基于物聯(lián)網(wǎng)技術的奶牛熱應激反應防控系統(tǒng)

曾光 盧文 郭靜 王傲

摘要 在我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)模式向規(guī)?；D(zhuǎn)變的今天，改善牛舍環(huán)境更要落實在具體方面。尤其要重視防控奶牛產(chǎn)生熱應激，因為熱應激是造成奶牛疫病發(fā)病率上升、產(chǎn)奶量大幅度下降的一個重要影響因素。本文闡述了奶牛熱應激反應防控系統(tǒng)從物聯(lián)網(wǎng)的3層架構(gòu)進行設計，感知層選用傳感器收集牛舍情況數(shù)據(jù)，傳輸層采用基于TCP協(xié)議的MQTT協(xié)議，控制層主要采用風扇、水泵和加熱器對牛舍的溫度和濕度進行控制。整個防控系統(tǒng)通過監(jiān)控牛舍環(huán)境參數(shù)的變化，輔助管理人員實時做出調(diào)整，給奶牛提供舒適的環(huán)境，以防控奶牛產(chǎn)生熱應激。

關鍵詞 奶牛；熱應激反應；防控系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)技術

中圖分類號 S823；S818.9 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）13-0278-02

Prevention and Control System for Heat Stress Reaction of Dairy Cows Based on Internet of Things Technology

ZENG Guang LU Wen * GUO Jing WANG Ao

（College of Computer and Information Engineering，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300380）

Abstract Nowadays，the mode of dairy farming in China is changing to large scale，to improve the environment of dairy farms，we should carry out the specific aspects.In particular，we should pay attention to the prevention and control of heat stress in dairy cows，because of heat stress is an important factor that causes the increase of disease incidence and the decrease of milk production.The prevention and control system for heat stress reaction of dairy cows is designed from the three-tier architecture of the internet of things：sensor is selected to collect the data of cowshed in the sensing layer；the transport layer adopts MQTT protocol based on TCP protocol；the control layer mainly uses fans，water pumps and heaters to control the temperature and humidity of the cowshed.Through monitoring the changes in the environment parameters of the cowshed，the whole system assists the management personnel to make adjustments in real time，and provides a comfortable environment for the cows to prevent and control the heat stress generated by the cows.

Key words dairy cow；heat stress reaction；prevention and control system；internet of things technology

近年來，中國的畜牧業(yè)發(fā)展呈上升趨勢，但與一些發(fā)達國家相比，我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)的狀況仍是小規(guī)模散養(yǎng)戶基數(shù)龐大。這些散養(yǎng)戶依然采用傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式，簡單地根據(jù)經(jīng)驗人為地對環(huán)境進行控制，但并不精確，耗費大量的人力與財力，在現(xiàn)代化技術飛速發(fā)展的當下傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式已相當落后?，F(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)廣泛應用于養(yǎng)殖業(yè)，在奶牛養(yǎng)殖方面的應用主要集中在奶牛場的環(huán)境監(jiān)測、信息收集和處理、智能控制3個方面，為奶牛的科學管理提供了精確的數(shù)據(jù)支持[1]，同時實現(xiàn)了對牛舍環(huán)境數(shù)據(jù)的實時、動態(tài)采集，實時感知奶牛養(yǎng)殖的各個環(huán)節(jié)，代替了原有的人力監(jiān)測方式，極大地減少了養(yǎng)殖人員精力的投入，實現(xiàn)各節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及可視化，在PC端就可對環(huán)境進行智能控制，提高了工作效率和經(jīng)濟效益。

1 總體方案

1.1 總體目標

奶牛熱應激反應防控系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術將采集的數(shù)據(jù)實時存儲入數(shù)據(jù)庫文件中，并實現(xiàn)在網(wǎng)頁中遠程訪問系統(tǒng)的網(wǎng)絡信息系統(tǒng)，監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)并分析其結(jié)果，以便于隨時調(diào)整各環(huán)境參數(shù)，使奶牛養(yǎng)殖環(huán)境保持最適條件，保障動物生長、發(fā)育的環(huán)境要求，減少疾病的發(fā)生，實現(xiàn)動物養(yǎng)殖的效益最高、成本最低和利益的最大化。

1.2 系統(tǒng)設計的起因

近年來，隨著全球氣溫不斷上升，并且奶牛普遍采用集約化飼養(yǎng)的方法，從而導致了飼養(yǎng)管理在很大程度上受環(huán)境溫度的影響。當環(huán)境溫度已經(jīng)超過奶牛自身體溫調(diào)節(jié)的范圍，會表現(xiàn)出一系列的全身性反應，將其稱為熱應激。研究表明，奶牛最適的產(chǎn)奶溫度為 4.4～21.1 ℃，適宜濕度為50%～70%，當環(huán)境溫度超過 25 ℃、溫濕度指數(shù)（THI）大于70時奶牛處于熱應3激狀態(tài)[2]。熱應激對奶牛的健康和生產(chǎn)有著嚴重的不利影響[3]，易導致奶牛免疫力降低、疫病發(fā)病率上升、產(chǎn)奶量大幅度下降。因此，必須對奶牛熱應激給予足夠的重視。

針對上述問題研究了對抗奶牛熱應激的實際措施。一是安裝對流電扇。此方法可以通過空氣對流，達到降低牛舍溫度的目的，且經(jīng)濟實用。二是安裝水泵噴水。噴水通過蒸發(fā)降溫的同時可以增加環(huán)境濕度。三是安裝紫外線燈。夏季奶牛易受到微生物及寄生蟲感染，所以牛舍的衛(wèi)生要求比較高，必須注重預防控制，通過智能控制紫外燈、消毒噴霧等措施，避免熱應激奶牛免疫力下降時并發(fā)疾病。根據(jù)以上措施系統(tǒng)綜合了對抗奶牛熱應激的因素，以THI作為網(wǎng)站控制的預設標準指標，結(jié)合時間參數(shù)，編制定時控制的噴淋降溫模式，使用這種模式可以使奶牛生活環(huán)境得到更合理的控制，能更加有效地減輕奶牛熱應激[4]。

