北方寒地封闭奶牛舍环境监测系统研究现状与发展对策

王小婷 韩静 滕达 郭思可 赵佳佳

摘 要 奶牛生长环境直接影响奶牛的生长情况和产奶质量。随着黑龙江省奶牛产业的迅速发展，在奶牛饲养和养殖的过程中，大多数奶牛的生长发育过程都是在奶牛舍内完成。为了促进奶牛生长，提高产奶质量，就要改善奶牛生长的环境条件。因此，针对北方寒地规模化奶牛养殖场内环境问题，分析介绍了环境监测技术的发展现状，并总结我国目前环境监测技术存在的主要问题，针对存在问题提出相应发展对策。

关键词 奶牛舍;环境监测;研究现状;存在问题;发展对策

黑龙江省是我国的农业大省，畜牧业是该省经济发展的重要支柱。黑龙江省是我国奶牛养殖大省，同时也是全国乳制品产量大省，截止到2018年，全省奶牛存栏105万头余，年生鲜乳产量456万吨[1]。在我国畜禽养殖发展的过程中，传统的散户养殖场由于环境条件差被逐渐淘汰，畜禽养殖集约化程度不断提高，畜禽养殖户的生产效益和生产水平得到显著提升[2]。因此，规模化奶牛场的舍内环境控制成为我国在奶牛养殖过程亟待解决的问题。黑龙江省地处我国北部，冬季室外温度极低，做好奶牛舍内的环境监测，才能提高奶牛舍饲养管理水平和生产质量[3]。

北方寒地大型集约化奶牛养殖场奶牛舍多为封闭式，影响奶牛生长的环境因子主要包括温度、湿度、有害气体浓度、通风速率、光照、微生物等。在传统的环境监测中，温湿度的获取主要是通过人工记录温湿度传感器上显示的数据，再通过与国标认定的阈值进行对比，来调控牛舍内相关环境参数。采用这种方式，不仅耗费了大量的人力，又难以保证对奶牛舍环境因素的实时监测，而且舍内氨气浓度的数据记录准确度难以保证。

1 环境参数对奶牛健康生长的影响

黑龙江省地处我国北部，冬季室外气温较低，由于实际生产的需要，奶牛舍养殖结构设计多为封闭式，且冬季需要控制舍内门窗的开关时长，一般舍内的通风时长不易过长，这就导致舍内外空气流动性难以保证，会造成相关环境参数指标超标，直接影响畜禽抵抗疾病的能力。在北方寒地奶牛舍中，温湿度以及有害气体是影响奶牛生产性能的重要因素。

1.1 温度对奶牛养殖的影响

奶牛产奶的适宜温度为12.4～24.4 ℃，当环境温度超过25 ℃时，奶牛的产奶量会减少25%，当出现极端高温即温度超过35 ℃时，奶牛的产奶量将会减少50%，温度过高不利于奶牛的正常产奶[4]。

奶牛耐寒怕热，在夏季温度过高时，容易产生热应激，奶牛进食量会减少，牛奶产量会下降，严重情况下会导致奶牛生殖系统受损，公牛精子质量降低，母牛受孕率下降，繁殖性能受到影响[5]。在冬季气温较低时，寒冷的环境会刺激奶牛的食欲，奶牛会通过增加进食量来维持体温，但是自身的消化率会降低，对奶牛生长造成不利影响，导致奶牛免疫力下降，发病率增加[6]。

1.2 湿度对奶牛养殖的影响

在奶牛的养殖生产中，湿度是非常重要的环境影响因子。研究表明，奶牛适宜生长的环境相对湿度为50%～70%[7]。当牛舍内温度低、湿度高时，奶牛的体温调节会出现异常，奶牛会因为感到寒冷而消耗体内的大量水分，并通过饮水补充体内缺失的水分，从而导致进食量降低，造成自身体重下降、营养不良，抵抗疾病的能力下降[8]。研究表明，当奶牛舍环境温度超过25 ℃，湿度超过70%时，奶牛会出现精神不佳、食欲不振的情况，食入的饲料营养不能满足产奶的需求，造成产奶量大大降低。

1.3 有害气体对奶牛养殖的影响

北方地区冬季寒冷，几乎所有的规模化奶牛养殖场的牛舍都是封闭的，牛舍内会因为无法调节空气而湿度增高，同时舍内有害气体的浓度也会增加。牛舍中的有害气体主要包括氨气、二氧化碳、硫化氢、甲烷、一氧化碳等[9]。

