侯學(xué)恒+裴雅靜+晏亭+周平

摘要：為了降低畜禽養(yǎng)殖場人員通道的消毒費效比，設(shè)計出一種智能消毒管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于超聲波霧化消毒，采用子母式人員通道，人員少時使用子消毒室，縮小消毒空間，人員多時使用母消毒室，提高通行效率；通過門禁單元對通行人員信息實時統(tǒng)計，實現(xiàn)人流高峰與非高峰時段的智能化判別，自主決策控制子母消毒室的工作模式；對消毒液霧充滿度實時監(jiān)測反饋，及時控制霧化消毒機的啟停，保持液霧充滿度穩(wěn)定。結(jié)果表明，對于12 m2的消毒通道，在通行人數(shù)為8人以下時，該系統(tǒng)對比傳統(tǒng)消毒系統(tǒng)可減少消毒液損耗70%以上。該系統(tǒng)實現(xiàn)了消毒費效比的智能優(yōu)化，降低了消毒成本，滿足了畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖的發(fā)展需求，提高了養(yǎng)殖場衛(wèi)生防疫工作的智能化水平。

關(guān)鍵詞：消毒通道；子母式；液霧充滿度；消毒費效比

中圖分類號：S126；TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）23-4604-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.047

Abstract： To reduce the ROI of disinfection channel for livestock farms， a smart controlling system for disinfection was designed. This design， based on ultrasonic spray disinfection， adopted the primary-secondary disinfection channel. The secondary disinfection room would run for a small number of staff while the primary disinfection room ran for a large number of staff. The former cut down the size of the disinfection space and the latter raised the disinfection efficiency. The access control unit counted the number of staff in real time， realizing the dynamical identification of peak and off-peak hours and deciding the work pattern of the disinfection channel on its own. Additionally， the filling extent of disinfectant spray was constantly monitored so as to start or stop the spray machine timely for the stability of spray filling. The test result showed that this system， for a disinfection channel of 12 m2， can reduce the disinfectant consumption by over 70% when the number of staff in the channel was no more than 8. This design realized the smart optimization of disinfection ROI， reduced the cost of disinfection， met the developing needs of large-scaled livestock and poultry industry and improved the intellectualization lever of epidemic prevention for livestock farming.

Key words： disinfection channel；primary-secondary layout；spray filling；ROI of disinfection

隨著人們生活水平的改善，市場對于畜禽食品的需求越來越大。農(nóng)業(yè)部在《全國生豬生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》（農(nóng)牧發(fā)〔2016〕6號）中明確提出到2020年全國豬肉產(chǎn)量5 760萬t、規(guī)模企業(yè)屠宰量占比75%的發(fā)展目標(biāo)。市場需求和政府支持有力地推動了畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖的快速發(fā)展。規(guī)?；B(yǎng)殖的關(guān)鍵問題是衛(wèi)生防疫。《中華人民共和國動物防疫法》和農(nóng)業(yè)部《動物防疫條件審查辦法》（農(nóng)業(yè)部令2010年第7號）均對動物養(yǎng)殖場、養(yǎng)殖小區(qū)的免疫、消毒的條件與設(shè)施有具體的規(guī)定。若沒有有效的消毒管理體系，養(yǎng)殖業(yè)將面臨極大的疫病風(fēng)險。因此，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展離不開智能消毒系統(tǒng)的衛(wèi)生防疫保障。目前，行業(yè)內(nèi)主流的消毒方式有消毒池消毒、風(fēng)淋消毒、紫外殺菌燈消毒、超聲波霧化消毒等。其中，超聲波霧化消毒是利用大于20 kHz的高頻率聲波的振蕩作用，使消毒藥水霧化。其主要特點是霧粒直徑小于10 μm，能在不打濕衣服的情況下對人員進行全方位徹底消毒[1-4]。對于大中型畜禽養(yǎng)殖場，現(xiàn)有人員消毒技術(shù)方案[5-11]存在以下3個方面的不足：人員通道空間布局單一，非高峰時段消毒浪費；高峰與非高峰時段無法動態(tài)智能判別，消毒模式固定；消毒系統(tǒng)定時開關(guān)控制，消毒費效比高。

