王小婷 韓靜 滕達 郭思可 趙佳佳

摘 要 奶牛生長環(huán)境直接影響奶牛的生長情況和產(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)殖的過程中，大多數(shù)奶牛的生長發(fā)育過程都是在奶牛舍內(nèi)完成。為了促進奶牛生長，提高產(chǎn)奶質(zhì)量，就要改善奶牛生長的環(huán)境條件。因此，針對北方寒地規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場內(nèi)環(huán)境問題，分析介紹了環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并總結(jié)我國目前環(huán)境監(jiān)測技術(shù)存在的主要問題，針對存在問題提出相應(yīng)發(fā)展對策。

關(guān)鍵詞 奶牛舍;環(huán)境監(jiān)測;研究現(xiàn)狀;存在問題;發(fā)展對策

黑龍江省是我國的農(nóng)業(yè)大省，畜牧業(yè)是該省經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱。黑龍江省是我國奶牛養(yǎng)殖大省，同時也是全國乳制品產(chǎn)量大省，截止到2018年，全省奶牛存欄105萬頭余，年生鮮乳產(chǎn)量456萬噸[1]。在我國畜禽養(yǎng)殖發(fā)展的過程中，傳統(tǒng)的散戶養(yǎng)殖場由于環(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龅纳醿?nèi)環(huán)境控制成為我國在奶牛養(yǎng)殖過程亟待解決的問題。黑龍江省地處我國北部，冬季室外溫度極低，做好奶牛舍內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測，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)殖場奶牛舍多為封閉式，影響奶牛生長的環(huán)境因子主要包括溫度、濕度、有害氣體濃度、通風速率、光照、微生物等。在傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測中，溫濕度的獲取主要是通過人工記錄溫濕度傳感器上顯示的數(shù)據(jù)，再通過與國標認定的閾值進行對比，來調(diào)控牛舍內(nèi)相關(guān)環(huán)境參數(shù)。采用這種方式，不僅耗費了大量的人力，又難以保證對奶牛舍環(huán)境因素的實時監(jiān)測，而且舍內(nèi)氨氣濃度的數(shù)據(jù)記錄準確度難以保證。

1 環(huán)境參數(shù)對奶牛健康生長的影響

黑龍江省地處我國北部，冬季室外氣溫較低，由于實際生產(chǎn)的需要，奶牛舍養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)設(shè)計多為封閉式，且冬季需要控制舍內(nèi)門窗的開關(guān)時長，一般舍內(nèi)的通風時長不易過長，這就導致舍內(nèi)外空氣流動性難以保證，會造成相關(guān)環(huán)境參數(shù)指標超標，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 溫度對奶牛養(yǎng)殖的影響

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

奶牛耐寒怕熱，在夏季溫度過高時，容易產(chǎn)生熱應(yīng)激，奶牛進食量會減少，牛奶產(chǎn)量會下降，嚴重情況下會導致奶牛生殖系統(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，寒冷的環(huán)境會刺激奶牛的食欲，奶牛會通過增加進食量來維持體溫，但是自身的消化率會降低，對奶牛生長造成不利影響，導致奶牛免疫力下降，發(fā)病率增加[6]。

1.2 濕度對奶牛養(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，奶牛適宜生長的環(huán)境相對濕度為50%～70%[7]。當牛舍內(nèi)溫度低、濕度高時，奶牛的體溫調(diào)節(jié)會出現(xiàn)異常，奶牛會因為感到寒冷而消耗體內(nèi)的大量水分，并通過飲水補充體內(nèi)缺失的水分，從而導致進食量降低，進而造成自身體重下降、營養(yǎng)不良，抵抗疾病的能力下降[8]。研究表明，當奶牛舍環(huán)境溫度超過25 ℃，濕度超過70%時，奶牛會出現(xiàn)精神不佳、食欲不振的情況，食入的飼料營養(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)殖場的牛舍都是封閉的，牛舍內(nèi)會因為無法調(diào)節(jié)空氣而濕度增高，同時舍內(nèi)有害氣體的濃度也會增加。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)殖場中，冬季由于室外溫度較低，為了保證舍內(nèi)的溫度，通風時間不易過長，氨氣在舍內(nèi)大量積蓄，會造成氨氣濃度超標[10]。氨氣極易溶于水，會對動物皮膚、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)境下長時間生長會感染疫病，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自于牛的呼吸。二氧化碳本是無毒氣體，在封閉環(huán)境的牛舍中，容易導致牛出現(xiàn)缺氧癥狀。奶牛在高濃度二氧化碳環(huán)境中長時間生長會導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，嚴重情況下會導致奶牛窒息死亡[12]。

