基于WSN的集中通风式分娩猪舍环境参数时空分布特性

曾志雄，余乔东，易子骐，吕恩利※，董 冰

（1. 华南农业大学工程学院，广州 510642；2. 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

0 引 言

畜禽养殖行业呈现规模化、集约化、工业化的发展趋势[1]，动物的生产效率得到较大的提高，密集的养殖环境对畜禽的健康提出了新的要求[2]。在猪场养殖生产过程中，环境调控对猪只的生长与繁育具有至关重要的作用[3]，温度、相对湿度、氨气浓度、硫化氢浓度、二氧化碳浓度等环境参数对猪只的正常生长产生影响。良好的养殖环境是动物福利化的基本要求[4]，有助于提升猪只抵抗能力，充分发挥生产潜能，可进一步提高猪场的生产效益[5]。

国内外学者在畜禽养殖环境监测、分布特性、通风结构优化、环境调控等方面开展了深入研究。在国外，Seo等[6]建立了一个完整的商业猪舍模型来研究寒季舍内的通风问题。Heyden等[7]总结了空气洗涤器和生物过滤器的新技术，及其在减少猪和其他家禽养殖环境污染气体排放中的应用前景。Michiels等[8]调查了田间条件下空气中的颗粒物和氨气，对猪的生产性能、肺部病变和猪肺炎分枝杆菌存在的长期共同影响。Ni等[9]设计了一个猪舍变频风机的直接连续通风测量系统，并验证了其性能。在国内，谢秋菊等[10]基于不同季节气候特点，制定了密闭式猪舍多环境因子调控策略。王悦等[11]研究了北京一典型规模化蛋鸡养殖舍在冬季条件下的氨气和颗粒物排放特性。陈熔等[12]基于无线传感网络，设计了一套畜禽舍环境控制系统。高云等[13]基于WSN对一现代化楼房猪舍多环境因子进行了监测，分析了温热和有害气体的差异性。WSN作为一种高效稳定的环境监测手段，被广泛应用于畜禽养殖和温室环境监控[14-21]。

目前，国内外学者针对集中通风式分娩舍的研究较少。本研究利用无线多源多点监测系统[22-24]，对集中通风式分娩母猪舍进行环境参数监测试验，并针对分娩舍环境参数时空分布特性进行了总结与分析，为集中通风式猪舍环境调控及优化提供参考。

1 WSN系统组成架构与工作原理

猪舍环境无线多源多点远程监测系统作为一个软硬件信息平台可独立应用于猪舍内[25]。组成系统包含各类型环境参数传感器、ZigBee模块、远程数据传输单元（Data Transfer Unit, DTU）、云服务器和网页端。系统的整体框架包括：畜禽环境感知层、无线传输服务层、多客户端应用层，如图1所示。

图1 系统架构Fig.1 System structure

畜禽环境感知层的各类型环境参数传感器与 ZigBee模块构成系统，各节点内搭载多种类型传感器用于畜禽环境检测，单个搭配的传感器可监测的环境参数包括温度（℃）、相对湿度（%）、二氧化碳（CO2）浓度、氨气（NH3）浓度等。一个主节点最多可与254台从节点进行搭配，组网后单点覆盖面积达到 100 m2。节点的供电模块选用容量为10 000 mA·h的12 V可充电式锂电池，一次充电可供节点设备持续工作170 h。节点所选配的传感器类型、型号、量程、分辨率及精度范围信息如表 1所示。

表1 传感器参数表Table 1 Sensor parameter table

用于试验的节点如图1中环境感知层的主从节点所示，包含ZigBee从节点及ZigBee主节点2种设备类型[26]。多个从节点通过ZigBee无线网络将数据按设定时间间隔（10 min/次）传输给主节点。

系统的最底层主节点接收到多组从节点数据后，内部处理单元将数据进行帧格式打包，使数据按照指定HTTP报文格式上传至DTU，DTU通过GPRS网络将数据传输至云服务器。

