韓國(guó)鑫，謝秋菊，許譯丹，王莉薇

（肇慶學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，廣東肇慶 526061）

豬舍環(huán)境是除遺傳基因外制約養(yǎng)豬生產(chǎn)發(fā)展的關(guān)鍵因素，營(yíng)造適宜的舍內(nèi)環(huán)境可以有效提高豬群的健康水平和繁育能力，促進(jìn)養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展[1-2]。豬舍內(nèi)環(huán)境因子主要包括溫度、濕度、光強(qiáng)、有害氣體和顆粒物（PM）濃度等[3-4]。

舍內(nèi)溫度是影響豬健康水平的重要因素，適宜的環(huán)境溫度能夠保證豬的體熱平衡和正常的生理活動(dòng)，舍內(nèi)溫度過高會(huì)導(dǎo)致豬的采食量下降、飲水量升高，影響其生產(chǎn)性能[5-6]。舍內(nèi)環(huán)境濕度過高會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌大量繁殖，誘發(fā)豬的腸道、皮膚等疾病，甚至引起規(guī)模性病疫發(fā)生[7]。豬舍內(nèi)有害氣體包括氨氣（NH3）、硫化氫（H2S）等，主要來源于豬的排泄物和食物殘?jiān)奈⑸锓纸猓瑵舛冗^高時(shí)會(huì)導(dǎo)致豬的呼吸系統(tǒng)疾病甚至死亡[8]。豬舍內(nèi)CO2濃度可表征舍內(nèi)空氣質(zhì)量，CO2濃度過高會(huì)使豬產(chǎn)生缺氧現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其呼吸減弱、食欲不振和情緒不佳[9]。因此，實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境科學(xué)控制是降低發(fā)病率、提高養(yǎng)殖效益的必要途徑。利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)研究低能耗、精準(zhǔn)智能的豬舍環(huán)境監(jiān)控技術(shù)，是構(gòu)建適宜豬舍環(huán)境、推動(dòng)養(yǎng)豬業(yè)向高質(zhì)量和精細(xì)化方向發(fā)展的關(guān)鍵手段和必由之路。

目前，隨著國(guó)內(nèi)外生豬養(yǎng)殖模式向著精細(xì)化和集約化的方向發(fā)展，豬舍環(huán)境控制受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[10]。縱觀國(guó)內(nèi)外豬舍環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域的研究，可以分為豬舍環(huán)境信息監(jiān)測(cè)、環(huán)境模擬與預(yù)測(cè)和環(huán)境智能控制3 個(gè)層面，本文針對(duì)上述3 方面的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行分析，以期為提高養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)環(huán)境管理水平、增加經(jīng)濟(jì)效益提供有益的參考。

1 豬舍環(huán)境信息監(jiān)測(cè)技術(shù)

豬舍環(huán)境信息監(jiān)測(cè)是利用傳感器技術(shù)，針對(duì)豬舍內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，是豬舍環(huán)境模擬預(yù)測(cè)和精準(zhǔn)調(diào)控的基礎(chǔ)和支撐。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)豬舍環(huán)境信息監(jiān)測(cè)的研究已取得較大進(jìn)展，主要涉及傳感器及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究、傳感網(wǎng)絡(luò)布局及優(yōu)化和數(shù)據(jù)傳輸與通信3 方面的技術(shù)和方法。

1.1 傳感器及其工作原理 豬舍環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器主要包括環(huán)境溫濕度傳感器、NH3及H2S 傳感器、光照度傳感器、CO2傳感器、PM 傳感器[11]，各傳感器的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

環(huán)境溫度傳感器主要分為熱電偶式和熱電阻式，其中熱電偶式較適用于豬舍環(huán)境監(jiān)測(cè)，其工作原理是利用2 種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端相互連接組成回路，因兩端溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)從而反映環(huán)境溫度大小。濕度傳感器主要分為電容式或電阻式，其中電容式的線性響應(yīng)效果更佳，使用較為廣泛，由濕敏電容和轉(zhuǎn)換電路組成，濕度變化會(huì)改變濕敏電容的介電常數(shù)和電容量，產(chǎn)生的電容變化量由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓變化從而反映濕度大小。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)

