張小平，錢冠華，李長武

智能牛舍管理系統(tǒng)的研究

張小平，錢冠華，李長武

（黑龍江省科學院自動化所，哈爾濱 150090）

智能牛舍管理系統(tǒng)主要應用于大型規(guī)模化牧場的牛舍運行和管理，可有效提高牧場的運營效率、降低運營成本。該系統(tǒng)由上位管理平臺軟件、傳輸設備、終端控制器及執(zhí)行部分組成，形成了一個易于使用并可遠程控制及訪問的高效管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應用能夠為奶牛營造最佳的環(huán)境條件，最大限度提高奶牛的產(chǎn)奶量。

熱應激；牛舍；溫濕度指數(shù)（THI）

1　系統(tǒng)概述及組成

該系統(tǒng)主要應用規(guī)模化牧場的牛舍運行和管理，系統(tǒng)的使用可有效提高牧場的運營效率、降低運營成本。系統(tǒng)由上位管理平臺軟件、傳輸設備、終端控制器及執(zhí)行部分組成。該系統(tǒng)的應用能夠為奶牛營造一個最佳的環(huán)境條件，最大限度提高奶牛的產(chǎn)奶量。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)結構圖Fig.1 System structure

系統(tǒng)由中心管理部分、移動終端和遠程訪問端、中繼站、牛舍終端等幾部分構成，其中中心管理部分主要由一臺操作員工作站、一臺工程師站和三臺服務器組成，主要完成各個牛舍環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、整理、分析、歸檔等，根據(jù)分析處理結果生成控制指令對牛舍設備進行遠程控制。中心控制部分的移動終端服務器的功能是與智能移動終端進行數(shù)據(jù)交換，智能移動終端可通過該服務器實時對所有牛舍內的溫濕度環(huán)境及設備運行情況進行檢測與控制。中繼站是為了根據(jù)不同的現(xiàn)場情況進行配置，主要功能為接收和轉發(fā)無線電信號。牛舍終端控制部分主要由終端控制器、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀表、傳感器和執(zhí)行器等組成，終端控制器負責所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集并將這些數(shù)據(jù)通過無線或有線的方式發(fā)送至中心控制平臺，形成執(zhí)行命令再發(fā)送回終端控制器，最終由終端控制器控制現(xiàn)場設備運行。其結構框圖如圖2：

圖2　牛舍設施連接框圖Fig.2 Cowshed facilities connection

控制終端數(shù)據(jù)采集主要為溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、二氧化碳、氨氣和風速風向等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)傳感器將通過RS485總線或ModBus總線進行數(shù)據(jù)傳輸，終端控制器將采集到的數(shù)據(jù)進行預處理后打包，通過無線或有線的方式發(fā)送至上位系統(tǒng)平臺，終端控制器控制的主要有水泵、風機、噴淋、充氣墻和照明等，終端控制器將通過控制這些設備使牛舍內的溫濕度達到一個良好的水平，為奶牛營造一個舒適的環(huán)境。

2　應激值計算

奶牛的產(chǎn)奶性能主要受環(huán)境和營養(yǎng)因素制約。因為溫濕度過高會影響奶牛的采食量，所以溫熱環(huán)境是制約奶牛產(chǎn)奶量的主要因素，溫濕度指數(shù)（THI）作為溫熱環(huán)境的綜合指標被廣泛用于評估奶牛熱應激程度。根據(jù)研究，THI小于72時，奶牛不表現(xiàn)熱應激癥狀。當THI在72～79，奶牛表現(xiàn)出輕度熱應激，此時采食量和產(chǎn)奶量開始下降。當THI在79～88，奶牛表現(xiàn)出中度熱應激，此時采食量和產(chǎn)奶量急劇下降。當THI在89～99，奶牛表現(xiàn)出嚴重熱應激，此時可致奶牛死亡。在熱應激條件下，奶牛產(chǎn)奶量下降幅度在10%～40%［1］，為此，如何通過溫濕度指數(shù)（THI）來計算奶牛的應激值，并通過這些數(shù)據(jù)控制牛舍內的風機、噴淋等設備來營造一個最佳的環(huán)境條件是本項目的一個主要研究內容。

