现代化生猪养殖环境测控技术现状与发展趋势

漆海霞，张铁民，罗锡文，Thomas Banhazi

(1．华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642；2.华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广东 广州 510642;3. National Centre for Engineering in Agriculture (NCEA), University of Southern Queensland (USQ), West Street, Toowoomba QLD, 4350)



学科动态

现代化生猪养殖环境测控技术现状与发展趋势

漆海霞1,2,3，张铁民1,2*，罗锡文1,2，Thomas Banhazi3

(1．华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642；2.华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广东 广州 510642;3. National Centre for Engineering in Agriculture (NCEA), University of Southern Queensland (USQ), West Street, Toowoomba QLD, 4350)

针对现代生猪规模化养殖带来的养殖场舍内环境污染对猪生长不利的问题，阐明了猪舍内温湿度、有害气体(CO、CO2、H2S、NH3)、粉尘和气流速度等环境因子对生猪健康生长的影响，及各环境因子间的相互影响、相互作用的关系；综述了国内外猪舍环境测控技术的现状，并分析了生猪养殖舍内环境测控技术的发展趋势，为我国生猪养殖业规模化、工程化、工厂化和自动化发展提供参考，推进生猪健康福利养殖。

生猪养殖；猪舍内环境因子；环境测控技术

近20年来，我国畜牧业生产获得巨大发展，从小规模、家庭农户分散饲养到集约化、规模化、工厂化养殖，产量越来越高，给养殖户带来了巨大的经济效益。但规模化养殖也带来的一系列问题，环境污染、疾病防控、饲料营养、生存环境和健康等问题日益突出，对生猪生长、发育、繁殖都有影响[1-4]，不但影响生猪的健康和生产质量，还会影响生猪产业的良性持续发展。生猪养殖环境测控是调节生猪舍内环境质量的有效措施，本文在概述生猪养殖环境因子对生猪健康的影响及测控技术现状的基础上,指出现代工厂化生猪养殖环境测量和控制的发展趋势和前景。

1 生猪养殖环境概述

生猪生存空间中对其生活产生直接或间接影响的因素的总和构成了生猪养殖环境。环境控制水平是养猪现代化的重要标志，猪的生存环境对生产起决定作用[1]。适宜的环境状态会让生猪感觉舒适，保障猪的生理健康，保证增重快、繁殖成活率高，提高饲料转化率，节约了生产成本[2-5]。生猪养殖环境主要包括空间环境、光环境、水环境和空气环境。空气环境主要包括温度、湿度、O2、有害气体(NH3、H2S、CO、CO2)浓度、粉尘浓度、微生物、气流速度等[6-7]。针对空气环境因子的测量和控制，在现有猪场设施和生产模式下，保证猪生存环境空气质量。

1.1 温湿度对生猪健康的影响

温湿度是猪舍环境控制的先决条件[8]。猪只对环境温度非常敏感，环境温度过高或过低都不利于猪的生长，会导致热应激和冷应激，引发各种疾病，如高温会引起热射病、胃肠道疾患、抵抗力下降等；温度过低，超过机体的代偿能力，会使体温下降，对疾病抵抗力降低[8-9]；一般猪舍适宜的湿度是60%～75%，高湿度(高于80%)总是不利于猪生长；高温高湿，会加剧热应激，急性死亡增多，产仔数减少；低温高湿，会加剧冷应激，猪只易患感冒、风湿、关节炎、肠炎、下痢等疾病，饲料转化率和生长速度都会下降，不利于猪生产和健康[9]。育肥猪只最适合在温度14～23℃，相对湿度50%～80%的环境生存，病原体不易繁殖，生长快，肥育的效果好[2]。

