基于WSN的集中通風(fēng)式分娩豬舍環(huán)境參數(shù)時空分布特性

曾志雄，余喬東，易子騏，呂恩利※，董 冰

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2. 南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642）

0 引 言

畜禽養(yǎng)殖行業(yè)呈現(xiàn)規(guī)?；⒓s化、工業(yè)化的發(fā)展趨勢[1]，動物的生產(chǎn)效率得到較大的提高，密集的養(yǎng)殖環(huán)境對畜禽的健康提出了新的要求[2]。在豬場養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，環(huán)境調(diào)控對豬只的生長與繁育具有至關(guān)重要的作用[3]，溫度、相對濕度、氨氣濃度、硫化氫濃度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)對豬只的正常生長產(chǎn)生影響。良好的養(yǎng)殖環(huán)境是動物福利化的基本要求[4]，有助于提升豬只抵抗能力，充分發(fā)揮生產(chǎn)潛能，可進一步提高豬場的生產(chǎn)效益[5]。

國內(nèi)外學(xué)者在畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測、分布特性、通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、環(huán)境調(diào)控等方面開展了深入研究。在國外，Seo等[6]建立了一個完整的商業(yè)豬舍模型來研究寒季舍內(nèi)的通風(fēng)問題。Heyden等[7]總結(jié)了空氣洗滌器和生物過濾器的新技術(shù)，及其在減少豬和其他家禽養(yǎng)殖環(huán)境污染氣體排放中的應(yīng)用前景。Michiels等[8]調(diào)查了田間條件下空氣中的顆粒物和氨氣，對豬的生產(chǎn)性能、肺部病變和豬肺炎分枝桿菌存在的長期共同影響。Ni等[9]設(shè)計了一個豬舍變頻風(fēng)機的直接連續(xù)通風(fēng)測量系統(tǒng)，并驗證了其性能。在國內(nèi)，謝秋菊等[10]基于不同季節(jié)氣候特點，制定了密閉式豬舍多環(huán)境因子調(diào)控策略。王悅等[11]研究了北京一典型規(guī)?；半u養(yǎng)殖舍在冬季條件下的氨氣和顆粒物排放特性。陳熔等[12]基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一套畜禽舍環(huán)境控制系統(tǒng)。高云等[13]基于WSN對一現(xiàn)代化樓房豬舍多環(huán)境因子進行了監(jiān)測，分析了溫?zé)岷陀泻怏w的差異性。WSN作為一種高效穩(wěn)定的環(huán)境監(jiān)測手段，被廣泛應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖和溫室環(huán)境監(jiān)控[14-21]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對集中通風(fēng)式分娩舍的研究較少。本研究利用無線多源多點監(jiān)測系統(tǒng)[22-24]，對集中通風(fēng)式分娩母豬舍進行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測試驗，并針對分娩舍環(huán)境參數(shù)時空分布特性進行了總結(jié)與分析，為集中通風(fēng)式豬舍環(huán)境調(diào)控及優(yōu)化提供參考。

1 WSN系統(tǒng)組成架構(gòu)與工作原理

豬舍環(huán)境無線多源多點遠程監(jiān)測系統(tǒng)作為一個軟硬件信息平臺可獨立應(yīng)用于豬舍內(nèi)[25]。組成系統(tǒng)包含各類型環(huán)境參數(shù)傳感器、ZigBee模塊、遠程數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit, DTU）、云服務(wù)器和網(wǎng)頁端。系統(tǒng)的整體框架包括：畜禽環(huán)境感知層、無線傳輸服務(wù)層、多客戶端應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System structure

畜禽環(huán)境感知層的各類型環(huán)境參數(shù)傳感器與 ZigBee模塊構(gòu)成系統(tǒng)，各節(jié)點內(nèi)搭載多種類型傳感器用于畜禽環(huán)境檢測，單個搭配的傳感器可監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)包括溫度（℃）、相對濕度（%）、二氧化碳（CO2）濃度、氨氣（NH3）濃度等。一個主節(jié)點最多可與254臺從節(jié)點進行搭配，組網(wǎng)后單點覆蓋面積達到 100 m2。節(jié)點的供電模塊選用容量為10 000 mA·h的12 V可充電式鋰電池，一次充電可供節(jié)點設(shè)備持續(xù)工作170 h。節(jié)點所選配的傳感器類型、型號、量程、分辨率及精度范圍信息如表 1所示。

