曲愛玲，馬長路,2

（1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102442；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，北京 100193）

0 引 言

近年，我國霧霾污染日益嚴(yán)重。文獻(xiàn)[1]研究表明PM2.5能引起哮喘、肺功能下降、呼吸系統(tǒng)炎癥、癌癥等多種疾病，甚至累及心血管、神經(jīng)、免疫等全身多個系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]研究表明吸入PM2.5顆?？梢l(fā)大鼠慢性阻塞性肺疾?。–OPD）。文獻(xiàn)[3]研究表明PM2.5具有生殖毒性，能夠引起早孕期大鼠胚胎個數(shù)的減少及胚胎質(zhì)量下降。文獻(xiàn)[4]研究表明高劑量PM2.5可能導(dǎo)致妊娠結(jié)局的改變。

大量實驗表明，PM2.5對動物和人類的健康均產(chǎn)生巨大威脅，PM2.5對奶牛健康的危害直接影響奶牛的產(chǎn)奶量和產(chǎn)乳的品質(zhì)。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，監(jiān)測奶牛養(yǎng)殖場的PM2.5、氨氣、光照、溫度、濕度含量等，并根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行空氣凈化等處理，旨在改變奶牛的生存環(huán)境，減少PM2.5對奶牛健康指數(shù)的影響。

1 PM2.5對奶牛健康危害

鑒于PM2.5對鼠類健康影響分析，推斷PM2.5對奶牛的健康危害主要體現(xiàn)在對呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、妊娠結(jié)局改變等方面的影響或病變。

1.1 呼吸系統(tǒng)

PM2.5進(jìn)入機(jī)體后可沉積在肺泡，導(dǎo)致肺炎、哮喘、慢性支氣管肺炎、肺功能下降等，可能與炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、基因毒性誘導(dǎo)的肺功能損傷，PM2.5急性暴露可造成呼吸功能下降[5-7]。

1.2 免疫系統(tǒng)

巨噬細(xì)胞暴露于環(huán)境顆粒物被認(rèn)為是肺炎癥和過敏性疾病的關(guān)鍵。對于PM2.5，TLR2受體缺乏減弱巨噬細(xì)胞TNF-α和IL-6的表達(dá)能力，可形成炎癥和過敏。通過氧化反應(yīng)、免疫損傷、鈣穩(wěn)態(tài)失衡等機(jī)制，PM2.5可造成黏膜損傷、補(bǔ)體活化、CRP升高、肺巨噬細(xì)胞與NK細(xì)胞比例降低，T細(xì)胞、B細(xì)胞分布改變，TNF-α和IL-1等一系列細(xì)胞因子水平變化[5-7]。

1.3 心血管系統(tǒng)

PM2.5通過刺激肺泡引發(fā)炎癥而影響心血管，也可激活肺泡表面敏感受體，改變自主神經(jīng)功能，間接作用心血管，PM2.5抑制細(xì)胞增殖，長期暴露在PM2.5環(huán)境可降低心血管病體壽命[5-7]。

1.4 神經(jīng)系統(tǒng)

PM2.5破壞上皮、內(nèi)皮屏障，血腦屏障的完整性決定神經(jīng)抗體的作用，體內(nèi)抗原觸發(fā)自身免疫應(yīng)答，促成神經(jīng)炎、免疫、神經(jīng)系統(tǒng)疾病[5-7]。

1.5 不良妊娠結(jié)局

PM2.5可能致異常妊娠、胎膜早破、子癇前期等，可能出現(xiàn)早產(chǎn)、低出生體重及死胎等現(xiàn)象[5-7]。

2 影響奶牛產(chǎn)奶的主要因素

2.1 遺傳因素

遺傳因素是影響奶牛產(chǎn)奶量的內(nèi)在因素，奶牛的品種類型不同，產(chǎn)奶量也不同。荷斯坦牛的產(chǎn)奶量最高，乳脂率卻最低；娟姍牛的乳脂率高但產(chǎn)奶量則較低。同種奶牛因個體特征差異，產(chǎn)奶量也有差異，體型大者產(chǎn)奶量高于體型小者產(chǎn)奶量[8-10]。

