基于物联网技术的奶牛热应激反应防控系统

曾光 卢文 郭静 王傲

摘要 在我国奶牛养殖业模式向规模化转变的今天，改善牛舍环境更要落实在具体方面。尤其要重视防控奶牛产生热应激，因为热应激是造成奶牛疫病发病率上升、产奶量大幅度下降的一个重要影响因素。本文阐述了奶牛热应激反应防控系统从物联网的3层架构进行设计，感知层选用传感器收集牛舍情况数据，传输层采用基于TCP协议的MQTT协议，控制层主要采用风扇、水泵和加热器对牛舍的温度和湿度进行控制。整个防控系统通过监控牛舍环境参数的变化，辅助管理人员实时做出调整，给奶牛提供舒适的环境，以防控奶牛产生热应激。

关键词 奶牛；热应激反应；防控系统；物联网技术

中图分类号 S823；S818.9 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）13-0278-02

Prevention and Control System for Heat Stress Reaction of Dairy Cows Based on Internet of Things Technology

ZENG Guang LU Wen * GUO Jing WANG Ao

（College of Computer and Information Engineering，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300380）

Abstract Nowadays，the mode of dairy farming in China is changing to large scale，to improve the environment of dairy farms，we should carry out the specific aspects.In particular，we should pay attention to the prevention and control of heat stress in dairy cows，because of heat stress is an important factor that causes the increase of disease incidence and the decrease of milk production.The prevention and control system for heat stress reaction of dairy cows is designed from the three-tier architecture of the internet of things：sensor is selected to collect the data of cowshed in the sensing layer；the transport layer adopts MQTT protocol based on TCP protocol；the control layer mainly uses fans，water pumps and heaters to control the temperature and humidity of the cowshed.Through monitoring the changes in the environment parameters of the cowshed，the whole system assists the management personnel to make adjustments in real time，and provides a comfortable environment for the cows to prevent and control the heat stress generated by the cows.

Key words dairy cow；heat stress reaction；prevention and control system；internet of things technology

近年來，中国的畜牧业发展呈上升趋势，但与一些发达国家相比，我国奶牛养殖业的状况仍是小规模散养户基数庞大。这些散养户依然采用传统的养殖方式，简单地根据经验人为地对环境进行控制，但并不精确，耗费大量的人力与财力，在现代化技术飞速发展的当下传统养殖方式已相当落后。现如今物联网技术已经广泛应用于养殖业，在奶牛养殖方面的应用主要集中在奶牛场的环境监测、信息收集和处理、智能控制3个方面，为奶牛的科学管理提供了精确的数据支持[1]，同时实现了对牛舍环境数据的实时、动态采集，实时感知奶牛养殖的各个环节，代替了原有的人力监测方式，极大地减少了养殖人员精力的投入，实现各节点环境数据的统计分析及可视化，在PC端就可对环境进行智能控制，提高了工作效率和经济效益。

1 总体方案

1.1 总体目标

奶牛热应激反应防控系统是利用物联网技术将采集的数据实时存储入数据库文件中，并实现在网页中远程访问系统的网络信息系统，监测环境数据并分析其结果，以便于随时调整各环境参数，使奶牛养殖环境保持最适条件，保障动物生长、发育的环境要求，减少疾病的发生，实现动物养殖的效益最高、成本最低和利益的最大化。

1.2 系统设计的起因

近年来，随着全球气温不断上升，并且奶牛普遍采用集约化饲养的方法，从而导致了饲养管理在很大程度上受环境温度的影响。当环境温度已经超过奶牛自身体温调节的范围，会表现出一系列的全身性反应，将其称为热应激。研究表明，奶牛最适的产奶温度为 4.4～21.1 ℃，适宜湿度为50%～70%，当环境温度超过 25 ℃、温湿度指数（THI）大于70时奶牛处于热应3激状态[2]。热应激对奶牛的健康和生产有着严重的不利影响[3]，易导致奶牛免疫力降低、疫病发病率上升、产奶量大幅度下降。因此，必须对奶牛热应激给予足够的重视。

针对上述问题研究了对抗奶牛热应激的实际措施。一是安装对流电扇。此方法可以通过空气对流，达到降低牛舍温度的目的，且经济实用。二是安装水泵噴水。喷水通过蒸发降温的同时可以增加环境湿度。三是安装紫外线灯。夏季奶牛易受到微生物及寄生虫感染，所以牛舍的卫生要求比较高，必须注重预防控制，通过智能控制紫外灯、消毒喷雾等措施，避免热应激奶牛免疫力下降时并发疾病。根据以上措施系统综合了对抗奶牛热应激的因素，以THI作为网站控制的预设标准指标，结合时间参数，编制定时控制的喷淋降温模式，使用这种模式可以使奶牛生活环境得到更合理的控制，能更加有效地减轻奶牛热应激[4]。