1.2 有害气体对生猪健康的影响

猪舍内有害气体主要由猪生产过程中产生，主要的有害气体包括NH3、H2S、CO和CO2。猪舍空气中有害气体的最大允许值：NH3为30 mg/L，H2S为20 mg/L，CO为5 mg/L，CO2为1 500 mg/L[10]；猪只长期生存在高浓度有害气体的环境中，可引起应激综合症，会发生中毒或慢性中毒现象[9]。有害气体NH3、H2S会影响细胞呼吸，造成组织缺氧[8]，易引起结膜炎、鼻炎、气管炎、肺炎等疾病[3]，长期处于低浓度NH3、H2S环境下，可导致猪体质变弱、抵抗力下降、增重缓慢、发病率上升[9]。舍内CO、CO2含量过高，也会使猪慢性缺氧，体质虚弱，易感染肺结核等各种慢性传染病[3，9]。

1.3 粉尘对生猪健康的影响

猪舍内由于饲料、垫草、猪的皮毛等原因产生灰尘，灰尘浓度高，可以引起舍内猪只发生眼病、皮肤病、呼吸道疾病[3，11]；灰尘附着在皮肤上，还会堵塞皮脂腺，使皮肤干燥，易破损，抵抗力下降。尘埃直径越小，越会深入进入呼吸道，当灰尘直径小于5 μm时，可到达细支气管，直到肺泡，导致呼吸道炎症，甚至肺炎[9，12]。猪舍内粉尘的含量限值，一般猪舍要求在1.5 mg/m3以下；育肥猪舍最大值不能超过3.0 mg/m3；带仔母猪和哺乳仔猪要求较高，不得大于1.0 mg/m3。细菌、有毒有害气体(如NH3)、病原微生物等可吸附在粉尘上。尘埃中的微生物，大多为腐生菌、霉菌、酵母菌等细菌，疫病流行时，还会有病原微生物，如流行感冒病毒、破伤风杆菌、炭疽病等。通风不良或经常不透阳光时，尘埃更能促进各种微生物的繁殖。猪舍内紫外线弱，微生物来源多，会致使微生物含量比大气高出50～100倍，微生物附着灰尘上，在舍内传播疾病[3，12]。

1.4 气流速度

猪舍内空气的流动，利于驱散舍内热量，将有害气体及时排除舍外，使舍内温湿度、空气成分均匀，保证舍内空气清洁[9]。猪舍内气流速度应与温度相关，高温时，加强空气的对流速度，猪体热量散发快，猪只感觉舒适凉快，减轻热应激对猪只的危害，当环境温度高于猪体表温度时，对流使猪只反而获得热量，须借助喷淋或滴水等降温措施[13]，同时加大流速，来达到水分蒸发散热的效果[9]。低温时，气流会带走猪体表热量，应减小气流避免冷应激对猪只的危害[14-15]。通风是消除有害气体的重要方法，无论什么情况下，猪舍内应保持一定气流速度[16-17],一般冬天猪场气流速度以0.1～0.2 m/s为宜，最高不要超过0.25 m/s;夏季最热时，各类猪群舍内风速最大不超过1 m/s秒。

2 猪舍环境测控技术现状

国外学者较早关注猪舍环境质量的研究。最早的畜禽舍内的空气质量研究报道是在1953年，研究具体的污染因素、舍内通风对气体浓度的影响、污染对动物和饲养工人的影响。研究显示，牛、羊、猪、禽的饲养环境中，由于猪的排泄量大，舍内饲养导致舍内环境恶气大，空气质量差。因此，针对猪养殖环境监测和空气质量控制，提出环境的综合管理系统(Integrated Management System, IMS)。20世纪90年代，普度大学首次研究了畜禽舍内技术及测控系统用于实验室和舍内实验[18]。目前，国外猪舍环境测控系以荷兰、美国、丹麦、日本、加拿大、澳大利亚等畜牧大国发展较快[5，19]。如荷兰DigDutchman公司研制了畜禽环境监控管理系统(The Agro Management and Control System，Amacs)，能实现温度、湿度、氨气浓度的参数采集，自动控制舍内温度、通风、喂料，还可以通过网络远程访问[20]。日本研究的畜禽环境调控集群系统，引入专家系统，可对环境进行调控，还可诊断发病畜禽[21]。加拿大圭尔大学研发出猪场气味无线传感器检测设备，用来监控养殖环境，并根据气味分析猪的健康情况[22-23]。除此之外，便携式环境现场监测仪，体积小、价格便宜，可以对环境因子CO2、NH3、CO等常规污染物进行监测，如澳大利亚南澳大学和南昆士兰大学联合，经过几年不断更新及改型，于2005年开发了畜禽设施内环境质量测量系统BASE-Q(Building Assessment System for Environment Quality)工具箱，该产品具有轻便、价廉、便携、低耗的特点，可以将其固定在舍内任何位置以检测现场环境参数[24-25]。总之，国外畜禽舍内环境检测系统，综合了多因子检测，环境综合调控，猪只健康分析，远程数据传输等功能。