2.2 生理因素

奶牛的年齡和初配時間是影響奶牛產(chǎn)奶量的生理因素之一，奶牛的產(chǎn)奶高峰期在6～9歲左右，初配月齡為14～16為宜，可人為干預(yù)調(diào)整最優(yōu)結(jié)構(gòu)，使奶牛發(fā)揮最大的產(chǎn)奶效益。奶牛在產(chǎn)奶期的發(fā)情與妊娠，均會使奶牛的產(chǎn)奶量顯著下降。奶牛的初產(chǎn)月齡與胎次對奶牛的產(chǎn)奶量起決定性作用，初產(chǎn)時間22～24月齡為最佳，奶牛在第5胎可達(dá)到產(chǎn)奶量高峰期?？扇藶榭茖W(xué)規(guī)劃奶牛各胎時間，實現(xiàn)奶牛健康和產(chǎn)奶量的最佳匹配方案。調(diào)整奶牛泌乳階段的飼養(yǎng)管理方法，提高泌乳階段的產(chǎn)奶量，此外，要保證干乳期長度適宜，使奶牛的生產(chǎn)性能得到充分的恢復(fù)。合理規(guī)劃奶牛的產(chǎn)犢間隔對于保證后代的健康發(fā)育和產(chǎn)奶量穩(wěn)定至關(guān)重要[8-10]。

2.3 飼料因素

飼料的好壞是決定奶牛產(chǎn)奶量和奶質(zhì)的關(guān)鍵。在飼養(yǎng)中，要保證精料種類多樣化，并搭配高質(zhì)量和一定比例的粗料，有效保證牛奶乳脂率和乳蛋白率的提高。

正確的擠奶方法和次數(shù)可以保證牛奶的產(chǎn)量和質(zhì)量，擠奶前用溫水擦洗奶牛的乳房，并做好準(zhǔn)備工作，安排好時間，保證產(chǎn)奶量和乳脂率[8-10]。

2.4 環(huán)境因素

空氣中PM2.5污染，嚴(yán)重威脅奶牛的機(jī)體健康，對其產(chǎn)奶量及奶質(zhì)均構(gòu)成影響，保證牛舍內(nèi)空氣質(zhì)量安全，是奶牛健康的保障。

奶牛正常生活的適宜溫度為0～20℃，最適溫度在10～16℃，外界溫度達(dá)到25℃以上時，奶牛會出現(xiàn)呼吸急促、食欲減退，精神沉郁，產(chǎn)奶量也會相應(yīng)下降，夏季要做好舍內(nèi)的降溫工作，避免奶牛產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)，冬季要做好相關(guān)的保暖措施，減少溫度差異對奶牛產(chǎn)奶量造成的負(fù)面影響。

若將光照時間延長到16 h，奶牛產(chǎn)奶量可提高10%～30%。在溫度適宜的條件下，光照實效越長，奶牛的新陳代謝越旺盛，飼料轉(zhuǎn)化率越高，體內(nèi)催乳素和甲狀腺素分泌增多，所以產(chǎn)奶量也相應(yīng)增加。

奶牛舍內(nèi)衛(wèi)生是保證奶牛健康、防止疾病暴發(fā)的關(guān)鍵。在日常生產(chǎn)中要做到及時清除牛舍內(nèi)的糞尿、灰塵以及食物殘渣，保證舍內(nèi)空氣流通，切斷流行性疾病的傳播途徑，維持適宜牛群生活的有利環(huán)境[8-10]。

