蛋雞舍環(huán)境因素監(jiān)測與溫濕指數(shù)評價

葉永輝

（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300）

近年來，我國禽蛋行業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，2020年禽蛋產(chǎn)量為3 468萬t，占世界產(chǎn)量的42.8%，居世界第一位［1］。為追求產(chǎn)量，現(xiàn)行蛋雞養(yǎng)殖模式普遍具有集約化、養(yǎng)殖密度大的特點，導(dǎo)致蛋雞處于較為不適的環(huán)境中。雞舍內(nèi)環(huán)境是否適宜將直接影響蛋雞產(chǎn)蛋性能，因此，提供舒適的環(huán)境是保證蛋雞產(chǎn)蛋性能充分發(fā)揮的重要條件。故蛋雞舍的環(huán)境監(jiān)控對于蛋雞養(yǎng)殖高效高產(chǎn)、健康安全具有重要的現(xiàn)實意義。

本文針對新疆某封閉式蛋雞舍應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，通過繼電器對舍內(nèi)設(shè)備進(jìn)行控制，并將數(shù)據(jù)傳送至云平臺，由云平臺存儲數(shù)據(jù)，從而保證蛋雞健康，提升產(chǎn)蛋率，減少發(fā)病率和疾病的傳播。并用溫濕指數(shù)（temperature?humidity index，THI）對雞舍環(huán)境進(jìn)行評價，以期為蛋雞舍的環(huán)境控制提供參考。

1 總體方案設(shè)計

1.1 環(huán)境因素對蛋雞的影響成年蛋雞生產(chǎn)性能的最佳環(huán)境溫度為19～22 ℃［2］，高于或低于此溫度范圍需要進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。高溫會導(dǎo)致熱應(yīng)激，導(dǎo)致生產(chǎn)性能下降，血液化學(xué)改變和死亡率增加。低溫會導(dǎo)致雞只增加采食以保證體溫恒定，減少用于生產(chǎn)的物質(zhì)能量，導(dǎo)致產(chǎn)蛋率下降［3-4］。

蛋雞集約化生產(chǎn)中不可避免地會產(chǎn)生氨氣和硫化氫等有害氣體。研究表明，長期暴露于高濃度氨氣中，會導(dǎo)致雞體重降低，死亡率提高［5］，雞氣管細(xì)胞壞死，并影響胸肌的脂肪含量和肉質(zhì)［6］。硫化氫對雞類的生長速度、飼料效率、肉類品質(zhì)和疾病的易感性有不利影響［7］，高濃度的硫化氫還會損害神經(jīng)、呼吸和心血管系統(tǒng)。二氧化碳對雞沒有毒性，但環(huán)境中過高濃度二氧化碳導(dǎo)致氧氣濃度降低，導(dǎo)致雞只缺氧，影響生產(chǎn)性能。同時，二氧化碳濃度也可表明舍內(nèi)通風(fēng)狀況和空氣污濁程度，故二氧化碳濃度可以作為監(jiān)測空氣污染程度的可靠指標(biāo)［8］。

光是調(diào)節(jié)雞只生理和行為過程，并引導(dǎo)激素和免疫細(xì)胞晝夜節(jié)律的最重要的外源因素之一［7］，其中光周期控制是家禽生產(chǎn)中光管理最突出的方面。

綜上，本文選取溫濕度、光照、氨氣、硫化氫和二氧化碳濃度等因素進(jìn)行監(jiān)測。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計本文所設(shè)計的蛋雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3個部分。感知層主要包括各種環(huán)境參數(shù)傳感器、控制模塊和繼電器?？刂颇K通過傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集以及通過繼電器來對舍內(nèi)設(shè)備進(jìn)行控制。傳感器分別采集蛋雞舍內(nèi)的溫濕度、光強(qiáng)度、有害氣體濃度等數(shù)據(jù)。由于舍內(nèi)設(shè)備連接強(qiáng)電，故通過控制模塊控制直流繼電器，再通過直流繼電器控制交流接觸器來達(dá)到控制舍內(nèi)設(shè)備的目的。網(wǎng)絡(luò)層包括網(wǎng)絡(luò)模塊，一方面將控制模塊采集的數(shù)據(jù)上傳至云平臺，另一方面將應(yīng)用層下發(fā)的命令傳輸至感知層。應(yīng)用層部署在云平臺，可以存儲并顯示采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，并可以下發(fā)控制指令，控制雞舍內(nèi)風(fēng)機(jī)，水簾和電燈的開關(guān)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