目前，市場上的各類消毒設(shè)備普遍采用定時控制，容易造成消毒不足或過度消毒。消毒不足會引發(fā)疫病風(fēng)險，而過度消毒不但造成消毒液的浪費，而且會對人體健康產(chǎn)生一定危害。本研究的設(shè)計針對規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場入口的衛(wèi)生防疫管理，提供一種基于子母式人員通道的智能消毒管理系統(tǒng)（發(fā)明專利申請?zhí)?01611016164），能夠依據(jù)人流量的變化智能判別高峰與非高峰時段，實時控制子母消毒室的工作調(diào)度，并根據(jù)室內(nèi)消毒液霧充滿度自動控制消毒設(shè)備的啟停，大幅度降低了消毒費效比。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

該系統(tǒng)主要包括子母式人員通道、智能門禁單元、超聲波霧化消毒機和液霧充滿度監(jiān)測單元。通過微控制器（以宏晶STC12C5A60S2為主控芯片）對來自智能門禁單元和液霧充滿度監(jiān)測單元的信息進行處理，并發(fā)送指令控制門禁與超聲波霧化消毒機產(chǎn)生相應(yīng)動作。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.1 子母式人員通道

子母式空間結(jié)構(gòu)是指在人員通道（母消毒室）中劃分出2個相對獨立的子消毒室。畜禽養(yǎng)殖場人員通行場景分為高峰時段與非高峰時段2種情況。上下班等少數(shù)情況出現(xiàn)人流高峰，通行人員多而集中；大多數(shù)情況為非高峰時段，通行人員少而分散。非高峰時段，2個子消毒室獨立工作，縮小消毒空間，減少消毒液霧損耗；高峰時段，子消毒室出口敞開，在空間上與母消毒室合為一體，整個人員通道充分利用以容納更多的人員同時消毒，提高通行效率。

1.2 智能門禁單元

目前，門禁技術(shù)已經(jīng)具備身份識別、人員考勤、訪客管理等功能[12，13]。在消毒通道入口處設(shè)置智能門禁設(shè)備，利用身份識別裝置對通行人員進行身份信息記錄與統(tǒng)計。身份信息驗證成功后，門禁系統(tǒng)放行并記錄。子消毒室優(yōu)先使用，且1號子消毒室優(yōu)先使用，2個子消毒室可以獨立工作。

當(dāng)連續(xù)進入消毒室的人員數(shù)量不多于1號子消毒室的容納上限設(shè)定值（n1），微控制器根據(jù)門禁系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)判定當(dāng)前為非高峰時段，并做出指令控制1號子消毒室工作。此時1號子消毒室中的小型霧化消毒機啟動。消毒期間，1號子消毒室出入口門禁均禁止開啟。經(jīng)過一定時長（人為預(yù)設(shè)）后，消毒機關(guān)機，1號子消毒室與母消毒室的出口門禁同時開啟，消毒完成。

當(dāng)連續(xù)進入消毒室的人員數(shù)量多于1號子消毒室的容納上限設(shè)定值（n1）且不多于2個子消毒室的容納上限總和設(shè)定值（n1+n2），或者1號子消毒室正在工作，而后到的人員數(shù)量不多于2號子消毒室的容納上限設(shè)定值（n2），微控制器根據(jù)門禁系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)判定當(dāng)前依然為非高峰時段，并做出指令控制2個子消毒室獨立工作。2個子消毒室中的小型霧化消毒機分別啟動。消毒期間，子消毒室出入口門禁均禁止開啟。經(jīng)過一定時長（人為預(yù)設(shè)）后，消毒機關(guān)機，子消毒室與母消毒室的出口門禁同時開啟，消毒完成。

當(dāng)連續(xù)進入消毒室的人員數(shù)量多于2個子消毒室的容納上限總和設(shè)定值（n1+n2）且不多于母消毒室的容納上限設(shè)定值（n3），微控制器根據(jù)門禁系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)判定當(dāng)前為高峰時段，并做出指令控制2個子消毒室的出口常開，使子消毒室在空間上與母消毒室合并，以容納更多的人同時消毒。此時母消毒室中的所有小型霧化消毒機同時啟動。消毒期間，母消毒室出入口門禁均禁止開啟。經(jīng)過一定時長（人為預(yù)設(shè)）后，消毒機關(guān)機，母消毒室的出口門禁開啟，消毒完成。