3 奶牛養(yǎng)殖場PM2.5環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)構(gòu)架

在影響奶牛產(chǎn)奶的因素中，遺傳因素是無法人為干預(yù)避免的，生理因素和飼料因素均可以人為干預(yù)得到避免或解決，環(huán)境因素中PM2.5、溫度、光照、氨氣、濕度等作為影響奶牛產(chǎn)奶的外界因素，可以通過科技手段得以改善或控制，旨在為奶牛的生長提供一個健康、綠色、優(yōu)質(zhì)的環(huán)境?；谖锫?lián)網(wǎng)的奶牛養(yǎng)殖場PM2.5環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)是感知、互聯(lián)、智能的疊加，是物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層技術(shù)的綜合應(yīng)用，其系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 奶牛養(yǎng)殖場PM2.5環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)構(gòu)架

4 奶牛養(yǎng)殖場PM2.5環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)硬件實施

4.1 奶牛養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)測

4.1.1 PM2.5傳感節(jié)點

PM2.5傳感節(jié)點采用PM2.5激光傳感器，即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時在某一特定角度收集散射光，得到散射光強(qiáng)隨時間變化的曲線。進(jìn)而微處理器利用基于米氏（MIE）理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量。本系統(tǒng)采用PMS70XX系列超薄數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，用于獲得單位體積內(nèi)空氣中懸浮顆粒物個數(shù)，即顆粒物濃度，并以數(shù)字接口形式輸出。此PM2.5傳感器即可以檢測PM2.5濃度，又可以檢測PM10濃度[11]。路由節(jié)點處理器采用LM3S9B96芯片，PM2.5傳感器與LM3S9B96芯片的串口UART0進(jìn)行硬件連接，實現(xiàn)LM3S9B96芯片與PM2.5傳感器間的數(shù)據(jù)通信。PM2.5傳感器的工作電壓為+5V。其硬件原理圖如圖2所示，圖中LM3S9B96中的+5V為系統(tǒng)外部+5V輸入電源。當(dāng)牛舍環(huán)境的PM2.5參數(shù)不在系統(tǒng)設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)啟動空氣凈化裝置進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

圖2 PM2.5傳感器硬件原理

4.1.2 溫濕度傳感節(jié)點

溫濕度傳感節(jié)點選用SHT11溫濕度傳感器芯片，其包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，兩者在同一個芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。利用LM3S9B96控制器的I2CSDA、I2CSCL控制SHT11溫濕度傳感器的DATA、SCK信號線，其硬件原理圖如圖3所示。每個牛舍放置一個溫濕度傳感節(jié)點，當(dāng)牛舍環(huán)境的溫濕度參數(shù)不在系統(tǒng)設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)啟動溫濕度控制裝置進(jìn)行自動調(diào)節(jié)[12]。

圖3 溫濕度傳感器原理

4.1.3 光照傳感節(jié)點

光照傳感節(jié)點采用TSL230光照傳感器，它在內(nèi)部集成了一個可配置的硅光電二極管和一個電流/頻率轉(zhuǎn)換器，其輸出是頻率正比例于光照度的脈沖串或方波。傳感器的靈敏度有3個可選擇的級別，靠兩個邏輯輸入端來控制，TSL230光照傳感器所有的輸入和輸出電平都兼容TTL電平，利用LM3S9B96控制器的GPIO引腳控制TSL230光照傳感器的信號引腳，其硬件原理圖如圖4所示。當(dāng)牛舍環(huán)境的光照強(qiáng)度不在系統(tǒng)設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)啟動光照控制裝置進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

4.1.4 氨氣傳感節(jié)點

氨氣傳感節(jié)點采用7NE/NH3-100氨氣傳感器模組，具有模擬電壓/電流和串口同時輸出的特點，其工作為電壓+5V，使用壽命2年。此氨氣傳感器模組預(yù)留串行接口，利用LM3S9B96的串口UART1與7NE/NH3-100氨氣傳感器模組進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其硬件原理圖如圖5所示，圖5中，7NE/NH3-100傳感器的定位引腳1、電壓輸出引腳4、485串口輸出控制引腳7均懸空即可。當(dāng)牛舍環(huán)境的NH3濃度不在系統(tǒng)設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)啟動排風(fēng)控制裝置進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

