北方寒地封閉奶牛舍環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策

王小婷 韓靜 滕達(dá) 郭思可 趙佳佳

摘 要 奶牛生長(zhǎng)環(huán)境直接影響奶牛的生長(zhǎng)情況和產(chǎn)奶質(zhì)量。隨著黑龍江省奶牛產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，在奶牛飼養(yǎng)和養(yǎng)殖的過(guò)程中，大多數(shù)奶牛的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程都是在奶牛舍內(nèi)完成。為了促進(jìn)奶牛生長(zhǎng)，提高產(chǎn)奶質(zhì)量，就要改善奶牛生長(zhǎng)的環(huán)境條件。因此，針對(duì)北方寒地規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)環(huán)境問(wèn)題，分析介紹了環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并總結(jié)我國(guó)目前環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的主要問(wèn)題，針對(duì)存在問(wèn)題提出相應(yīng)發(fā)展對(duì)策。

關(guān)鍵詞 奶牛舍;環(huán)境監(jiān)測(cè);研究現(xiàn)狀;存在問(wèn)題;發(fā)展對(duì)策

黑龍江省是我國(guó)的農(nóng)業(yè)大省，畜牧業(yè)是該省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。黑龍江省是我國(guó)奶牛養(yǎng)殖大省，同時(shí)也是全國(guó)乳制品產(chǎn)量大省，截止到2018年，全省奶牛存欄105萬(wàn)頭余，年生鮮乳產(chǎn)量456萬(wàn)噸[1]。在我國(guó)畜禽養(yǎng)殖發(fā)展的過(guò)程中，傳統(tǒng)的散戶養(yǎng)殖場(chǎng)由于環(huán)境條件差被逐漸淘汰，畜禽養(yǎng)殖集約化程度不斷提高，畜禽養(yǎng)殖戶的生產(chǎn)效益和生產(chǎn)水平得到顯著提升[2]。因此，規(guī)?；膛?chǎng)的舍內(nèi)環(huán)境控制成為我國(guó)在奶牛養(yǎng)殖過(guò)程亟待解決的問(wèn)題。黑龍江省地處我國(guó)北部，冬季室外溫度極低，做好奶牛舍內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)，才能提高奶牛舍飼養(yǎng)管理水平和生產(chǎn)質(zhì)量[3]。

北方寒地大型集約化奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)奶牛舍多為封閉式，影響奶牛生長(zhǎng)的環(huán)境因子主要包括溫度、濕度、有害氣體濃度、通風(fēng)速率、光照、微生物等。在傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)中，溫濕度的獲取主要是通過(guò)人工記錄溫濕度傳感器上顯示的數(shù)據(jù)，再通過(guò)與國(guó)標(biāo)認(rèn)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，來(lái)調(diào)控牛舍內(nèi)相關(guān)環(huán)境參數(shù)。采用這種方式，不僅耗費(fèi)了大量的人力，又難以保證對(duì)奶牛舍環(huán)境因素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且舍內(nèi)氨氣濃度的數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確度難以保證。

1 環(huán)境參數(shù)對(duì)奶牛健康生長(zhǎng)的影響

黑龍江省地處我國(guó)北部，冬季室外氣溫較低，由于實(shí)際生產(chǎn)的需要，奶牛舍養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多為封閉式，且冬季需要控制舍內(nèi)門窗的開關(guān)時(shí)長(zhǎng)，一般舍內(nèi)的通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)不易過(guò)長(zhǎng)，這就導(dǎo)致舍內(nèi)外空氣流動(dòng)性難以保證，會(huì)造成相關(guān)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)超標(biāo)，直接影響畜禽抵抗疾病的能力。在北方寒地奶牛舍中，溫濕度以及有害氣體是影響奶牛生產(chǎn)性能的重要因素。

1.1 溫度對(duì)奶牛養(yǎng)殖的影響

奶牛產(chǎn)奶的適宜溫度為12.4～24.4 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)25 ℃時(shí)，奶牛的產(chǎn)奶量會(huì)減少25%，當(dāng)出現(xiàn)極端高溫即溫度超過(guò)35 ℃時(shí)，奶牛的產(chǎn)奶量將會(huì)減少50%，溫度過(guò)高不利于奶牛的正常產(chǎn)奶[4]。