光照度傳感器為熱電效應(yīng)原理，感應(yīng)元件采用繞線電鍍式多接點(diǎn)熱電堆，熱接點(diǎn)在感應(yīng)面，冷結(jié)點(diǎn)位于機(jī)體內(nèi)，太陽(yáng)輻照使冷熱接點(diǎn)產(chǎn)生溫差電勢(shì)，輸出信號(hào)與光照度呈正比。

CO2傳感器有固態(tài)電解質(zhì)和紅外式兩種，雙光束紅外式CO2傳感器穩(wěn)定強(qiáng)、精度高，適合豬舍環(huán)境下使用，其原理是根據(jù)CO2對(duì)特定波段紅外輻射的吸收作用，使透過測(cè)量室的輻射能量減弱，能量減弱程度與CO2濃度呈正比。

豬舍環(huán)境監(jiān)測(cè)所采用的NH3、H2S 和PM 傳感器多為電化學(xué)式，其原理是工作電極與參考電極構(gòu)成恒電位儀電路，目標(biāo)氣體在活性電極上發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電流，進(jìn)而通過電流信號(hào)計(jì)算氣體的濃度。

1.2 新型傳感器與監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和豬舍環(huán)境調(diào)控方法研究的不斷深入，針對(duì)豬舍環(huán)境信息數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)連續(xù)性及數(shù)據(jù)空間結(jié)構(gòu)的要求不斷提高。因此，研究一種體量小、能耗低、集成化水平高的豬舍環(huán)境信息智能感知設(shè)備已成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

在傳感器研究方面，研究人員利用電化學(xué)、激光等技術(shù)研發(fā)了一系列新型感知設(shè)備，達(dá)到了高集成、高精度的標(biāo)準(zhǔn)。Gallmann 等[12]研究了一種電化學(xué)式混合氣體傳感器，能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)豬舍內(nèi)NH3和H2S 等有害氣體混合物，反映混合氣體中的成分與含量變化；楊旭等[13]利用中紅外分布式反饋結(jié)構(gòu)的帶間級(jí)聯(lián)激光器為光源，研究了一種高靈敏的小型激光NH3檢測(cè)傳感器；Ramirez 等[14]研究了一種融合型TE 傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)了高集成化的舍內(nèi)多因子環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。技術(shù)的結(jié)合使用對(duì)于新型傳感器的研發(fā)十分重要，在實(shí)現(xiàn)高精度、高集成的同時(shí)，低能耗和便攜性也是傳感器研究的重點(diǎn)。有學(xué)者研究了一種小型便攜式畜舍多環(huán)境因子傳感器，能夠在復(fù)雜的舍內(nèi)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)傳感器的合理布局[15]。Choi 等[16]研究了一種小型低功耗ECO 傳感器陣列監(jiān)測(cè)豬舍內(nèi)NH3等有害氣體，其分辨率可達(dá)0.5 mg/kg，實(shí)現(xiàn)了豬舍內(nèi)有害氣體分布和濃度的精確測(cè)量。

在豬舍環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面，Gray 等[17]利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)單元和NetBeans 平臺(tái)研究了高性能畜舍環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了舍內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析；江蘇大學(xué)劉星橋團(tuán)隊(duì)[18-19]針對(duì)多源數(shù)據(jù)融合的豬舍環(huán)境遠(yuǎn)程測(cè)控體系進(jìn)行了研究，并利用融合模糊集和DS 證據(jù)理論設(shè)計(jì)了兩級(jí)數(shù)據(jù)融合模型。這類研究在實(shí)現(xiàn)舍環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測(cè)的同時(shí)，解決了傳感器故障時(shí)參數(shù)處理和數(shù)據(jù)缺失的問題，保障了采集的高效性和數(shù)據(jù)的完整準(zhǔn)確。

1.3 傳感器布局及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 豬舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)具有時(shí)變性、滯后性和非線性的特點(diǎn)，同一時(shí)刻不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可能存在較大的差異性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）作為一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，可以利用無線通信形成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)多點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)的目的[20-21]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空間布局和節(jié)點(diǎn)優(yōu)化是這類研究的重點(diǎn)，Ahmed 等[22]研究了一種環(huán)境自適應(yīng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)預(yù)構(gòu)建機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了不同監(jiān)測(cè)環(huán)境下傳感網(wǎng)絡(luò)的合理布局；夏翔[23]利用多種環(huán)境傳感器和WinCC 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了豬舍多因子融合的分布式數(shù)據(jù)感知和控制策略的輸出；高云等[24]利用多點(diǎn)部署的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)樓房式豬舍各環(huán)境因子的持續(xù)監(jiān)測(cè)，分析不同樓層熱環(huán)境和有害氣體的分布規(guī)律和差異性。這類研究提高了傳感器的利用率及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的科學(xué)性，為豬舍環(huán)境分布和能量場(chǎng)的研究提供了基礎(chǔ)。

