張繼成，劉洪貴，鄭 萍，包 軍，謝秋菊*

(1.東北農(nóng)業(yè)大學 電氣與信息學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學 動物科學技術學院， 黑龍江 哈爾濱 150030)

哺乳仔豬是仔豬出生后最為重要的生長階段，具有生長發(fā)育快、物質(zhì)代謝旺盛、溫度調(diào)節(jié)能力差、對環(huán)境變化敏感等特點。由于哺乳仔豬體溫偏高，體內(nèi)存儲能量不多，免疫和體溫調(diào)節(jié)機能不健全，單位體重的體表面積相對較大，被毛不濃密以及皮下脂肪薄，導致哺乳仔豬對環(huán)境溫度適應性較差，不論環(huán)境溫度過高或過低都會給仔豬生長發(fā)育帶來不利影響[1-2]，導致哺乳期仔豬的死亡率明顯高于其他生理階段。

哺乳母豬的最適溫度為16～18 ℃，哺乳仔豬的體溫遠遠高于哺乳母豬[3]。所以在養(yǎng)豬生產(chǎn)中，為了同時滿足母豬和仔豬對環(huán)境溫度需求，在外界溫度低于仔豬最適溫度范圍時，采用仔豬小環(huán)境加熱保溫措施，以期提高仔豬免疫力和成活率。仔豬出生后，生長所需的適宜溫度范圍隨著出生日齡增加而遞減，魏國生和王希彪[4]報道哺乳仔豬出生后0～35日齡適宜溫度從35 ℃降到20 ℃，因此為哺乳期間仔豬提供恒定溫度的生長環(huán)境是不科學的。

目前，國內(nèi)外有許多針對仔豬小環(huán)境的加熱裝置研究。常用設備有加熱板、保溫燈、保溫箱。使用加熱板會造成地板和排泄物的溫度升高，產(chǎn)生更多的氨氣、臭氣、水蒸氣，導致距地面幾厘米的仔豬吸入大量有害氣體，影響生長[5]，而且還存在發(fā)熱不均衡、熱量損失大、投入成本大等問題。保溫燈吊掛在仔豬躺臥區(qū)的護仔架上或保溫箱的上部，自上而下為仔豬提供熱源，紅外保溫燈一般要與小豬背部相距15 cm以上，并配備護罩。由于保溫燈成本低、安裝簡單、調(diào)控方便等原因，被廣泛使用。雷云峰等[6]報道在四川冬季舍內(nèi)本身有采暖或室溫不低的情況下，設計的仔豬智能保溫箱節(jié)能達到60%以上，節(jié)省用電成本。田耘等[7]研制的豬舍溫濕度自動控制系統(tǒng)對降低仔豬發(fā)病率、打堆次數(shù)和頻率、增加睡眠時間、提高成活率和日增重有明顯效果，但該控制器只能控制一個保溫箱，系統(tǒng)有待改進。高巖[8]報道，丹麥VengSystem A/S公司開發(fā)的局部加熱控制系統(tǒng)，設計隨仔豬日齡增加而改變輸出功率的加熱器，這樣的控制方式滿足不同日齡仔豬的需求；IFIP(法國養(yǎng)豬研究院)采用這一套智能控制策略并配有上部蓋板可以降低產(chǎn)房保溫燈60%的能耗，但該產(chǎn)品價格高昂。

本研究設計的仔豬小環(huán)境智能加熱裝置能夠根據(jù)日齡、適宜溫度、仔豬欄溫度等實時數(shù)據(jù)，自動化控制加熱燈泡啟停，使仔豬欄溫度保持在適宜溫度范圍之內(nèi)，為仔豬提供舒適的溫度環(huán)境，節(jié)省電能和人力。同時，用一個溫度控制器控制多個仔豬欄的加熱燈泡，有效控制生產(chǎn)成本。

