畜禽养殖智能装备与信息技术研究进展

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我国现代畜禽养殖正向规模化、设施化、标准化、信息化方向快速发展。 未来5至10年将是智慧畜牧业的快速发展阶段。 但生产方式转型升级过程中仍需解决相应技术。 瓶颈主要体现在:1)畜禽舍建设和环境控制技术是畜禽品种发挥优良遗传潜力和生产效率的基础。 传统畜禽舍建筑气密性差,多种通风方式并存,系统转换集成性差。 等问题,严重影响舍内热环境的均匀性和稳定性[-]; 2)现有环境控制系统一般基于温度、湿度或气体浓度等单一指标进行负反馈控制,但温度、湿度、风速、空气质量等环境因素的耦合效应显着,且单一指标控制难以满足畜禽舍复杂的环境控制需求[-]; 3)畜禽自动饲喂与饮水设备的测量和信息采集不匹配,难以实现智能化、精准饲喂[,]; 4)规模化畜禽生产清粪劳动密集型,现有机械清粪系统可靠性差、维护困难[-]; 5)养殖过程管理粗放,信息技术跟不上[,,],导致畜禽养殖面临综合效率低、环境污染严重、设施设备落后等突出问题[-]。 本文从畜禽装配式建筑、统一环境控制、智能饲喂饮水、粪便自动清粪、信息化智能管理等几个方面总结了近年来的研究进展,重点对畜禽舍舍进行了分析。预制建筑。 热环境耦合控制技术、畜禽舍环境因素智能监测与自动控制技术、畜禽智能饲养饮水设备、畜禽舍清粪技术及自动化清粪设备等如畜禽生产信息实时采集、处理、智能管理技术等,并展望了我国畜牧业机械化和智能化装备的发展方向,为我国现代畜牧业生产模式转型升级提供参考。提质增效,推动现代畜牧业绿色优质健康可持续发展。 不断发展。

1 畜禽舍建筑与热环境耦合控制技术 1.1 鸡舍建筑与热环境耦合控制技术

良好的保温性能和气密性是畜禽舍热舒适环境和均匀性控制的前提和基础。 王等人。 [-]建立了鸡舍热湿耦合传递的微环境模拟模型; 分析鸡舍温度波动的主要环境因素[-]; 建立了不同地区无供暖系统的蛋鸡舍外围护结构的热阻。 以及保温材料的经济模型,明确了不同气候区鸡舍围护结构保温性能要求与蛋鸡饲养方式(密度)的关系[-]; 探讨装配式鸡舍建筑外壳缝隙对鸡舍内外的影响。 压差、渗透风量和能耗的影响,明确了建筑围护结构搭接间隙的气密性参数指标[]; 对鸡舍进风口及影响舍内气流组织稳定性的进风参数进行了系统分析[-]。 Wang等[-]基于非等温附着射流理论设计了鸡舍内的气流组织,阐明了进风口的位置、尺寸和进风参数对鸡舍长度和温差衰减的影响。鸡舍内附有射流,构建了回风区温度分析表达式,基于鸡舍建筑与通风系统的耦合效应分析了鸡舍温度稳定机理,提出了纵墙湿帘风道的通风方式布局和小窗户使空气均匀进气,以减少温度波动和温差()。 王阳[1]基于灰色预测理论和鸡舍微环境模型,提出了鸡舍热环境预测和调控的新方法,建立了封闭式鸡舍不同环境参数的热环境灰色预测模型和调控规则,实现了单个10万只以上鸡舍温差不超过3℃。

