夏季牛舍智能式噴淋降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘要 針對(duì)夏季牧場(chǎng)牛舍內(nèi)溫度高、嚴(yán)重影響奶牛產(chǎn)奶量的現(xiàn)狀，結(jié)合奶牛的生理特性，在總結(jié)常規(guī)噴淋系統(tǒng)技術(shù)缺陷的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于超聲波感應(yīng)的智能控制式噴淋降溫系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)代牧業(yè)蚌埠牧場(chǎng)（五河）的實(shí)地使用，證明該系統(tǒng)性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，特別適用于各大中型牧場(chǎng)。

關(guān)鍵詞 奶牛;噴淋;降溫;智能控制;超聲波;設(shè)計(jì);應(yīng)用

中圖分類號(hào) S 823.4+6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2020）16-0209-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.16.059

Design and Application of Intelligent Cooling Control System with Sprinkler in Dairy Cowshed in Summer

CAI Yong

（ANRI Electric Co.， Ltd.， Chuzhou， Anhui 239000）

Abstract In view of the high temperature in the cowshed in summer， which seriously affects the milk yield of dairy cows， combined with the physiological characteristics of dairy cows， on the basis of summarizing the technical defects of the conventional spray system， an intelligent control spray cooling system based on ultrasonic induction was designed. Through the field application of Bengbu pasture （Wuhe） of modern farming， it was proved that the system was reliable in performance and stable in operation， especially suitable for large and medium-sized pastures.

Key words Dairy cow;Sprinkling;Cooling;Intelligent system;Ultrasonic;Design;Application

作者簡(jiǎn)介 蔡勇（1979—），男，江蘇大豐人，工程師，碩士，從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及電力自動(dòng)化研究。

收稿日期 2020-02-08

隨著全球變暖趨勢(shì)的日益嚴(yán)峻，夏季的溫度越來(lái)越高，研究表明，夏季高溫對(duì)奶牛的產(chǎn)奶量有很大的影響，夏季當(dāng)溫度達(dá)到18 ℃以上時(shí)奶牛就已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)生熱應(yīng)激現(xiàn)象[1]。熱應(yīng)激對(duì)奶牛危害極大，尤其對(duì)產(chǎn)奶量、乳指標(biāo)、繁殖性能以及奶牛的健康等都產(chǎn)生重要的影響[2-3]。

為了緩解熱應(yīng)激對(duì)奶牛的傷害，牧場(chǎng)通常會(huì)在牛舍內(nèi)增加水槽數(shù)量，讓牛加大飲水量，來(lái)降低奶牛體溫，或者在牛舍內(nèi)安裝風(fēng)扇以及在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)搭起遮陰棚，供奶牛納涼、休息等各種措施。但以上方法有很多弊端。首先，牛舍內(nèi)多加水槽是有利于奶牛增大飲水量，但同時(shí)也會(huì)給運(yùn)動(dòng)場(chǎng)水槽周圍造成無(wú)法收拾的糞尿泥糊。奶牛每天踩來(lái)踩去，不但肢蹄掛滿泥糊骯臟不堪，身體上也到處沾上糞尿泥糊，給奶牛的健康帶來(lái)極大的疾病隱患。其次，在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)搭建遮陰棚是可以給奶牛增加納涼的機(jī)會(huì)，但遮陰棚存在比較大的安全隱患，牛角可能會(huì)掛在編織網(wǎng)上，給牛帶來(lái)傷害，遮陰棚對(duì)于大中型牧場(chǎng)并不適用。

針對(duì)上述傳統(tǒng)方式的弊端，一些牧場(chǎng)會(huì)在擠奶廳門口及通道里增加自動(dòng)噴淋設(shè)備，通過(guò)設(shè)置在擠奶廳上方或兩側(cè)的感應(yīng)設(shè)備，實(shí)時(shí)檢測(cè)奶牛的進(jìn)出，定時(shí)定期進(jìn)行噴淋降溫，該方案在一定程度上可以緩解奶牛的熱應(yīng)激現(xiàn)象，但夏天是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，奶牛只是在擠奶時(shí)才會(huì)進(jìn)行噴淋降溫，大部分時(shí)間還是要在牛舍內(nèi)經(jīng)歷高溫的煎熬，因此，該方案并不能從根本上解決奶牛的熱應(yīng)激現(xiàn)象，對(duì)提升牛奶產(chǎn)量的影響比較有限[4-5]。同時(shí)，該方案中采用的感應(yīng)設(shè)備一般為光電傳感器，通常使用紅外感應(yīng)和可見(jiàn)光感應(yīng)2種模式，但該類傳感器有一個(gè)致命的缺陷，即對(duì)黑色不敏感或無(wú)反應(yīng)。牧場(chǎng)內(nèi)存在大量黑色或黑白相間的奶牛，這就導(dǎo)致該類噴淋系統(tǒng)的靈敏度不夠，自動(dòng)化程度不高。另外，還有一些牧場(chǎng)采用溫度傳感器方式，該類傳感器對(duì)溫度比較敏感，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤噴現(xiàn)象，造成大量水資源的浪費(fèi)[6]。

