基于LabVIEW平臺(tái)的蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

白士寶，滕光輝，杜曉冬，杜欣怡

·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

基于LabVIEW平臺(tái)的蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

白士寶1,4，滕光輝1,2,3※，杜曉冬1,2,3，杜欣怡1,2,3

（1. 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；3. 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心，北京 100083；4. 青島大牧人機(jī)械股份有限公司，青島 266108）

蛋雞的環(huán)境舒適度是多種因素相互作用的結(jié)果，其狀況的好壞難以用數(shù)值來描述。該研究以蛋雞為主體，通過文獻(xiàn)資料確定影響蛋雞舍舒適度的各環(huán)境因素的閾值，利用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)各環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到蛋雞環(huán)境舒適評(píng)價(jià)結(jié)果，采用LabVIEW搭建蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，輸出實(shí)時(shí)的環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果，利用舒適度時(shí)間占比法對(duì)飼養(yǎng)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)室畜禽物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，選取黃山德青源種禽有限公司試驗(yàn)雞舍和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站試驗(yàn)雞舍作為系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)獲取節(jié)點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示：采用層次分析法得到冬季雞舍環(huán)境因素（溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳濃度和氨氣濃度）的權(quán)重集W冬={0.4286,0.1511,0.0495,0.2828,0.0879}，夏季為W夏= {0.4326,0.2418,0.1029,0.0813,0.1414}；與采用單一環(huán)境因素對(duì)舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)相比，系統(tǒng)能較全面的反映出舍內(nèi)的舒適程度；冬季黃山德青源種禽有限公司試驗(yàn)雞舍環(huán)境舒適度要好于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站試驗(yàn)雞舍。該研究為蛋雞舍內(nèi)綜合環(huán)境評(píng)價(jià)提供了一種新的方法，同時(shí)也為畜禽物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供了一種新的思路。

監(jiān)測(cè)；溫度；濕度；蛋雞舍；環(huán)境舒適度；LabVIEW；物聯(lián)網(wǎng)

白士寶，滕光輝，杜曉冬，杜欣怡. 基于LabVIEW平臺(tái)的蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(15)：237－244. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.030 http://www.tcsae.org

Bai Shibao, Teng Guanghui, Du Xiaodong, Du Xinyi. Design and implementation on real-time monitoring system of laying hens environmental comfort based on LabVIEW[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 237－244. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.030 http://www.tcsae.org

0 引 言

隨著畜禽養(yǎng)殖向規(guī)模化、密閉式發(fā)展，畜禽舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量已成為直接影響畜禽養(yǎng)殖健康、福利、持續(xù)發(fā)展的重要因素，也是影響畜禽產(chǎn)品對(duì)外貿(mào)易的直接因素[1]。蛋雞優(yōu)秀生產(chǎn)性能和繁殖性能的發(fā)揮離不開舒適的舍內(nèi)環(huán)境。安立龍研究指出，畜禽品種、環(huán)境、營養(yǎng)及防疫等因素共同決定了畜禽的生產(chǎn)力水平，其中30%～40%由畜禽所處的環(huán)境決定[2]。也有研究指出，環(huán)境對(duì)畜禽生產(chǎn)力的影響率可達(dá)到50%～90%[3]。

近幾年，以“感知”為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化逐步滲透到各行各業(yè)，包括畜禽業(yè)在內(nèi)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也十分迅猛，其中傳感器的使用大大促進(jìn)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[4]?；谛笄菸锫?lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)持續(xù)監(jiān)測(cè)大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、二氧化碳濃度、氨氣濃度等。在對(duì)舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確評(píng)價(jià)舍內(nèi)環(huán)境并改善其舒適度是目前面臨的難題[5]。蛋雞的舒適度是多種因素相互作用的結(jié)果，其狀況的好壞目前仍無法定量描述。蛋雞環(huán)境舒適度具有不絕對(duì)性和模糊性，因而模糊數(shù)學(xué)理論的觀點(diǎn)和方法適用于此類研究。模糊綜合評(píng)價(jià)是模糊數(shù)學(xué)理論的重要分支，是一種考慮多種含有模糊性的因素影響下對(duì)某事物而做出綜合評(píng)價(jià)的方法[6]。