當(dāng)連續(xù)進入消毒室的人員數(shù)量達到母消毒室的容納上限設(shè)定值（n3）后，母消毒室隨即開始工作。門禁系統(tǒng)將不再接受人員進入消毒室，直到前一批次消毒工作完成，等待下一批次消毒開始。

1.3 液霧充滿度監(jiān)測單元

在子、母消毒室中均布置有基于光電傳感器的液霧充滿度監(jiān)測裝置。光電傳感器的基本工作原理是把光信號的變化轉(zhuǎn)化為電信號的變化，進而利用得到的電信號來實現(xiàn)電路控制。一般光電傳感器由發(fā)送器、接收器以及檢測電路三部分組成。光電傳感器的發(fā)送器可對相應(yīng)的靶標(biāo)發(fā)射光束，光束一般來自半導(dǎo)體光源、發(fā)光二極管、激光二極管以及紅外發(fā)射二極管。接收器由三部分組成，分別為光電二極管、光電三極管和光電池。在接收器的前面裝有光學(xué)元件，如透鏡、光圈等；后面則是檢測電路，其作用是濾出有效信號，同時應(yīng)用此信號[14]。光電傳感器檢測靈敏度高，反應(yīng)時間短，能夠準(zhǔn)確檢測到探測范圍內(nèi)的液霧并快速響應(yīng)。根據(jù)系統(tǒng)需要，選用E18-D50NK漫反射型光電傳感器。這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，其有效檢測距離可以根據(jù)使用要求進行調(diào)節(jié)。

液霧充滿度監(jiān)測裝置布置在消毒室空間對角線的墻角處，以便達到更準(zhǔn)確的監(jiān)測效果。在預(yù)設(shè)時長的消毒過程中，當(dāng)消毒液霧充滿消毒室空間，多個光電傳感器均監(jiān)測到消毒液霧時，微控制器根據(jù)光電傳感器的反饋信號發(fā)出相應(yīng)指令使霧化消毒機暫停工作并待機；當(dāng)消毒液霧逐漸消散至任意一個光電傳感器無法監(jiān)測到液霧信號時，微控制器根據(jù)光電傳感器的反饋信號發(fā)出相應(yīng)指令喚醒霧化消毒機，保持液霧充滿度穩(wěn)定直到消毒工作結(jié)束?？刂葡到y(tǒng)的總體工作流程如圖2所示。

2 消毒通道系統(tǒng)試驗

2.1 試驗材料

在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程園進行消毒通道系統(tǒng)模擬試驗。分別搭建傳統(tǒng)人員消毒通道與子母式人員消毒通道，傳統(tǒng)通道尺寸為3 m×4 m，子母式通道的母室尺寸為3 m×4 m、兩個子室尺寸為1.5 m×1.5 m，通道高均為2.8 m。試驗中，智能門禁單元用光電計數(shù)傳感器代替，進行人員計數(shù)；8臺超聲波霧化消毒機和12個液霧充滿度監(jiān)測裝置等其他設(shè)備均按照圖1進行布置；采用宏晶STC12C5A60S2為主控芯片，以LCD1602液晶屏顯示消毒人數(shù)和消毒時間；消毒液以清水代替，用電子秤測量消毒液的消耗量。試驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 試驗方法

設(shè)置對照試驗，對比分析子母式通道和充滿度反饋系統(tǒng)對消毒費效比產(chǎn)生的影響。試驗分為試驗1“傳統(tǒng)通道+定時系統(tǒng)”、試驗2“傳統(tǒng)通道+充滿度反饋系統(tǒng)”、試驗3“子母式通道+定時系統(tǒng)”、試驗4“子母式通道+充滿度反饋系統(tǒng)”。分別測定4個試驗項目的消毒液消耗量，每個試驗項目重復(fù)3次，消毒時間均設(shè)定為5 min。

