养殖场子母式人员通道智能消毒管理系统设计

侯学恒+裴雅静+晏亭+周平

摘要：为了降低畜禽养殖场人员通道的消毒费效比，设计出一种智能消毒管理系统。该系统基于超声波雾化消毒，采用子母式人员通道，人员少时使用子消毒室，缩小消毒空间，人员多时使用母消毒室，提高通行效率；通过门禁单元对通行人员信息实时统计，实现人流高峰与非高峰时段的智能化判别，自主决策控制子母消毒室的工作模式；对消毒液雾充满度实时监测反馈，及时控制雾化消毒机的启停，保持液雾充满度稳定。结果表明，对于12 m2的消毒通道，在通行人数为8人以下时，该系统对比传统消毒系统可减少消毒液损耗70%以上。该系统实现了消毒费效比的智能优化，降低了消毒成本，满足了畜禽规模化养殖的发展需求，提高了养殖场卫生防疫工作的智能化水平。

关键词：消毒通道；子母式；液雾充满度；消毒费效比

中图分类号：S126；TP273 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）23-4604-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.047

Abstract： To reduce the ROI of disinfection channel for livestock farms， a smart controlling system for disinfection was designed. This design， based on ultrasonic spray disinfection， adopted the primary-secondary disinfection channel. The secondary disinfection room would run for a small number of staff while the primary disinfection room ran for a large number of staff. The former cut down the size of the disinfection space and the latter raised the disinfection efficiency. The access control unit counted the number of staff in real time， realizing the dynamical identification of peak and off-peak hours and deciding the work pattern of the disinfection channel on its own. Additionally， the filling extent of disinfectant spray was constantly monitored so as to start or stop the spray machine timely for the stability of spray filling. The test result showed that this system， for a disinfection channel of 12 m2， can reduce the disinfectant consumption by over 70% when the number of staff in the channel was no more than 8. This design realized the smart optimization of disinfection ROI， reduced the cost of disinfection， met the developing needs of large-scaled livestock and poultry industry and improved the intellectualization lever of epidemic prevention for livestock farming.

Key words： disinfection channel；primary-secondary layout；spray filling；ROI of disinfection

隨着人们生活水平的改善，市场对于畜禽食品的需求越来越大。农业部在《全国生猪生产发展规划（2016-2020年）》（农牧发〔2016〕6号）中明确提出到2020年全国猪肉产量5 760万t、规模企业屠宰量占比75%的发展目标。市场需求和政府支持有力地推动了畜禽规模化养殖的快速发展。规模化养殖的关键问题是卫生防疫。《中华人民共和国动物防疫法》和农业部《动物防疫条件审查办法》（农业部令2010年第7号）均对动物养殖场、养殖小区的免疫、消毒的条件与设施有具体的规定。若没有有效的消毒管理体系，养殖业将面临极大的疫病风险。因此，畜禽养殖业的健康稳定发展离不开智能消毒系统的卫生防疫保障。目前，行业内主流的消毒方式有消毒池消毒、风淋消毒、紫外杀菌灯消毒、超声波雾化消毒等。其中，超声波雾化消毒是利用大于20 kHz的高频率声波的振荡作用，使消毒药水雾化。其主要特点是雾粒直径小于10 μm，能在不打湿衣服的情况下对人员进行全方位彻底消毒[1-4]。对于大中型畜禽养殖场，现有人员消毒技术方案[5-11]存在以下3个方面的不足：人员通道空间布局单一，非高峰时段消毒浪费；高峰与非高峰时段无法动态智能判别，消毒模式固定；消毒系统定时开关控制，消毒费效比高。

目前，市场上的各类消毒设备普遍采用定时控制，容易造成消毒不足或过度消毒。消毒不足会引发疫病风险，而过度消毒不但造成消毒液的浪费，而且会对人体健康产生一定危害。本研究的设计针对规模化畜禽养殖场入口的卫生防疫管理，提供一种基于子母式人员通道的智能消毒管理系统（发明专利申请号201611016164），能够依据人流量的变化智能判别高峰与非高峰时段，实时控制子母消毒室的工作调度，并根据室内消毒液雾充满度自动控制消毒设备的启停，大幅度降低了消毒费效比。

1 系统方案设计

该系统主要包括子母式人员通道、智能门禁单元、超声波雾化消毒机和液雾充满度监测单元。通过微控制器（以宏晶STC12C5A60S2为主控芯片）对来自智能门禁单元和液雾充满度监测单元的信息进行处理，并发送指令控制门禁与超声波雾化消毒机产生相应动作。该系统结构模型如图1所示。