針對(duì)當(dāng)前這種生產(chǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合奶牛的生理特性，在總結(jié)各種噴淋技術(shù)方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于超聲波感應(yīng)的奶牛噴淋降溫系統(tǒng)，該套系統(tǒng)既可應(yīng)用于擠奶通道，也可應(yīng)用于牛舍內(nèi)（包括養(yǎng)豬場(chǎng)），通過(guò)超聲波感應(yīng)識(shí)別，動(dòng)態(tài)感知牛群位置，同時(shí)配合溫濕度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)智能噴淋[7]，真正做到“即來(lái)即噴，即走即停，奶牛們悠然自在”。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該控制系統(tǒng)主要由超聲波傳感器、溫濕度傳感器、控制電路、噴淋管路所構(gòu)成?？刂齐娐分饕蒑CU、繼電器、WIFI無(wú)線模塊、電源模塊和觸摸控制屏構(gòu)成。噴淋管路主要由電磁閥、水管、噴頭和安裝棚架所構(gòu)成。

從安裝位置來(lái)看，超聲波傳感器和溫濕度傳感器嵌入在噴淋管路中，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)奶牛所處的位置。

控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

2 控制模式

根據(jù)每個(gè)牧場(chǎng)牛舍的實(shí)際情況，先鋪裝噴淋管路，噴淋頭應(yīng)設(shè)置于奶牛的上方，所形成的扇形水珠應(yīng)沿著牛身方向，使一定大小的水珠均勻地直接噴淋在奶牛體上，水珠穿透牛毛，濕透牛體皮膚，然后在牧場(chǎng)中的風(fēng)扇風(fēng)力帶動(dòng)下通過(guò)體表蒸發(fā)，有效地帶走奶牛的熱量，降低體溫[8-9]。

噴淋管路鋪裝后，通過(guò)觸摸屏設(shè)置控制參數(shù)，觸摸屏與系統(tǒng)可通過(guò)無(wú)線ROLA方式連接，可設(shè)置的參數(shù)如下：

①傳感器檢測(cè)延時(shí)，傳感器檢測(cè)到信號(hào)并保持的時(shí)間主要用于信號(hào)防抖動(dòng);

②電磁閥工作時(shí)間，傳感器檢測(cè)到信號(hào)后，打開(kāi)電磁閥進(jìn)行噴灑的時(shí)間;

③電磁閥工作間隔，經(jīng)過(guò)一次電磁閥工作時(shí)間后，等待下一次電磁閥工作的時(shí)間間隔;

④系統(tǒng)工作溫度，噴淋系統(tǒng)正常工作溫度值，低于該溫度值，系統(tǒng)停止工作;

⑤系統(tǒng)工作濕度，噴淋系統(tǒng)正常工作濕度值，低于該濕度值，系統(tǒng)停止工作。

各個(gè)牧場(chǎng)可根據(jù)自身的實(shí)際情況，靈活設(shè)置上述控制參數(shù)，設(shè)計(jì)適合自身的控制模式。該研究以現(xiàn)代牧業(yè)蚌埠牧場(chǎng)的模式參數(shù)為例，

傳感器檢測(cè)延時(shí)0.2 s，電磁閥工作時(shí)間10 s，電磁閥工作間隔50 s，系統(tǒng)工作溫度20 ℃，系統(tǒng)工作濕度70%。

實(shí)際工作效果：當(dāng)奶牛進(jìn)入噴淋區(qū)域，傳感器經(jīng)過(guò)0.2 s 的檢測(cè)時(shí)間，判斷奶牛所處位置，打開(kāi)電磁閥開(kāi)始噴灑，如果此時(shí)奶牛離開(kāi)噴淋區(qū)域，關(guān)閉電磁閥停止噴灑，否則持續(xù)噴灑10 s后停止;如果此時(shí)奶牛仍未離開(kāi)該噴淋區(qū)域，經(jīng)過(guò)50 s后繼續(xù)打開(kāi)電磁閥進(jìn)行噴灑。

該控制模式的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了奶牛即來(lái)即噴、即走即停的智能控制，并根據(jù)奶牛自身的噴淋需求，設(shè)置合理的噴淋時(shí)間，防止水資源的浪費(fèi)。