2.3 結(jié)果與分析

完成試驗后，對所記錄的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，配備有液霧充滿度監(jiān)測單元的消毒系統(tǒng)對比定時消毒系統(tǒng)，消毒液消耗量可減少約41%；子母式消毒通道對比傳統(tǒng)消毒通道，在通行人數(shù)為1～4人時消毒液消耗量可減少約77%，在通行人數(shù)為5～8人時消毒液消耗量可減少約52%。子母式通道+充滿度反饋系統(tǒng)對比傳統(tǒng)消毒+定時系統(tǒng)，在通行人數(shù)較少時消毒液消耗量減少可達70%以上。由此可見，該系統(tǒng)中子母式消毒通道以及液霧充滿度閉環(huán)控制等創(chuàng)新性設(shè)計對消毒費效比的大幅降低起到了關(guān)鍵作用。

使用MATLAB軟件對4組試驗的消毒液平均消耗量進行處理，得到消毒液平均消耗量（圖4）。從圖4中可以看出，在通行人數(shù)較少時該系統(tǒng)大幅降低了消毒液的損耗，有效地節(jié)約了消毒成本。

3 小結(jié)與討論

試驗中，該系統(tǒng)在消毒費效比方面的突出表現(xiàn)可以歸結(jié)為以下3個方面：

1）低費效比消毒空間結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。該系統(tǒng)采用子母式空間設(shè)計，在人員通道中劃分出小尺寸的子消毒室。高峰時段，母消毒室工作，提高通行效率。非高峰時段，子消毒室獨立工作，縮小消毒空間，避免消毒浪費。

2）高峰與非高峰時段動態(tài)智能判別的創(chuàng)新。利用智能門禁技術(shù)，對通行人員身份信息進行記錄與統(tǒng)計，通過閾值實現(xiàn)高峰時段與非高峰時段的動態(tài)智能判斷，實時控制子、母消毒室的工作模式，有效降低消毒費效比。

3）消毒液霧充滿度智能監(jiān)測的創(chuàng)新。利用液霧充滿度監(jiān)測裝置對消毒室的液霧充滿情況進行實時監(jiān)測與反饋。光電傳感器在液霧充滿度達到消毒要求時，產(chǎn)生相應(yīng)反饋信號使霧化消毒機暫停工作；當(dāng)液霧充滿度下降到消毒要求以下時，光電傳感器產(chǎn)生相應(yīng)反饋信號重啟霧化消毒機。液霧充滿度保持穩(wěn)定，在保證充分消毒的前提下避免了消毒液霧的浪費。

系統(tǒng)模擬試驗主要針對消毒費效比，因此試驗對智能門禁單元進行了簡化。實際畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中智能門禁必不可少。通過門禁單元可以實現(xiàn)強制消毒，并對工作人員和訪客的信息進行記錄，實現(xiàn)規(guī)范化、可追溯式管理。另外，該系統(tǒng)中的液霧充滿度監(jiān)測裝置的核心元件是光電傳感器，試驗中僅實現(xiàn)了對近距離內(nèi)消毒液霧有無的監(jiān)測，沒有對消毒液霧的濃度進行定量判斷。后續(xù)在系統(tǒng)改進過程中，將把對消毒液霧濃度的定量判斷作為重要研究內(nèi)容，以實現(xiàn)精確控制。

人員消毒通道是畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖重要的衛(wèi)生防疫手段，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)對智能化消毒管理系統(tǒng)的研究忽略了消毒費效比的合理優(yōu)化。因此，一套高效、可靠的智能化消毒管理系統(tǒng)對于畜禽養(yǎng)殖行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。該方案采用子母式空間設(shè)計與消毒機閉環(huán)控制，對消毒費效比進行智能優(yōu)化，實現(xiàn)了衛(wèi)生防疫的智能化高效管理，符合國家產(chǎn)業(yè)政策，切合市場需求。綜合市場現(xiàn)狀、行業(yè)政策以及該系統(tǒng)的優(yōu)勢，該系統(tǒng)將會有可觀的應(yīng)用前景。

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