1 材料與方法

1.1 仔豬小環(huán)境智能加熱系統(tǒng)總體設計

仔豬小環(huán)境智能加熱系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度控制器和加熱設備組成，如圖1所示。該系統(tǒng)為多變量的輸入輸出控制系統(tǒng)，由溫度傳感器監(jiān)測仔豬局部溫度、控制器將傳感器傳來的數(shù)據(jù)與預設適宜溫度范圍進行比較、處理后，輸出加熱設備開關信號，經(jīng)驅(qū)動電路控制繼電器，從而控制加熱設備啟停，實現(xiàn)實時的溫度控制。

圖1 仔豬小環(huán)境智能加熱裝置組成框圖

1.2 硬件設計

硬件系統(tǒng)主要有溫度監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、加熱裝置，電源和數(shù)據(jù)線。溫度監(jiān)測模塊采用的是DS18B20溫度傳感器，其測量的溫度在-10～+85 ℃范圍內(nèi)，精度為±0.5 ℃[9]。其功能是實時采集仔豬舍內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，并把溫度數(shù)據(jù)傳輸至存儲器中存儲。數(shù)據(jù)處理模塊是溫度自動控制系統(tǒng)的核心部件，選用Raspberry Pi 3b+[10]。其主要功能是實時獲取仔豬局部溫度數(shù)據(jù)，與預設溫度對比，控制加熱裝置啟停，并與遠端控制管理軟件通訊。

溫度控制器通過總線采集各個仔豬欄中的溫度?？刂破魍ㄟ^可編程的GPIO(General-purpose input/output)引腳[10]，根據(jù)前豬舍的狀態(tài)(仔豬日齡、實時溫度、適宜溫度，豬舍編號)和控制程序，控制燈泡啟停。溫度控制器芯片GPIO引腳數(shù)量，決定了控制加熱燈泡的數(shù)量，圖2為溫度控制器芯片連接示意圖。

1.3 軟件設計

軟件部分負責通過邏輯判斷自動控制燈泡的啟停。系統(tǒng)在初始化階段，首先設定仔豬日齡，開始計時，查詢此階段相對于仔豬日齡的適宜溫度范圍。通過溫度傳感器采集溫控區(qū)內(nèi)實時溫度，并與適宜溫度范圍對比。如果實時溫度低于適宜溫度范圍，開啟加熱裝置，然后讀取適宜溫度范圍，并采集實時溫度，進行對比。如果實時溫度高于此階段適宜溫度，關閉加熱裝置，然后讀取適宜溫度范圍，并采集實時溫度，進行對比；通過計時器判斷，如果仔豬日齡超出哺乳期(一般為35 d)，則關閉系統(tǒng)。軟件工作流程如圖3所示。

圖2 溫度控制器連接示意圖

圖3 智能加熱系統(tǒng)軟件工作流程圖

1.4 試驗時間與地點

試驗地點選在黑龍江省阿城市濱圣種豬養(yǎng)殖場，仔豬小環(huán)境自動溫控試驗舍長13 m，寬8 m，高2.5 m。趴臥區(qū)均采用漏縫地板，中間母豬趴臥區(qū)為鐵漏縫地板，兩邊的塑料漏縫地板為仔豬活動區(qū)域。

試驗分別在冬季和夏季兩個階段開展，時間為2017年11月15日至12月19日和2018年6月18日至7月22日，選用魏國生和王希彪[4]報道的哺乳仔豬出生后各生長階段適宜溫度范圍作為智能加熱裝置的各時期控制標準。試驗選用20個產(chǎn)仔欄，10個產(chǎn)仔欄用150 W紅外線燈泡持續(xù)加熱(對照組C)，剩下10個產(chǎn)仔欄用配備自控系統(tǒng)的175 W 紅外線燈泡加熱(試驗組T)，每隔1 min自動記錄舍內(nèi)溫度和溫控區(qū)溫度。采用德力西DDS606單向電表(220 V)，每天早上10點記錄電表讀數(shù)，監(jiān)測耗電量。