我国对猪舍环境参数控制问题的研究最近10年才引起重视，长期以来猪舍环境因子测控处于人工控制或半自动化状态，依靠工作人员对猪舍内环境的主观判断，人工控制或调整环境的各种机械设备来实现[5，18]。中央一号文件提出生猪养殖规模化发展，对猪舍内环境测控提出了更高的要求。我国在动物育种、营养、饲料方面做了大量的工作[1]，而在畜禽应激、环境测控技术研究相对薄弱[9，5]，多为单一技术的研究。现有的生猪舍环境自动测控系统以全套进口的为主，价格贵，难以适应我国生猪生产地域差异的养殖需要。

3 猪舍内环境测控技术发展趋势

3.1 猪舍环境参数监控系统

猪舍内待测环境空间大，舍内环境参数的检测随着电子技术、检测技术、计算机网络技术的发展，采用分布式控制系统在线采集数据和调控，根据所用的微控制器不同构成不同的系统。 黄华[8]、邹丽娜等[26]研究了基于单片机的畜禽舍环境监控系统，分别对温度、湿度、CO2、NH3进行数据采集，通过加热装置和通风机进行参数调控；李立峰[5]采用商业化的西门子PLC和King View组态软件研发猪舍环境监控系统，该系统能采集温湿度、NH3浓度，机械通风和热水采暖，适合于北方寒冷地区猪舍环境监控；张玉峰[27]、戴春霞[28]研究基于现场总线的猪舍现场环境监控系统，这些传统的环境监控系统，都是采用有线方式分布设备，系统布线复杂，容易造成接触不良，维护困难，成本较高[29]。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、通信技术等新技术，能协作实时监测、感知、采集网络分布区域内各种环境或监测对象详尽准确信息，并进行处理，传送到需要信息的用户，且具有节点可以任意布置、无需硬件布线、低耗价廉等优点。梁万杰等[30]研究了基于无线传感器网络的猪舍环境监测系统。利用无线传感器网络监测光照强度、温度、湿度和氨气含量等猪舍基础环境参数，并采用J2EE软件系统，开发了一套猪舍环境监测管理系统。朱伟兴等[29]提出一种基于物联网技术的保育猪舍环境可视化精准调控系统， 将养猪场所有猪舍组建成一个可视化精准调控无线网络系统，实现集中管理。

3.2 采集参数传感器的布置

猪舍内环境参数呈非线性、时变性和大滞后的特点。由于滞后时间长，不同时刻测量同一测量点的环境参数，其参数变化缓慢；同一时刻测量不同的测量点，其参数可能会有较大的差异[31-32]。因此，传感器的布置点不同、采集点的变化，都会使测量结果有较大的变化，从而引入测量误差，降低了测量数据的可信度。研究传感器的合理布置、提高环境参数采集的效率和可靠性，是舍内环境测量等解决的关键问题之一。