无线传输服务层获取完各节点数据后将数据保存至云服务器，利用网页将数据可视化显示出来，应用层的环境信息监测界面如图2所示。

图2 系统网页端数据监测界面Fig.2 Data monitoring interface of the system webpage

2 试验材料与方法

2.1 分娩母猪舍通风模式与节点布置

分娩母猪舍整体尺寸为长 32.6 m、宽 5.8 m、高2.8 m。分娩舍单元内设置2列猪只限位栏（尾对尾），每列可容纳18头母猪，舍内中间为通道。该试验舍共有分娩母猪36头，仔猪 396头，仔猪日龄 8～14 d。将分娩舍内监测区域详细划分为母猪猪头上部区域（H=90 cm，H（Height）表示节点放置的水平高度）、仔猪上部区域（H=50 cm）、猪尾区域（H=35 cm）及舍外区域（H=100 cm），分别挂设16、18、8、2台从节点设备，设置每10 min采集一次数据。试验分娩舍的横断面图、平面图、通风形式-剖面图以及节点布置如图3所示。

图3 分娩舍布局及节点布置Fig.3 Layout of delivery pigsty and node layout

如图 3所示，分娩舍采用地沟管道送风、中央排风的集中通风模式。侧墙的大功率风机进行负压抽风，舍外的新鲜空气先通过湿帘，再流经地沟的送风管道进入舍内，新鲜空气送向猪头呼吸区域，后与猪群区域传热传质后被强制抽出舍外。

该舍通风模式的通风量调控模式，如式（1）所示。试验期间系统设定舍内目标温度为21 ℃，舍内最大通风量为Wmax（该吉夏季时Wmax=24 300 m3/h），在风机作用下可调整范围是20%～100%。当舍内温度小于21 ℃时，通风量设定为最大通风量的20%，当舍内温度大于27 ℃时，通风量设定为最大通风量。

式中T为温度，℃；W为通风量，m3/h。

2.2 统计分析方法

试验取样时间为8月15日10时至8月17日10时，取样频率为每10 min一次。将在48 h内4个区域里采集得到的温度、相对湿度、NH3浓度及 CO2浓度数据取平均，导入Excel绘制曲线图。

取8月16日完整24 h周期，针对在不同区域、不同时间段（4个时间段：00:00－06:00、06:00－12:00、12:00－18:00和 18:00－00:00）下的环境参数，求出标准差σ、平均数和变异系数（CV，Coefficient of Variation）；并用SPSS软件进行单因素方差分析。

引入温湿度指数（Temperature-humidity Index, THI）对舍内的热环境状况进行分析。THI对应生猪热应激状态一般分为4个区间：当THI≤75时，无热应激；当75＜THI≤78时，为中等热应激；当 78＜THI≤83时，为严重热应激；当 THI＞83时，为极端严重热应激[27]。本研究的THI计算方式采用加拿大学者Bohmanova总结并推荐的方法[28]，该方法已被许多研究人员应用于畜禽养殖湿热环境的分析当中[29-32]，具体见式（2）。

式中RH为相对湿度，%。

引入不均匀系数[33]，进一步对分娩舍舍内的温度场、相对湿度场以及气体浓度分布进行评价（不均匀系数值越小，分布越均匀）。不均匀系数采用式（3）表示：

式中ti取第i个测点的24h平均数值（分别代入温度（℃）、相对湿度（%）、NH3浓度（mg/m3）以及CO2浓度（mg/m3））；n为个测点数量。

2.3 环境参考指标

根据国标《规模猪场环境参数及环境管理：GB/T17824.3-2008》，查找分娩舍内空气温度和相对湿度的舒适范围，高、低临界值，以及氨气（NH3）和二氧化碳（CO2）浓度的指标要求，如表2所示。

表2 分娩舍环境参数指标Table 2 Delivery pigsty environmental parameter index

3 环境参数分布特性

3.1 时间分布特性

不同区域下环境参数的时间分布规律，如图4所示。分娩舍的环境参数变化在2个24 h周期内具有相似的规律，故后续取一个24 h周期进行讨论分析。

以母猪猪头区域上部即布置高度为90 cm的2列节点采集到的数据为对象，比较分析各个时间段内监测得到的温度、相对湿度、NH3浓度、CO2浓度的时间分布规律以及差异性，结果如表3所示。结合图4，可以得出温度变化情况：母猪呼吸区域一天4个时间段内的平均温度从高到低排列的顺序为12:00－18:00、06:00－12:00、18:00－00:00、00:00－06:00，平均温度控制在临界值范围内，并在12:00左右达到峰值（24.91℃）。在图4a中，该区域平均温度明显高于室外平均温度。4个时间段内变异系数最大的是06:00－12:00，为2.06%，该时间段内早晨至正午的温差较大，对舍内温度造成影响。

