葉永輝

（塔里木大學信息工程學院，新疆阿拉爾 843300）

近年來，我國禽蛋行業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴大，2020年禽蛋產量為3 468萬t，占世界產量的42.8%，居世界第一位［1］。為追求產量，現行蛋雞養(yǎng)殖模式普遍具有集約化、養(yǎng)殖密度大的特點，導致蛋雞處于較為不適的環(huán)境中。雞舍內環(huán)境是否適宜將直接影響蛋雞產蛋性能，因此，提供舒適的環(huán)境是保證蛋雞產蛋性能充分發(fā)揮的重要條件。故蛋雞舍的環(huán)境監(jiān)控對于蛋雞養(yǎng)殖高效高產、健康安全具有重要的現實意義。

本文針對新疆某封閉式蛋雞舍應用物聯網技術對養(yǎng)殖環(huán)境數據進行獲取，通過繼電器對舍內設備進行控制，并將數據傳送至云平臺，由云平臺存儲數據，從而保證蛋雞健康，提升產蛋率，減少發(fā)病率和疾病的傳播。并用溫濕指數（temperature?humidity index，THI）對雞舍環(huán)境進行評價，以期為蛋雞舍的環(huán)境控制提供參考。

1 總體方案設計

1.1 環(huán)境因素對蛋雞的影響成年蛋雞生產性能的最佳環(huán)境溫度為19～22 ℃［2］，高于或低于此溫度范圍需要進行溫度調節(jié)。高溫會導致熱應激，導致生產性能下降，血液化學改變和死亡率增加。低溫會導致雞只增加采食以保證體溫恒定，減少用于生產的物質能量，導致產蛋率下降［3-4］。

蛋雞集約化生產中不可避免地會產生氨氣和硫化氫等有害氣體。研究表明，長期暴露于高濃度氨氣中，會導致雞體重降低，死亡率提高［5］，雞氣管細胞壞死，并影響胸肌的脂肪含量和肉質［6］。硫化氫對雞類的生長速度、飼料效率、肉類品質和疾病的易感性有不利影響［7］，高濃度的硫化氫還會損害神經、呼吸和心血管系統(tǒng)。二氧化碳對雞沒有毒性，但環(huán)境中過高濃度二氧化碳導致氧氣濃度降低，導致雞只缺氧，影響生產性能。同時，二氧化碳濃度也可表明舍內通風狀況和空氣污濁程度，故二氧化碳濃度可以作為監(jiān)測空氣污染程度的可靠指標［8］。

光是調節(jié)雞只生理和行為過程，并引導激素和免疫細胞晝夜節(jié)律的最重要的外源因素之一［7］，其中光周期控制是家禽生產中光管理最突出的方面。

綜上，本文選取溫濕度、光照、氨氣、硫化氫和二氧化碳濃度等因素進行監(jiān)測。

1.2 系統(tǒng)方案設計本文所設計的蛋雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)分為感知層、網絡層、應用層3個部分。感知層主要包括各種環(huán)境參數傳感器、控制模塊和繼電器。控制模塊通過傳感器進行環(huán)境數據的采集以及通過繼電器來對舍內設備進行控制。傳感器分別采集蛋雞舍內的溫濕度、光強度、有害氣體濃度等數據。由于舍內設備連接強電，故通過控制模塊控制直流繼電器，再通過直流繼電器控制交流接觸器來達到控制舍內設備的目的。網絡層包括網絡模塊，一方面將控制模塊采集的數據上傳至云平臺，另一方面將應用層下發(fā)的命令傳輸至感知層。應用層部署在云平臺，可以存儲并顯示采集的環(huán)境數據，并可以下發(fā)控制指令，控制雞舍內風機，水簾和電燈的開關，具體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計結構

2 硬件設計

2.1 控制模塊控制模塊的主要功能是實現環(huán)境參數的實時采集和控制風機、水簾、電燈等設備的開關。本文選用裝有Linux系統(tǒng)的樹莓派4B（Raspberry Pi 4 Model B）作為控制模塊，它是一款基于ARM的微型電腦主板，使用TF卡進行存儲，功能較為完備。

2.2 傳感器選型傳感器用來實現溫濕度，光照強度以及有害氣體濃度等環(huán)境參數的采集。本文采用SHT35型溫濕度傳感器、ME3-NH3型氨氣傳感器、MHZ14B型二氧化碳傳感器、ME3-H2S型硫化氫傳感器以及GY-30型光強度傳感器等作為蛋雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的感知單元。

本文采用SHT35溫濕度傳感器監(jiān)測溫濕度，該傳感器具有直接輸出數字、精度較高（溫度精確至±0.1 ℃，濕度精確至±1.5%）、功耗較低等特點。

氨氣濃度監(jiān)測采用ME3-NH3型氨氣傳感器。該傳感器廣泛用于工業(yè)及農業(yè)領域，通過檢測氨氣在傳感器中發(fā)生氧化還原反應后形成的電流來判斷氨氣濃度，是一種具有較高精度和靈敏度的電化學傳感器（見圖2）。

圖2 ME3-NH3氨氣傳感器電路

硫化氫濃度監(jiān)測使用ME3-H2S型硫化氫傳感器，該傳感器為電化學傳感器，通過硫化氫和氧氣在傳感器中發(fā)生氧化還原反應并形成電流，通過測試電流判斷硫化氫含量高低，具有低功耗、高精度、抗干擾、重復性和穩(wěn)定性較好的特點。

