基于生理不舒适指数的奶牛舍降温控制系统

摘要

本发明提供一种基于生理不舒适指数的奶牛舍降温控制系统。本发明根据实时测定牛舍的温度、湿度、光照等数据换算成奶牛的“热应激”生理不舒适指数PCI，根据生理不舒适指数，智能自动开启通风机和喷淋或喷雾作业，并根据牛舍的湿度自动控制喷淋或喷雾时间和喷淋或喷雾间隔以及是否启动喷淋或喷雾功能，且喷淋或喷雾与风机为交替作业。本发明可以有效缓解夏季奶牛热应激，保障奶牛健康和生产性能的正常发挥，同时具有节能效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种环境控制系统，具体涉及一种基于生理不舒适指数的奶牛舍降温控制系统。

背景技术

目前，我国奶牛的主导品种是荷斯坦牛，荷斯坦牛的特性是耐寒怕热，其适宜环境温度为10～16℃。当环境温度超过23℃，温湿度指数超过72，荷斯坦牛即会出现采食量下降、产奶量大幅度降低、繁殖障碍、免疫力下降，发病率上升等热应激症状。热应激已成为制约我国奶牛业健康发展的重要瓶颈。为缓解热应激对奶牛的影响，必须采用人工强制降温。目前设施降温方法基本上采用的风机强制通风，或风机强制通风配合喷雾等措施降温，控制方法主要有手动和自动两大类。手动方式，即采用人工手动的方法启动降温风机和喷雾装置，工作量大，且降温、节能效果不理想。而目前已有的自动控制方法常采用“温度”这单一参数控制风机和喷雾系统的运转，即设定若干个温度控制点，当气温达到某温度控制点时相应的触发风机或喷雾作业。这种方法最明显的缺陷是没有考虑空气湿度对奶牛的生理影响，奶牛的生理舒适程度不仅与温度有关，还与湿度有关，因为引起奶牛热应激的环境因素是温度、湿度、光辐射等因素的综合。当温度较高时，湿度升高，奶牛的“热应激”反应会上升，此时若进行喷雾作业必然加剧奶牛的“热应激”。而我国南方地区的夏季，其气候特征是高温常伴随着高湿，单一的环境因素不能反映奶牛的热应激情况，因此，仅以单一的环境因素控制奶牛舍降温系统是很不合理的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于奶牛生理不舒适指数的奶牛舍降温控制系统。

本发明的基于生理不舒适指数的奶牛舍降温控制系统，如图1所示，由传感器(10)、主控单元(20)、输入输出装置(30)、执行驱动单元(40)和执行单元(50)组成。传感器(10)是由湿度传感器(11)、温度传感器(12)和光照传感器组成，分别用于采集环境的湿度、温度和辐射度参数；主控单元(20)是以单片微机为核心，外围电路由温度采集部分、湿度采集部分、风机控制信号输出和喷淋装置的电磁阀控制信号输出部分、工作起止时间控制部分以及电源供给部分组成；输入输出装置(30)由输出装置(31)和输入装置(32)组成，输出装置(31)由数码显示管组成，用于显示温度、湿度、光照度等环境参数、时间和控制状态参数；输入装置(32)由遥控器键盘与独立键盘组成，用于参数设置、控制模式转换；执行驱动单元(40)由一次配电回路和二次控制回路组成；一次配电回路由断路器(通常使用空气开关)和接触器组成；二次控制回路由中间继电器、按钮、指示灯组成；实现与风机、电磁阀的强电执行设备连接，受控于主控单元(20)；执行单元(50)由休息区偶数组风机(51)、休息区奇数组风机(52)、采食区偶数组风机(53)、采食区奇数组风机(54)和喷淋电磁阀(55)组成。可以进行分区控制，还可以将作业区的风机按奇偶交替开启，实现合理调控和节能。

所述生理不舒适指数，是指通过温度传感器、湿度传感器和光照度传感器将实时采集的温度x₁、湿度x₂和光照度x₃的实时数据，通过以下公式换算为生理不舒适指数PCI；

PCI＝β₀+β₁x₁+β₂x₂+β₃x₃

其中：β₀＝20.4827、β₁＝1.6116、β₂＝0.1551、β₃＝0.00018。

本发明的降温控制方法如下：

通过温度传感器、湿度传感器和光照度传感器实时采集牛舍的温度x₁、湿度x₂和光照度x₃，并输入单片微机，通过单片微机计算得到实时生理不舒适指数PCI，并与预设生理不舒适指数的极限值相比较：