奶牛的熱應激一般受到輻射、舍內溫濕度、風速、營養(yǎng)水平以及奶牛的體表和呼吸道蒸發(fā)等多種因素的影響。

不同的溫度和濕度點的溫濕度指數(shù)根據(jù)下式計算：

其中td為華氏溫度，RH為相對濕度。

但考慮到華氏溫度在國內不常使用，通過以下公式將其轉換到攝氏溫度。

代入，

本系統(tǒng)以溫濕度指數(shù)為主控參數(shù)，程序通過上述公式計算出奶牛的應激值，根據(jù)計算結果控制牛舍內的風機噴淋進行降溫，在奶牛進入輕度應激狀態(tài)時，風機間隔開啟降溫，開啟10min，停止10min。在奶牛進入中等應激狀態(tài)時，風機全部開啟，與噴淋進行間隔循環(huán)運行，即噴淋開啟30s，噴淋完畢以后開啟風機運行，風機開啟3min，然后停止15min，15min過后繼續(xù)循環(huán)運行，以上風機與噴淋時間參數(shù)可以設定。在奶牛進入到嚴重應激狀態(tài)時，首先系統(tǒng)提示報警，噴淋運行30s，噴淋停止后開啟風機降溫，風機運行10min，風機停止繼續(xù)開啟噴淋，依次循環(huán)運行。

3　終端控制器設計

牛舍終端控制器的硬件設計采用模塊化設計，主要由中央處理單元、數(shù)據(jù)采集部分、GPRS網(wǎng)絡部分、近距離自動組網(wǎng)無線通信系統(tǒng)、時鐘、大容量存儲器、液晶、IO接口、模擬量接口等組成。其結構框圖如圖3所示：

圖3　牛舍終端控制器結構框圖Fig.3 Cowshed terminal controller structure diagram

牛舍終端控制器的主要功能是將牛舍內的環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集，牛舍控制器將這些數(shù)據(jù)進行前預處理后打成數(shù)據(jù)包，通過無線或有線方式將數(shù)據(jù)包發(fā)送至中心控制室的系統(tǒng)管理平臺上，系統(tǒng)管理平臺再根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)進行分析處理形成執(zhí)行命令下發(fā)到終端控制器，終端控制器接收到執(zhí)行命令后控制牛舍內的設備進行降溫處理，最終達到控制牛舍環(huán)境的目的。

4　系統(tǒng)平臺設計

系統(tǒng)平臺的建設是基于KingView為基礎的開發(fā)建設，以實現(xiàn)牧場牛舍高效、快速的信息化管理，平臺以模塊化方式建設，主要由以下幾個子系統(tǒng)構成：實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析、生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表、工況診斷、故障報警、權限管理、WEB遠程數(shù)據(jù)訪問、移動終端訪問、數(shù)據(jù)庫等。其結構圖如圖4所示：

圖4　系統(tǒng)平臺架構圖Fig.4 System platform architecture

5　結語

本系統(tǒng)是針對現(xiàn)代化大型奶牛養(yǎng)殖場的牛舍環(huán)境控制進行研究開發(fā)的一套自動化環(huán)境管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以溫濕度指數(shù)（THI）為主控制參數(shù)，系統(tǒng)的應用對提高牛奶產(chǎn)量具有重要的意義。

［1］薛白，王志勝.溫濕度指數(shù)與奶牛生產(chǎn)性能的關系［J］.中國畜牧獸醫(yī)，201O，37（03）：153.

Research on intelligent cowshed management system

ZHANGXiao-ping，QIANGuan-hua，LI Chang-wu
（Institute ofAutomation，HeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150090，China）

Intelligent cowshed management system is mainly used in large-scale operation and management of the ranch cowshed，and ranch operators can effectively improve the efficiency and reduce operating costs.The system consists of upper management platform software，transmission equipment，terminal controller and execute components，forming an efficient management system，which is easy to use and can be accessed by remote control. The application of the system is able to create the best environment for the cows，and increase milk production to a large extent.

Heat stress；Cowshed；Temperature and humidityindex（THI）

TP273

A

1674-8646（2015）04-0042-02