夏季牛舍智能式喷淋降温系统的设计及应用

摘要 针对夏季牧场牛舍内温度高、严重影响奶牛产奶量的現状，结合奶牛的生理特性，在总结常规喷淋系统技术缺陷的基础上，设计了一种基于超声波感应的智能控制式喷淋降温系统。经过现代牧业蚌埠牧场（五河）的实地使用，证明该系统性能可靠，运行稳定，特别适用于各大中型牧场。

关键词 奶牛;喷淋;降温;智能控制;超声波;设计;应用

中图分类号 S 823.4+6文献标识码 A文章编号 0517-6611（2020）16-0209-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.16.059

Design and Application of Intelligent Cooling Control System with Sprinkler in Dairy Cowshed in Summer

CAI Yong

（ANRI Electric Co.， Ltd.， Chuzhou， Anhui 239000）

Abstract In view of the high temperature in the cowshed in summer， which seriously affects the milk yield of dairy cows， combined with the physiological characteristics of dairy cows， on the basis of summarizing the technical defects of the conventional spray system， an intelligent control spray cooling system based on ultrasonic induction was designed. Through the field application of Bengbu pasture （Wuhe） of modern farming， it was proved that the system was reliable in performance and stable in operation， especially suitable for large and medium-sized pastures.

Key words Dairy cow;Sprinkling;Cooling;Intelligent system;Ultrasonic;Design;Application

作者简介 蔡勇（1979—），男，江苏大丰人，工程师，硕士，从事计算机网络及电力自动化研究。

收稿日期 2020-02-08

随着全球变暖趋势的日益严峻，夏季的温度越来越高，研究表明，夏季高温对奶牛的产奶量有很大的影响，夏季当温度达到18 ℃以上时奶牛就已经开始产生热应激现象[1]。热应激对奶牛危害极大，尤其对产奶量、乳指标、繁殖性能以及奶牛的健康等都产生重要的影响[2-3]。

为了缓解热应激对奶牛的伤害，牧场通常会在牛舍内增加水槽数量，让牛加大饮水量，来降低奶牛体温，或者在牛舍内安装风扇以及在运动场搭起遮阴棚，供奶牛纳凉、休息等各种措施。但以上方法有很多弊端。首先，牛舍内多加水槽是有利于奶牛增大饮水量，但同时也会给运动场水槽周围造成无法收拾的粪尿泥糊。奶牛每天踩来踩去，不但肢蹄挂满泥糊肮脏不堪，身体上也到处沾上粪尿泥糊，给奶牛的健康带来极大的疾病隐患。其次，在运动场搭建遮阴棚是可以给奶牛增加纳凉的机会，但遮阴棚存在比较大的安全隐患，牛角可能会挂在编织网上，给牛带来伤害，遮阴棚对于大中型牧场并不适用。

针对上述传统方式的弊端，一些牧场会在挤奶厅门口及通道里增加自动喷淋设备，通过设置在挤奶厅上方或两侧的感应设备，实时检测奶牛的进出，定时定期进行喷淋降温，该方案在一定程度上可以缓解奶牛的热应激现象，但夏天是一个漫长的过程，奶牛只是在挤奶时才会进行喷淋降温，大部分时间还是要在牛舍内经历高温的煎熬，因此，该方案并不能从根本上解决奶牛的热应激现象，对提升牛奶产量的影响比较有限[4-5]。同时，该方案中采用的感应设备一般为光电传感器，通常使用红外感应和可见光感应2种模式，但该类传感器有一个致命的缺陷，即对黑色不敏感或无反应。牧场内存在大量黑色或黑白相间的奶牛，这就导致该类喷淋系统的灵敏度不够，自动化程度不高。另外，还有一些牧场采用温度传感器方式，该类传感器对温度比较敏感，经常会出现误喷现象，造成大量水资源的浪费[6]。