牛是一種反芻動物，牛瘤胃中的微生物或前胃發(fā)酵，無論動物吃了什么，都會產(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21倍，更易危害到奶牛的養(yǎng)殖生產(chǎn)[13]。

2 無線傳輸國內(nèi)外研究狀況

2.1 無線傳輸國外研究狀況

自20世紀50年代以來，國外畜禽養(yǎng)殖業(yè)逐漸向規(guī)模化、產(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)，并且對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測和控制系統(tǒng)進行了深入研究[14]。如日本東京大學研究出了一款以微型計算機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)計中提出，根據(jù)環(huán)境因子的特點，通過不同類型的傳感器，對環(huán)境中溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照等進行監(jiān)測和調(diào)控。

Huircán等[15]提出，利用Zigbee無線通信，建立基于WSN的無線局域網(wǎng)通訊技術(shù)，對牧區(qū)的牛群通過定位實現(xiàn)監(jiān)測，將RVI值應(yīng)用于鏈路質(zhì)量指示（LQI）進行距離預測，采用比值向量迭代法（RVI）對接收到的信號進行改進。此研究實現(xiàn)了低成本、低消耗且定位準確。

Hwang等[16]建立基于了WSN的無線傳感技術(shù)，對畜禽舍環(huán)境溫濕度進行自動調(diào)控。該系統(tǒng)能實時監(jiān)測舍內(nèi)溫度、濕度、光照度和有害氣體濃度，在系統(tǒng)中還加入了環(huán)境調(diào)控的設(shè)置，可以實現(xiàn)對畜禽舍內(nèi)溫度和濕度的調(diào)控。

Congguo等[17]基于ARM、ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Linux平臺對雞舍數(shù)據(jù)進行采集和傳輸，實現(xiàn)了雞舍環(huán)境的遠程監(jiān)測和智能化調(diào)控。

Ma等人[18]基于CAN總線對豬舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，利用CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，利用GPRS技術(shù)和遺傳算法建立了豬生長環(huán)境智能控制系統(tǒng)。

Nadimi等[19]利用Zigbee和WSN無限傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）基于多層感知器（MLP）將監(jiān)測到的行為參數(shù)轉(zhuǎn)化為動物的行為模式，對動物的行為分成5種進行監(jiān)測和分析。

Fournel等[20]構(gòu)建基于PLF傳感器的畜牧管理系統(tǒng)，利用無線傳感器技術(shù)，監(jiān)測動物的體溫、心率、體重以及環(huán)境溫濕度等，改善了密閉式畜禽精準飼養(yǎng)中存在的問題。

2.2 無線傳輸國內(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)學者開始研究利用信息技術(shù)和現(xiàn)代化手段對畜禽的生長環(huán)境進行監(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[21]研究了基于無線傳感器Zigbee網(wǎng)絡(luò)的雞舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計采用DSU 1115-0601芯片連接各無線傳感器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊的組網(wǎng)，通過分布式結(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，上位機軟件采用VB編程可以實現(xiàn)，以解決大面積畜禽舍各環(huán)境參數(shù)實時顯示以及歷史查詢的功能。