3.3 环境参数智能测控策略

生猪舍内环境各因子对生猪生长的影响各不相同，而且是多因子复杂的、相互耦合的关系。现有的测控系统大多是对环境因子的单一调控，环境参数调控策略是简单的开关量控制或比例积分微分(PID)调节，难以满足猪舍内复杂的环境综合测控要求。随着计算机网络、人工智能算法、传感器数据处理等技术的发展，使猪舍环境测控向着智能化、网络化、综合调控方向发展。俞守华等[33]研究了遗传算法和模糊控制解决猪舍内H2S、NH3有害气体的检测传感器的交叉敏感问题，以及对舍内温度的智能控制算法；滕翠凤等[34]采用自适应加权算法和D-S证据推理算法结合，研究一种适用于猪舍环境监测的分布式多传感器体系结构和二级融合模型，对温度、湿度、光照度采集的信息进行融合，提高猪舍环境检测的准确度；王新政[35]基于模糊理论，以畜禽舍温度为采集对象，提出统计方法和时空融合方法的多传感器模糊贴近度计算方法，提高传感器检测的精度。

3.4 猪舍小气候环境控制

地域差异、四季变换、昼夜温差等自然环境的变化，会使得猪舍内环境参数随室外温度差异有较大的变化，通过风机、湿帘、加热器等环境调控设施和设备，对舍内温度、湿度、气流、光照、空气质量等环境因子进行改善和调节，为猪只提供良好的舍内小气候环境生存条件。同时，个体猪只的生活空间相对猪舍内小气候空间的局部小环境，由于(1)猪舍内空间大，环境参数在舍内不均匀变化，环境参数采集点的选择是否合理，圈栏的结构、饲养方式、气流速度等，都会影响到猪只个体感受的生活小环境气候差异；(2)不同品种、不同日龄的猪只对环境要求也有差别，如生长育肥猪，室温18～22 ℃，相对湿度60%～65%，哺乳仔猪，室温25～30 ℃，相对湿度65%～70%[36]。因此，猪舍的小气候环境和局部小气候环境测控是改善和创造猪生长的适宜条件，使生猪增得快、繁殖在活率高、饲料转化率高，提高猪只生产办的前提。猪生长局部小气候环境主要是针对猪只的生存活动小范围空间的气候调节，如在寒冷的冬季，给仔猪舍、保育猪舍添加红外取暖等增温、保温设备；环境检测传感器尽量安装在猪圈附近采集数据，使检测的数据更接近猪只的感受。

3.5 环境因子流场分析和控制

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)是用离散的数学方法，对流体的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究。CFD分析应用于农业工程领域的时间不长，近年来日益增多，主要应用在温室、畜禽舍、室内空气流动及环境状态模拟[15，37-40]。国内外都有对畜禽舍内气流场、温度场进行研究[15,41-43]，流场模拟可以分析舍内流场的分布，分析不同的猪舍结构、纵向或横向通风方式、围栏高度等对流场分布的影响，可以此为作为猪舍的结构优化设计和评价依据。CFD数值模拟，用一个虚拟情形模拟，节省了实验和畜禽舍内结构设计计算时的人力、物力、时间。通过CFD数值模拟与验证，研究舍内小环境下，猪只身体周围对流引起的热浮力流动,空间流场，预测流场分布，获得猪舍设计参数等方面起着重要作用[37]。

3.6 通风换气

通风换气系统调节猪舍内小气候环境空气状态，合理的通风换气，将有害气体及时排出舍外，保证舍内空气质量，是猪舍内温度、湿度、有害气体控制的最主要手段[15，44]。猪场通风换气方式的设计结合具体的季节和舍内的环境情况，形成一定的气流，实现对猪舍内空气流控制和调节。猪舍内气流可促进猪体表对流散热和蒸发散热[44-45]。猪舍内热控制和通风换气是猪场设计的重点，猪场设计时需考虑与猪场匹配的通风方式，如根据猪舍最大夏季通风量和最小冬季通风量，选择通风设备相关参数；在满足不同通风量要求前提下，设计最优机械通风方案，避免舍内风机配置过量，减少通风系统能耗；较大型猪场，面积较大，需采用多种通风方式；猪场内避免出现“贼风”和“穿堂风”[44-45]。猪舍内环境因子测控系统检测环境因子参数，通过计算给出控制量，通过通风系统实现对舍内的空气调节，未来风机的控制不再是简单的开关量的控制，而是对风速和风量进行有效的精确的调节[44]。空气过滤系统减少猪舍空气中的尘埃。