针对当前这种生产现状，结合奶牛的生理特性，在总结各种喷淋技术方案优缺点的基础上，笔者设计开发了一套基于超声波感应的奶牛喷淋降温系统，该套系统既可应用于挤奶通道，也可应用于牛舍内（包括养猪场），通过超声波感应识别，动态感知牛群位置，同时配合温湿度调控，实现智能喷淋[7]，真正做到“即来即喷，即走即停，奶牛们悠然自在”。

1 系统构成

该控制系统主要由超声波传感器、温湿度传感器、控制电路、喷淋管路所构成。控制电路主要由MCU、继电器、WIFI无线模块、电源模块和触摸控制屏构成。喷淋管路主要由电磁阀、水管、喷头和安装棚架所构成。

从安装位置来看，超声波传感器和温湿度传感器嵌入在喷淋管路中，用于实时检测奶牛所处的位置。

控制系统的工作原理如图1所示。

2 控制模式

根据每个牧场牛舍的实际情况，先铺装喷淋管路，喷淋头应设置于奶牛的上方，所形成的扇形水珠应沿着牛身方向，使一定大小的水珠均匀地直接喷淋在奶牛体上，水珠穿透牛毛，湿透牛体皮肤，然后在牧场中的风扇风力带动下通过体表蒸发，有效地带走奶牛的热量，降低体温[8-9]。

喷淋管路铺装后，通过触摸屏设置控制参数，触摸屏与系统可通过无线ROLA方式連接，可设置的参数如下：

①传感器检测延时，传感器检测到信号并保持的时间主要用于信号防抖动;

②电磁阀工作时间，传感器检测到信号后，打开电磁阀进行喷洒的时间;

③电磁阀工作间隔，经过一次电磁阀工作时间后，等待下一次电磁阀工作的时间间隔;

④系统工作温度，喷淋系统正常工作温度值，低于该温度值，系统停止工作;

⑤系统工作湿度，喷淋系统正常工作湿度值，低于该湿度值，系统停止工作。

各个牧场可根据自身的实际情况，灵活设置上述控制参数，设计适合自身的控制模式。该研究以现代牧业蚌埠牧场的模式参数为例，

传感器检测延时0.2 s，电磁阀工作时间10 s，电磁阀工作间隔50 s，系统工作温度20 ℃，系统工作湿度70%。

实际工作效果：当奶牛进入喷淋区域，传感器经过0.2 s 的检测时间，判断奶牛所处位置，打开电磁阀开始喷洒，如果此时奶牛离开喷淋区域，关闭电磁阀停止喷洒，否则持续喷洒10 s后停止;如果此时奶牛仍未离开该喷淋区域，经过50 s后继续打开电磁阀进行喷洒。

该控制模式的优点在于实现了奶牛即来即喷、即走即停的智能控制，并根据奶牛自身的喷淋需求，设置合理的喷淋时间，防止水资源的浪费。

3 功能实现

3.1 MCU处理器

该喷淋系统MCU处理器选用国产芯片（兆易创新）GD32F103ZET6，LQFP144封装，支持3 MB FLASH、96KB SRAM、2KB ISP loader ROM，采用0.11 μm工艺，工作频率最大可增频至108 MHz。该MCU处理器是该控制系统的大脑。如图1所示，MCU通过逻辑电路连接传感器，对传感器输入输出信号进行判断和控制;通过TTL方式连接WIFI模块，实现与触摸控制屏（PC）的无线连接，进行喷淋参数的设置和存储;MCU会根据设置的参数和采集的传感器信号进行喷淋逻辑的判断处理，并通过输出逻辑控制电路驱动出口继电器，控制供水电磁阀的关断。

3.2 超声波传感器

该喷淋系统采用滁州安瑞电力自动化有限公司自主研发的超声波传感器，该传感器特点包括测量过程不受物体颜色、透明度、光泽度和环境光的影响;盲区小，检测范围更大;具有温度补偿功能，不受环境温度影响，抗干扰能力强[10]。