奶牛耐寒怕熱，在夏季溫度過(guò)高時(shí)，容易產(chǎn)生熱應(yīng)激，奶牛進(jìn)食量會(huì)減少，牛奶產(chǎn)量會(huì)下降，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致奶牛生殖系統(tǒng)受損，公牛精子質(zhì)量降低，母牛受孕率下降，繁殖性能受到影響[5]。在冬季氣溫較低時(shí)，寒冷的環(huán)境會(huì)刺激奶牛的食欲，奶牛會(huì)通過(guò)增加進(jìn)食量來(lái)維持體溫，但是自身的消化率會(huì)降低，對(duì)奶牛生長(zhǎng)造成不利影響，導(dǎo)致奶牛免疫力下降，發(fā)病率增加[6]。

1.2 濕度對(duì)奶牛養(yǎng)殖的影響

在奶牛的養(yǎng)殖生產(chǎn)中，濕度是非常重要的環(huán)境影響因子。研究表明，奶牛適宜生長(zhǎng)的環(huán)境相對(duì)濕度為50%～70%[7]。當(dāng)牛舍內(nèi)溫度低、濕度高時(shí)，奶牛的體溫調(diào)節(jié)會(huì)出現(xiàn)異常，奶牛會(huì)因?yàn)楦械胶涠捏w內(nèi)的大量水分，并通過(guò)飲水補(bǔ)充體內(nèi)缺失的水分，從而導(dǎo)致進(jìn)食量降低，造成自身體重下降、營(yíng)養(yǎng)不良，抵抗疾病的能力下降[8]。研究表明，當(dāng)奶牛舍環(huán)境溫度超過(guò)25 ℃，濕度超過(guò)70%時(shí)，奶牛會(huì)出現(xiàn)精神不佳、食欲不振的情況，食入的飼料營(yíng)養(yǎng)不能滿足產(chǎn)奶的需求，造成產(chǎn)奶量大大降低。

1.3 有害氣體對(duì)奶牛養(yǎng)殖的影響

北方地區(qū)冬季寒冷，幾乎所有的規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場(chǎng)的牛舍都是封閉的，牛舍內(nèi)會(huì)因?yàn)闊o(wú)法調(diào)節(jié)空氣而濕度增高，同時(shí)舍內(nèi)有害氣體的濃度也會(huì)增加。牛舍中的有害氣體主要包括氨氣、二氧化碳、硫化氫、甲烷、一氧化碳等[9]。

在北方密閉式奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)中，冬季由于室外溫度較低，為了保證舍內(nèi)的溫度，通風(fēng)時(shí)間不易過(guò)長(zhǎng)，氨氣在舍內(nèi)大量積蓄，會(huì)造成氨氣濃度超標(biāo)[10]。氨氣極易溶于水，會(huì)對(duì)動(dòng)物皮膚、眼睛、呼吸器官的黏膜造成危害。研究表明，奶牛在高濃度氨氣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)會(huì)感染疫病，如高熱病、呼吸道疾病、牛萎縮性鼻炎等[11]。

牛舍中的二氧化碳主要來(lái)自于牛的呼吸。二氧化碳本是無(wú)毒氣體，在封閉環(huán)境的牛舍中，容易導(dǎo)致牛出現(xiàn)缺氧癥狀。奶牛在高濃度二氧化碳環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致牛的身體代謝和能量代謝減緩，造成呼吸困難、食欲不振的現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致奶牛窒息死亡[12]。

牛是一種反芻動(dòng)物，牛瘤胃中的微生物或前胃發(fā)酵，無(wú)論動(dòng)物吃了什么，都會(huì)產(chǎn)生甲烷，噴射到空氣中。甲烷是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)比二氧化碳強(qiáng)21倍，更易危害到奶牛的養(yǎng)殖生產(chǎn)[13]。

2 無(wú)線傳輸國(guó)內(nèi)外研究狀況

2.1 無(wú)線傳輸國(guó)外研究狀況

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，國(guó)外畜禽養(yǎng)殖業(yè)逐漸向規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化和集約化方向發(fā)展，率先掌握了奶牛的飼養(yǎng)方式和飼養(yǎng)技術(shù)，并且對(duì)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究[14]。如日本東京大學(xué)研究出了一款以微型計(jì)算機(jī)為控制中心的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，綜合控制溫室內(nèi)多種環(huán)境因子，為接下來(lái)的環(huán)境綜合監(jiān)控技術(shù)提供了方向。以色列在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中提出，根據(jù)環(huán)境因子的特點(diǎn)，通過(guò)不同類型的傳感器，對(duì)環(huán)境中溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)控。