1.3 结构介绍

将系统自下而上分为感知层、传输层和应用层。基于物联网技术的奶牛热应激反应防控系统结构框图如图1所示。

1.3.1 感知层。感知层是物联网的基础，是外界环境与计算机连接的桥梁。作为物联网应用的最前端，感知层主要用于对外界环境的感知和信息采集。传感器是感知层用于获得信息的主要设备，将被测量信息转换为电信号，然后用电信号处理装置进行处理，产生相应的响应动作[5]，主要选择了温湿度传感器、光照强度传感器、MQ135有害气体传感器3种传感器采集环境数据。MQ135有害气体传感器主要对NH3和SO2敏感，因而主要检测这2种气体。

1.3.2 传输层。传输层的主要功能是用于传输采集到的信息。搭建有线通信和无线通信相结合的综合组网方式，实现数据的短距离传输和长距离中继功能。传感器到网关的短距离传输采用了EnOcean技术，可以实现多个传感器同时发送信息。EnOcean 因不需要布线以及其自身协议方面的优势，更适合应用于超低功耗开关及传感器的无线通信。另外，EnOcean采用1 GHz以下的频段，避免了拥挤的2.4 GHz频段，更加稳定，传输距离也更远。网关到服务器的远距离传输采用基于TCP协议的MQTT协议，确保数据的及时与准确到达。MQTT协议是为大量计算能力有限且工作在低带宽、不可靠的网络环境下的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，符合本系统物联网设备的需求[6]。

1.3.3 应用层。应用层的功能是处理信息，其位于物联网3层构架中的最顶层，主要用于对感知层收集到的数据进行科学分析，实现对相关设备的实时控制[7]。采用维护性强、开放性高的Java Web 技术进行网站搭建，并采用Mysql数据库进行数据存储。采用这种技术搭建的网站便于维护，同时还拥有较高的可靠性和安全性。网站后台程序采用 Java语言，前端采用JQuery和AJAX技术，实现了实时显示的功能。

2 工作流程

2.1 流程描述

本系统通过传感器采集温湿度、光强、氨气等环境信息，通过通信技术将数据从网关上传到服务器，网站后台程序会从服务器获取数据并存进数据库，通过对数据库数据的分析处理，计算出温湿度指数，根据温湿度指数动态调控相关设备如风扇、喷雾器等，保持温湿度指数的稳定，从而避免奶牛产生热应激反应，提高牛奶产量。系统工作流程如图2所示。

2.2 流程控制

在牛舍内散放多个传感器（根据养殖场大小确定具体数量），传感器可直接挂在墙壁上或栓在较高的栅栏上（选择的牛舍面积为50 m2，在牛舍高度2.5 m左右的位置安装3个传感器，便于安装与调试）。传感器内置感应头，能实时感知外界参数，通过内置的单片机处理，再由无线收发模块传出；传感器采集到相关数据后会将数据转换成相应的数据类型并通过EnOcean传输方式发送到网关。最终将信息实时显示到网站上进行调控。

网站的数据可以实时刷新。当网站接收到传感器采集到的信息时，与预设的参数作比较，如果某项参数超出预设的标准值，管理人员可以通过网页手动控制相应硬件设备对牛舍环境进行调整（利用机械通风、排风进行降温降湿，通过喷水蒸发降温同时加湿等）；也可以打开网页的自动控制开关，数据超出预设参数时，系统自动开启控制设备，直至达到标准值时系统自动关闭控制设备。系统防控流程如图3所示。

3 结语

本系统结合我国农业物联网的实际情况，针对奶牛热应激问题研究了奶牛热应激反应防控系统，经过试验测试，本系统对奶牛热应激反应能起到一定的防控效果，奶牛产奶量得到了一定的提高。同时本系统上线了养殖环境温湿度参数的采集与显示，上传数据和形成温湿度指数实时数据曲线图等，为进一步研究提供基础，而且通过更换不同的传感器，该系统还可以方便地进行延展，以监测其他环境参数的数据信息，使本套系统可应用范围更广。

4 参考文献

[1] 张建华，赵璞，刘佳佳，等.物联网在奶牛养殖中的应用及展望[J].农业展望，2014（10）：51-56.

[2] 张勇，李敏洁.热应激对奶牛生产力的影响及预防措施[J].畜牧与兽医，2003（8）：22-24.

[3] 常名明.奶牛热应激的危害、表现和防治措施[J].现代畜牧科技，2016（5）：134.

[4] 田萍，张毅.温湿指数对荷斯坦奶牛产奶量和受胎率影响的研究[J].黑龙江畜牧兽医，2010（15）：82-84.

[5] 李琦.传感器在物联网中的应用与发展[J].青海师范大学学报（自然科学版），2014，30（2）：26-30.

[6] 张世功.基于温湿度指数的牛舍喷淋降温系统的控制[D].福州：福建农林大学，2005.

[7] 张春明.物联网体系及相关技术研究[J].计算机时代，2011（10）：13-15.