在现代牧业蚌埠牧场前期测试时，设计开发的超声波传感器为开关量输出方式，在测试时发现，如果2个传感器相距在2 m以内，会产生相互干扰[11]，不能满足现场自动化要求。经过进一步的研发设计，将传感器的工作方式修改为脉宽调制PWM方式，同时修改处理方法是由MCU主动发起超声波探测请求，在80 ms以内获取检测结果。1个MCU最多可同时控制4个超声波传感器，轮次探测，1个探测周期最多控制在320 ms以内。该方式彻底解决超声波相互干扰问题，完美实现牧场奶牛的探测精准度要求。

3.3 温湿度传感器

该喷淋系统采用的是SHT20传感器模块，采集的温度误差±0.3 ℃，湿度误差±3%。MCU通过RS485控制电路定时获取温湿度数据，并与设置值进行比较，对喷淋功能进行投退控制。

3.4 无线模块

该喷淋系统采用SX1278 LORA无线模块，433 MHz频段，最大发射功率约30 dBm（约1 W），具有定点数据、透明传输和空中唤醒功能，接收灵敏度高达-130 dBm，传输距离最大可达8 000 m。与MCU连接方式见图2。通过该无线模块，工作人员可以在牧场的任意地方（距离在8 km以内），通过触摸控制屏（或PC）查看各喷淋系统的运行情况，并可以实时修改相关参数。

3.5 出口继电器

该喷淋系统采用国产宏发继电器，考虑到电磁阀瞬间关断时的电弧效应，选用的继电器触点容量为12 A，并在电路设计中考虑灭弧的措施，确保关断时不受干扰。MCU通过光耦隔离方式控制出口继电器线圈，控制电源设计为5 V。

3.6 喷淋管路

喷淋管路的铺设要切合牧场的实际情况，不同的牧场需要采取不同的铺设方式。该研究仅以现代牧业蚌埠牧场的情况为例，简单介绍一下该牧场的喷淋管路设计。

蚌埠牧场的喷淋系统应用在牛舍内部，在设计喷淋管路时，充分考虑了奶牛的生活习性和现场的实际情况，设置了专门的喷淋棚架，整体结构如图3所示。设计的棚架可同时接纳2头奶牛进入喷淋区域，前后都可以进出，单侧进出的门设计宽度为845 mm、高度为2 000 mm，两侧经镀锌圆管隔离，奶牛在进入单侧时既不会感到拥挤，也不会同时涌入2头以上奶牛，确保奶牛们能够依次进入喷淋区域。超声波传感器安装于镀锌水管中间，水管两侧分别安装喷淋头，当奶牛进入到达中部时，超声波传感器在一定延时后将信号反馈给MCU，MCU经过逻辑判断后，操作继电器出口，打开供水电磁阀，喷淋开始工作，当奶牛走出区域后，超声波同样把检测信号反馈给MCU，MCU通过操作继电器出口，关闭供水电磁阀，喷淋停止工作。

该喷淋管路安装于牛舍内部，奶牛们在休息时，可随时可以进行喷淋降温。在实地观察发现，奶牛们性格温顺，智商喜人，都可依次进入喷淋区域进行喷淋降温，不想喷淋时也会走出喷淋区域，供其他奶牛进入。现场也会出现部分奶牛赖着不走的情况，但由于在控制模式中设置电磁阀工作间隔50 s，此时在其他奶牛的催促下，这些奶牛也会走出喷淋区域，从而保证了绝大部分奶牛都能享受喷淋降温的服务。

4 结论

该控制系统已经在现代牧业蚌埠牧场正式使用，对牧场内各种颜色的奶牛都有良好的使用体验，实现了牛舍环境的智能联动，达到精准喷淋、有效提高喷淋降温效果。实践证明，该智能喷淋系统带来了生态节水和效益双提升，比传统喷淋系统节水50%以上，节水减排效果显著。相比过去，奶牛进食量提升了17%左右，繁殖率提高约32%以上，产奶量提高20%以上，大大提升了牧场的经济效益。

该智能喷淋系统稳定可靠，实施简便易行，易于操作，特别适合各类大中型牧场推广使用。

参考文献

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