1.3 結(jié)構(gòu)介紹

將系統(tǒng)自下而上分為感知層、傳輸層和應用層?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的奶牛熱應激反應防控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.3.1 感知層。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎，是外界環(huán)境與計算機連接的橋梁。作為物聯(lián)網(wǎng)應用的最前端，感知層主要用于對外界環(huán)境的感知和信息采集。傳感器是感知層用于獲得信息的主要設備，將被測量信息轉(zhuǎn)換為電信號，然后用電信號處理裝置進行處理，產(chǎn)生相應的響應動作[5]，主要選擇了溫濕度傳感器、光照強度傳感器、MQ135有害氣體傳感器3種傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)。MQ135有害氣體傳感器主要對NH3和SO2敏感，因而主要檢測這2種氣體。

1.3.2 傳輸層。傳輸層的主要功能是用于傳輸采集到的信息。搭建有線通信和無線通信相結(jié)合的綜合組網(wǎng)方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的短距離傳輸和長距離中繼功能。傳感器到網(wǎng)關的短距離傳輸采用了EnOcean技術，可以實現(xiàn)多個傳感器同時發(fā)送信息。EnOcean 因不需要布線以及其自身協(xié)議方面的優(yōu)勢，更適合應用于超低功耗開關及傳感器的無線通信。另外，EnOcean采用1 GHz以下的頻段，避免了擁擠的2.4 GHz頻段，更加穩(wěn)定，傳輸距離也更遠。網(wǎng)關到服務器的遠距離傳輸采用基于TCP協(xié)議的MQTT協(xié)議，確保數(shù)據(jù)的及時與準確到達。MQTT協(xié)議是為大量計算能力有限且工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡環(huán)境下的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協(xié)議，符合本系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設備的需求[6]。

1.3.3 應用層。應用層的功能是處理信息，其位于物聯(lián)網(wǎng)3層構(gòu)架中的最頂層，主要用于對感知層收集到的數(shù)據(jù)進行科學分析，實現(xiàn)對相關設備的實時控制[7]。采用維護性強、開放性高的Java Web 技術進行網(wǎng)站搭建，并采用Mysql數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲。采用這種技術搭建的網(wǎng)站便于維護，同時還擁有較高的可靠性和安全性。網(wǎng)站后臺程序采用 Java語言，前端采用JQuery和AJAX技術，實現(xiàn)了實時顯示的功能。

2 工作流程

2.1 流程描述

本系統(tǒng)通過傳感器采集溫濕度、光強、氨氣等環(huán)境信息，通過通信技術將數(shù)據(jù)從網(wǎng)關上傳到服務器，網(wǎng)站后臺程序會從服務器獲取數(shù)據(jù)并存進數(shù)據(jù)庫，通過對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的分析處理，計算出溫濕度指數(shù)，根據(jù)溫濕度指數(shù)動態(tài)調(diào)控相關設備如風扇、噴霧器等，保持溫濕度指數(shù)的穩(wěn)定，從而避免奶牛產(chǎn)生熱應激反應，提高牛奶產(chǎn)量。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2.2 流程控制

在牛舍內(nèi)散放多個傳感器（根據(jù)養(yǎng)殖場大小確定具體數(shù)量），傳感器可直接掛在墻壁上或栓在較高的柵欄上（選擇的牛舍面積為50 m2，在牛舍高度2.5 m左右的位置安裝3個傳感器，便于安裝與調(diào)試）。傳感器內(nèi)置感應頭，能實時感知外界參數(shù)，通過內(nèi)置的單片機處理，再由無線收發(fā)模塊傳出；傳感器采集到相關數(shù)據(jù)后會將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)據(jù)類型并通過EnOcean傳輸方式發(fā)送到網(wǎng)關。最終將信息實時顯示到網(wǎng)站上進行調(diào)控。

網(wǎng)站的數(shù)據(jù)可以實時刷新。當網(wǎng)站接收到傳感器采集到的信息時，與預設的參數(shù)作比較，如果某項參數(shù)超出預設的標準值，管理人員可以通過網(wǎng)頁手動控制相應硬件設備對牛舍環(huán)境進行調(diào)整（利用機械通風、排風進行降溫降濕，通過噴水蒸發(fā)降溫同時加濕等）；也可以打開網(wǎng)頁的自動控制開關，數(shù)據(jù)超出預設參數(shù)時，系統(tǒng)自動開啟控制設備，直至達到標準值時系統(tǒng)自動關閉控制設備。系統(tǒng)防控流程如圖3所示。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)結(jié)合我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實際情況，針對奶牛熱應激問題研究了奶牛熱應激反應防控系統(tǒng)，經(jīng)過試驗測試，本系統(tǒng)對奶牛熱應激反應能起到一定的防控效果，奶牛產(chǎn)奶量得到了一定的提高。同時本系統(tǒng)上線了養(yǎng)殖環(huán)境溫濕度參數(shù)的采集與顯示，上傳數(shù)據(jù)和形成溫濕度指數(shù)實時數(shù)據(jù)曲線圖等，為進一步研究提供基礎，而且通過更換不同的傳感器，該系統(tǒng)還可以方便地進行延展，以監(jiān)測其他環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)信息，使本套系統(tǒng)可應用范圍更廣。

4 參考文獻

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