智能牛舍管理系统的研究

张小平，钱冠华，李长武

智能牛舍管理系统的研究

张小平，钱冠华，李长武

（黑龙江省科学院自动化所，哈尔滨 150090）

智能牛舍管理系统主要应用于大型规模化牧场的牛舍运行和管理，可有效提高牧场的运营效率、降低运营成本。该系统由上位管理平台软件、传输设备、终端控制器及执行部分组成，形成了一个易于使用并可远程控制及访问的高效管理系统，该系统的应用能够为奶牛营造最佳的环境条件，最大限度提高奶牛的产奶量。

热应激；牛舍；温湿度指数（THI）

1　系统概述及组成

该系统主要应用规模化牧场的牛舍运行和管理，系统的使用可有效提高牧场的运营效率、降低运营成本。系统由上位管理平台软件、传输设备、终端控制器及执行部分组成。该系统的应用能够为奶牛营造一个最佳的环境条件，最大限度提高奶牛的产奶量。系统框图如图1所示：

图1　系统结构图Fig.1 System structure

系统由中心管理部分、移动终端和远程访问端、中继站、牛舍终端等几部分构成，其中中心管理部分主要由一台操作员工作站、一台工程师站和三台服务器组成，主要完成各个牛舍环境的数据采集、整理、分析、归档等，根据分析处理结果生成控制指令对牛舍设备进行远程控制。中心控制部分的移动终端服务器的功能是与智能移动终端进行数据交换，智能移动终端可通过该服务器实时对所有牛舍内的温湿度环境及设备运行情况进行检测与控制。中继站是为了根据不同的现场情况进行配置，主要功能为接收和转发无线电信号。牛舍终端控制部分主要由终端控制器、现场数据采集仪表、传感器和执行器等组成，终端控制器负责所有现场数据的采集并将这些数据通过无线或有线的方式发送至中心控制平台，形成执行命令再发送回终端控制器，最终由终端控制器控制现场设备运行。其结构框图如图2：

图2　牛舍设施连接框图Fig.2 Cowshed facilities connection

控制终端数据采集主要为温度数据、湿度数据、二氧化碳、氨气和风速风向等数据，这些数据传感器将通过RS485总线或ModBus总线进行数据传输，终端控制器将采集到的数据进行预处理后打包，通过无线或有线的方式发送至上位系统平台，终端控制器控制的主要有水泵、风机、喷淋、充气墙和照明等，终端控制器将通过控制这些设备使牛舍内的温湿度达到一个良好的水平，为奶牛营造一个舒适的环境。

2　应激值计算

奶牛的产奶性能主要受环境和营养因素制约。因为温湿度过高会影响奶牛的采食量，所以温热环境是制约奶牛产奶量的主要因素，温湿度指数（THI）作为温热环境的综合指标被广泛用于评估奶牛热应激程度。根据研究，THI小于72时，奶牛不表现热应激症状。当THI在72～79，奶牛表现出轻度热应激，此时采食量和产奶量开始下降。当THI在79～88，奶牛表现出中度热应激，此时采食量和产奶量急剧下降。当THI在89～99，奶牛表现出严重热应激，此时可致奶牛死亡。在热应激条件下，奶牛产奶量下降幅度在10%～40%［1］，为此，如何通过温湿度指数（THI）来计算奶牛的应激值，并通过这些数据控制牛舍内的风机、喷淋等设备来营造一个最佳的环境条件是本项目的一个主要研究内容。

奶牛的热应激一般受到辐射、舍内温湿度、风速、营养水平以及奶牛的体表和呼吸道蒸发等多种因素的影响。

不同的温度和湿度点的温湿度指数根据下式计算：

其中td为华氏温度，RH为相对湿度。

但考虑到华氏温度在国内不常使用，通过以下公式将其转换到摄氏温度。

代入，

本系统以温湿度指数为主控参数，程序通过上述公式计算出奶牛的应激值，根据计算结果控制牛舍内的风机喷淋进行降温，在奶牛进入轻度应激状态时，风机间隔开启降温，开启10min，停止10min。在奶牛进入中等应激状态时，风机全部开启，与喷淋进行间隔循环运行，即喷淋开启30s，喷淋完毕以后开启风机运行，风机开启3min，然后停止15min，15min过后继续循环运行，以上风机与喷淋时间参数可以设定。在奶牛进入到严重应激状态时，首先系统提示报警，喷淋运行30s，喷淋停止后开启风机降温，风机运行10min，风机停止继续开启喷淋，依次循环运行。

3　终端控制器设计

牛舍终端控制器的硬件设计采用模块化设计，主要由中央处理单元、数据采集部分、GPRS网络部分、近距离自动组网无线通信系统、时钟、大容量存储器、液晶、IO接口、模拟量接口等组成。其结构框图如图3所示：

图3　牛舍终端控制器结构框图Fig.3 Cowshed terminal controller structure diagram

牛舍终端控制器的主要功能是将牛舍内的环境数据实时采集，牛舍控制器将这些数据进行前预处理后打成数据包，通过无线或有线方式将数据包发送至中心控制室的系统管理平台上，系统管理平台再根据上传的数据进行分析处理形成执行命令下发到终端控制器，终端控制器接收到执行命令后控制牛舍内的设备进行降温处理，最终达到控制牛舍环境的目的。

4　系统平台设计

系统平台的建设是基于KingView为基础的开发建设，以实现牧场牛舍高效、快速的信息化管理，平台以模块化方式建设，主要由以下几个子系统构成：实时数据采集、数据处理与分析、生产数据报表、工况诊断、故障报警、权限管理、WEB远程数据访问、移动终端访问、数据库等。其结构图如图4所示：

图4　系统平台架构图Fig.4 System platform architecture

5　结语

本系统是针对现代化大型奶牛养殖场的牛舍环境控制进行研究开发的一套自动化环境管理系统，该系统以温湿度指数（THI）为主控制参数，系统的应用对提高牛奶产量具有重要的意义。

［1］薛白，王志胜.温湿度指数与奶牛生产性能的关系［J］.中国畜牧兽医，201O，37（03）：153.

Research on intelligent cowshed management system

ZHANGXiao-ping，QIANGuan-hua，LI Chang-wu
（Institute ofAutomation，HeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150090，China）

Intelligent cowshed management system is mainly used in large-scale operation and management of the ranch cowshed，and ranch operators can effectively improve the efficiency and reduce operating costs.The system consists of upper management platform software，transmission equipment，terminal controller and execute components，forming an efficient management system，which is easy to use and can be accessed by remote control. The application of the system is able to create the best environment for the cows，and increase milk production to a large extent.

Heat stress；Cowshed；Temperature and humidityindex（THI）

TP273

A

1674-8646（2015）04-0042-02