在新型傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面，研究人員主要基于樹形路由等算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Hong 等[25]研究了一種豬舍環(huán)境下ZigBee 無線信號(hào)傳輸路徑損耗模型，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和連通性的優(yōu)化提供依據(jù)；Zhu 等[26]提出新型Zigbee 樹路由算法，優(yōu)化了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體性能，在平衡傳感網(wǎng)絡(luò)整體能耗的同時(shí)保障了數(shù)據(jù)的傳輸效率；蔡磊[27]提出一種能量均衡的Zigbee 樹形路由算法，在平衡豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)負(fù)載的同時(shí)減少了節(jié)點(diǎn)的死亡數(shù)量；張亞坤[28]提出一種LEACH-ED 算法，優(yōu)化了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇頭節(jié)點(diǎn)，提高了舍內(nèi)無線傳感網(wǎng)絡(luò)在生命周期與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載方面的優(yōu)越性。這類研究提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，降低了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能耗，是豬舍環(huán)境模擬與控制的關(guān)鍵。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸與網(wǎng)絡(luò)通信 通信效率和持續(xù)監(jiān)測(cè)能力一直是豬舍無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)，研究人員針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和續(xù)航方法展開了深入研究，提高了無線傳感網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜舍環(huán)境下通信的效率和可持續(xù)能力。Ma[29]提出一種具有超低占空比的低功耗通信協(xié)議用于豬舍無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信，提供了整體占空比低至0.1%的多跳路由能力；孫偉等[30]基于馬爾科夫鏈和多隊(duì)列理論構(gòu)建了一種多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)優(yōu)化模型；Beng 等[31]提出一種具有近場(chǎng)通信和無線充電功能的無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于畜舍環(huán)境監(jiān)測(cè)；Freschi 等[32]提出一種基于Pareto 曲線的數(shù)學(xué)模型，研究了傳感網(wǎng)絡(luò)通信過程中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與傳輸可靠性之間的依存關(guān)系，探究了不同數(shù)據(jù)量下低功耗介質(zhì)訪問協(xié)議的效率和穩(wěn)定性。

2 豬舍環(huán)境模擬及預(yù)測(cè)技術(shù)

豬舍內(nèi)環(huán)境因子具有空間性和時(shí)滯性的特點(diǎn)，因此掌握舍內(nèi)氣流、溫/濕度以及有害氣體等環(huán)境因子的分布和變化規(guī)律十分重要，是實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)和舍內(nèi)環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控的關(guān)鍵。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)等多種理論方法，針對(duì)豬舍內(nèi)環(huán)境因子變化進(jìn)行了模擬、預(yù)測(cè)等研究。

2.1 CFD 環(huán)境模擬預(yù)測(cè) CFD 是一種計(jì)算機(jī)科學(xué)與流體力學(xué)的交叉應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用CFD 開展豬舍內(nèi)氣流、溫/濕度等環(huán)境因子的模擬及預(yù)測(cè)。Stinn 等[33]、Seo 等[34]基于CFD 針對(duì)豬舍內(nèi)溫度、氣流等環(huán)境因素建立模型，構(gòu)建了美國(guó)西部地區(qū)豬舍的環(huán)境評(píng)價(jià)方法；Kwon 等[35]基于CFD 對(duì)豬舍內(nèi)粉塵產(chǎn)生的關(guān)鍵因素進(jìn)行識(shí)別，建立豬舍通風(fēng)降塵效果評(píng)價(jià)體系。在環(huán)境模擬的基礎(chǔ)上，有學(xué)者基于CFD 對(duì)舍內(nèi)豬躺臥區(qū)域熱量分布進(jìn)行建模，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)豬舍內(nèi)熱量場(chǎng)分布和變化趨勢(shì)的模擬預(yù)測(cè)[36]；還有學(xué)者利用零維動(dòng)物傳熱等模型與CFD 相結(jié)合，針對(duì)畜舍環(huán)境固定和動(dòng)態(tài)關(guān)系下家畜熱通量分配及溫、濕度的梯度變化進(jìn)行了建模和預(yù)測(cè)[37-38]。這類研究分析了不同環(huán)境模式下舍內(nèi)熱量和濕度分布存在的差異，有利于豬舍環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。