因此，本研究采用模型方法將文獻(xiàn)知識(shí)、環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化和定量化，在畜禽物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，將蛋雞舍生產(chǎn)過程中的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、綜合分析，構(gòu)建蛋雞環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本研究為蛋雞舍內(nèi)綜合環(huán)境評(píng)價(jià)提供了一種新的方法，同時(shí)也為畜禽物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供了一種新的思路。

1 環(huán)境因素對(duì)蛋雞舒適度影響

本文以蛋雞的生產(chǎn)性能作為環(huán)境舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，認(rèn)為對(duì)蛋雞來說環(huán)境越舒適越有利于其生產(chǎn)性能的發(fā)揮。在此前提下調(diào)研各環(huán)境因素對(duì)蛋雞生產(chǎn)性能的影響，這些環(huán)境因素包括溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳、氨氣。

1.1 溫度對(duì)蛋雞生產(chǎn)的影響

高溫對(duì)蛋雞生產(chǎn)性能的影響程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低溫。蛋雞的等熱區(qū)范圍為13～23 ℃[7]。Long等[8]認(rèn)為13～21 ℃是適宜蛋雞生產(chǎn)的溫度范圍。Barott等[9]指出，在18～26 ℃范圍內(nèi)，蛋雞能夠維持自身產(chǎn)熱、散熱的平衡，即18～26 ℃為蛋雞感到舒適的溫度。Cerci等[10]認(rèn)為16～25 ℃為蛋雞適宜生長的環(huán)境溫度。Marsden等[11]研究表明蛋雞最適宜生產(chǎn)的環(huán)境溫度為21 ℃，當(dāng)溫度高于30 ℃時(shí)改變飼料的組成已不足以抵消溫度對(duì)蛋雞生產(chǎn)的影響。朱慶等[7]指出，當(dāng)環(huán)境溫度在21～25 ℃時(shí)，每升高1 ℃，雞群產(chǎn)蛋率降低0.5%；在25～30 ℃時(shí)，每升高1 ℃，雞群產(chǎn)蛋率降低1.5%；當(dāng)環(huán)境溫度超過30 ℃時(shí)，雞群產(chǎn)蛋率下降更為明顯。顧憲紅等[12-13]研究指出，當(dāng)環(huán)境溫度低于30 ℃時(shí)，蛋雞的采食量隨溫度升高呈下降趨勢(shì)，當(dāng)環(huán)境溫度超過30 ℃時(shí)，采食量急劇下降。通常而言，環(huán)境溫度在5～28 ℃即可滿足蛋雞生產(chǎn)需求，當(dāng)環(huán)境溫度低于5 ℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生冷應(yīng)激[14]。李煒[15]指出，冬季雞舍平均溫度以13～16 ℃為宜，維持在8 ℃以上也可獲得較好的產(chǎn)蛋水平。

1.2 濕度對(duì)蛋雞生產(chǎn)的影響

在生產(chǎn)中常用相對(duì)濕度來衡量畜禽舍內(nèi)的濕潤程度。濕度過高不利于畜禽機(jī)體散熱，濕度過低易產(chǎn)生粉塵，對(duì)畜禽健康產(chǎn)生不利影響[16]。李繼連等[17]指出，根據(jù)雞的生理需求，舍內(nèi)的相對(duì)濕度在50%～70%的范圍內(nèi)是比較適宜的。鐘翔等[18]指出雞只適宜的相對(duì)濕度為60%～65%，但相對(duì)濕度在40%～72%，甚至更高些，雞體也能適應(yīng)。濕度對(duì)蛋雞生產(chǎn)的影響與溫度有關(guān)。常玉等[19-20]指出在適宜溫度條件下，濕度對(duì)家禽的體溫調(diào)節(jié)影響不顯著。Payne[21]研究指出的最高的恒定溫度為：相對(duì)濕度75%時(shí)為28 ℃，相對(duì)濕度50%時(shí)為31 ℃，相對(duì)濕度30%時(shí)為33 ℃。高濕低溫環(huán)境易使雞體內(nèi)熱量散失，機(jī)體的新陳代謝不能正常進(jìn)行，抵抗力下降；高濕高溫對(duì)雞生產(chǎn)性能的影響尤為顯著，往往造成熱應(yīng)激或中暑，嚴(yán)重者造成死亡。