姜榮昌[22]在畜禽環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集部分將RS485有線通訊和ZigBee、GPRS無線通訊相結(jié)合，為提高畜禽舍環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)的抗干擾性，建立了具有分布式功能的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，解決了畜禽舍環(huán)境參數(shù)采集、歷史數(shù)據(jù)查詢以及分布式查詢的問題。

曾成等[23]為實現(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無線傳輸?shù)倪h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AT89S52處理器發(fā)送至上位機軟件，監(jiān)控端對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理后進行環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)。

冷康民等[24]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軟件通過對環(huán)境參數(shù)的分析和處理，設(shè)計出傳統(tǒng)控制和自適應(yīng)優(yōu)化控制相結(jié)合的奶牛場環(huán)境控制模式，建立環(huán)境參數(shù)和每日產(chǎn)奶量相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)自動篩選產(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，進而不斷提高奶牛場產(chǎn)奶量。

劉冠廷等[25]建立了基于無線傳感器技術(shù)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，對豬舍環(huán)境的溫濕度、光照強度、氨氣濃度等數(shù)據(jù)進行采集，構(gòu)建了適用于畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖的環(huán)境參數(shù)多點采集系統(tǒng)，并且建立了組網(wǎng)模型。

3 環(huán)境預警模型國內(nèi)外研究狀況

3.1 環(huán)境預警模型國外研究狀況

Ni等[26]根據(jù)氨氣的化學性質(zhì)建立了豬舍內(nèi)氨氣排放數(shù)學模型以及基于二氧化碳和氨氣揮發(fā)機理的模型，對機械通風模式的豬舍內(nèi)氨氣濃度調(diào)控奠定了理論基礎(chǔ)，通過有效的通風策略實現(xiàn)了二氧化碳和氨氣的減排。

Daskalov等[27]在冬、夏兩季對畜禽溫濕度建立了魯棒自適應(yīng)非線性比例積分控制規(guī)律。以投入產(chǎn)出線性化、解耦與李雅普諾夫理論為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)外部擾動和參數(shù)不確定性進行非線性補償，實現(xiàn)了對畜禽舍環(huán)境溫濕度的控制。

Nienaber等[28]對冷、熱應(yīng)激條件下畜禽生產(chǎn)系統(tǒng)的適應(yīng)能力進行研究，根據(jù)生物氣象學的環(huán)境變化對畜禽的影響，通過風險管理和評估，提出環(huán)境調(diào)控的措施，以解決環(huán)境變化對畜禽產(chǎn)量的影響。

Seoa等[29]針對冬季豬舍內(nèi)的通風問題，對豬舍的溫度、通風系統(tǒng)建立CFD模型進行仿真，此模型計算出的豬舍內(nèi)空氣溫度與現(xiàn)場實際測量值相比較僅有0.044的誤差，可以通過該模型對不同季節(jié)豬舍的通風進行合理設(shè)計。

Saraz等[30]在具有正壓或者自認通風的畜禽養(yǎng)殖舍內(nèi)比較不同氨氣排放測定的方法，對開放式畜禽舍的環(huán)境適應(yīng)性進行分析，研究表明采用基于質(zhì)量平衡和被動擴散采樣的方法，可以實現(xiàn)開放式畜禽舍的氨氣濃度測定。

Christian等[31]對畜禽舍溫度、濕度、二氧化碳濃度進行監(jiān)測，每隔1 h對環(huán)境參數(shù)進行統(tǒng)計，利用舍內(nèi)氣候評估的環(huán)境模擬方法，有效緩解畜禽的應(yīng)激反應(yīng)，降低動物發(fā)病率。

3.2 環(huán)境預警模型國內(nèi)研究狀況

宣傳忠等[32]針對北方寒地分娩豬舍，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)境的溫度預測模型，實現(xiàn)了對舍內(nèi)環(huán)境的自動監(jiān)測和調(diào)控，使舍內(nèi)溫度、相對濕度和氨氣濃度保持在設(shè)定的適宜范圍內(nèi)。