圖4 光照傳感器原理

圖5 NH3傳感器原理

上述傳感器節(jié)點采集的環(huán)境參數(shù)通過路由節(jié)點的ZigBee芯片進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器端，數(shù)據(jù)在協(xié)調(diào)器端進(jìn)行存儲、處理、上傳到云端等操作。

4.2 奶牛養(yǎng)殖場環(huán)境控制裝置

奶牛養(yǎng)殖場環(huán)境控制裝置每個牛舍安裝一套，包括空氣凈化裝置、溫濕度控制裝置、光照控制裝置（補(bǔ)光裝置）、排風(fēng)換氣裝置，上述控制裝置均采用性價比高的裝置，與本系統(tǒng)進(jìn)行二次集成。環(huán)境控制裝置由路由節(jié)點的控制器通過控制固態(tài)繼電器來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟動，每個節(jié)點的環(huán)境控制裝置監(jiān)控狀態(tài)可遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆贫?，方便用戶日常管理與故障維護(hù)。

4.3 奶牛養(yǎng)殖場環(huán)境參數(shù)感知

4.3.1 現(xiàn)場液晶屏顯示

每個路由控制器端均帶有液晶屏，用來顯示當(dāng)前環(huán)境的具體參數(shù)值。液晶屏采用UartGPU35c串口屏模塊，此屏尺寸為3.5寸，利用LM3S9B96芯片的串口UART2與UartGPU35c串口屏模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，液晶屏供電電壓為+5V。

4.3.2 無線數(shù)據(jù)傳輸

采用CC2420芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸。CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術(shù)，以0.18 um CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)[12]。CC2420與LM3S9B96處理器硬件連接原理圖如圖6所示。

圖6 CC2420與LM3S9B96處理器硬件連接原理

4.3.3 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

LM3S9B96的以太網(wǎng)控制器由一個完全集成的媒體訪問控制器（MAC）和網(wǎng)絡(luò)物理（PHY）接口器件組成。以太網(wǎng)控制器遵循IEEE 802.3規(guī)范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)接口的硬件原理圖如圖7所示[12]。

圖7 以太網(wǎng)接口原理

以太網(wǎng)主要完成協(xié)調(diào)器與云應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)云應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)采用php、mysql等技術(shù)實現(xiàn)，方便用戶遠(yuǎn)程查看養(yǎng)殖場的環(huán)境參數(shù)及環(huán)境控制裝置的運行狀態(tài)，完成環(huán)境參數(shù)大數(shù)據(jù)的存儲，處理等工作。手機(jī)APP采用android技術(shù)實現(xiàn)，使奶牛養(yǎng)殖場的管理與科技發(fā)展同步，隨時掌控了解奶牛的生存環(huán)境。

5 結(jié) 論

鑒于PM2.5對奶牛健康的嚴(yán)重危害，高溫時奶牛出現(xiàn)的熱應(yīng)激反應(yīng)，光照對奶牛產(chǎn)奶量的影響等重要環(huán)境因素，采用先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的奶牛養(yǎng)殖場PM2.5環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)可解決上述環(huán)境問題，實現(xiàn)對奶牛養(yǎng)殖場環(huán)境的PM2.5濃度、溫度、濕度、光照、氨氣等環(huán)境參數(shù)的智能監(jiān)測及控制調(diào)節(jié)，為奶牛提供一個安全、綠色的無污染環(huán)境。系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)及節(jié)點設(shè)備運行狀態(tài)可通過云應(yīng)用服務(wù)器或手機(jī)APP實時查看。本系統(tǒng)的實現(xiàn)，使奶牛養(yǎng)殖場的環(huán)境控制科學(xué)化、智能化，進(jìn)一步保證了奶牛的健康和產(chǎn)乳的品質(zhì)，為乳品安全提供了源頭保障。

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