3.7 猪舍内相关环境控制法规和标准

畜禽养殖规模化将会带来粪污废弃物污染和排放、动物疫情检测和预防、动物生存福利和健康等问题，国际动物卫生组织(OIE)《国际动物卫生法典》就养殖环境控制、畜禽粪尿、废污水污染处理、排放标准等都有详细法规[46]。

我国国家环保总局于2001年3月颁布《畜禽养殖场污染防治管理办法》，2005年12月颁布了《畜牧法》，2008年1月开始实施的《畜禽养殖业污染防治技术规范》，2014年1月开始实施的《畜禽规模养殖污染防治条例》，这些法规以及GB/T 19630.1-2011都有对畜禽养殖“饲养条件”的标准，但没有对生猪等舍内动物生存环境具体的量化指标，制定相应的标准，有利于养殖标准化、工厂化和工程化发展，有利于生猪高效、优质、安全和无公害生产。

4 小结与展望

生猪养殖舍内环境测控技术向网络化、智能化、标准化和自动化方向发展。随着计算机网络技术、自动检测技术、控制技术的发展，结合猪舍内环境检测传感器的合理布置，传感器信息的优化处理计算，对猪舍内环境因子流场分析及参数建模，配合自动控制通风、加热、降温等装置，可对猪舍内环境因子实现标准化规定的参数调节。未来生猪养殖场测控系统将向精细养殖的方向发展：(1)人工智能化。对环境参数的测量，采用模糊控制、自适应控制、神经网络、信息融合等人工智能算法，对采集的数据进行处理，以获得对参数的精确的控制；(2)参数标准化。猪舍内环境参数应适合猪只的生存，环境参数依据相关的标准制度的指标进行控制，实现舍内环境因子的标准化；(3)综合调控合理化。对环境因子的调控不再是单一的开关量的控制，应该是环境相关多个因子的综合调控，通过控制算法，计算各个因子的合理输出值，使环境达到适合生猪健康生长的最优状态；(4)设施自动化。设施自动化调节是猪舍环境自动控制的保证，通过猪舍设施实现环境通风、升温、降温和除湿等调节，舍内环境设施控制全自动化，能根据计算结果，对风机进风量和风速自动调节，温度进行精确的智能调控。

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Advances and Prospects of Environment Monitoring Techniques in Modern Piggery

QI Hai-xia1,2,3, ZHANG Tie-min1,2, LUO Xi-wen1,2，Thomas Banhazi3

(1．CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou, 510642,China;2.KeyLaboratoryofKeyTechnologyonAgriculturalMachineandEquipment,MinistryofEducation,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou,510642,China; 3.NationalCentreforEngineeringinAgriculture(NCEA),UniversityofSouthernQueensland(USQ),WestStreet,ToowoombaQLD, 4350)

Targeting at piggery pollution and their hazard to animal growth in the large scale modern farms, the paper investigated the effect of environmental factors including humiture, hazardous gases (CO, CO2,H2S, S NH3), dust and air flow aped on the healthy growth of pigs, illustrated their correlation and interaction, reviewed the current research status on the techniques, and analyzed the technique prospects to provide reference for piggery scale development, industrialization, automation to promote the animal welfare raising.

pig breeding; piggery humiture; environment monitoring technique

2014-12-05，

2015-01-05

广东省家禽健康养殖协同创新中心

漆海霞(1969-)，女，湖南醴陵人，高级工程师，博士研究生，所从事的专业研究方向：分布式控制系统，农业机器人导航与定位，畜禽环境监测与控制。E-mail：qihaixia_scau@126.com

*[通讯作者] 张铁民(1961-)，男，黑龙江大庆人，教授，博士，所从事的专业研究方向：农业机械导航，微机电系统，畜禽健康养殖。E-mail：tm-zhang@163.com

S811.6

A

1005-5228(2015)04-0001-05