王校帥[33]分別以分娩母豬舍和蛋雞舍為研究對象，利用CFD技術(shù)對兩種養(yǎng)殖舍內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量進行評估分析，通過模擬控制通風和降溫濕簾兩種方法對畜禽舍進行溫度調(diào)控，同時對蛋雞舍進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

高玉賢等[34]通過對比反饋前饋線性化解耦和PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種算法，針對夏季溫室內(nèi)溫濕度之間非線性和強耦合的特點，利用Matlab仿真表明，反饋前饋線性化解耦需要依賴于被控對象建立的數(shù)學模型，相比較神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有容錯能力，因此PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對溫室環(huán)境預測更具優(yōu)勢。

謝秋菊等[35]通過比較分析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)三種算法預測豬舍內(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)化算法預測值與實際值誤差最小。

楊亮等[36]利用EMD（經(jīng)驗模態(tài)分解）-LSTM（長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）對豬舍未來1 h氨氣濃度進行預測，將預測結(jié)果與實際采集數(shù)據(jù)作平均絕對誤差、平均絕對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測結(jié)果。

4 我國畜禽環(huán)境監(jiān)測技術(shù)存在問題

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，我國在畜禽環(huán)境監(jiān)測技術(shù)方面有很大進步，當前的環(huán)境監(jiān)測和調(diào)控基本可以滿足生產(chǎn)要求，但與發(fā)達國家相比還有一定差距。我國畜禽環(huán)境監(jiān)測主要存在以下4點問題。1）一部分小型奶牛養(yǎng)殖場對畜禽環(huán)境的調(diào)控依靠養(yǎng)殖人員的經(jīng)驗進行操作，不能及時準確地對舍內(nèi)環(huán)境進行調(diào)控，缺少科學的理論和相關(guān)的數(shù)據(jù)支持。2）目前采用無線傳輸技術(shù)對畜禽舍環(huán)境監(jiān)測，由于舍內(nèi)面積大，單一采集點不能準確代表整體舍內(nèi)環(huán)境的數(shù)值。3）影響畜禽生長的環(huán)境因子眾多，奶牛舍環(huán)境監(jiān)測的主要難點在于對環(huán)境多因子同時監(jiān)測以及奶牛個體周圍小氣候監(jiān)控。4）在實際的生產(chǎn)過程中，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)對養(yǎng)殖環(huán)境進行判斷所得的結(jié)果并不準確，環(huán)境預測效果難以達到理想狀態(tài)。

5 促進我國畜禽環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的對策

1）加強養(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)測和調(diào)控提供相應(yīng)的理論依據(jù)和科學的數(shù)據(jù)支持。2）利用無限傳感器技術(shù)和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)對畜禽舍環(huán)境進行多采集點實時監(jiān)測，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)點對點的多點遠距離通訊。3）根據(jù)舍內(nèi)畜禽的分布和舍內(nèi)建筑特點，提出舍內(nèi)環(huán)境具體檢測點檢測參數(shù)和監(jiān)測點布置方案。4）利用環(huán)境監(jiān)測裝置采集到的實時環(huán)境數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型，可以對畜禽多環(huán)境因子進行預測，對畜禽生長環(huán)境適應(yīng)性分析。

6 結(jié)語

針對北方寒地冬季奶牛養(yǎng)殖場的封閉式奶牛舍，由于舍內(nèi)空間較大，奶牛個體周圍存在小氣候，需要建立奶牛舍多個采集點的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以解決規(guī)模化養(yǎng)殖場內(nèi)奶牛周圍存在的小氣候，使監(jiān)測數(shù)據(jù)更加精準，同時實現(xiàn)對奶牛舍內(nèi)環(huán)境因子的實時監(jiān)測，不需要人工監(jiān)測，減少了養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)成本。該系統(tǒng)的建立為奶牛養(yǎng)殖過程中實現(xiàn)精細化管理提供了數(shù)據(jù)支持，可通過預測的數(shù)據(jù)對環(huán)境進行提前調(diào)控，為奶牛養(yǎng)殖提供了便利。

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（責任編輯：趙中正）