在北方密闭式奶牛养殖场中，冬季由于室外温度较低，为了保证舍内的温度，通风时间不易过长，氨气在舍内大量积蓄，会造成氨气浓度超标[10]。氨气极易溶于水，会对动物皮肤、眼睛、呼吸器官的黏膜造成危害。研究表明，奶牛在高浓度氨气环境下长时间生长会感染疫病，如高热病、呼吸道疾病、牛萎缩性鼻炎等[11]。

牛舍中的二氧化碳主要來自于牛的呼吸。二氧化碳本是无毒气体，在封闭环境的牛舍中，容易导致牛出现缺氧症状。奶牛在高浓度二氧化碳环境中长时间生长会导致牛的身体代谢和能量代谢减缓，造成呼吸困难、食欲不振的现象，严重情况下会导致奶牛窒息死亡[12]。

牛是一种反刍动物，牛瘤胃中的微生物或前胃发酵，无论动物吃了什么，都会产生甲烷，喷射到空气中。甲烷是一种温室气体，其温室效应比二氧化碳强21倍，更易危害到奶牛的养殖生产[13]。

2 无线传输国内外研究状况

2.1 无线传输国外研究状况

自20世纪50年代以来，国外畜禽养殖业逐渐向规模化、产业化和集约化方向发展，率先掌握了奶牛的饲养方式和饲养技术，并且对畜禽养殖环境监测和控制系统进行了深入研究[14]。如日本东京大学研究出了一款以微型计算机为控制中心的温室环境控制系统，综合控制温室内多种环境因子，为接下来的环境综合监控技术提供了方向。以色列在环境监控系统的设计中提出，根据环境因子的特点，通过不同类型的传感器，对环境中温度、湿度、二氧化碳浓度、光照等进行监测和调控。

Huircán等[15]提出，利用Zigbee无线通信，建立基于WSN的无线局域网通讯技术，对牧区的牛群通过定位实现监测，将RVI值应用于链路质量指示（LQI）进行距离预测，采用比值向量迭代法（RVI）对接收到的信号进行改进。此研究实现了低成本、低消耗且定位准确。Ma等人[16]基于CAN总线对猪舍内环境参数进行监测，利用CAN总线实现数据的远程传输，利用GPRS技术和遗传算法建立了猪生长环境智能控制系统。Nadimi等[17]利用Zigbee和WSN无限传感器网络技术，通过人工神经网络（ANN）基于多层感知器（MLP）将监测到的行为参数转化为动物的行为模式，对动物的行为分成5种进行监测和分析。Fournel等[18]构建基于PLF传感器的畜牧管理系统，利用无线传感器技术，监测动物的体温、心率、体重以及环境温湿度等，改善了密闭式畜禽精准饲养中存在的问题。

2.2 无线传输国内研究状况

随着黑龙江省奶牛产业的迅速发展，相关学者开始研究利用信息技术和现代化手段对畜禽的生长环境进行监控和管理，从而有效地控制疾病的发生和传播，减少因畜禽疾病造成的生产损失。

丛希等[19]研究了基于无线传感器Zigbee网络的鸡舍环境监测系统，设计采用DSU 1115-0601芯片连接各无线传感器构成数据采集模块的组网，通过分布式结构采集环境中的温度、湿度、光照度以及硫化氢、二氧化碳和氨气含量，上位机软件采用VB编程可以实现，以解决大面积畜禽舍各环境参数实时显示以及历史查询的功能。

曾成等[20]为实现牛舍内的温湿度恒定、气体浓度适宜，研究了一款基于ARM嵌入式和WIFI无线传输的远程牛舍环境监控系统，其中传感器采集到的数据通过AT89S52处理器发送至上位机软件，监控端对采集到的数据进行分析处理后进行环境参数调节。

冷康民等[21]以ZigBee网络搭建了奶牛养殖内部环境温湿度和氨气浓度参数网络，利用LabVIEW软件通过对环境参数的分析和处理，设计出传统控制和自适应优化控制相结合的奶牛场环境控制模式，建立环境参数和每日产奶量相对应的数据库，系统自动筛选产奶量最高一天的环境参数作为控制系统调节的目标，进而不断提高奶牛场产奶量。