当PCI2＞PCI≥PCI1时，单片微机通过风机控制信号输出电路发送开启一半风机吹风(简称半吹风)控制信号给执行驱动单元，执行驱动单元接到控制信号后驱动偶数组或奇数组风机，进行半吹风作业；

当PCI3＞PCI≥PCI2时，单片微机通过风机控制信号输出电路发送开启全部风机吹风(简称全吹风)控制信号给执行驱动单元，执行驱动单元接到控制信号后驱动全部风机，进行全吹风作业；

当PCIH＞PCI≥PCI3并且x₂＜Wh时，单片微机通过风机控制信号输出电路和电磁阀控制信号输出电路发送全吹风和喷淋或喷雾控制信号给执行驱动单元，执行驱动单元接到控制信号后驱动全部风机和喷淋或喷雾电磁阀，进行全吹风和喷淋或喷雾作业；在此控制过程，全吹风和喷淋或喷雾作业是按设定时长交替进行，即全吹风Tf分钟后停止，喷淋或喷雾开始，持续Tp分钟后停止，接着又进行Tf分钟的全吹风，如此交替进行；

当PCIH＞PCI≥PCI3并且相对湿度x₂≥Wh时，单片微机通过风机控制信号输出电路发送开启全吹风控制信号给执行驱动单元，执行驱动单元接到控制信号后驱动全部风机，进行全吹风作业，不再喷淋或喷雾；

当PCI≥PCIH时，单片微机输出报警信号给蜂鸣器进行报警，提示生理不舒适指数已经超过热应激警戒限，同时单片微机通过风机控制信号输出电路发送开启全吹风控制信号给执行驱动单元，执行驱动单元接到控制信号后驱动全部风机，进行全吹风作业；

所述PCI1、PCI2、PCI3、PCIH为奶牛出现轻度热应激、中度热应激、严重热应激、热应激警戒限状态时的生理不舒适指数，Wh为相对湿度极限值。

本发明的有益效果在于，现有技术仅采用“温度”这单一参数控制风机和喷雾系统的运转，本发明是以奶牛的生理不舒适指数PCI为主控制参数，同时结合辐射、时间参数，来控制奶牛舍降温设备的运转，控制降温系统更符合奶牛的生理习性，减轻奶牛热应激更有效、节能效果更好，能大辐度提高奶牛的产奶量。本发明于2008年的6月1日至9月1日在乳牛舍进行应用试验，当时的生理不舒适指数PCI＞72，试验组奶牛体温较对照组降低0.63℃，试验组的平均采食时间较对照组增加41.7min，躺卧时间较对照组增加39.5min，站立时间较对照组减少81.2min，产奶量较对照组提高12.6％。

附图说明

图1为散栏式奶牛舍小气候调控系统装置的系统框架结构图；

图2为散栏式奶牛舍执行单元安装示意图；

图3为智能控制模式控制流程图。

具体实施方式

为了充分公开本发明的基于生理不舒适指数的奶牛舍降温控制系统，以下结合实施例加以说明。

实施例一：一种基于生理不舒适指数的奶牛舍降温控制系统

使用本发明降温控制系统的成乳牛舍，为双坡面屋顶的开放式散养牛舍，如图2所示，牛舍全长60m，跨度27m，牛舍中间的喂料通道把牛舍分为左右两大区域A区和B区，每一区域又分为采食区和休息区(简称牛床)，每一牛饲养160头奶牛。

本发明的一种基于生理不舒适指数的奶牛舍降温控制系统，如图1所示，由传感器(10)、主控单元(20)、输入输出装置(30)、执行驱动单元(40)和执行单元(50)组成。传感器(10)是由湿度传感器(11)、温度传感器(12)和光照传感器组成，分别用于采集环境的湿度、温度和辐射度参数；主控单元(20)是以单片微机为核心，外围电路由温度采集部分、湿度采集部分、风机控制信号输出和喷淋装置的电磁阀控制信号输出部分、工作起止时间控制部分以及电源供给部分组成；输入输出装置(30)由输出装置(31)和输入装置(32)组成，由输出装置(31)由数码显示管组成，用于显示温度、湿度、光照度等环境参数、时间和控制状态参数等，输入装置(32)由遥控器键盘与独立键盘组成，用于参数设置、控制模式转换；执行驱动单元(40)由一次配电回路和二次控制回路组成，一次配电回路由断路器(空气开关)和接触器组成，二次控制回路由中间继电器、按钮、指示灯组成，实现与风机、电磁阀的强电执行设备连接，受控于主控单元(20)；执行单元(50)由休息区偶数组风机(51)、休息区奇数数组风机(52)、采食区偶数组风机(53)、采食区奇数组风机(54)、喷淋电磁阀(55)组成。可以进行分区控制，还可以将作业区的风机按奇偶交替开启，实现合理调控和节能。