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图 1 带调压室和底部铰接平面的新型通风系统的侧壁入口

1.2 猪舍通风及节能减排技术

规模化母猪场的妊娠母猪通常采用自动饲喂线定位栏饲养,集约化、自动化程度高,数量大、密度大。 生产过程中产生大量热量和气体污染物,需要及时排放[-]。 国内规模化养猪场采用的卧式或立式湿帘降温系统难以满足妊娠母猪对热环境和空气质量环境的需求。 李秀松等. [-] 在怀孕母猪舍中使用湿帘与隧道风相结合。 水帘降温系统在夏季和冬季持续监测室内环境。 结果表明,良好的通风系统可以为母猪提供适宜的生长环境,降低能耗,降低猪场运营成本。 畜禽养殖用地紧张,大规模建设养猪场可以通过提高土地利用效率在一定程度上降低成本()。 Wang等[]利用CFD技术对建筑猪舍内的气流环境进行模拟和评估,发现风井内不同的压力分布导致各楼层的通风量存在差异。 建筑猪舍一层的通风量最低。 楼层数的增加会影响风机的通风性能。 产生负面影响; 增加风井宽度对风机性能有积极影响,特别是增加低层建筑猪舍的通风量; 精准通风可以提高猪舍内的温度和气流的稳定性和均匀性,减少猪舍的通风量和环保控制能耗。

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图2 多层猪舍

1.3 奶牛热舒适评价方法

热应激严重影响奶牛的生产力、繁殖和福利。 为了降低奶牛发生热应激的风险,国内外学者一直在寻求预测和评估热应激的方法。 在众多方法中,结合多种环境因素的热应激指数模型是最常用的[-]。 为了避免指标选择的盲目性,有学者对现有奶牛热应激指标评价方法进行了系统梳理并进行了分类。 他们比较分析了不同评价指标在奶牛热应激特征指标上的差异。 他们认为现有的指标普遍不能很好地反映奶牛与环境之间的热交换机制,导致不同环境条件下评价结果存在较大差异[-]。 为了更好地开展奶牛热舒适环境评价方法的研究,严琪等人。 []在总结前人研究的基础上,提出了结合体表温度的奶牛热交换模型,并编译了MatLab源代码。

2 畜禽舍环境监测与控制设备 2.1 基于光谱技术的NH3和H2S检测装置

畜禽舍中NH3浓度检测多采用电化学传感器。 其使用中普遍存在对畜禽舍复杂环境抵抗能力低、易钝化、精度低、使用寿命短等问题。 因此,目前实际使用的是畜禽舍环境控制系统。 NH3浓度不能作为决策时的控制指标。 谭和群等[]构建了基于可调谐吸收光谱技术的畜禽舍NH3浓度检测系统。 该系统主要由激光发射单元、光路和气路单元、光电信号接收单元和谐波信号处理单元四部分组成。 ,研究了调制频率、调制幅度、谐波分析相位差、扫描频率等系统参数对检测系统精度的影响。 结果表明,光谱检测系统的线性误差和重复误差均明显小于电化学检测器,可与INNOVA检测器相媲美,研究成果为实时在线监测设备的开发提供了理论依据。畜禽舍内NH3浓度。 基于光谱技术的NH3和H2S检测装置如图所示。

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图3 NH3和H2S浓度检测器

2.2 基于LORA的畜禽舍环境参数实时采集系统

在畜禽养殖环境中,现场监控布线复杂。 传统传输成本高、功耗高、距离短。 采用无线传感器对畜禽舍环境参数进行监测,便于传感器组网,无需布线,布点灵活,结合广域网通信。 和云平台,可实现环境信息远程实时监测[-]。 华中农业大学和河北农业大学的研究团队根据不同畜禽舍、不同用户的环境监测需求,集成了不同类型的传感器。 考虑到畜禽养殖场地理位置的多样性,采用WIFI和LORA进行内部组网通信。 广域网通信方式有有线网络和NB-IoT。 多种不同组合的监控设备()已经被开发出来。 测试结果表明,该设备具有较高的抗干扰能力和可靠性,能够在养殖环境复杂条件下进行远距离无线信息传输。 工作。

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图4 畜禽舍多参数环境检测仪

2.3 基于多参数的牛舍环境精准控制系统

牛舍环境因素耦合效应显着。 现有的控制系统一般基于单一指标的负反馈控制,难以满足复杂环境控制和动物环境舒适度的需要。 基于多参数环境综合评价指标和控制模型,开发了牛舍多参数环境精准控制系统()[-]。 系统主要包括牛舍卷帘冬季控制策略、夏季感应喷雾装置、控制器及控制系统应用集成三部分。 综合考虑舍内热舒适度、空气质量、气流模式和温度分布等因素,制定了如下牛舍卷帘开启与开启方式相互作用的控制策略; 考虑到奶牛在大多数情况下都饲养在自由栏内,为了防止无牛喷洒,开发了感应喷洒装置来控制该区域喷头的运行,达到节水、节电的目的; 根据环境需要控制多组牛舍卷帘的开启和多组风机、喷雾器的开关,实现区域喷雾和风机控制。