Huircán等[15]提出，利用Zigbee無(wú)線通信，建立基于WSN的無(wú)線局域網(wǎng)通訊技術(shù)，對(duì)牧區(qū)的牛群通過(guò)定位實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，將RVI值應(yīng)用于鏈路質(zhì)量指示（LQI）進(jìn)行距離預(yù)測(cè)，采用比值向量迭代法（RVI）對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)。此研究實(shí)現(xiàn)了低成本、低消耗且定位準(zhǔn)確。Ma等人[16]基于CAN總線對(duì)豬舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，利用GPRS技術(shù)和遺傳算法建立了豬生長(zhǎng)環(huán)境智能控制系統(tǒng)。Nadimi等[17]利用Zigbee和WSN無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）基于多層感知器（MLP）將監(jiān)測(cè)到的行為參數(shù)轉(zhuǎn)化為動(dòng)物的行為模式，對(duì)動(dòng)物的行為分成5種進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。Fournel等[18]構(gòu)建基于PLF傳感器的畜牧管理系統(tǒng)，利用無(wú)線傳感器技術(shù)，監(jiān)測(cè)動(dòng)物的體溫、心率、體重以及環(huán)境溫濕度等，改善了密閉式畜禽精準(zhǔn)飼養(yǎng)中存在的問(wèn)題。

2.2 無(wú)線傳輸國(guó)內(nèi)研究狀況

隨著黑龍江省奶牛產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，相關(guān)學(xué)者開始研究利用信息技術(shù)和現(xiàn)代化手段對(duì)畜禽的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控和管理，從而有效地控制疾病的發(fā)生和傳播，減少因畜禽疾病造成的生產(chǎn)損失。

叢希等[19]研究了基于無(wú)線傳感器Zigbee網(wǎng)絡(luò)的雞舍環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用DSU 1115-0601芯片連接各無(wú)線傳感器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊的組網(wǎng)，通過(guò)分布式結(jié)構(gòu)采集環(huán)境中的溫度、濕度、光照度以及硫化氫、二氧化碳和氨氣含量，上位機(jī)軟件采用VB編程可以實(shí)現(xiàn)，以解決大面積畜禽舍各環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)顯示以及歷史查詢的功能。

曾成等[20]為實(shí)現(xiàn)牛舍內(nèi)的溫濕度恒定、氣體濃度適宜，研究了一款基于ARM嵌入式和WIFI無(wú)線傳輸?shù)倪h(yuǎn)程牛舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，其中傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)AT89S52處理器發(fā)送至上位機(jī)軟件，監(jiān)控端對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后進(jìn)行環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)。

冷康民等[21]以ZigBee網(wǎng)絡(luò)搭建了奶牛養(yǎng)殖內(nèi)部環(huán)境溫濕度和氨氣濃度參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，利用LabVIEW軟件通過(guò)對(duì)環(huán)境參數(shù)的分析和處理，設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)控制和自適應(yīng)優(yōu)化控制相結(jié)合的奶牛場(chǎng)環(huán)境控制模式，建立環(huán)境參數(shù)和每日產(chǎn)奶量相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)自動(dòng)篩選產(chǎn)奶量最高一天的環(huán)境參數(shù)作為控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的目標(biāo)，進(jìn)而不斷提高奶牛場(chǎng)產(chǎn)奶量。

劉冠廷等[22]建立了基于無(wú)線傳感器技術(shù)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，對(duì)豬舍環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度、氨氣濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，構(gòu)建了適用于畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖的環(huán)境參數(shù)多點(diǎn)采集系統(tǒng)，并且建立了組網(wǎng)模型。