加熱燈泡懸掛距離地面垂直距離為65 cm時，溫度傳感器懸掛在距離燈泡底部垂直距離15 cm處，距離等中心半徑為30～35 cm。此時所測出來的溫度基本和仔豬靜臥時背部的溫度持平。

1.5 燈泡電功計算

由于T組能夠根據(jù)仔豬日齡適宜溫度范圍自動控制燈泡啟停，所以當T組的溫度傳感器監(jiān)測到仔豬小環(huán)境溫度低于適宜溫度范圍時，自控系統(tǒng)控制燈泡開啟；否則，燈泡關閉。燈泡的開啟時間比(δ)和電功(W)的計算公式如下：

(1)

式中，δ為T組中燈泡開啟的時間百分比。n、m分別是燈泡開啟和關閉的次數(shù)，ti和tj分別是每次開啟和關閉的時長(s)。

W=P×24×t×δ

(2)

式中:W為燈泡在t(d)時間內(nèi)的耗電量(kW·h)，P為燈泡的功率(W)。

2 結果與分析

2.1 溫度控制

圖4為仔豬哺乳期間舍內(nèi)溫度變化曲線。從圖4A可以看出，在冬季，寒區(qū)豬舍內(nèi)溫度明顯低于仔豬哺乳期間所需的適宜溫度。哺乳仔豬生長的適宜溫度范圍隨著仔豬日齡增加呈現(xiàn)階梯性的下降。試驗組溫度始終處于仔豬哺乳期間的適宜溫度范圍之內(nèi)，呈現(xiàn)階梯式的溫度變化趨勢，整體波動幅度較大(24.54±3.17 ℃)，但每個階段內(nèi)溫度波動幅度不大(見表1)。在0～3日齡內(nèi)，對照組燈泡加熱的溫度未達到仔豬的適宜溫度，仔豬出現(xiàn)抱團取暖的現(xiàn)象；在29～35日齡內(nèi)，對照組燈泡加熱溫度高于仔豬生長所需的適宜溫度范圍。

從圖4B來看，夏季豬舍內(nèi)溫度升高，對照組燈泡提供的溫度遠高于仔豬的適宜溫度范圍，仔豬呈現(xiàn)大范圍散臥，有的仔豬甚至趴臥在加溫區(qū)域外。0～9日齡，舍內(nèi)溫度低于仔豬適宜溫度范圍(表1)，控制器自動控制試驗組燈泡啟停。10～35日齡，舍內(nèi)溫度處于或超過仔豬適宜溫度范圍，絕大多數(shù)時間試驗組燈泡處于關閉狀態(tài)，與舍內(nèi)溫度大致相同。

2.2 耗電量分析

表2是冬季(2017年11月20日12：00至12：13)和夏季(2018年6月25日12：00至12：20)燈泡啟停時間的部分記錄。根據(jù)公式1，冬季T組燈泡#1開啟時間百分比的理論值為353/735×100%=48.03%，理論節(jié)電1-48.03%=51.97%。夏季，燈泡#2開啟時間百分比理論值為374/1190×100%=31.43%，節(jié)電1-31.43%=68.57%。

圖4 哺乳期間日均溫度變化

表1 仔豬不同日齡段的日均溫度

表3為2017年11月15日至12月20日仔豬哺乳期內(nèi)，選用一對試驗組和對照組的電表計算電能消耗和電耗費用。在冬季階段一個哺乳周期內(nèi)，試驗組能耗為對照組的63.60%，耗電量節(jié)省51.45 kW·h，以0.5元/kW·h電價計算，可以節(jié)省電費24.10元。

表2 冬季和夏季試驗組某一燈泡啟停時間部分記錄

在2018年6月18日至7月22日的夏季仔豬哺乳期內(nèi)，任選一對試驗組和對照組的電表計算電能消耗和電耗費用。試驗組電量消耗為對照組的39.35%，節(jié)省電費成本39.46元。