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图5 牛舍环境控制系统

3 畜禽智能饲饮设备 3.1 智能饲喂设备

针对畜禽不同生理生长阶段对营养物质的不同动态需求,综合考虑产品的性质、用途、价格和销量,国内设计开发了犊牛精准喂奶机、精准饲喂机奶牛群体管理系统、自走式精密撒料机、母猪小群体智能饲喂站、智能奶山羊饲喂站等新产品()[-]。 自动犊牛饲喂机通过识别信号自动饲喂犊牛,对于加速牛群增殖、降低牧场成本、提高经济效益具有重要作用。 奶牛分组管理精准饲喂系统,根据牛的生长情况,为牛的进场、退出、分组、转移、停栏等提供数据支持。 还为膳食配方的改进提供基础数据信息。 自走式精密撒料设备整体结构紧凑,撒料均匀,可随时调节产量,使用方便。 针对小群饲养母猪的智能饲喂站将怀孕母猪从定位栏中解放出来。 适合我国福利性散养饲养技术。 增强母猪自身体质和免疫力,可以毫无问题地实现猪场日常饲养。 人性化。 传统的定时定量饲喂会造成过量饲喂、争食浪费的现象。 保育猪智能喂粥器具有料位监测功能。 它可以在低料位时补充食物,在高料位时停止喂食,可以节省大量的饲料和用水。 用混合配料饲喂保育猪,可以减轻断奶应激,提高保育猪的成活率和生长速度,减少呼吸道疾病的发生。 畜禽智能精准饲喂设备的设计、开发和应用,初步突破了个体牲畜精准饲喂控制的难点,实现了智能畜禽饲喂设备关键核心技术的突破。

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图6 智能饲喂系统 6 智能饲喂系统

3.2 数字化饮用水、加药和消毒设备

通过饮水方式给畜禽用药,很容易造成药物浪费、饮药不均等问题。 自动加药装置改变了饮用水中添加兽药的传统做法。 通过控制搅拌速度和搅拌时间,将固体兽药直接与饲料混合。 加药装置采用电机控制绞龙叶片,根据实际情况调节药物流量,可避免兽药的浪费。 养殖场定期防疫或疫病爆发期间,定时按需给药,存在给药不均、劳动强度大的问题。 该畜禽饲料配料装置通过控制搅拌的速度和时间实现自动配料,有效解决兽药混配问题。 不平等问题。

畜禽养殖过程存在消毒防疫频繁、细菌耐药性强、用药量大等问题。 微酸性电解水可替代化学消毒剂用于畜禽养殖环境净化、饮水系统及物品消毒。 微酸性电解水可水消毒及环境净化技术已应用于畜禽养殖场的环境净化、通道、设备、蛋品及饮水管道消毒等各个方面[-]。 微酸性电解水是一种绿色环保、安全高效的杀菌消毒剂,稳定性好,杀菌能力强。 其杀菌能力是次氯酸钠的80倍,微酸性电解水机()采用氯化钠溶液和稀盐酸为原料,价格相对较低。

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图7 弱酸性电解水机 7 微酸性电解水机

4 畜禽舍自动清粪系统 4.1 养猪场自动清粪系统

粪便清理是生猪养殖过程中的重要组成部分。 传统的定期清粪很容易导致鸡舍内粪便堆积,造成大量有害气体散发,严重影响猪只及周围环境的健康。 利用BP神经网络建立猪舍内粪便量预测模型,实时预测当前时刻猪舍内粪便量并及时清理,可有效减少猪舍内粪便堆积房屋长期排放有害气体[-]。 猪场虹吸式粪便清理转运系统,可提高规模化猪场粪便清理效率,节省猪场人工成本; 结合不同地区气候条件,优化了虹吸管道污水系统的设计和安装流程[-]。 采用台达DOPSoft 2.00.07和WPLSoft2.48软件开发的猪场自动清粪系统信息平台()不仅提高了清粪效率,还提高了设备​​的稳定性和维修保养的效率,以便减少猪场疾病。 风险防控提供数据支撑,可以解决猪场粪便清理过程中因信息化程度不够而导致数据采集不足、预警不及时、维护回访频繁等问题[-]。