除此之外，有國(guó)內(nèi)學(xué)者基于CFD 研究豬舍環(huán)境因子分布規(guī)律，構(gòu)建了豬舍環(huán)境質(zhì)量評(píng)估模型[39-40]。王鵬鵬[41]基于CFD 模擬北方寒區(qū)豬舍氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，驗(yàn)證氣流速度與溫度的相關(guān)性的同時(shí)，分析了舍內(nèi)多環(huán)境因子與通風(fēng)之間的關(guān)系；李欣等[42]、Li 等[43]基于CFD 提出一種豬舍機(jī)械通風(fēng)降溫過程模型，利用k-ε湍流模型和DO 輻射模型模擬機(jī)械通風(fēng)時(shí)舍內(nèi)溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的變化過程和趨勢(shì)。這類研究探究了特定環(huán)境模式下舍內(nèi)多環(huán)境因子之間的關(guān)系，較好地解決了舍內(nèi)環(huán)境因子因相互耦合而難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的問題。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè) 近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也廣泛應(yīng)用于豬舍環(huán)境的模擬及預(yù)測(cè)。Ascione 等[44]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建畜舍內(nèi)瞬間狀態(tài)下熱動(dòng)力狀態(tài)模型，通過評(píng)估多孔介質(zhì)傳熱量化了動(dòng)態(tài)絕緣帶來的能量效益；Lü 等[45]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，從而模擬并預(yù)測(cè)不同結(jié)構(gòu)下舍內(nèi)溫度場(chǎng)的狀態(tài)和變化趨勢(shì)；在舍內(nèi)環(huán)境預(yù)測(cè)方面，基于BP、Elman、ANFIS 等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了豬舍內(nèi)NH3濃度變化趨勢(shì)[46-48]；霍彩虹[49]基于物聯(lián)網(wǎng)和灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了豬舍NH3預(yù)測(cè)模型，并構(gòu)建了環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)；楊亮等[50]基于長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分解時(shí)間序列下NH3濃度數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)得到固有模態(tài)分量，建立基于EMD-LSTM 的豬舍NH3濃度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)精度相比于Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較大提高；劉春紅等[51]基于ARIMA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出豬舍NH3濃度組合預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均絕對(duì)誤差（MAE）、平均絕對(duì)百分比誤差（MAPE）和均方根誤差（RMSE）分別為0.031 9 mg/m3、0.158 0% 和0.036 5 mg/m3，相比于其他方法具有較高的預(yù)測(cè)精度。相比于CFD，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在豬舍環(huán)境單一變量的模擬和預(yù)測(cè)方面效果較為突出，但在舍內(nèi)多環(huán)境因子動(dòng)態(tài)變化關(guān)系的研究上應(yīng)用較少，具有進(jìn)一步研究空間。

2.3 其他模擬及預(yù)測(cè)方法 除CFD 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，有學(xué)者利用環(huán)境數(shù)據(jù)集結(jié)合其他理論算法實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境預(yù)測(cè)。Ni 等[52]通過大量數(shù)據(jù)集的計(jì)算構(gòu)建了豬舍二氧化碳加速氨釋放的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型（CAAR）；Shen 等[53]、Hansen 等[54]利用現(xiàn)場(chǎng)嗅覺技術(shù)結(jié)合質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜法監(jiān)測(cè)生豬養(yǎng)殖的有害氣體并實(shí)現(xiàn)了多變量的豬舍環(huán)境預(yù)測(cè)；Fernández 等[55]根據(jù)肉雞活動(dòng)、舍內(nèi)通風(fēng)率及PM 值，建立具有時(shí)變參數(shù)的動(dòng)態(tài)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了舍內(nèi)PM 值的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)；Xie 等[56]、謝秋菊等[57]利用大量豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)和能量平衡方程建立豬舍內(nèi)動(dòng)態(tài)熱交換模型，實(shí)現(xiàn)了熱量動(dòng)態(tài)變化和能量消耗的預(yù)測(cè)。