刘冠廷等[22]建立了基于无线传感器技术的ZigBee网络，对猪舍环境的温湿度、光照强度、氨气浓度等数据进行采集，构建了适用于畜禽规模化养殖的环境参数多点采集系统，并且建立了组网模型。

3 环境预警模型国内外研究状况

3.1 环境预警模型国外研究状况

Seoa等[23]针对冬季猪舍内的通风问题，对猪舍的温度、通风系统建立CFD模型进行仿真，此模型计算出的猪舍内空气温度与现场实际测量值相比较仅有0.044的误差，可以通过该模型对不同季节猪舍的通风进行合理设计。Saraz等[24]在具有正压或者自认通风的畜禽养殖舍内比较不同氨气排放测定的方法，对开放式畜禽舍的环境适应性进行分析，研究表明采用基于质量平衡和被动扩散采样的方法，可以实现开放式畜禽舍的氨气浓度测定。Christian等[25]对畜禽舍温度、湿度、二氧化碳浓度进行监测，每隔1 h对环境参数进行统计，利用舍内气候评估的环境模拟方法，有效缓解畜禽的应激反应，降低动物发病率。

3.2 环境预警模型国内研究状况

宣传忠等[26]针对北方寒地分娩猪舍，利用T-S型自适应模糊神经控制算法，建立猪舍小气候环境的温度预测模型，实现了对舍内环境的自动监测和调控，使舍内温度、相对湿度和氨气浓度保持在设定的适宜范围内。高玉贤等[27]通过对比反馈前馈线性化解耦和PID神经网络两种算法，针对夏季温室内温湿度之间非线性和强耦合的特点，利用Matlab仿真表明，反馈前馈线性化解耦需要依赖于被控对象建立的数学模型，相比较神经网络算法具有容错能力，因此PID神经网络算法对温室环境预测更具优势。谢秋菊等[28]通过比较分析L-M算法优化BP神经网络、线性神经网络和Elman神经网络三种算法预测猪舍内氨气浓度，结果表明基于L-M的BP神经网络优化算法预测值与实际值误差最小。杨亮等[29]利用EMD（经验模态分解）-LSTM（长短时记忆神经网络）对猪舍未来 1 h氨气浓度进行预测，将预测结果与实际采集数据作平均绝对误差、平均绝对百分误差和均方根误差，结果表明此模型误差小于其他模型预测结果。

4 我国畜禽环境监测技术存在问题

随着畜禽养殖业的发展，我国在畜禽环境监测技术方面有很大进步，当前的环境监测和调控基本可以满足生产要求，但与发达国家相比还有一定差距。我国畜禽环境监测主要存在以下4点问题。1）一部分小型奶牛养殖场对畜禽环境的调控依靠养殖人员的经验进行操作，不能及时准确地对舍内环境进行调控，缺少科学的理论和相关的数据支持。2）目前采用无线传输技术对畜禽舍环境监测，由于舍内面积大，单一采集点不能准确代表整体舍内环境的数值。3）影响畜禽生长的环境因子众多，奶牛舍环境监测的主要难点在于对环境多因子同时监测以及奶牛个体周围小气候监控。4）在实际的生产过程中，由于多种环境参数相互作用、相互耦合，根据单一环境参数对养殖环境进行判断所得的结果并不准确，环境预测效果难以达到理想状态。

5 促进我国畜禽环境监测技术发展的对策

1）加强养殖户与养殖专家之间的交流沟通，为奶牛舍环境监测和调控提供相应的理论依据和科学的数据支持。2）利用无限传感器技术和无线传输网络对畜禽舍环境进行多采集点实时监测，无线传输网络可以实现点对点的多点远距离通讯。3）根据舍内畜禽的分布和舍内建筑特点，提出舍内环境具体检测点检测参数和监测点布置方案。4）利用环境监测装置采集到的实时环境数据建立数学模型，可以对畜禽多环境因子进行预测，对畜禽生长环境适应性进行分析。

参考文献：

[1] 阿曉辉，张维银.2018年黑龙江省奶业发展报告[J].中国奶牛，2019（10）：64-66.

[2] 马玉红，董建红，张晓光.浅谈规模化养殖场的“三要素”[J].中国畜禽种业，2013，9（8）：32-33.

[3] 韩静，王熙，王福丽，等.规模化养牛场全自动无线智能环境采控器研究[J].农机化研究，2014，36（12）：19-23.