3 環(huán)境預(yù)警模型國(guó)內(nèi)外研究狀況

3.1 環(huán)境預(yù)警模型國(guó)外研究狀況

Seoa等[23]針對(duì)冬季豬舍內(nèi)的通風(fēng)問(wèn)題，對(duì)豬舍的溫度、通風(fēng)系統(tǒng)建立CFD模型進(jìn)行仿真，此模型計(jì)算出的豬舍內(nèi)空氣溫度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量值相比較僅有0.044的誤差，可以通過(guò)該模型對(duì)不同季節(jié)豬舍的通風(fēng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。Saraz等[24]在具有正壓或者自認(rèn)通風(fēng)的畜禽養(yǎng)殖舍內(nèi)比較不同氨氣排放測(cè)定的方法，對(duì)開放式畜禽舍的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行分析，研究表明采用基于質(zhì)量平衡和被動(dòng)擴(kuò)散采樣的方法，可以實(shí)現(xiàn)開放式畜禽舍的氨氣濃度測(cè)定。Christian等[25]對(duì)畜禽舍溫度、濕度、二氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每隔1 h對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用舍內(nèi)氣候評(píng)估的環(huán)境模擬方法，有效緩解畜禽的應(yīng)激反應(yīng)，降低動(dòng)物發(fā)病率。

3.2 環(huán)境預(yù)警模型國(guó)內(nèi)研究狀況

宣傳忠等[26]針對(duì)北方寒地分娩豬舍，利用T-S型自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制算法，建立豬舍小氣候環(huán)境的溫度預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)舍內(nèi)環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，使舍內(nèi)溫度、相對(duì)濕度和氨氣濃度保持在設(shè)定的適宜范圍內(nèi)。高玉賢等[27]通過(guò)對(duì)比反饋前饋線性化解耦和PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種算法，針對(duì)夏季溫室內(nèi)溫濕度之間非線性和強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，利用Matlab仿真表明，反饋前饋線性化解耦需要依賴于被控對(duì)象建立的數(shù)學(xué)模型，相比較神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有容錯(cuò)能力，因此PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)溫室環(huán)境預(yù)測(cè)更具優(yōu)勢(shì)。謝秋菊等[28]通過(guò)比較分析L-M算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種算法預(yù)測(cè)豬舍內(nèi)氨氣濃度，結(jié)果表明基于L-M的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法預(yù)測(cè)值與實(shí)際值誤差最小。楊亮等[29]利用EMD（經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）-LSTM（長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）對(duì)豬舍未來(lái) 1 h氨氣濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際采集數(shù)據(jù)作平均絕對(duì)誤差、平均絕對(duì)百分誤差和均方根誤差，結(jié)果表明此模型誤差小于其他模型預(yù)測(cè)結(jié)果。

4 我國(guó)畜禽環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)存在問(wèn)題

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，我國(guó)在畜禽環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)方面有很大進(jìn)步，當(dāng)前的環(huán)境監(jiān)測(cè)和調(diào)控基本可以滿足生產(chǎn)要求，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距。我國(guó)畜禽環(huán)境監(jiān)測(cè)主要存在以下4點(diǎn)問(wèn)題。1）一部分小型奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)畜禽環(huán)境的調(diào)控依靠養(yǎng)殖人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，不能及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，缺少科學(xué)的理論和相關(guān)的數(shù)據(jù)支持。2）目前采用無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)畜禽舍環(huán)境監(jiān)測(cè)，由于舍內(nèi)面積大，單一采集點(diǎn)不能準(zhǔn)確代表整體舍內(nèi)環(huán)境的數(shù)值。3）影響畜禽生長(zhǎng)的環(huán)境因子眾多，奶牛舍環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要難點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境多因子同時(shí)監(jiān)測(cè)以及奶牛個(gè)體周圍小氣候監(jiān)控。4）在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，由于多種環(huán)境參數(shù)相互作用、相互耦合，根據(jù)單一環(huán)境參數(shù)對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行判斷所得的結(jié)果并不準(zhǔn)確，環(huán)境預(yù)測(cè)效果難以達(dá)到理想狀態(tài)。

5 促進(jìn)我國(guó)畜禽環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的對(duì)策

1）加強(qiáng)養(yǎng)殖戶與養(yǎng)殖專家之間的交流溝通，為奶牛舍環(huán)境監(jiān)測(cè)和調(diào)控提供相應(yīng)的理論依據(jù)和科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。2）利用無(wú)限傳感器技術(shù)和無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)畜禽舍環(huán)境進(jìn)行多采集點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的多點(diǎn)遠(yuǎn)距離通訊。3）根據(jù)舍內(nèi)畜禽的分布和舍內(nèi)建筑特點(diǎn)，提出舍內(nèi)環(huán)境具體檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)參數(shù)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案。4）利用環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置采集到的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)畜禽多環(huán)境因子進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)畜禽生長(zhǎng)環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行分析。

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（責(zé)任編輯：趙中正）