綜上所述，豬舍環(huán)境的模擬預(yù)測(cè)是舍內(nèi)環(huán)境的精準(zhǔn)控制的依據(jù)和支撐，可降低舍內(nèi)環(huán)境因子空間性和時(shí)滯性對(duì)舍內(nèi)環(huán)境控制的不良影響。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)豬舍環(huán)境模擬的研究已較為全面，能夠?qū)崿F(xiàn)多環(huán)境因子融合的舍內(nèi)環(huán)境模擬；在豬舍環(huán)境預(yù)測(cè)方面，舍內(nèi)溫度、氣流和NH3濃度的預(yù)測(cè)已取得一定進(jìn)展，但預(yù)測(cè)的效率和模型精確度還有待提高，同時(shí)考慮不同豬舍結(jié)構(gòu)、飼養(yǎng)數(shù)量等影響因素下的普適預(yù)測(cè)模型并未實(shí)現(xiàn)，因此在綜合多因素的環(huán)境預(yù)測(cè)方面仍有較大的研究空間。

3 豬舍環(huán)境智能控制技術(shù)

豬舍環(huán)境的智能控制是在分析并掌握舍內(nèi)環(huán)境狀態(tài)及變化的基礎(chǔ)上形成的科學(xué)決策與合理調(diào)控。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于WSN、圖像獲取等方法進(jìn)行舍內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的感知，并結(jié)合豬舍環(huán)境預(yù)測(cè)模型，利用圖像識(shí)別技術(shù)、PID 控制算法、多目標(biāo)優(yōu)化以及模糊控制理論等方法形成環(huán)境控制策略，實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境的精準(zhǔn)調(diào)控。

3.1 基于圖像識(shí)別技術(shù)的環(huán)境調(diào)控 Abozar 等[58]和Shao 等[58]利用生豬行為信息判定舍內(nèi)溫度情況，當(dāng)豬過分聚集在一起，說明豬舍內(nèi)溫度過低，豬只相互遠(yuǎn)離分散則說明豬舍內(nèi)溫度偏高，可根據(jù)豬只狀態(tài)采取相應(yīng)的溫度控制措施；汪建等[60]將環(huán)境傳感器、紅外傳感器和圖像信息融合，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖數(shù)據(jù)采集、識(shí)別計(jì)數(shù)和預(yù)警，并通過圖像的融合對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境和監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究?；趫D像識(shí)別技術(shù)的豬舍環(huán)境控制方法屬于較為新穎地融合了控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)舍內(nèi)溫度的基本監(jiān)控，但由于圖像獲取及識(shí)別算法的局限，易使系統(tǒng)針對(duì)豬舍內(nèi)環(huán)境溫度的判斷出現(xiàn)較大偏差，從而產(chǎn)生控制延遲和誤差，導(dǎo)致實(shí)際控制效果并不理想。

3.2 基于PID 控制的環(huán)境調(diào)控 PID 控制是一種利用舍內(nèi)環(huán)境信息數(shù)據(jù)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行比例積分微分控制的方法，在PID 控制器中 KP、KI、KD 的整定是其核心內(nèi)容，直接影響控制系統(tǒng)的魯棒性和精確性。馮江等[61]、Chen 等[62]運(yùn)用智能控制方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定，但這類方法忽略了豬舍環(huán)境多因子間的相互作用和多目標(biāo)沖突等問題。因此，常規(guī) PID 控制器會(huì)呈現(xiàn)參數(shù)整定不良、抗干擾性差和對(duì)舍內(nèi)環(huán)境的適應(yīng)性較差等問題，難以構(gòu)建精準(zhǔn)的豬舍控制模型結(jié)構(gòu)?；谶@一問題，畜舍控制系統(tǒng)大多采用改進(jìn)的 PID 調(diào)控策略提高控制精度，如不完全微分的 PID 控制[63]、積分分離的 PID 控制等[64-65]。Albert 等[66]在 PID 控制算法的基礎(chǔ)上，提出一種擬微分反饋控制的方法，相比于傳統(tǒng)PID 控制器具有改善靜態(tài)誤差、過渡過程時(shí)間、最大超調(diào)量等性能；張巖[67]基于開閉環(huán)PID 型迭代學(xué)習(xí)提出畜禽養(yǎng)殖環(huán)境控制方法，并通過ANSYS 仿真證明該方法在收斂速度和控制效果方面的優(yōu)越性；周思林等[68]利用PID 控制與模糊控制相結(jié)合，建立豬舍環(huán)境溫/濕度無線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PID 控制參數(shù)的自整定。改進(jìn)型PID 控制能夠基本滿足豬舍內(nèi)的環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)，但控制策略的生成往往依賴于被控對(duì)象的模型結(jié)構(gòu)，而豬舍的被控因子之間存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系，且豬不同生長(zhǎng)周期的最適環(huán)境參數(shù)也不同，想要針對(duì)多因素進(jìn)行精準(zhǔn)環(huán)境調(diào)控具有一定的難度。