[4] 张利敏.热应激对奶牛生产性能、反刍行为及躺卧行为的影响[D].杨凌：西北农林科技大学，2019.

[5] 陈丽媛.冬夏奶牛体温调节特性及其体感温度的研究[D].南京：南京农业大学，2014.

[6] 颜志辉.极端温度对奶牛生产与生理影响及其调控措施研究[D].北京：中国农业大学，2014.

[7] 孙仁利，程萍，李丽惠，等.奶牛安全度夏综合管理技术措施[J].中国畜牧兽医文摘，2013，29（12）：52-53.

[8] 李紫荷.影响奶牛产奶量的因素分析[J].山东畜牧兽医，2014，35（1）：64-66.

[9] 岳春旺，孙茂红，张层，等.寒冷季节不同月份育肥牛舍内外二氧化炭、氨气、硫化氢浓度研究[J].北方牧业，2019（24）：18-19.

[10] 朱佰正.牛巴氏杆菌病的防治[J].当代畜禽养殖业，2016（7）：51-52.

[11] 付晓政，史彬林，李倜宇，等.饲喂复合益生菌对奶牛粪便中氨气产生及微生物含量的影响[J].家畜生态学报，2015，36（1）：46-49.

[12] 张石锐.畜禽生产环境中主要有害气体监测方法研究[D].上海：上海交通大学，2014.

[13] 王小婷，韩静，李吉隆，等.北方温热环境对饲养牛的影响[J].农家参谋，2018（14）：143-144.

[14] 丛希，胡晓丽，袁洪印.国内外畜禽舍环境监控系统研究现状[J].农业与技术，2012，32（6）：106-107.

[15] Huircán JI， Mu?oz C， Young H，et al. ZigBee-based wireless sensor network localization for cattle monitoring in grazing fields[J].Computers and Electronics in Agriculture，2010，74（2）：258-264.

[16] Ma C，Zhao D，Ni W，et al.Intelligent controlling system of pig growth environment[C].//Intelligent Computation Technology and Automation（ICICTA），2010 International Conference on. IEEE，2010.

[17] Nadimi ES，J?rgensen RN，Blanes-Vidal V，et al. Monitoring and classifying animal behavior using ZigBee-based mobile ad hoc wireless sensor networks and artificial neural networks[J].Computers and Electronics in Agriculture，2012，82：44-54.

[18] Sébastien F，Rousseau AN， Laberge B.Rethinking environment control strategy of confined animal housing systems through precision livestock farming[J].Biosystems Engineering，2017，155：96-123.

[19] 丛希，胡晓丽，袁洪印.国内外畜禽舍环境监控系统研究现状[J].农业与技术，2012，32（6）：106-107.

[20] 曾成，王超，赵全明，等.基于嵌入式的牛舍环境参数监控系统[J].中国农机化学报，2016，37（5）：84-87.

[21] 冷康民.基于无线传感器网络的奶牛场环境参数调控系统的研究[D].武汉：华中农业大学，2016.

[22] 刘冠廷.畜禽舍养殖环境智能管控系统设计与实现[D].哈尔滨：东北农业大学，2017.

[23] Seoa I，Lee I，Moon O，et al.Modelling of internal environmental conditions in a full-scale commercial pig house containing animals[J].Biosystems Engineering 2012（111）：91-106.

[24] Saraz JAO，Tinoco ID，Gates RS，et al.Evaluation of different methods for determining ammonia emissions in poultry buildings and their applicability to open faclities[J].Dyna-Colombia.2013，80（178）：51-60.

[25] Christian M，Ronja V，Giinther S.Simulation of Indoor Climate of Livestock Buildings to Assess Adaptive Measures for Reducing Heat Stress Due To Climate Change[J].Proceeding of International Symposium of Animal Environment and Welfare，2017：322-328.

[26] 宣傳忠，武佩，马彦华，等.基于自适应模糊神经网络的畜禽舍环境控制系统的研究[J].内蒙古大学学报（自然科学版），2013（4）：397-403.

[27] 高玉贤.温室环境建模及控制策略研究[D].石家庄：河北科技大学，2015.

[28] 谢秋菊.基于模糊理论的猪舍环境适应性评价及调控模型研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2015.

[29] 杨亮，刘春红，郭昱辰，等.基于EMD-LSTM的猪舍氨气浓度预测研究[J].农业机械学报，2019，50（S1）：353-360.

（责任编辑：赵中正）