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 MCU處理器

該噴淋系統(tǒng)MCU處理器選用國(guó)產(chǎn)芯片（兆易創(chuàng)新）GD32F103ZET6，LQFP144封裝，支持3 MB FLASH、96KB SRAM、2KB ISP loader ROM，采用0.11 μm工藝，工作頻率最大可增頻至108 MHz。該MCU處理器是該控制系統(tǒng)的大腦。如圖1所示，MCU通過(guò)邏輯電路連接傳感器，對(duì)傳感器輸入輸出信號(hào)進(jìn)行判斷和控制;通過(guò)TTL方式連接WIFI模塊，實(shí)現(xiàn)與觸摸控制屏（PC）的無(wú)線連接，進(jìn)行噴淋參數(shù)的設(shè)置和存儲(chǔ);MCU會(huì)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)和采集的傳感器信號(hào)進(jìn)行噴淋邏輯的判斷處理，并通過(guò)輸出邏輯控制電路驅(qū)動(dòng)出口繼電器，控制供水電磁閥的關(guān)斷。

3.2 超聲波傳感器

該噴淋系統(tǒng)采用滁州安瑞電力自動(dòng)化有限公司自主研發(fā)的超聲波傳感器，該傳感器特點(diǎn)包括測(cè)量過(guò)程不受物體顏色、透明度、光澤度和環(huán)境光的影響;盲區(qū)小，檢測(cè)范圍更大;具有溫度補(bǔ)償功能，不受環(huán)境溫度影響，抗干擾能力強(qiáng)[10]。

在現(xiàn)代牧業(yè)蚌埠牧場(chǎng)前期測(cè)試時(shí)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的超聲波傳感器為開(kāi)關(guān)量輸出方式，在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果2個(gè)傳感器相距在2 m以內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生相互干擾[11]，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化要求。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研發(fā)設(shè)計(jì)，將傳感器的工作方式修改為脈寬調(diào)制PWM方式，同時(shí)修改處理方法是由MCU主動(dòng)發(fā)起超聲波探測(cè)請(qǐng)求，在80 ms以內(nèi)獲取檢測(cè)結(jié)果。1個(gè)MCU最多可同時(shí)控制4個(gè)超聲波傳感器，輪次探測(cè)，1個(gè)探測(cè)周期最多控制在320 ms以內(nèi)。該方式徹底解決超聲波相互干擾問(wèn)題，完美實(shí)現(xiàn)牧場(chǎng)奶牛的探測(cè)精準(zhǔn)度要求。

3.3 溫濕度傳感器

該噴淋系統(tǒng)采用的是SHT20傳感器模塊，采集的溫度誤差±0.3 ℃，濕度誤差±3%。MCU通過(guò)RS485控制電路定時(shí)獲取溫濕度數(shù)據(jù)，并與設(shè)置值進(jìn)行比較，對(duì)噴淋功能進(jìn)行投退控制。

3.4 無(wú)線模塊

該噴淋系統(tǒng)采用SX1278 LORA無(wú)線模塊，433 MHz頻段，最大發(fā)射功率約30 dBm（約1 W），具有定點(diǎn)數(shù)據(jù)、透明傳輸和空中喚醒功能，接收靈敏度高達(dá)-130 dBm，傳輸距離最大可達(dá)8 000 m。與MCU連接方式見(jiàn)圖2。通過(guò)該無(wú)線模塊，工作人員可以在牧場(chǎng)的任意地方（距離在8 km以內(nèi)），通過(guò)觸摸控制屏（或PC）查看各噴淋系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并可以實(shí)時(shí)修改相關(guān)參數(shù)。

3.5 出口繼電器

該噴淋系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)宏發(fā)繼電器，考慮到電磁閥瞬間關(guān)斷時(shí)的電弧效應(yīng)，選用的繼電器觸點(diǎn)容量為12 A，并在電路設(shè)計(jì)中考慮滅弧的措施，確保關(guān)斷時(shí)不受干擾。MCU通過(guò)光耦隔離方式控制出口繼電器線圈，控制電源設(shè)計(jì)為5 V。

3.6 噴淋管路

噴淋管路的鋪設(shè)要切合牧場(chǎng)的實(shí)際情況，不同的牧場(chǎng)需要采取不同的鋪設(shè)方式。該研究?jī)H以現(xiàn)代牧業(yè)蚌埠牧場(chǎng)的情況為例，簡(jiǎn)單介紹一下該牧場(chǎng)的噴淋管路設(shè)計(jì)。