3.3 基于多目標(biāo)優(yōu)化的環(huán)境調(diào)控 多目標(biāo)優(yōu)化的環(huán)境控制是將豬舍內(nèi)環(huán)境溫/濕度、有害氣體等多個(gè)控制對(duì)象視為多目標(biāo)，通常情況，豬舍環(huán)境的多個(gè)目標(biāo)之間存在耦合關(guān)系，某目標(biāo)的改進(jìn)有可能引起其他目標(biāo)性能降低。多目標(biāo)優(yōu)化的傳統(tǒng)解決方法是將多目標(biāo)經(jīng)過加權(quán)組合轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題處理，但權(quán)重系數(shù)分配直接影響優(yōu)化后的控制效果，這種方法難以確定各目標(biāo)的權(quán)重分配系數(shù)。Kwon 等[69]將改進(jìn)遺傳算法應(yīng)用到多目標(biāo)優(yōu)化問題的求解過程中，以控制精度和能耗作為控制目標(biāo)，提出多目標(biāo)相容控制算法，使控制精度和能耗達(dá)到平衡；呂恩利[70]等基于Lyapunov 函數(shù)和Backstepping 時(shí)變狀態(tài)反饋控制研究畜舍自主移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)軌跡跟蹤控制算法，實(shí)現(xiàn)了畜舍環(huán)境多角度監(jiān)測(cè)控制；高云等[71]基于PLC 設(shè)計(jì)了多參數(shù)生豬養(yǎng)殖控制箱，并利用ANSYS針對(duì)箱內(nèi)氣流模式、走向和控制可靠性進(jìn)行仿真，針對(duì)溫濕度和有害氣體的控制精度高，內(nèi)部氣流呈大循環(huán)；楊柳[72]利用多尺度下豬舍數(shù)據(jù)感知和SVM 回歸預(yù)測(cè)融合舍內(nèi)環(huán)境信息，建立了豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)；范蓓蕾等[73]利用遺傳算法優(yōu)化溫度平均值、均勻性和控制代價(jià)3 項(xiàng)指標(biāo)，使控制系統(tǒng)在多指標(biāo)條件下達(dá)到優(yōu)化。

3.4 基于模糊控制的環(huán)境調(diào)控 模糊控制以模糊集合理論、模糊語(yǔ)言和模糊邏輯規(guī)則為基礎(chǔ)，將人的思維方式和操作經(jīng)驗(yàn)與控制模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)事物的非線性智能控制。Liu 等[74]基于模糊控制理論設(shè)計(jì)了畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能控制系統(tǒng)，優(yōu)化了環(huán)境信息處理過程中數(shù)據(jù)非線性和時(shí)延性的問題；Mirzaee-Ghaleh 等[75]針對(duì)畜舍環(huán)境設(shè)計(jì)了3 個(gè)模糊邏輯控制器，針對(duì)舍內(nèi)溫、濕度和有害氣體進(jìn)行測(cè)定和控制，相比于閾值控制等傳統(tǒng)控制方法，該系統(tǒng)的控制精度高，能耗降低42%；Mushtaq 等[76]利用Mamdani 模型設(shè)計(jì)了畜舍環(huán)境模糊邏輯控制器，并通過仿真驗(yàn)證模型控制的可靠性；李立峰[77]等利用組態(tài)軟件、模糊控制和解耦控制提出一種分娩母豬舍環(huán)境監(jiān)控方法，實(shí)現(xiàn)舍內(nèi)溫/濕度及NH3濃度的合理調(diào)控；納吉[78]利用模糊控制理論和舍內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)構(gòu)建豬舍環(huán)境模糊控制模型，并將不同季節(jié)溫度變化和豬舍建筑結(jié)構(gòu)作為模糊變量之一，使控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確性和抗干擾能力強(qiáng)；謝秋菊等[79-80]基于模糊控制和豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)集，針對(duì)不同季節(jié)多環(huán)境因子建立具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能的豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了豬舍環(huán)境精準(zhǔn)控制，為解決北方寒冷冬季豬舍溫度與通風(fēng)調(diào)控的矛盾提供可能。