表1 傳感器參數(shù)表Table 1 Sensor parameter table

用于試驗的節(jié)點如圖1中環(huán)境感知層的主從節(jié)點所示，包含ZigBee從節(jié)點及ZigBee主節(jié)點2種設(shè)備類型[26]。多個從節(jié)點通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)按設(shè)定時間間隔（10 min/次）傳輸給主節(jié)點。

系統(tǒng)的最底層主節(jié)點接收到多組從節(jié)點數(shù)據(jù)后，內(nèi)部處理單元將數(shù)據(jù)進行幀格式打包，使數(shù)據(jù)按照指定HTTP報文格式上傳至DTU，DTU通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器。

無線傳輸服務(wù)層獲取完各節(jié)點數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)保存至云服務(wù)器，利用網(wǎng)頁將數(shù)據(jù)可視化顯示出來，應(yīng)用層的環(huán)境信息監(jiān)測界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)監(jiān)測界面Fig.2 Data monitoring interface of the system webpage

2 試驗材料與方法

2.1 分娩母豬舍通風(fēng)模式與節(jié)點布置

分娩母豬舍整體尺寸為長 32.6 m、寬 5.8 m、高2.8 m。分娩舍單元內(nèi)設(shè)置2列豬只限位欄（尾對尾），每列可容納18頭母豬，舍內(nèi)中間為通道。該試驗舍共有分娩母豬36頭，仔豬 396頭，仔豬日齡 8～14 d。將分娩舍內(nèi)監(jiān)測區(qū)域詳細劃分為母豬豬頭上部區(qū)域（H=90 cm，H（Height）表示節(jié)點放置的水平高度）、仔豬上部區(qū)域（H=50 cm）、豬尾區(qū)域（H=35 cm）及舍外區(qū)域（H=100 cm），分別掛設(shè)16、18、8、2臺從節(jié)點設(shè)備，設(shè)置每10 min采集一次數(shù)據(jù)。試驗分娩舍的橫斷面圖、平面圖、通風(fēng)形式-剖面圖以及節(jié)點布置如圖3所示。

圖3 分娩舍布局及節(jié)點布置Fig.3 Layout of delivery pigsty and node layout

如圖 3所示，分娩舍采用地溝管道送風(fēng)、中央排風(fēng)的集中通風(fēng)模式。側(cè)墻的大功率風(fēng)機進行負壓抽風(fēng)，舍外的新鮮空氣先通過濕簾，再流經(jīng)地溝的送風(fēng)管道進入舍內(nèi)，新鮮空氣送向豬頭呼吸區(qū)域，后與豬群區(qū)域傳熱傳質(zhì)后被強制抽出舍外。

該舍通風(fēng)模式的通風(fēng)量調(diào)控模式，如式（1）所示。試驗期間系統(tǒng)設(shè)定舍內(nèi)目標(biāo)溫度為21 ℃，舍內(nèi)最大通風(fēng)量為Wmax（該吉夏季時Wmax=24 300 m3/h），在風(fēng)機作用下可調(diào)整范圍是20%～100%。當(dāng)舍內(nèi)溫度小于21 ℃時，通風(fēng)量設(shè)定為最大通風(fēng)量的20%，當(dāng)舍內(nèi)溫度大于27 ℃時，通風(fēng)量設(shè)定為最大通風(fēng)量。

式中T為溫度，℃；W為通風(fēng)量，m3/h。

2.2 統(tǒng)計分析方法

試驗取樣時間為8月15日10時至8月17日10時，取樣頻率為每10 min一次。將在48 h內(nèi)4個區(qū)域里采集得到的溫度、相對濕度、NH3濃度及 CO2濃度數(shù)據(jù)取平均，導(dǎo)入Excel繪制曲線圖。

取8月16日完整24 h周期，針對在不同區(qū)域、不同時間段（4個時間段：00:00－06:00、06:00－12:00、12:00－18:00和 18:00－00:00）下的環(huán)境參數(shù)，求出標(biāo)準(zhǔn)差σ、平均數(shù)和變異系數(shù)（CV，Coefficient of Variation）；并用SPSS軟件進行單因素方差分析。