1.3 風(fēng)速對(duì)蛋雞生產(chǎn)的影響

通風(fēng)換氣是畜禽養(yǎng)殖過程中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)調(diào)節(jié)舍內(nèi)的溫度、濕度、有害氣體濃度等有顯著作用，還可使舍內(nèi)環(huán)境狀況趨于均勻一致。李保明等[22]研究指出，增加舍內(nèi)的風(fēng)速可降低畜禽的體感溫度，在夏季增加舍內(nèi)的風(fēng)速可提高雞群生產(chǎn)性能。王思珍等[23]研究指出，夏季舍內(nèi)氣流速度如能保持在0.5 m/s左右效果較好，開放式雞舍達(dá)到1.0～1.5 m/s較理想。王生雨[24]指出在2.5 ℃的雞舍內(nèi)，風(fēng)速由0.25 m/s增大到0.5 m/s，產(chǎn)蛋率由77%下降到65%，平均蛋重下降，料蛋比上升，而當(dāng)溫度波動(dòng)在26～35 ℃，氣流速度從0.1 m/s增大到0.3 m/s時(shí)，雞的采食量增加，蛋重增加；在冬季舍內(nèi)風(fēng)速保持在0.1～0.2 m/s為好，不宜超過0.25 m/s，夏季舍內(nèi)風(fēng)速保持在0.5 m/s以上效果好。

在規(guī)?；B(yǎng)殖過程中，舍內(nèi)的溫度、濕度和風(fēng)速相輔相成共同決定了蛋雞生產(chǎn)的熱環(huán)境。研究人員將溫度、濕度或者溫度、濕度和風(fēng)速結(jié)合，依據(jù)不同結(jié)合條件下家禽的某些生理指標(biāo)變化建立了不同的有效溫度模型。常見的有效溫度模型有溫濕指數(shù)（temperature humidity index, THI）、實(shí)感溫度（effect temperature, ET）、濕黑球指數(shù)（black globe temperature humidity index, BGTHI）等[25-29]。相對(duì)于單一的熱環(huán)境因素，這些模型可以較準(zhǔn)確反映雞只所處的環(huán)境的熱舒適程度。但此類模型大多為線性擬合模型，可能會(huì)限制模型的適用范圍[19]。

1.4 二氧化碳濃度對(duì)蛋雞生產(chǎn)的影響

鐘翔等[18]指出雞舍二氧化碳質(zhì)量濃度應(yīng)控制在5 000 mg/m3以內(nèi)。當(dāng)二氧化碳質(zhì)量濃度水平達(dá)到12 000 mg/m3時(shí)，家禽的生產(chǎn)性能會(huì)受到明顯影響[30-31]。密閉式雞舍，由于通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)作，夏季一般低于1 000 mg/m3，冬季為了保溫降低通風(fēng)設(shè)備的使用頻次，但舍內(nèi)的二氧化碳質(zhì)量濃度在4 000 mg/m3以內(nèi)。王生雨[24]指出雞舍內(nèi)的二氧化碳質(zhì)量濃度以不超過1 500 mg/m3為宜。

1.5 氨氣濃度對(duì)蛋雞生產(chǎn)的影響

氨氣被認(rèn)為是對(duì)家禽傷害最大的一種氣體。Kristensen等[32]研究指出在與0 mg/m3相比，當(dāng)氨氣質(zhì)量濃度達(dá)到25 mg/m3時(shí)，其對(duì)蛋雞的生產(chǎn)性能影響顯著，而氨氣質(zhì)量濃度達(dá)到45 mg/m3時(shí)，與25 mg/m3相比，其對(duì)蛋雞生產(chǎn)性能的影響不顯著。對(duì)于蛋雞來說，氨氣質(zhì)量濃度與產(chǎn)蛋量呈極顯著負(fù)相關(guān)，舍內(nèi)氨氣質(zhì)量濃度每升高1 mg/m3，產(chǎn)蛋率相應(yīng)降低0.81%[33]。張英[34]指出，雞舍內(nèi)的氨氣質(zhì)量濃度不應(yīng)超過15 mg/m3。一般雞舍內(nèi)的氨氣質(zhì)量濃度應(yīng)保持在20 mg/m3以下[35]。持續(xù)的低濃度氨氣也會(huì)使雞群出現(xiàn)生長發(fā)育不良、性成熟推遲、產(chǎn)蛋量減少和死亡率增多等問題。