2.1 控制模塊控制模塊的主要功能是實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的實時采集和控制風(fēng)機(jī)、水簾、電燈等設(shè)備的開關(guān)。本文選用裝有Linux系統(tǒng)的樹莓派4B（Raspberry Pi 4 Model B）作為控制模塊，它是一款基于ARM的微型電腦主板，使用TF卡進(jìn)行存儲，功能較為完備。

2.2 傳感器選型傳感器用來實現(xiàn)溫濕度，光照強(qiáng)度以及有害氣體濃度等環(huán)境參數(shù)的采集。本文采用SHT35型溫濕度傳感器、ME3-NH3型氨氣傳感器、MHZ14B型二氧化碳傳感器、ME3-H2S型硫化氫傳感器以及GY-30型光強(qiáng)度傳感器等作為蛋雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的感知單元。

本文采用SHT35溫濕度傳感器監(jiān)測溫濕度，該傳感器具有直接輸出數(shù)字、精度較高（溫度精確至±0.1 ℃，濕度精確至±1.5%）、功耗較低等特點。

氨氣濃度監(jiān)測采用ME3-NH3型氨氣傳感器。該傳感器廣泛用于工業(yè)及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通過檢測氨氣在傳感器中發(fā)生氧化還原反應(yīng)后形成的電流來判斷氨氣濃度，是一種具有較高精度和靈敏度的電化學(xué)傳感器（見圖2）。

圖2 ME3-NH3氨氣傳感器電路

硫化氫濃度監(jiān)測使用ME3-H2S型硫化氫傳感器，該傳感器為電化學(xué)傳感器，通過硫化氫和氧氣在傳感器中發(fā)生氧化還原反應(yīng)并形成電流，通過測試電流判斷硫化氫含量高低，具有低功耗、高精度、抗干擾、重復(fù)性和穩(wěn)定性較好的特點。

本文監(jiān)測二氧化碳濃度采用MH-Z14B型二氧化碳?xì)怏w傳感器。該傳感器為非色散紅外（Non-Dispersive In?fraRed，NDIR）氣體傳感器，通過測量光源到達(dá)傳感器紅外光強(qiáng)度來獲取二氧化碳濃度，具有高靈敏、穩(wěn)定性強(qiáng)、壽命長、成本低等特點。

本文監(jiān)測光照強(qiáng)度采用GY-30光強(qiáng)度采集模塊，模塊內(nèi)置電平轉(zhuǎn)換，可直接通過IIC接口輸出光強(qiáng)度數(shù)值，方便使用。

3 軟件設(shè)計

3.1 環(huán)境信息監(jiān)測控制模塊從各種傳感器處獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，并將時間、監(jiān)控終端以及獲取的數(shù)據(jù)上傳至云平臺進(jìn)行存儲。雞舍工作人員可以通過觸摸屏在本地進(jìn)行瀏覽，管理人員可以通過云平臺對數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程瀏覽，使其能夠直觀了解舍內(nèi)情況。

3.2 養(yǎng)殖信息錄入雞舍工作人員可以通過此功能將某些需要人工錄入的數(shù)據(jù)錄入云平臺，如當(dāng)日產(chǎn)蛋數(shù)、投料量、死亡數(shù)、淘汰數(shù)、用藥信息、消毒記錄、疫苗接種信息等，方便后期查看。

3.3 蛋雞舍控制系統(tǒng)監(jiān)控終端將環(huán)境信息輸出至觸摸屏，工作人員可以在觸摸屏上查看環(huán)境信息并進(jìn)行設(shè)備控制?？刂平K端記錄對舍內(nèi)各種設(shè)備的操作記錄存儲并發(fā)送到云平臺。工作人員可以查看當(dāng)日的風(fēng)機(jī)運行起止時間，雞舍當(dāng)日光照時間等設(shè)備控制信息，也可以將控制命令發(fā)送至云平臺，云平臺將控制命令下發(fā)至監(jiān)控終端，控制終端通過控制繼電器開關(guān)來實現(xiàn)對雞舍內(nèi)風(fēng)機(jī)，水簾、電燈等設(shè)備的控制。