引入溫濕度指數(shù)（Temperature-humidity Index, THI）對舍內(nèi)的熱環(huán)境狀況進行分析。THI對應(yīng)生豬熱應(yīng)激狀態(tài)一般分為4個區(qū)間：當(dāng)THI≤75時，無熱應(yīng)激；當(dāng)75＜THI≤78時，為中等熱應(yīng)激；當(dāng) 78＜THI≤83時，為嚴(yán)重?zé)釕?yīng)激；當(dāng) THI＞83時，為極端嚴(yán)重?zé)釕?yīng)激[27]。本研究的THI計算方式采用加拿大學(xué)者Bohmanova總結(jié)并推薦的方法[28]，該方法已被許多研究人員應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖濕熱環(huán)境的分析當(dāng)中[29-32]，具體見式（2）。

式中RH為相對濕度，%。

引入不均勻系數(shù)[33]，進一步對分娩舍舍內(nèi)的溫度場、相對濕度場以及氣體濃度分布進行評價（不均勻系數(shù)值越小，分布越均勻）。不均勻系數(shù)采用式（3）表示：

式中ti取第i個測點的24h平均數(shù)值（分別代入溫度（℃）、相對濕度（%）、NH3濃度（mg/m3）以及CO2濃度（mg/m3））；n為個測點數(shù)量。

2.3 環(huán)境參考指標(biāo)

根據(jù)國標(biāo)《規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理：GB/T17824.3-2008》，查找分娩舍內(nèi)空氣溫度和相對濕度的舒適范圍，高、低臨界值，以及氨氣（NH3）和二氧化碳（CO2）濃度的指標(biāo)要求，如表2所示。

表2 分娩舍環(huán)境參數(shù)指標(biāo)Table 2 Delivery pigsty environmental parameter index

3 環(huán)境參數(shù)分布特性

3.1 時間分布特性

不同區(qū)域下環(huán)境參數(shù)的時間分布規(guī)律，如圖4所示。分娩舍的環(huán)境參數(shù)變化在2個24 h周期內(nèi)具有相似的規(guī)律，故后續(xù)取一個24 h周期進行討論分析。

以母豬豬頭區(qū)域上部即布置高度為90 cm的2列節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)為對象，比較分析各個時間段內(nèi)監(jiān)測得到的溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度的時間分布規(guī)律以及差異性，結(jié)果如表3所示。結(jié)合圖4，可以得出溫度變化情況：母豬呼吸區(qū)域一天4個時間段內(nèi)的平均溫度從高到低排列的順序為12:00－18:00、06:00－12:00、18:00－00:00、00:00－06:00，平均溫度控制在臨界值范圍內(nèi)，并在12:00左右達到峰值（24.91℃）。在圖4a中，該區(qū)域平均溫度明顯高于室外平均溫度。4個時間段內(nèi)變異系數(shù)最大的是06:00－12:00，為2.06%，該時間段內(nèi)早晨至正午的溫差較大，對舍內(nèi)溫度造成影響。

相對濕度變化規(guī)律：因為溫度升高，室外環(huán)境相對濕度降低，總體上相對濕度與溫度變化呈現(xiàn)負相關(guān)，但是由于舍內(nèi)進行降溫，濕簾開始工作，在 12:00－18:00這個時間段內(nèi)，母豬呼吸區(qū)域等舍內(nèi)區(qū)域的相對濕度對比舍外環(huán)境相對濕度有較大的差異；在18:00左右該區(qū)域的平均相對濕度達到了峰值（82.31%），超過了臨界值（80%）。

NH3濃度變化規(guī)律：在各個時間段內(nèi)母豬呼吸區(qū)域NH3平均濃度遠小于指標(biāo)值（20 mg/m3），總體變化平穩(wěn)，4個時間段的變異系數(shù)差別不大。NH3濃度在下午14:30左右達到了峰值（1.13 mg/m3）。

圖4 分娩舍各區(qū)域4種環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律Fig.4 Four environmental parameter curves of each area in delivery pigsty

表3 4個時間段內(nèi)90 cm高度平面的環(huán)境參數(shù)測量和結(jié)果Table 3 Environmental parameter measurement and results of 90 cm height plane in four time periods