1.1 子母式人员通道

子母式空间结构是指在人员通道（母消毒室）中划分出2个相对独立的子消毒室。畜禽养殖场人员通行场景分为高峰时段与非高峰时段2种情况。上下班等少数情况出现人流高峰，通行人员多而集中；大多数情况为非高峰时段，通行人员少而分散。非高峰时段，2个子消毒室独立工作，缩小消毒空间，减少消毒液雾损耗；高峰时段，子消毒室出口敞开，在空间上与母消毒室合为一体，整个人员通道充分利用以容纳更多的人员同时消毒，提高通行效率。

1.2 智能门禁单元

目前，门禁技术已经具备身份识别、人员考勤、访客管理等功能[12，13]。在消毒通道入口处设置智能门禁设备，利用身份识别装置对通行人员进行身份信息记录与统计。身份信息验证成功后，门禁系统放行并记录。子消毒室优先使用，且1号子消毒室优先使用，2个子消毒室可以独立工作。

当连续进入消毒室的人员数量不多于1号子消毒室的容纳上限设定值（n1），微控制器根据门禁系统的统计数据判定当前为非高峰时段，并做出指令控制1号子消毒室工作。此时1号子消毒室中的小型雾化消毒机启动。消毒期间，1号子消毒室出入口门禁均禁止开启。经过一定时长（人为预设）后，消毒机关机，1号子消毒室与母消毒室的出口门禁同时开启，消毒完成。

当连续进入消毒室的人员数量多于1号子消毒室的容纳上限设定值（n1）且不多于2个子消毒室的容纳上限总和设定值（n1+n2），或者1号子消毒室正在工作，而后到的人员数量不多于2号子消毒室的容纳上限设定值（n2），微控制器根据门禁系统的统计数据判定当前依然为非高峰時段，并做出指令控制2个子消毒室独立工作。2个子消毒室中的小型雾化消毒机分别启动。消毒期间，子消毒室出入口门禁均禁止开启。经过一定时长（人为预设）后，消毒机关机，子消毒室与母消毒室的出口门禁同时开启，消毒完成。

当连续进入消毒室的人员数量多于2个子消毒室的容纳上限总和设定值（n1+n2）且不多于母消毒室的容纳上限设定值（n3），微控制器根据门禁系统的统计数据判定当前为高峰时段，并做出指令控制2个子消毒室的出口常开，使子消毒室在空间上与母消毒室合并，以容纳更多的人同时消毒。此时母消毒室中的所有小型雾化消毒机同时启动。消毒期间，母消毒室出入口门禁均禁止开启。经过一定时长（人为预设）后，消毒机关机，母消毒室的出口门禁开启，消毒完成。

当连续进入消毒室的人员数量达到母消毒室的容纳上限设定值（n3）后，母消毒室随即开始工作。门禁系统将不再接受人员进入消毒室，直到前一批次消毒工作完成，等待下一批次消毒开始。

1.3 液雾充满度监测单元

在子、母消毒室中均布置有基于光电传感器的液雾充满度监测装置。光电传感器的基本工作原理是把光信号的变化转化为电信号的变化，进而利用得到的电信号来实现电路控制。一般光电传感器由发送器、接收器以及检测电路三部分组成。光电传感器的发送器可对相应的靶标发射光束，光束一般来自半导体光源、发光二极管、激光二极管以及红外发射二极管。接收器由三部分组成，分别为光电二极管、光电三极管和光电池。在接收器的前面装有光学元件，如透镜、光圈等；后面则是检测电路，其作用是滤出有效信号，同时应用此信号[14]。光电传感器检测灵敏度高，反应时间短，能够准确检测到探测范围内的液雾并快速响应。根据系统需要，选用E18-D50NK漫反射型光电传感器。这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，其有效检测距离可以根据使用要求进行调节。

液雾充满度监测装置布置在消毒室空间对角线的墙角处，以便达到更准确的监测效果。在预设时长的消毒过程中，当消毒液雾充满消毒室空间，多个光电传感器均监测到消毒液雾时，微控制器根据光电传感器的反馈信号发出相应指令使雾化消毒机暂停工作并待机；当消毒液雾逐渐消散至任意一个光电传感器无法监测到液雾信号时，微控制器根据光电传感器的反馈信号发出相应指令唤醒雾化消毒机，保持液雾充满度稳定直到消毒工作结束。控制系统的总体工作流程如图2所示。