相对湿度变化规律：因为温度升高，室外环境相对湿度降低，总体上相对湿度与温度变化呈现负相关，但是由于舍内进行降温，湿帘开始工作，在 12:00－18:00这个时间段内，母猪呼吸区域等舍内区域的相对湿度对比舍外环境相对湿度有较大的差异；在18:00左右该区域的平均相对湿度达到了峰值（82.31%），超过了临界值（80%）。

NH3浓度变化规律：在各个时间段内母猪呼吸区域NH3平均浓度远小于指标值（20 mg/m3），总体变化平稳，4个时间段的变异系数差别不大。NH3浓度在下午14:30左右达到了峰值（1.13 mg/m3）。

图4 分娩舍各区域4种环境参数变化规律Fig.4 Four environmental parameter curves of each area in delivery pigsty

表3 4个时间段内90 cm高度平面的环境参数测量和结果Table 3 Environmental parameter measurement and results of 90 cm height plane in four time periods

CO2浓度变化规律：在0:00－06:00时间段的CO2平均浓度比其他 3个时间段的平均浓度要低，该阶段的平均温度也是处于较低的水平，原因是夜晚温度降低，猪只的活动也相应减少，呼吸减缓，CO2的产生减少。最大的变异系数在 06:00－12:00的时间段，为 4.50%。CO2平均浓度在17:00左右达到了峰值（2 087.95 mg/m3）。

在SPSS中依据4个时间段进行单因素方差分析，显著性水平选取P=0.05，结果以平均值±标准差的形式进行展示，如表3所示。可以看出，4个时间段之间的温度变化具有显著性差异，其中时间段 00:00－06:00和 12:00－00:00分别与其他时间段之间的差异极显著；相对湿度和 CO2浓度变化在时间段12:00－18:00和18:00－00:00之间无显著差异，而分别与其他2个时间段差异极显著；NH3浓度变化只有时间段12:00－18:00与其他时间段差异极显著。

3.2 空间分布特性

比较分析24 h内舍内节点高度分别布置为90、50和35 cm 3个区域监测得到的温度、相对湿度、NH3浓度、CO2浓度的分布规律以及差异性，并将舍外测得的数据加入进行对比分析，结果如表4示。

根据表 4所呈现的结果，得出空间序列的温度变化规律：舍内 3个区域之间具有显著性差异，H=35 cm区域的平均温度最高（24.26 ℃）且最为稳定（CV=2.14%）。最高峰值平均温度（24.91 ℃）出现在H=90 cm区域。舍外温度因为昼夜温差大而有最大的变异系数（CV=2.14%）。

表4 不同区域里各环境参数环境参数测量和结果Table 4 Environmental parameter measurement and results in different areas

空间序列的相对湿度变化规律：H=90 cm区域和H=35 cm区域趋于一致，无显著差异。舍内3个区域出现的相对湿度峰值均超过高临界值（80%）。

空间序列的NH3浓度变化规律：舍内3个区域之间的差异极显著。舍舍内检测到的 NH3浓度远低于指标值（20 mg/m3），说明该舍的通风系统能及时将有害气体排出。猪尾部H=35 cm区域的平均NH3浓度最高（2.44 mg/m3）。

空间序列的CO2浓度变化规律：与NH3相同，舍内3个区域之间的差异极显著。猪尾部H=35 cm区域检测到的CO2平均浓度最高（2 253.24 mg/m3），母猪呼吸区域的平均CO2浓度也处在一个较高的水平（1 869.81 mg/m3）。

以试验分娩舍90 cm高度平面的母猪呼吸区域作为研究对象，基于时间分布特性，取该区域各环境参数在24 h内峰值时间点的采样数据，分析试验分娩舍同一高度平面的环境分布差异性，为环境控制优化提供参考。