2 蛋雞環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

由第一節(jié)中的討論分析可知，雞舍環(huán)境是一個(gè)多參數(shù)、模糊的系統(tǒng)。針對(duì)蛋雞的環(huán)境舒適評(píng)價(jià)非常復(fù)雜，主要體現(xiàn)在：環(huán)境因素包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、二氧化碳濃度、氨氣濃度等，各環(huán)境參數(shù)對(duì)舒適度的影響都是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的；而且舒適度本質(zhì)是一個(gè)模糊性很強(qiáng)的指標(biāo)，很難用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模型表示出來。因此，本系統(tǒng)利用模糊數(shù)學(xué)的思想對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，綜合得出環(huán)境舒適度的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.1 蛋雞環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)因素集選取

模型選取溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳濃度、氨氣濃度作為評(píng)價(jià)雞舍環(huán)境舒適度的因素，構(gòu)建如下蛋雞環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)因素集

式中，u1表示溫度，℃；u2表示相對(duì)濕度，%；u3表示風(fēng)速，m/s；u4表示二氧化碳濃度，mg/m3；u5表示氨氣濃度，mg/m3。

2.2 蛋雞環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)評(píng)語集構(gòu)建

按照第一節(jié)分析，參照洪學(xué)文人體熱環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)過程中評(píng)語集的構(gòu)建方法[36]，將環(huán)境舒適度劃分為3個(gè)等級(jí)，即：舒適、較舒適和不舒適。其中各因素所對(duì)應(yīng)的舒適等級(jí)的劃分如表1所示。構(gòu)建如下評(píng)語集

式中v1表示舒適，v2表示較舒適，v3表示不舒適。

表1 蛋雞各因素環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 1 Laying hens single factor environmental comfort evaluation index

2.3 各環(huán)境因素隸屬度函數(shù)確定

因素集和評(píng)語集確定以后，需要建立一個(gè)從因素集U至評(píng)語集V的模糊映射，即隸屬程度。隸屬度函數(shù)是模糊數(shù)學(xué)的基本思想，隸屬程度用隸屬函數(shù)表示，隸屬函數(shù)是對(duì)模糊概念的定量描述[37]。隸屬度函數(shù)的確立方法主要有模糊統(tǒng)計(jì)方法、指派方法和借用“客觀”尺度方法等。本系統(tǒng)模型采用指派方法構(gòu)建各因素的隸屬函數(shù)。

蛋雞環(huán)境舒適度是一個(gè)模糊的概念，環(huán)境分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也是模糊的，因此需要對(duì)表1中描述舒適程度的指標(biāo)界限值進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s放，來更好地利用指派方法對(duì)隸屬度函數(shù)進(jìn)行擬合。

通過上文分析各環(huán)境因素對(duì)蛋雞舒適度的影響特點(diǎn)可得，溫度、濕度、風(fēng)速適合采用梯形分布擬合，如圖1a，氨氣與二氧化碳濃度適合采用三角分布與梯形分布相結(jié)合的方式擬合[36]，如圖1b。

圖1 隸屬度函數(shù)圖Fig.1 Membership function graph

通過以上步驟計(jì)算可以得到影響環(huán)境因素評(píng)價(jià)的單因素綜合決斷陣R。

2.4 環(huán)境因素權(quán)重集構(gòu)建

因素的權(quán)重是指各指標(biāo)因素在整體評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要的程度。確定各環(huán)境因素的權(quán)重是蛋雞環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)的重點(diǎn)，各環(huán)境因素的權(quán)重分配直接影響到環(huán)境舒適度的評(píng)價(jià)結(jié)果。各環(huán)境因素的權(quán)重可視為與其相關(guān)模糊集合W={w1,w2,…,wn}，一般要求W的分量和為1。確定權(quán)重集常用的方法主要有層次分析法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)法等。其中，層次分析法作為一種簡(jiǎn)明有效的方法被廣泛使用[38]。