每一牛舍都配置一套传感器、开关控制柜、通风装置和喷淋装置，多个牛舍共用一套控制箱，即一套系统控制装置可控制多个牛舍的开关控制柜。控制箱可安装于远离牛舍的办公室，传感器、开关控制柜、通风装置和喷淋或喷雾装置安装于牛舍。

喷淋或喷雾装置的平面布置如图2所示。喷淋管安装于采食区上方中央、紧挨风机下端。喷头接三通，安装在喷淋管上，垂直于地面。喷淋或喷雾的水管及电磁阀离地面高度2.5m，其它装置沿地面布置。每条喷淋或喷雾的水管安装40个喷头，2个喷头之间的间距1.5m。

一个牛舍安装32～36台直径750～800mm风机，分为2区控制，每区内又分采食区和休息区分别控制。在采食区和休息区内的风机阵列，间距为6m，当“全运转”状态时，全区的风机全部开启；当“半运转”状态时，则只有半数风机开启，即每间隔一台风机停止运转。以适应不同情况的通风要求

采食区A、采食区B与休息区A、休息区B能够独立进行控制，且有转换开关来实现强制断水和强制吹风。执行驱动单元对采食区的风机和对应的电磁阀之间进行电气互锁，能满足系统间隔喷淋或喷雾和吹风这种喷淋或喷雾模式的要求，如图2所示。

如图3所示，本发明智能控制的步骤如下：

(1)根据实时测定牛舍的温度x₁、湿度x₂和光照度x₃计算生理不舒适指数PCI：

PCI＝β₀+β₁x₁+β₂x₂+β₃x₃

其中：β₀＝20.4827，β₁＝1.6116，β₂＝0.1551，β₃＝0.00018。温度x₁的单位为摄氏度(℃)，湿度x₂为相对湿度(去掉百分号的数据直接代入)，光照度x₃的单位为勒克斯(lx)。

公式中的β₀、β₁、β₂、β₃通过实验获得：通过传感器实时采集的温度x₁、湿度x₂和光照度x₃，同时通过观察、验血等方法诊断奶牛的热应激状态，将奶牛进入轻度热应激时的生理不舒适指数设为72、将奶牛进入中度热应激时的生理不舒适指数设为79、将奶牛进入严重热应激时的生理不舒适指数设为89、将奶牛进入热应激警戒限状态时的生理不舒适指数设为95，以此数据建立关于生理不舒适指数的多元线性回归方程，用最小二乘法求解出参数β₀、β₁、β₂、β₃。

(2)分别预设定72、79、89、95为奶牛出现轻度热应激、中度热应激、严重热应激、热应激警戒限状态时的生理不舒适指数PCI限值；预设90％为严重热应激状态下的相对湿度高限值；预设Tf＝12(min)为吹风时长、Tp＝1(min)为喷淋或喷雾时长。

(3)控制动作：

当79＞PCI≥72时，单片微机通过风机控制信号输出电路发送开启半吹风控制信号给执行驱动单元，执行驱动单元接到控制信号后驱动偶数组或奇数组风机，进行半吹风；

当89＞PCI≥79时，单片微机通过风机控制信号输出电路发送开启全吹风控制信号给执行驱动单元，执行驱动单元接到控制信号后驱动全部风机，进行全吹风；

当95＞PCI≥89并且x₂＜90％时，单片微机通过风机控制信号输出电路和电磁阀控制信号输出电路发送全吹风和喷淋或喷雾控制信号给执行驱动单元，执行驱动单元接到控制信号后驱动全部风机和喷淋或喷雾电磁阀，进行全吹风和喷淋或喷雾；在此控制过程，全吹风和喷淋或喷雾是按设定时长交替进行，即全吹风12min后停止，喷淋或喷雾开始，持续1min后停止，接着又进行12min的全吹风，如此交替进行；

当95＞PCI≥89并且x₂≥90％时，单片微机通过风机控制信号输出电路发送开启全吹风控制信号给执行驱动单元，执行驱动单元接到控制信号后驱动全部风机，进行全吹风，不再喷淋或喷雾；

当PCI≥95时，单片微机输出报警信号给蜂鸣器进行报警，提示生理不舒适指数已经超过热应激警戒限，同时单片微机通过风机控制信号输出电路发送开启全吹风控制信号给执行驱动单元，执行驱动单元接到控制信号后驱动全部风机，进行全吹风。