CO2濃度變化規(guī)律：在0:00－06:00時間段的CO2平均濃度比其他 3個時間段的平均濃度要低，該階段的平均溫度也是處于較低的水平，原因是夜晚溫度降低，豬只的活動也相應(yīng)減少，呼吸減緩，CO2的產(chǎn)生減少。最大的變異系數(shù)在 06:00－12:00的時間段，為 4.50%。CO2平均濃度在17:00左右達到了峰值（2 087.95 mg/m3）。

在SPSS中依據(jù)4個時間段進行單因素方差分析，顯著性水平選取P=0.05，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式進行展示，如表3所示?？梢钥闯觯?個時間段之間的溫度變化具有顯著性差異，其中時間段 00:00－06:00和 12:00－00:00分別與其他時間段之間的差異極顯著；相對濕度和 CO2濃度變化在時間段12:00－18:00和18:00－00:00之間無顯著差異，而分別與其他2個時間段差異極顯著；NH3濃度變化只有時間段12:00－18:00與其他時間段差異極顯著。

3.2 空間分布特性

比較分析24 h內(nèi)舍內(nèi)節(jié)點高度分別布置為90、50和35 cm 3個區(qū)域監(jiān)測得到的溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度的分布規(guī)律以及差異性，并將舍外測得的數(shù)據(jù)加入進行對比分析，結(jié)果如表4示。

根據(jù)表 4所呈現(xiàn)的結(jié)果，得出空間序列的溫度變化規(guī)律：舍內(nèi) 3個區(qū)域之間具有顯著性差異，H=35 cm區(qū)域的平均溫度最高（24.26 ℃）且最為穩(wěn)定（CV=2.14%）。最高峰值平均溫度（24.91 ℃）出現(xiàn)在H=90 cm區(qū)域。舍外溫度因為晝夜溫差大而有最大的變異系數(shù)（CV=2.14%）。

表4 不同區(qū)域里各環(huán)境參數(shù)環(huán)境參數(shù)測量和結(jié)果Table 4 Environmental parameter measurement and results in different areas

空間序列的相對濕度變化規(guī)律：H=90 cm區(qū)域和H=35 cm區(qū)域趨于一致，無顯著差異。舍內(nèi)3個區(qū)域出現(xiàn)的相對濕度峰值均超過高臨界值（80%）。

空間序列的NH3濃度變化規(guī)律：舍內(nèi)3個區(qū)域之間的差異極顯著。舍舍內(nèi)檢測到的 NH3濃度遠低于指標(biāo)值（20 mg/m3），說明該舍的通風(fēng)系統(tǒng)能及時將有害氣體排出。豬尾部H=35 cm區(qū)域的平均NH3濃度最高（2.44 mg/m3）。

空間序列的CO2濃度變化規(guī)律：與NH3相同，舍內(nèi)3個區(qū)域之間的差異極顯著。豬尾部H=35 cm區(qū)域檢測到的CO2平均濃度最高（2 253.24 mg/m3），母豬呼吸區(qū)域的平均CO2濃度也處在一個較高的水平（1 869.81 mg/m3）。

以試驗分娩舍90 cm高度平面的母豬呼吸區(qū)域作為研究對象，基于時間分布特性，取該區(qū)域各環(huán)境參數(shù)在24 h內(nèi)峰值時間點的采樣數(shù)據(jù)，分析試驗分娩舍同一高度平面的環(huán)境分布差異性，為環(huán)境控制優(yōu)化提供參考。

圖4中90 cm高度平面內(nèi)的溫度、相對濕度、NH3濃度及CO2濃度峰值時間點依次出現(xiàn)在12:00、18:00、14:30及17:00前后。選取這4個時間點在所有母豬區(qū)域采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行繪圖分析，利用Matlab繪制各環(huán)境參數(shù)的三維（舍長、舍寬、數(shù)值）曲面及二維（舍長、舍寬）平面分布云圖，從多角度圖像信息中獲取試驗分娩舍在國標(biāo)檢測平面內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的空間分布特性，如圖5所示。

溫度分布特點：如圖5a、圖5b所示，高溫區(qū)集中于分娩舍中部區(qū)域，舍內(nèi)四周溫度相對中部區(qū)域要低。

相對濕度分布特點：如圖5c、圖5d所示，結(jié)合圖3，因為負壓形成氣流積聚效應(yīng)，中央排風(fēng)口下部區(qū)域的平均相對濕度最高，在該區(qū)域的左側(cè)則趨于平均，右側(cè)邊墻區(qū)域最低。