4 試驗結(jié)果

試驗雞舍為新疆某蛋雞養(yǎng)殖舍，該養(yǎng)殖舍內(nèi)有5 000余只新羅曼褐殼蛋雞。雞舍長30 m，寬12.5 m，高3.2 m，墻體為37 cm厚磚墻，風(fēng)機(jī)在東墻處，采用負(fù)壓通風(fēng)，以環(huán)境溫度閾值來決定風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)，水簾在西墻處。雞舍內(nèi)有4層雞籠階梯狀東西走向擺放，雞籠下有寬2.2 m的糞坑，糞便由刮糞板清理至室外，如圖3所示。

圖3 試驗蛋雞舍

本文以該雞舍作為采集對象，于2021年11月26日12時至12月15日18時進(jìn)行試驗，設(shè)定傳感器數(shù)據(jù)采集間隔10 min，應(yīng)采集數(shù)據(jù)各2 772條，實際采集數(shù)據(jù)各2 749條，數(shù)據(jù)丟失23條，數(shù)據(jù)丟失率為0.99%，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。部分環(huán)境數(shù)據(jù)見表1。

表1 2021年11月26日至12月15日雞舍內(nèi)部分環(huán)境數(shù)據(jù)

5 蛋雞舍溫濕環(huán)境評價

為了評價家禽生活的環(huán)境，學(xué)者們做了大量的研究［9］。在諸多環(huán)境要素中，溫?zé)岘h(huán)境對家禽生活環(huán)境的影響較為重要。在對溫?zé)岘h(huán)境進(jìn)行評估的模型中，溫濕指數(shù)模型運用較為廣泛。THI通過研究家禽所生活環(huán)境的溫度與濕度來對環(huán)境進(jìn)行評價。THI計算公式如式1所示。

式中：Tdb為干球溫度，RH（relative humidity）為相對濕度。

但由于式1中溫度單位為℉，轉(zhuǎn)化并化簡得到式2：

有研究［11-12］認(rèn)為蛋雞的THI熱應(yīng)激閾值為70，超過70蛋雞會產(chǎn)生熱應(yīng)激。其中Kim DaHye的分類［11］如下：THI在70以下為舒適，THI在70～75為輕度熱應(yīng)激，THI在76～81為中度熱應(yīng)激，THI超過81為重度熱應(yīng)激。

本文利用蛋雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)，運用THI對實驗雞舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行評價。

由圖4可以看出，由于采取了以溫度參數(shù)為導(dǎo)向的控制方法，舍內(nèi)溫度一直較為穩(wěn)定，在07：25左右達(dá)到當(dāng)日最大值，于17：35左右達(dá)到當(dāng)日最小值。平均溫度為19.92 ℃，最高溫度為20.46 ℃，最低溫度為19.33 ℃。

圖4 24 h內(nèi)蛋雞舍溫度變化

由圖5可以看出，從00：00開始蛋雞舍內(nèi)相對濕度較為穩(wěn)定，在11：05左右迎來一個波峰，達(dá)到當(dāng)日相對濕度最大值64.19%，后又急劇下降，在16：05左右達(dá)到當(dāng)日相對濕度最小值47.11%，平均相對濕度為57.27%。

圖5 24 h內(nèi)蛋雞舍濕度變化

圖6為2021年11月26日至12月15日中蛋雞舍內(nèi)溫濕指數(shù)的變化情況，THI基本在62～68，最大值為67.014 4，最小值為62.698 6，平均值為65.592 0。由之前的分類進(jìn)行判斷，此次試驗時間內(nèi)試驗蛋雞舍內(nèi)的蛋雞處于溫濕指數(shù)舒適區(qū)，雞舍環(huán)境參數(shù)未達(dá)到熱應(yīng)激水平。

圖6 試驗期間蛋雞舍THI變化

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一種蛋雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)有多種環(huán)境參數(shù)傳感器，并通過繼電器來控制風(fēng)機(jī)、水簾和電燈等舍內(nèi)設(shè)備，通過試驗驗證，監(jiān)控系統(tǒng)可以通過控制繼電器，實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。試驗過程中系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有良好的實用性和可靠性，并利用系統(tǒng)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，利用溫濕指數(shù)對雞舍內(nèi)小環(huán)境進(jìn)行評價。結(jié)果表明，試驗過程中雞舍環(huán)境未處于熱應(yīng)激狀態(tài)，生產(chǎn)環(huán)境良好。下一步將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)之上對蛋雞舍的環(huán)境控制采取進(jìn)一步研究，使調(diào)控時機(jī)更為準(zhǔn)確，調(diào)控手段更為精細(xì)。