不同季節(jié)，管理人員對(duì)雞舍內(nèi)環(huán)境因素的關(guān)注重點(diǎn)各有側(cè)重。例如，在夏季，關(guān)注重點(diǎn)是舍內(nèi)溫度和濕度，由于通風(fēng)量大，舍內(nèi)的二氧化碳和氨氣易于排放，因此，對(duì)二氧化碳和氨氣的關(guān)注程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溫度和濕度；在冬季，為了保持舍內(nèi)的溫度，通風(fēng)方式一般采用最小通風(fēng)量模式，有些雞舍甚至不通風(fēng)，這種通風(fēng)方式不利于二氧化碳和氨氣的排放。因此，在冬季，對(duì)氧化碳和氨氣濃度的關(guān)注程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季?；诖?，采用層次分析法分別對(duì)夏季和冬季雞舍建立相應(yīng)的權(quán)重集。

層次分析法主要分為3個(gè)步驟。

第一步，明確問題，建立層次結(jié)構(gòu)；

如上文所述，本系統(tǒng)的目標(biāo)是對(duì)雞舍內(nèi)的環(huán)境舒適度進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，而影響評(píng)價(jià)的環(huán)境因素有溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳濃度、氨氣濃度等，最終的評(píng)價(jià)結(jié)果分為3類：舒適、較舒適和不舒適。因此，可以構(gòu)建如圖2中的層次結(jié)構(gòu)。

圖2 權(quán)重層次分析結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hierarchy of weight analysis

第二步，構(gòu)造判斷陣；

對(duì)于同一層次的各因素關(guān)于上一層中某一因素的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣。即把環(huán)境因素集U={u1,u2,u3,u4,u5}中任意2個(gè)對(duì)環(huán)境舒適度V的重要性進(jìn)行比較。采用9分度標(biāo)記法對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記。冬季環(huán)境因素指標(biāo)判斷陣見表2。

表2 冬季環(huán)境因素指標(biāo)判斷陣Table 2 Environment index judgement matrix in winter

第三步，權(quán)重計(jì)算及其一致性檢驗(yàn)；

在構(gòu)造判斷矩陣后，求出判斷矩陣最大的特征值λmax，利用它所對(duì)應(yīng)的特征方程A?W=λmax?W解出相應(yīng)的特征向量W，然后將特征向量歸一化即得到各因素的權(quán)重，A為判斷矩陣。特征向量W的近似計(jì)算方法常用和法或根法。本系統(tǒng)采用根法計(jì)算，計(jì)算方法見式4。

采用將判斷矩陣的各行向量進(jìn)行幾何平均，然后歸一化的方法計(jì)算各因素的權(quán)重。

式中wi表示歸一化后各因素的權(quán)重，(AW)i表示AW的第i個(gè)分量，CI為一致性指標(biāo)，n為因素的個(gè)數(shù)。為了度量不同階數(shù)判斷矩陣是否具有滿意的一致性，需要引入判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值，當(dāng)n=5時(shí)，RI=1.12。當(dāng)CR=CI/RI＜0.10時(shí)，即可認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性。

經(jīng)上述步驟后，得到冬季雞舍環(huán)境因素的權(quán)重集W冬= {0.4286,0.1511,0.0495,0.2828,0.0879}。

利用相同的方法可以得到夏季雞舍環(huán)境因素的權(quán)重集W夏={0.4326,0.2418,0.1029,0.0813,0.1414}。

2.5 環(huán)境舒適度綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

對(duì)權(quán)重集矩陣W和單因素綜合決斷陣R進(jìn)行合成運(yùn)算得到蛋雞環(huán)境舒適度綜合評(píng)判集B。

在進(jìn)行合成運(yùn)算時(shí)，選擇不同的模糊合成算子會(huì)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果產(chǎn)生影響。常見模糊合成算子主要有Zadeh算子、最大乘積算子和加權(quán)平均型算子。本研究選取加權(quán)平均型算子進(jìn)行合成運(yùn)算，如式（9）所示。式中wi與ri直接決定了bj的大小，每個(gè)因素對(duì)綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果都有一定的貢獻(xiàn)，其貢獻(xiàn)的大小由wi體現(xiàn)。