NH3濃度分布特點：如圖5e、圖5f所示，結(jié)合圖3，空間分布規(guī)律整體上呈現(xiàn)出邊角高、中間低。兩側(cè)邊角積聚現(xiàn)象顯著。

CO2濃度分布特點：如圖5g、圖5h所示，結(jié)合圖3，CO2濃度呈高低相間的規(guī)律，遠離中央排風(fēng)口一側(cè)出現(xiàn)積聚，豬舍中部和中央排風(fēng)口下方濃度也較高。根據(jù) NH3及CO2這2類有害氣體的空間分布情況，得出該豬舍內(nèi)有害氣體多積聚于建筑墻體及邊角區(qū)域。

3.3 環(huán)境參數(shù)分布均勻性

選用24 h的環(huán)境參數(shù)平均值，通過式（5）可得，該分娩舍的溫度場均勻性系數(shù)為0.378，相對濕度場均勻性系數(shù)為1.033，溫度場均勻性比濕度場的較好。NH3濃度均勻性系數(shù)為14.587，CO2濃度均勻性系數(shù)為5.663，NH3濃度的波動明顯比CO2濃度大。

3.4 熱應(yīng)激分析

舍內(nèi)各區(qū)域THI的變化曲線如圖6，該通風(fēng)模式對舍內(nèi)THI能夠進行有效控制，48小時內(nèi)各區(qū)域的THI值基本不超過75，舍內(nèi)平均的峰值為75.30，進入中等熱應(yīng)激狀態(tài)。各曲線變化趨于一致，H=35 cm區(qū)域的曲線明顯比舍內(nèi)其他區(qū)域和舍內(nèi)總平均值的曲線要高。在 12:00－18:00時間段內(nèi)各曲線都處于一個較高的水平。結(jié)合圖 4可知此時間段也正是舍內(nèi)溫度和相對濕度較高的時候。

圖5 不同時間點分娩舍90 cm高度平面各環(huán)境參數(shù)分布三維曲面圖和云圖Fig.5 Different environmental parameters three dimensional surface diagram and cloud map of 90 cm height plane at different time points in the farrowing house

圖6 分娩舍內(nèi)各區(qū)域THI曲線圖Fig.6 THI curves of each area in farrowing house

4 結(jié) 論

針對集中通風(fēng)式豬舍，利用無線多源多點遠程監(jiān)測系統(tǒng)，對舍內(nèi)多種環(huán)境參數(shù)進行了監(jiān)測。分析了舍內(nèi)THI的變化，并以舍內(nèi)外不同區(qū)域采集到的溫度、相對濕度、NH3濃度和 CO2濃度作為研究對象，分別進行時間、空間序列分布特性分析，主要得出以下結(jié)論：

1）分娩舍時間變化特性表明，豬舍內(nèi)各區(qū)域溫度能被控制在高臨界以下，且4個時間段之間的溫度具有顯著差異。總體上相對濕度與溫度變化呈現(xiàn)負相關(guān)性。NH3濃度在各個時間按段內(nèi)都控制在一個較低的水平。在試驗的時間和空間范圍內(nèi) CO2的濃度都處于一個較高的水平。

2）分娩舍空間分布特性表明，H=90 cm和H=35 cm在相對濕度上不能做出顯著區(qū)分，溫度、NH3濃度和CO2的濃度則在舍內(nèi)不同區(qū)域有極顯著的差異。在指定高度平面內(nèi)（H=90 cm），溫度分布表現(xiàn)為中間高，四周低。相對濕度為左側(cè)區(qū)域則趨于平均，最右側(cè)邊墻區(qū)域最低。NH3及CO2會在豬舍建筑墻體的邊角區(qū)域積聚。

3）環(huán)境參數(shù)分布均勻性結(jié)果表明，溫度場均勻性比濕度場好，NH3濃度分布均勻性比CO2濃度差。

4）熱應(yīng)激分析結(jié)果說明該豬舍能夠使THI處于一個較低的水平，降低了豬只產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)的概率。

本研究利用無線多源多點遠程監(jiān)測系統(tǒng)，針對集中通風(fēng)式分娩舍開展了試驗測試，分析了豬舍舍內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的時空分布特性以及THI的變化，對進一步優(yōu)化設(shè)計豬舍通風(fēng)結(jié)構(gòu)和環(huán)控模式具有一定意義。