4 小結(jié)與展望

在國(guó)內(nèi)外生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)向精細(xì)化、規(guī)?；⒅悄芑B(yǎng)殖模式發(fā)展的過程中，計(jì)算機(jī)科學(xué)、畜牧科學(xué)、智能控制等技術(shù)的全面協(xié)同是生豬養(yǎng)殖業(yè)提高生產(chǎn)水平的基本方向，構(gòu)建豬舍環(huán)境精準(zhǔn)智能監(jiān)控體系對(duì)提高生豬養(yǎng)殖福利和生產(chǎn)效益具有重要意義。

4.1 當(dāng)前存在的主要技術(shù)問題 當(dāng)前豬舍環(huán)境監(jiān)控方法與技術(shù)主要存在以下幾個(gè)方面的問題：①在舍內(nèi)環(huán)境高灰塵、高腐蝕性的惡劣條件下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境信息感知的精確性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目沙掷m(xù)性和高效性方面還有待進(jìn)一步研究；②舍內(nèi)小氣候是豬舍環(huán)境控制的對(duì)象，而豬舍內(nèi)多環(huán)境因子的耦合機(jī)理和變化趨勢(shì)能夠?qū)ωi舍小氣候環(huán)境的控制效果產(chǎn)生較大影響，當(dāng)前缺乏考慮多種影響因素條件下舍內(nèi)多環(huán)境因子耦合變化及低能耗控制的研究；③當(dāng)前豬舍環(huán)境監(jiān)控方法的研究?jī)H依靠大量的環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)信息，缺乏從豬個(gè)體行為與環(huán)境信息互反饋角度進(jìn)行的多尺度分析及豬舍環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控；④缺乏規(guī)?；i精細(xì)養(yǎng)殖條件下豬舍環(huán)境智能精準(zhǔn)控制標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)，亟待一套結(jié)合不同豬舍類型、不同地域季節(jié)和多種舍內(nèi)/外環(huán)境因素的豬舍環(huán)境精準(zhǔn)控制體系標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 研究重點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì) 低成本、高穩(wěn)定性、智能化、精準(zhǔn)化的環(huán)境控制系統(tǒng)是未來豬舍環(huán)境控制研究發(fā)展的方向，可以從以下方面進(jìn)行深入研究：①采用穩(wěn)定性高、抗干擾性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)及材料，研發(fā)適用于高濕、高腐蝕的惡劣豬舍環(huán)境下精確、穩(wěn)定、耐用、低功耗的無線傳感器，同時(shí)在無線傳感器的續(xù)航方法、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率等方面展開深入研究；②研究分布式智能化、可復(fù)用的環(huán)境控制器，以及具有邊緣計(jì)算能力的豬舍內(nèi)環(huán)境控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的豬舍內(nèi)環(huán)境控制，減少數(shù)據(jù)中心的負(fù)載；③針對(duì)舍內(nèi)多環(huán)境因子的耦合關(guān)系和動(dòng)態(tài)變化機(jī)理進(jìn)行研究，探索豬舍多環(huán)境因子中的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，建立多環(huán)境因子與關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子的精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型，從而減少豬舍內(nèi)監(jiān)測(cè)傳感器的種類及數(shù)量，降低環(huán)境控制系統(tǒng)成本；④結(jié)合豬個(gè)體行為特征及生理參數(shù)，建立與豬舍環(huán)境為互反饋機(jī)制的、以豬的自身狀態(tài)及行為反應(yīng)為控制指標(biāo)的環(huán)境控制系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合不同地域和季節(jié)、不同類型豬舍結(jié)構(gòu)條件等構(gòu)建智能化豬舍環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)體系，推進(jìn)豬舍環(huán)境精準(zhǔn)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。