采用模糊分布法對(duì)蛋雞環(huán)境舒適度綜合評(píng)判集進(jìn)行歸一化處理，其中B′最大值所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)集元素作為評(píng)價(jià)結(jié)果輸出。

3 蛋雞舒適度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建

3.1 試驗(yàn)雞舍簡(jiǎn)介

本蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站的新型棲架離地散養(yǎng)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱上莊試驗(yàn)雞舍）與黃山德青源種禽有限公司父母代雞舍FD01（以下簡(jiǎn)稱德青源試驗(yàn)雞舍）中搭建。試驗(yàn)期間（2016年11月1日—2017年1月1日），上莊試驗(yàn)雞舍所飼養(yǎng)的蛋雞品種為“京紅1號(hào)”，采用機(jī)械通風(fēng)，在溫度低于設(shè)定值時(shí)采用天然氣供暖；德青源試驗(yàn)雞舍所飼養(yǎng)的蛋雞品種為海蘭褐父母代，環(huán)境調(diào)控采用全自動(dòng)控制系統(tǒng)。

3.2 蛋雞環(huán)境舒適度監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)

環(huán)境舒適度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器、交換機(jī)、遠(yuǎn)程服務(wù)器等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of real-time environmental comfort monitoring system for laying hens house

環(huán)境傳感器選擇如下：溫濕度傳感器（0～50 ℃，5%～95%，北京昆侖海岸傳感器有限公司）、二氧化碳傳感器（0～5 000×10-6，北京昆侖海岸有限公司）、風(fēng)速傳感器（0～10 m/s，意大利）氨氣傳感器（0～100×10-6，安帕爾公司）。數(shù)據(jù)采集卡選擇阿爾泰科技有限公司的DMA-3058AH數(shù)據(jù)采集卡。

3.3 蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)

蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)采用LabVIEW進(jìn)行編寫，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用MySQL 5.6.12 Community Server (GPL)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫連接程序采用LabVIEW Database Connectivity Toolkit編寫。

蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)主要包含環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與展示、實(shí)時(shí)環(huán)境舒適評(píng)價(jià)展示、當(dāng)日環(huán)境各舒適程度時(shí)占比計(jì)算與顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。其中，舒適程度時(shí)占比采用式（11）計(jì)算

式中i取舒適、較舒適和不舒適，εi為各舒適程度的時(shí)占比，T為監(jiān)測(cè)總時(shí)長，Ti為各舒適程度所占時(shí)長。

蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)程序框圖和界面分別如圖4與圖5所示。

圖4 蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)程序框圖Fig.4 Structure of real-time environmental comfort monitoring system for laying hens

圖5 軟件系統(tǒng)界面Fig.5 Software system interface

4 結(jié)果與分析

隨機(jī)選取10組冬季上莊試驗(yàn)雞舍的環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)驗(yàn)證。首先利用人工方式根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)舍內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，而后與系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示，系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果與人工評(píng)價(jià)相符率為80%。

表3 冬季蛋雞環(huán)境舒適度系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證Table 3 Evaluation of environmental comfort system for laying hens houses in winter