图4中90 cm高度平面内的温度、相对湿度、NH3浓度及CO2浓度峰值时间点依次出现在12:00、18:00、14:30及17:00前后。选取这4个时间点在所有母猪区域采集的环境数据进行绘图分析，利用Matlab绘制各环境参数的三维（舍长、舍宽、数值）曲面及二维（舍长、舍宽）平面分布云图，从多角度图像信息中获取试验分娩舍在国标检测平面内各环境参数的空间分布特性，如图5所示。

温度分布特点：如图5a、图5b所示，高温区集中于分娩舍中部区域，舍内四周温度相对中部区域要低。

相对湿度分布特点：如图5c、图5d所示，结合图3，因为负压形成气流积聚效应，中央排风口下部区域的平均相对湿度最高，在该区域的左侧则趋于平均，右侧边墙区域最低。

NH3浓度分布特点：如图5e、图5f所示，结合图3，空间分布规律整体上呈现出边角高、中间低。两侧边角积聚现象显著。

CO2浓度分布特点：如图5g、图5h所示，结合图3，CO2浓度呈高低相间的规律，远离中央排风口一侧出现积聚，猪舍中部和中央排风口下方浓度也较高。根据 NH3及CO2这2类有害气体的空间分布情况，得出该猪舍内有害气体多积聚于建筑墙体及边角区域。

3.3 环境参数分布均匀性

选用24 h的环境参数平均值，通过式（5）可得，该分娩舍的温度场均匀性系数为0.378，相对湿度场均匀性系数为1.033，温度场均匀性比湿度场的较好。NH3浓度均匀性系数为14.587，CO2浓度均匀性系数为5.663，NH3浓度的波动明显比CO2浓度大。

3.4 热应激分析

舍内各区域THI的变化曲线如图6，该通风模式对舍内THI能够进行有效控制，48小时内各区域的THI值基本不超过75，舍内平均的峰值为75.30，进入中等热应激状态。各曲线变化趋于一致，H=35 cm区域的曲线明显比舍内其他区域和舍内总平均值的曲线要高。在 12:00－18:00时间段内各曲线都处于一个较高的水平。结合图 4可知此时间段也正是舍内温度和相对湿度较高的时候。

图5 不同时间点分娩舍90 cm高度平面各环境参数分布三维曲面图和云图Fig.5 Different environmental parameters three dimensional surface diagram and cloud map of 90 cm height plane at different time points in the farrowing house

图6 分娩舍内各区域THI曲线图Fig.6 THI curves of each area in farrowing house

4 结 论

针对集中通风式猪舍，利用无线多源多点远程监测系统，对舍内多种环境参数进行了监测。分析了舍内THI的变化，并以舍内外不同区域采集到的温度、相对湿度、NH3浓度和 CO2浓度作为研究对象，分别进行时间、空间序列分布特性分析，主要得出以下结论：

1）分娩舍时间变化特性表明，猪舍内各区域温度能被控制在高临界以下，且4个时间段之间的温度具有显著差异。总体上相对湿度与温度变化呈现负相关性。NH3浓度在各个时间按段内都控制在一个较低的水平。在试验的时间和空间范围内 CO2的浓度都处于一个较高的水平。

2）分娩舍空间分布特性表明，H=90 cm和H=35 cm在相对湿度上不能做出显著区分，温度、NH3浓度和CO2的浓度则在舍内不同区域有极显著的差异。在指定高度平面内（H=90 cm），温度分布表现为中间高，四周低。相对湿度为左侧区域则趋于平均，最右侧边墙区域最低。NH3及CO2会在猪舍建筑墙体的边角区域积聚。

3）环境参数分布均匀性结果表明，温度场均匀性比湿度场好，NH3浓度分布均匀性比CO2浓度差。

4）热应激分析结果说明该猪舍能够使THI处于一个较低的水平，降低了猪只产生热应激反应的概率。

本研究利用无线多源多点远程监测系统，针对集中通风式分娩舍开展了试验测试，分析了猪舍舍内各环境参数的时空分布特性以及THI的变化，对进一步优化设计猪舍通风结构和环控模式具有一定意义。