在試驗中，控制系統(tǒng)使用一個控制器控制管理10個產(chǎn)仔欄燈泡，一個控制器的成本為350元，傳感器和電線等耗材費用約為130元，那么平均一個產(chǎn)仔欄增加溫度控制成本約為48元。

3 討 論

3.1 仔豬局部溫度智能控制系統(tǒng)的控溫效果

本試驗結果表明，冬季寒區(qū)豬舍內(nèi)溫度明顯低于仔豬哺乳期間所需的適宜溫度，因此采用仔豬小環(huán)境加熱保溫系統(tǒng)是非常必要的仔豬保育措施。由于哺乳仔豬生長的適宜溫度范圍隨著仔豬日齡增加呈現(xiàn)階梯性的下降，因此如果對仔豬欄采用恒溫加熱方式，不能根據(jù)仔豬的生長需求進行舍內(nèi)溫度管理，是不科學的。試驗組采用仔豬局部溫度智能控制系統(tǒng)，通過預先設定仔豬哺乳期間生長適宜溫度范圍，結合飼養(yǎng)仔豬的日齡，自動控制加熱裝置啟停，將仔豬小環(huán)境溫度盡量保持在適宜溫度范圍之內(nèi)，滿足仔豬生長對溫度的需求。而對照組在0～3日齡內(nèi)燈泡加熱的溫度未達到仔豬的適宜溫度，仔豬出現(xiàn)抱團取暖的現(xiàn)象，仔豬軀體蜷曲直臥擠堆，并經(jīng)常變換位置，表現(xiàn)睡眠不安穩(wěn)；在29～35日齡內(nèi)，燈泡加熱溫度高于仔豬生長所需的適宜溫度范圍，造成電能浪費。

而在夏季，豬舍內(nèi)溫度升高，對照組燈泡提供的溫度(36.62±0.94 ℃)遠高于仔豬的適宜溫度范圍，仔豬呈現(xiàn)大范圍散臥，以便增加散熱面積和強度，有的仔豬甚至趴臥在加溫區(qū)域外，避免高溫。試驗組0～9日齡，舍內(nèi)溫度低于仔豬適宜溫度范圍，控制器自動控制試驗組燈泡啟停來控制溫度。10～35日齡，舍內(nèi)溫度處于或超過仔豬適宜溫度范圍，絕大多數(shù)時間試驗組燈泡處于關閉狀態(tài)，與舍內(nèi)溫度大致相同。因此試驗組采用的局部溫度智能控制系統(tǒng)控溫效果更好。

3.2 仔豬局部溫度智能控制系統(tǒng)的節(jié)能效果

本研究表明，寒區(qū)冬季豬舍溫度遠低于哺乳仔豬生長適宜溫度，智能加熱系統(tǒng)電能消耗是使用燈泡持續(xù)加熱的63.60%；夏季豬舍溫度升高，智能加熱系統(tǒng)根據(jù)仔豬生長適宜溫度的自動控制燈泡啟停，長時間關閉燈泡，使得電能消耗僅為使用燈泡持續(xù)加熱的39.35%，節(jié)省電能效果明顯，降低了豬舍控溫的成本。在本試驗中，智能溫度控制系統(tǒng)使用一個控制器控制管理多個仔豬欄加熱燈泡，平均一個產(chǎn)仔欄增加溫度控制成本約為48元，溫度智能化控制的成本不高。不過在實際工作中，智能溫度控制系統(tǒng)使用的控制器、傳感器和電線，消耗一部分電能，使得實際的耗電效益與理論耗電效益存在差異[11-12]。

4 結 論

本研究設計的仔豬小環(huán)境智能加熱裝置能夠?qū)崿F(xiàn)溫度智能化控制，滿足仔豬各生長階段對溫度的需求，解決仔豬和母豬適宜溫度存在差異的問題，并且節(jié)省能源，有效控制生產(chǎn)成本，為規(guī)?；i場自動化管理提供一種可行的參考。