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图8 猪场自动清粪系统信息平台

4.2家禽输送带自动清粪系统

近年来,我国家禽多层立体叠层养殖发展迅速。 利用每层网下的输送带清粪,不仅解决了家禽与粪便及时分离的问题,而且实现了日常生产、日常清扫,粪便不掉落地面,显着改善了室内空气质量。 由于水禽粪便含水量较高,如何解决输送带粪便清理的渗漏问题是养殖行业关注的焦点。 水禽养殖场高效清粪系统创新了滚筒传动,增加了涂胶流程和自动纠偏机构,实现联动可靠。 拆卸功能大大提高了清粪带的性能,延长了清粪带的使用寿命,提高清粪速度30%~40%,解决了因家禽粪便湿度差异造成的清粪问题,有效地解决了清粪问题。提高清粪带的效率。 清洁减少了鸡粪在鸡舍内的停留时间。 禽场输送带自动清粪系统设计有清粪端刮粪器整体调节装置和可拆卸刮粪器装置。 多层刮粪器相互连接形成联动装置,保证多层刮粪器充分张紧,便于清理、刮除。 粪便堆积在板和粪便带之间[-]。

5 畜禽生产信息实时采集及智能管理技术 5.1 家禽安全高效养殖智能信息管理系统

安全高效家禽养殖智能信息管理系统包括家禽养殖信息实时监控、疾病预警系统、智能养殖信息管理系统。 琨等人。 []建立了基于机器视觉的笼养和散养家禽异常行为检测方法。 识别笼养家禽的站立或躺卧姿势(行为),判断是否为疑似病禽,并检测家禽异常行为; 对散养家禽进行非接触式检测,判断家禽行为(啄食行为、啄食行为、正常行为和异常行为),实现健康鸡和疑似病鸡的检测; 设计了一种去噪方法来检测所选声音事件的噪声分数,并去除家禽叫声频域之外具有较高能量的噪声事件。 ,对获得的家禽叫声进行变换[-]。

5.2 安全高效养牛智能信息管理系统

Kang等[]分析了跛行奶牛的行走运动模型,提出了一种基于支撑阶段的奶牛跛行检测方法和算法,为奶牛跛行检测提供了一种新技术。 康熙等人提出的基于热红外相机的奶牛跛行检测系统。 【】减少跛行对奶牛健康和产奶量的影响,提高获取奶牛跛行运动特征的准确性。 张旭东等人[-]提出了一种基于深度学习网络EFYOLOv3(Enhanced Fusion MobileNetV3 You Only Look Once v3)的多目标检测方法,构建了基于热红外相机的奶牛乳腺炎检测系统,并将其集成到奶牛乳腺炎检测系统中。奶牛疾病检测系统为奶牛乳房炎检测提供了新技术。 基于SVM(支持向量机)和经验小波的奶牛动态称重方法和三维重构奶牛体重预测方法为奶牛场称重质量提供了新思路,提高了称重效率,减少了称重过程。 缓解奶牛应激反应,提高奶牛福利[-]. 任晓辉等. []提出了一种基于机器学习算法SVM和贝叶斯分类算法的奶牛行为自动识别方法,对奶牛的发情行为、反刍行为、采食行为和饮水行为进行分类识别,为奶牛行为的进一步发展提供了基础。 为异常行为检测和疾病智能预警研究提供技术支撑。

5.3 畜禽规模化安全高效养殖大数据平台

在我国畜禽养殖业转型阶段,安全高效畜禽养殖大数据平台的开发和示范应用,为畜禽养殖企业提供有效的智能化养殖管理,可以减少企业的投资饲养人员,减少人与牲畜接触的频率。 保障养殖场生物安全,实现畜禽养殖少人化、远程化、数据化管理[-,]。 生猪安全高效养殖管理平台连接猪场物联网设备,构建猪场实时监控系统、疾病预警和智能信息管理系统等,实现数字化、在线管理养猪场的。 通过大数据技术分析,为猪场生产运营提供最佳解决方案,使猪场管理更加标准化、规范化,实现生猪生产全过程的信息化管理。 安全高效的蛋鸡养殖管理平台系统,实现不同来源数据互联互通,对多单元、多鸡场管理、异常养殖现象同步实时预警,推送饲养计划,并对生产数据进行汇总分析。 通过PC和移动应用程序,用户可以随时查看该批次的日、周、月性能数据,使鸡蛋全程可追溯,提高生产效率。