2 消毒通道系统试验

2.1 试验材料

在安徽农业大学机电工程园进行消毒通道系统模拟试验。分别搭建传统人员消毒通道与子母式人员消毒通道，传统通道尺寸为3 m×4 m，子母式通道的母室尺寸为3 m×4 m、两个子室尺寸为1.5 m×1.5 m，通道高均为2.8 m。试验中，智能门禁单元用光电计数传感器代替，进行人员计数；8台超声波雾化消毒机和12个液雾充满度监测装置等其他设备均按照图1进行布置；采用宏晶STC12C5A60S2为主控芯片，以LCD1602液晶屏显示消毒人数和消毒时间；消毒液以清水代替，用电子秤测量消毒液的消耗量。试验系统硬件结构如图3所示。

2.2 试验方法

设置对照试验，对比分析子母式通道和充满度反馈系统对消毒费效比产生的影响。试验分为试验1“传统通道+定时系统”、试验2“传统通道+充满度反馈系统”、试验3“子母式通道+定时系统”、试验4“子母式通道+充满度反馈系统”。分别测定4个试验项目的消毒液消耗量，每个试验项目重复3次，消毒时间均设定为5 min。

2.3 结果与分析

完成试验后，对所记录的试验数据进行统计分析，结果如表1所示。由表1可知，配备有液雾充满度监测单元的消毒系统对比定时消毒系统，消毒液消耗量可减少约41%；子母式消毒通道对比传统消毒通道，在通行人数为1～4人时消毒液消耗量可减少约77%，在通行人数为5～8人时消毒液消耗量可减少约52%。子母式通道+充满度反馈系统对比传统消毒+定时系统，在通行人数较少时消毒液消耗量减少可达70%以上。由此可见，该系统中子母式消毒通道以及液雾充满度闭环控制等创新性设计对消毒费效比的大幅降低起到了关键作用。

使用MATLAB软件对4组试验的消毒液平均消耗量进行处理，得到消毒液平均消耗量（图4）。从图4中可以看出，在通行人数较少时该系统大幅降低了消毒液的损耗，有效地节约了消毒成本。

3 小结与讨论

试验中，该系统在消毒费效比方面的突出表现可以归结为以下3个方面：

1）低费效比消毒空间结构的创新。该系统采用子母式空间设计，在人员通道中划分出小尺寸的子消毒室。高峰时段，母消毒室工作，提高通行效率。非高峰时段，子消毒室独立工作，缩小消毒空间，避免消毒浪费。

2）高峰与非高峰时段动态智能判别的创新。利用智能门禁技术，对通行人员身份信息进行记录与统计，通过阈值实现高峰时段与非高峰时段的动态智能判断，实时控制子、母消毒室的工作模式，有效降低消毒费效比。

3）消毒液雾充满度智能监测的创新。利用液雾充满度监测装置对消毒室的液雾充满情况进行实时监测与反馈。光电传感器在液雾充满度达到消毒要求时，产生相应反馈信号使雾化消毒机暂停工作；当液雾充满度下降到消毒要求以下时，光电传感器产生相应反馈信号重启雾化消毒机。液雾充满度保持稳定，在保证充分消毒的前提下避免了消毒液雾的浪费。

系统模拟试验主要针对消毒费效比，因此试验对智能门禁单元进行了简化。实际畜禽养殖生产过程中智能门禁必不可少。通过门禁单元可以实现强制消毒，并对工作人员和访客的信息进行记录，实现规范化、可追溯式管理。另外，該系统中的液雾充满度监测装置的核心元件是光电传感器，试验中仅实现了对近距离内消毒液雾有无的监测，没有对消毒液雾的浓度进行定量判断。后续在系统改进过程中，将把对消毒液雾浓度的定量判断作为重要研究内容，以实现精确控制。

人员消毒通道是畜禽规模化养殖重要的卫生防疫手段，当前行业内对智能化消毒管理系统的研究忽略了消毒费效比的合理优化。因此，一套高效、可靠的智能化消毒管理系统对于畜禽养殖行业的健康稳定发展具有重要意义。该方案采用子母式空间设计与消毒机闭环控制，对消毒费效比进行智能优化，实现了卫生防疫的智能化高效管理，符合国家产业政策，切合市场需求。综合市场现状、行业政策以及该系统的优势，该系统将会有可观的应用前景。

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