通過對(duì)比本系統(tǒng)2016年12月的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在冬季德青源試驗(yàn)雞舍中的環(huán)境舒適度要明顯好于上莊試驗(yàn)雞舍。采用舒適度時(shí)占比法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果為：德青源試驗(yàn)雞舍內(nèi)舒適時(shí)占比為78%，較舒適時(shí)占比為32%；上莊試驗(yàn)雞舍舒適時(shí)占比為32%，較舒適時(shí)占比為56%，不舒適占比為12%。這可能是因?yàn)樯锨f試驗(yàn)雞舍所在地為北京，屬大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，12月份正處冬季，所采用的控制策略為保溫為主，加之清糞不及時(shí)，因此導(dǎo)致室內(nèi)時(shí)常出現(xiàn)二氧化碳與氨氣濃度過高情況。德青源試驗(yàn)雞舍所在地為黃山，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季平均氣溫要高于北京，因此冬季在保證舍內(nèi)溫度的前提下，舍內(nèi)通風(fēng)量要大于北京上莊試驗(yàn)雞舍，因此舍內(nèi)的有害氣體濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上莊試驗(yàn)雞舍。評(píng)價(jià)結(jié)果也符合兩地飼養(yǎng)人員對(duì)舍內(nèi)環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)。

趙曉旭等[39-40]針對(duì)不同類型的雞舍，從舍內(nèi)環(huán)境關(guān)系的角度出發(fā)，提出了環(huán)境參數(shù)主成分線性加權(quán)綜合評(píng)估模型。不同飼養(yǎng)模式對(duì)舍內(nèi)的環(huán)境因素之間的關(guān)系有很大影響，這限制了模型的應(yīng)用范圍。與上述綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)相比，本文所提出的基于模糊數(shù)學(xué)理論的蛋雞環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)方法，不受飼養(yǎng)模式的影響，應(yīng)用范圍也會(huì)更加廣泛。

相對(duì)于其他環(huán)境因素，在夏季飼養(yǎng)人員多關(guān)注雞舍內(nèi)的熱環(huán)境。溫度、濕度和風(fēng)速共同決定了雞只所處的熱環(huán)境，其對(duì)雞只的熱舒適的影響是相輔相成的。有研究者將溫度、濕度甚至風(fēng)速相結(jié)合提出了有效溫度模型，如溫濕指數(shù)、溫濕風(fēng)指數(shù)[41]等，這些模型可以較準(zhǔn)確反映雞只所處的熱環(huán)境的舒適程度，但其研究的應(yīng)用范圍多為評(píng)價(jià)雞只所處環(huán)境熱應(yīng)激程度。因此，研究夏季蛋雞舍環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)算法中可先應(yīng)用有效溫度模型來評(píng)價(jià)舍內(nèi)的熱環(huán)境，再與其他環(huán)境因素結(jié)合，以此提高蛋雞環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)的可靠性。

環(huán)境因素在短時(shí)間內(nèi)變化的劇烈程度也會(huì)影響蛋雞環(huán)境舒適度，例如開啟濕簾時(shí)導(dǎo)致的溫度驟降?？剂凯h(huán)境因素變化對(duì)蛋雞環(huán)境舒適度的影響是進(jìn)一步研究的方向。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)蛋雞舍內(nèi)的環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

1）采用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法將影響蛋雞環(huán)境舒適度5種環(huán)境因素：溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳濃度、氨氣濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到當(dāng)前雞舍內(nèi)環(huán)境的舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果，避免了采用單一環(huán)境因素評(píng)價(jià)舍內(nèi)環(huán)境不準(zhǔn)確的弊端；采用層次分析法分別確定了冬季和夏季影響蛋雞舒適度的各環(huán)境指標(biāo)的權(quán)重，其中冬季溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳濃度、氨氣濃度對(duì)應(yīng)的權(quán)重集為W冬= {0.4286,0.1511,0.0495,0.2828,0.0879}，夏季為W夏= {0.4326,0.2418,0.1029,0.0813,0.1414}。

2）采用舒適度時(shí)占比法對(duì)雞舍連續(xù)時(shí)間內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，德青源試驗(yàn)雞舍2016年12月份舍內(nèi)環(huán)境舒適度要好于同期上莊試驗(yàn)雞舍。

3）采用LabVIEW平臺(tái)搭建了蛋雞舍環(huán)境舒適度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了蛋雞舍內(nèi)環(huán)境舒適度的實(shí)時(shí)分析，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