6 结论与展望 6.1 结论

现代化畜禽舍建设和环境控制技术装备是现代畜禽设施养殖的前提,也是保证高产畜禽品种发挥遗传潜力和生产效率的基础,吸引了众多畜禽养殖企业的关注。越来越受到关注。 适宜畜禽养殖的土地逐渐减少。 提高土地利用效率可以在一定程度上降低成本。 规模化建设养猪场开辟了现代化集约化养猪场的新路径,为适合我国国情的规模化养猪场设计提供了参考。 依据。 规模化养殖场中用工最多、劳动强度最高、作业环境较差的两个环节是饲养和清粪。 从饲养和清粪的角度打造关键设备,可以有效解决畜禽养殖场对劳动力的依赖,提高劳动效率。 效率,降低粪便末端处理难度,通过精准饲喂控制提高生产效率,实现节本增效,推动现代畜禽生产向信息化、智能化方向发展。 畜禽养殖信息的采集、挖掘和集成优化是推动行业从数字化向网络化、智能化升级的关键环节。 基于物联网和大数据挖掘技术,建立集养殖规划、生产管理、追溯于一体的畜禽养殖体系。 高效、安全的家禽养殖信息管理系统,可实现规模化畜禽健康养殖过程的智能化管理。 本文以畜禽健康养殖的空间环境要求为出发点,从装配式畜禽舍及热环境控制、环境自动化控制系统、智能饲喂饮水设备、自动化畜禽养殖设备等五个方面对畜禽进行分析。粪便清洁系统、智能管理系统。 分析家禽养殖智能装备和信息技术的研究与应用,为我国畜禽健康高效养殖智能装备和信息技术体系建设,为我国畜禽养殖业转型升级提供关键支撑。现代畜牧业生产模式与提质增效。 提供了参考依据,有利于促进现代畜牧业健康可持续发展。

6.2 展望

《国务院关于加快农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》(国发[2018]42号)明确提出,到2025年畜牧业整体机械化率达到50%以上畜牧业机械化率将面向全过程全面优质高效转型升级主线,推动机械装备与养殖技术融合、畜禽养殖机械化与信息化融合、设施设备的配置与养殖场建设相适应,机械化生产与适度规模养殖相适应。 为畜牧业高质量发展、现代化步伐加快提供有力支撑。 畜牧业加快向标准化规模养殖转型升级。 装备总量持续增长,机械化水平不断提高。 However, the development of mechanization in different regions, livestock species, breeding scales and production links has been uneven and inadequate. The overall level of mechanization in the animal husbandry industry is still not high, and technology Problems such as weak innovation capabilities, insufficient effective supply of some technical equipment, and insufficient integration of breeding projects and facilities and equipment are prominent. Mechanization is an important foundation and important symbol of the modernization of animal husbandry. Intelligent breeding equipment and information technology are strong supports for accelerating the development of mechanization. Livestock and poultry breeding will transform and develop into a green and high-quality model, with the direction of standardization, scale, ultra-large scale, ecology, welfare, antibiotic-free breeding, digitization, informatization and intelligent management. In the future, the mechanization of China’s livestock industry will be The development of intelligent equipment mainly focuses on solving the weak links and stuck problems in the livestock equipment industry, including improving the mechanization level of small and medium-sized farms (households), animal husbandry mechanization and environmental protection, disease prevention and control and mechanization levels, as well as talent training and talent teams Construction, etc.; the informatization of the animal husbandry industry will be the main trend of upgrading and developing in the stages of digitization, networking, intelligence, intelligence, and informatization. The digital stage will focus on the real-time, accurate and reliable collection of livestock and poultry production processes and facility and equipment information resources. Networking focuses on the integration of information resources. Data mining and intelligent management are the only way to become intelligent. Digitalization of livestock and poultry breeding is the basis of intelligence. Intelligent development is achieved based on machine deep learning and artificial intelligence.

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