蚌埠牧場(chǎng)的噴淋系統(tǒng)應(yīng)用在牛舍內(nèi)部，在設(shè)計(jì)噴淋管路時(shí)，充分考慮了奶牛的生活習(xí)性和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)置了專門的噴淋棚架，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)計(jì)的棚架可同時(shí)接納2頭奶牛進(jìn)入噴淋區(qū)域，前后都可以進(jìn)出，單側(cè)進(jìn)出的門設(shè)計(jì)寬度為845 mm、高度為2 000 mm，兩側(cè)經(jīng)鍍鋅圓管隔離，奶牛在進(jìn)入單側(cè)時(shí)既不會(huì)感到擁擠，也不會(huì)同時(shí)涌入2頭以上奶牛，確保奶牛們能夠依次進(jìn)入噴淋區(qū)域。超聲波傳感器安裝于鍍鋅水管中間，水管兩側(cè)分別安裝噴淋頭，當(dāng)奶牛進(jìn)入到達(dá)中部時(shí)，超聲波傳感器在一定延時(shí)后將信號(hào)反饋給MCU，MCU經(jīng)過(guò)邏輯判斷后，操作繼電器出口，打開(kāi)供水電磁閥，噴淋開(kāi)始工作，當(dāng)奶牛走出區(qū)域后，超聲波同樣把檢測(cè)信號(hào)反饋給MCU，MCU通過(guò)操作繼電器出口，關(guān)閉供水電磁閥，噴淋停止工作。

該噴淋管路安裝于牛舍內(nèi)部，奶牛們?cè)谛菹r(shí)，可隨時(shí)可以進(jìn)行噴淋降溫。在實(shí)地觀察發(fā)現(xiàn)，奶牛們性格溫順，智商喜人，都可依次進(jìn)入噴淋區(qū)域進(jìn)行噴淋降溫，不想噴淋時(shí)也會(huì)走出噴淋區(qū)域，供其他奶牛進(jìn)入。現(xiàn)場(chǎng)也會(huì)出現(xiàn)部分奶牛賴著不走的情況，但由于在控制模式中設(shè)置電磁閥工作間隔50 s，此時(shí)在其他奶牛的催促下，這些奶牛也會(huì)走出噴淋區(qū)域，從而保證了絕大部分奶牛都能享受噴淋降溫的服務(wù)。

4 結(jié)論

該控制系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)代牧業(yè)蚌埠牧場(chǎng)正式使用，對(duì)牧場(chǎng)內(nèi)各種顏色的奶牛都有良好的使用體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了牛舍環(huán)境的智能聯(lián)動(dòng)，達(dá)到精準(zhǔn)噴淋、有效提高噴淋降溫效果。實(shí)踐證明，該智能噴淋系統(tǒng)帶來(lái)了生態(tài)節(jié)水和效益雙提升，比傳統(tǒng)噴淋系統(tǒng)節(jié)水50%以上，節(jié)水減排效果顯著。相比過(guò)去，奶牛進(jìn)食量提升了17%左右，繁殖率提高約32%以上，產(chǎn)奶量提高20%以上，大大提升了牧場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

該智能噴淋系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)施簡(jiǎn)便易行，易于操作，特別適合各類大中型牧場(chǎng)推廣使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉高生，盧升云.高溫對(duì)奶牛產(chǎn)奶量的影響及應(yīng)對(duì)措施[J].動(dòng)物科學(xué)與動(dòng)物醫(yī)學(xué)，2004，21（6）：25-27.

[2] 丁永前，許大好，丁為民，等.夏季奶牛室通風(fēng)噴淋降溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（23）：6203-6204，6206.

[3] 李振，秦四海.夏季熱應(yīng)激對(duì)奶牛的危害[J].中國(guó)動(dòng)物保健，2004（6）：35-36.

[4] 陳志偉.奶牛熱應(yīng)激與營(yíng)養(yǎng)調(diào)控研究進(jìn)展[J].中國(guó)奶牛，2004（3）：23-25.

[5] 崔淘氣.奶牛與熱應(yīng)激[J].中國(guó)奶牛，2003（6）：28-29.

[6] 姚焰礎(chǔ)，江山，肖融，等.熱應(yīng)激對(duì)荷斯坦奶牛體溫和呼吸的影響[J].中國(guó)畜牧雜志， 2012，48（11）：59-62，75.

[7] 張家發(fā)，吳健，毛濤濤，等.開(kāi)放式奶牛舍噴淋降溫系統(tǒng)噴淋組合方案的優(yōu)化[J].中國(guó)奶牛， 2014（22）：34-37.

[8] 劉海林，高帥，段洪峰，等.噴淋降溫對(duì)荷斯坦奶?？篃釕?yīng)激的研究[J].家畜生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，34（1）：44-46，59.

[9] 金鑫，劉凱，朱樹(shù)群，等.噴霧吹風(fēng)和淋水吹風(fēng)對(duì)奶牛熱應(yīng)激的影響[J].中國(guó)奶牛，2008（12）：25-27.

[10] 趙廣濤，程蔭杭.基于超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006（1）：129-130.

[11] 高友.振弦式傳感器測(cè)量過(guò)程中干擾問(wèn)題的解決[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（2）：54-55.