operators can effectively improve the efficiency and reduce operating costs.The system consists of upper management platform software，transmission equipment，terminal controller and execute components，forming an efficient management system，which is easy to use and can be accessed by remote control. The application of the system is able to create the best environment for the cows，and increase milk production to a large extent.

Heat stress；Cowshed；Temperature and humidityindex（THI）

TP273

A

1674-8646（2015）04-0042-02