本文監(jiān)測二氧化碳濃度采用MH-Z14B型二氧化碳氣體傳感器。該傳感器為非色散紅外（Non-Dispersive In?fraRed，NDIR）氣體傳感器，通過測量光源到達傳感器紅外光強度來獲取二氧化碳濃度，具有高靈敏、穩(wěn)定性強、壽命長、成本低等特點。

本文監(jiān)測光照強度采用GY-30光強度采集模塊，模塊內置電平轉換，可直接通過IIC接口輸出光強度數值，方便使用。

3 軟件設計

3.1 環(huán)境信息監(jiān)測控制模塊從各種傳感器處獲取環(huán)境數據，并將時間、監(jiān)控終端以及獲取的數據上傳至云平臺進行存儲。雞舍工作人員可以通過觸摸屏在本地進行瀏覽，管理人員可以通過云平臺對數據在遠程瀏覽，使其能夠直觀了解舍內情況。

3.2 養(yǎng)殖信息錄入雞舍工作人員可以通過此功能將某些需要人工錄入的數據錄入云平臺，如當日產蛋數、投料量、死亡數、淘汰數、用藥信息、消毒記錄、疫苗接種信息等，方便后期查看。

3.3 蛋雞舍控制系統(tǒng)監(jiān)控終端將環(huán)境信息輸出至觸摸屏，工作人員可以在觸摸屏上查看環(huán)境信息并進行設備控制?？刂平K端記錄對舍內各種設備的操作記錄存儲并發(fā)送到云平臺。工作人員可以查看當日的風機運行起止時間，雞舍當日光照時間等設備控制信息，也可以將控制命令發(fā)送至云平臺，云平臺將控制命令下發(fā)至監(jiān)控終端，控制終端通過控制繼電器開關來實現對雞舍內風機，水簾、電燈等設備的控制。

4 試驗結果

試驗雞舍為新疆某蛋雞養(yǎng)殖舍，該養(yǎng)殖舍內有5 000余只新羅曼褐殼蛋雞。雞舍長30 m，寬12.5 m，高3.2 m，墻體為37 cm厚磚墻，風機在東墻處，采用負壓通風，以環(huán)境溫度閾值來決定風機工作狀態(tài)，水簾在西墻處。雞舍內有4層雞籠階梯狀東西走向擺放，雞籠下有寬2.2 m的糞坑，糞便由刮糞板清理至室外，如圖3所示。

圖3 試驗蛋雞舍

本文以該雞舍作為采集對象，于2021年11月26日12時至12月15日18時進行試驗，設定傳感器數據采集間隔10 min，應采集數據各2 772條，實際采集數據各2 749條，數據丟失23條，數據丟失率為0.99%，符合系統(tǒng)設計要求。部分環(huán)境數據見表1。

表1 2021年11月26日至12月15日雞舍內部分環(huán)境數據

5 蛋雞舍溫濕環(huán)境評價

為了評價家禽生活的環(huán)境，學者們做了大量的研究［9］。在諸多環(huán)境要素中，溫熱環(huán)境對家禽生活環(huán)境的影響較為重要。在對溫熱環(huán)境進行評估的模型中，溫濕指數模型運用較為廣泛。THI通過研究家禽所生活環(huán)境的溫度與濕度來對環(huán)境進行評價。THI計算公式如式1所示。

式中：Tdb為干球溫度，RH（relative humidity）為相對濕度。

但由于式1中溫度單位為℉，轉化并化簡得到式2：

有研究［11-12］認為蛋雞的THI熱應激閾值為70，超過70蛋雞會產生熱應激。其中Kim DaHye的分類［11］如下：THI在70以下為舒適，THI在70～75為輕度熱應激，THI在76～81為中度熱應激，THI超過81為重度熱應激。

本文利用蛋雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)獲取的環(huán)境數據，運用THI對實驗雞舍內環(huán)境進行評價。

由圖4可以看出，由于采取了以溫度參數為導向的控制方法，舍內溫度一直較為穩(wěn)定，在07：25左右達到當日最大值，于17：35左右達到當日最小值。平均溫度為19.92 ℃，最高溫度為20.46 ℃，最低溫度為19.33 ℃。

圖4 24 h內蛋雞舍溫度變化

由圖5可以看出，從00：00開始蛋雞舍內相對濕度較為穩(wěn)定，在11：05左右迎來一個波峰，達到當日相對濕度最大值64.19%，后又急劇下降，在16：05左右達到當日相對濕度最小值47.11%，平均相對濕度為57.27%。

圖5 24 h內蛋雞舍濕度變化

圖6為2021年11月26日至12月15日中蛋雞舍內溫濕指數的變化情況，THI基本在62～68，最大值為67.014 4，最小值為62.698 6，平均值為65.592 0。由之前的分類進行判斷，此次試驗時間內試驗蛋雞舍內的蛋雞處于溫濕指數舒適區(qū)，雞舍環(huán)境參數未達到熱應激水平。

圖6 試驗期間蛋雞舍THI變化

6 結論

本文設計了一種蛋雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)有多種環(huán)境參數傳感器，并通過繼電器來控制風機、水簾和電燈等舍內設備，通過試驗驗證，監(jiān)控系統(tǒng)可以通過控制繼電器，實現對風機等設備的遠程控制。試驗過程中系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有良好的實用性和可靠性，并利用系統(tǒng)采集的環(huán)境數據，利用溫濕指數對雞舍內小環(huán)境進行評價。結果表明，試驗過程中雞舍環(huán)境未處于熱應激狀態(tài)，生產環(huán)境良好。下一步將在現有的基礎之上對蛋雞舍的環(huán)境控制采取進一步研究，使調控時機更為準確，調控手段更為精細。