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Tao Xiuping. Effects of Temperature-Humidity-Velocity Conditions on the Sensitive Physiological and Biochemical Indices of Broilers[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2003. (in Chinese with English abstract)Abstract: Living in a comfortable environment during the period of egg production will enable laying hens to achieve their genetic potential. With the development of the poultry industry to larger scale, the air quality in laying house has become the most important factor affecting the health level and production performance of laying hens. Because of the complexity of environmental factors, such as temperature, relative humidity, wind speed, and concentration of CO2and NH3, it is difficult to describe the level of the environmental comfort quantitatively. In this study, the real-time system of monitoring environment comfort for laying hens was established by the following methods. Firstly, the comfort thresholds of temperature, relative humidity, wind speed, and concentration of CO2and NH3for laying hens were established respectively by investigating relevant references. The results showed that the temperatures for comfortable zone (CZ), less comfortable zone (LCZ) and uncomfortable zone (UZ) were 18-21 ℃, 13-18 or 21-26 ℃, and ＜5 ℃ or ＞30 ℃ respectively. As for the RH, the temperatures for these 3 zones were 60%-70%, 40%-60% or 70%-72%, and ＜40% or ＞72% respectively. The ranges of wind speed for CZ, LCZ and UZ in winter were 0.1-0.2 m/s, 0-0.1 or 0.2-0.25 m/s and ＞0.25 m/s respectively, and in summer were 0.5-1.5 m/s, 0.25-0.5 or 1.5-2.5 m/s and ＜0.25 or ＞2.5 m/s respectively. And the concentrations of CO2 for these 3 zones were ＜1 500, 1 500-4 000, and ＞4 000 mg/m3 respectively; the concentrations of NH3were ＜15, 15-20, and ＞25 mg/m3, respectively. Secondly, the theory of fuzzy comprehensive evaluation was used for data fusion of the environment factors, and AHP (analytic hierarchy process) was applied to determine the weight of the environment factors in winter and summer. The results showed that the weight set of temperature, relative humidity, wind speed, concentration of CO2and NH3in winter was 0.428 6, 0.151 1, 0.049 5, 0.282 8, and 0.087 9, respectively, and in summer was 0.432 6, 0.241 8, 0.102 9, 0.081 3, and 0.141 4, respectively. Thirdly, a real-time data collection and analysis system of laying house environment was built through the LabVIEW platform, and the real-time environmental comfort evaluation was presented in this system. Lastly, a new method named comfort time proportion method was developed to collect the statistic data of environmental comfort during feeding period. On the basis of the platform of Agricultural Internet constructed by Key Laboratory of Agriculture Engineering in Structure and Environment, Ministry of Agriculture, the laying houses in the Huangshan Deqingyuan Poultry company and in the Shangzhuang Experimental Station of China Agricultural University were selected as the environmental data acquisition node, and then the real-time monitoring system of environmental comfort for laying hens was tested and verified. Compared with the single environment factor, the system can reflect the environmental comfort of the house more comprehensively. And the environment comfort of the laying house in Deqingyuan was better than that in Shangzhuang Experimental Station in winter. The outcomes of this paper will be helpful for evaluating the environment comfort for laying hens.

Design and implementation on real-time monitoring system of laying hens environmental comfort based on LabVIEW

Bai Shibao1,4, Teng Guanghui1,2,3※, Du Xiaodong1,2,3, Du Xinyi1,2,3
(1. Key Lab of Agricultural Engineering in Structure and Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100083, China;
2. College of Water Conservancy and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 3. Beijing Engineering Research Center on Animal Healthy Environment, Beijing 100083, China; 4. Big Herdsman Machinery Co., LTD, Qingdao 266108, China)

monitoring; temperature; humidity; laying hens house; environmental comfort; LabVIEW; internet of things

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.030

S83

A

1002-6819(2017)-15-0237-08

2017-02-12

2017-07-06

“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0700204）

白士寶，男，山東濰坊人，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制與信息技術(shù)研究。青島 青島大牧人機(jī)械股份有限公司，266108。

Email：baishibao@cau.edu.cn

※通信作者：滕光輝，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施環(huán)境監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)應(yīng)用研究。北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，100083。

Email：futong@cau.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：滕光輝（E041100028S）