叠层笼养种鸡舍环境监测系统构建及环境特征研究

Constructing an environmental monitoring system of the stacked cage coops for breeding chicken and its environmental characteristics

摘要

目的 通过搭建物联网平台，实现鸡舍环境参数的实时采集与分析，以评估鸡舍内温度、湿度、风速、二氧化碳浓度、颗粒物和噪声水平的分布及其对种鸡生产性能的影响，从而提出优化鸡舍环境管理的建议。 方法 选择2栋试验鸡舍，通过安装温湿度、风速、二氧化碳浓度、颗粒物、噪声等传感器，实时监测鸡舍内的环境参数。数据采集时间为2023年3月18日—9月13日，每5 min记录1次，对采集的数据使用IBM SPSS Statistics 22.0进行分析，采用GLM模块、多重比较和非参数检验方法评估各环境参数的分布情况。 结果 试验期间，鸡舍内各环境参数存在极显著差异。温度波动范围为14.5~25.8 ℃，相对湿度波动范围为27.7%~83.5%，风速波动范围为0~0.6 m/s，二氧化碳浓度波动范围为0.334~3.605 mL/L。颗粒物和噪声水平除受特定活动影响出现显著变化外，均符合标准。环境参数的波动和分布不均对种鸡生产性能产生一定影响。 结论 鸡舍环境的各项指标均存在一定波动和差异，尤其是温度、湿度和二氧化碳浓度的波动较大，风速较低且分布不均。建议采用分区控制技术，提高温度分布均匀性；加强通风换气，增加风速调节设备；合理安排饲料和清粪作业时间，以优化鸡舍环境管理，确保鸡群的健康和生产性。

关键词

畜禽养殖 / 叠层笼 / 多元环境分布 / 物联网 / 环境控制

Key words

Livestock and poultry farming / stacked cage / multi-environmental distribution / internet of things (IoT) / environmental control

我国种鸡产业经过近十年的快速发展已取得巨大成就，以峪口禽业为代表的良种繁育体系基本建成。同发达国家相比，我国的蛋鸡品种、饲料营养和疾病防控技术差距逐渐缩小，而设施环境、智能化调控方面仍有较大差距。不良环境是大肠杆菌、慢性呼吸道等疾病的直接诱发因素，良好的环境控制是提高抗病能力、降低疫病发生、发挥种鸡最大遗传潜能的关键^[1-2]。研究^[3-5]表明，鸡只生产性能的发挥受遗传和环境2个方面共同作用的影响，优良的品种是具备高产的遗传基础，其是否能充分表现出来取决于营养和饲养环境条件的优劣。多数标志鸡群生产力的表型性状遗传力为5%~50%，其余50%~95%取决于环境条件，优良的品种在恶劣的环境下，其遗传潜能也得不到充分发挥^[6-7]。因此，增强从环境控制与生物安全角度防治疫病进而提高生产性能的意识，对生产实际具有切实指导意义。

随着对种鸡育雏质量要求和畜禽养殖转型升级发展需求的不断增加，种鸡人工授精笼向“叠层笼养+人工授精”模式转变成为行业发展的重要趋势^[8]。种鸡饲养模式的转型对种鸡管理方式及鸡舍环境控制的要求也亟待提高，但目前舍内环境控制尚不能实现完全自动化、智能化，环控策略只能依据经验调整，调控结果并不能发挥种鸡最大生产性能^[9]。且鸡舍内环境要素复杂，各环境因素并不是独立存在，相互之间可能存在着耦合作用或某种作用关系，尚缺乏对鸡舍环境的综合评价指数有效地对鸡舍环境进行精细化控制，且综合环境指数与种鸡生产性能的相关关系也缺乏参考和依据。随着物联网技术的发展，信息化管理日益重要，畜禽舍智能化程度成为决定其生产力水平的重要因素。为实现畜禽养殖精细化，畜禽养殖需融合物联网技术，在畜禽舍内通过传感器监测舍内的温度、湿度、风速、二氧化碳浓度、颗粒物、噪声等环境参数，通过各种有效的信息传输技术组成远程的监测网络，开发环境控制相关算法与软件对有效数据进行分析处理，从而发现问题并进行专家决策，进而通过智能控制终端对舍内环境进行精准调控。

本研究通过搭建物联网平台，采集与分析鸡舍内环境参数，评估鸡舍内温度、湿度、风速、二氧化碳浓度、颗粒物和噪声水平的分布规律，以期为优化鸡舍环境管理提供科学依据，为提升鸡群生产性能的环境控制策略提供指导，在叠层笼养种鸡舍智能化管理和精准控制方面提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 传感器设备安装场景

本研究在北京某鸡场选择2栋试验鸡舍A栋（A舍）、B栋（B舍），鸡舍长90 m、宽12.5 m、檐高5.5 m、脊高6.5 m，墙体围护结构采用砖混结构，屋面材料为彩钢板。鸡舍采用纵向机械通风以及湿帘降温系统，风机安装在一端山墙上，分3层安装，共18台；湿帘安装在两侧纵墙及山墙上，纵墙上湿帘分上下2层，山墙湿帘采用“W型”“V型”夹角布局。鸡舍采用4列6层叠层笼养模式，分上下2层，单栋饲养公母种鸡45 000套，见图1。

1.2 传感器选型及布置方式

物联网平台搭建需在所选取鸡舍内安装温湿度、风速、二氧化碳浓度、颗粒物、噪声等环境参数传感器。以中间走道为轴，选择中间走道及相邻2走道，将鸡舍沿纵向均分成3段，在3列走道的1、3、5层前、中、后3段中间位置，各安装1个温湿度传感器和风速传感器，温湿度、风速传感器分别总计27；选择鸡舍中间走道的1、4层，在前、中、后端各安装1个二氧化碳传感器，总计6个；选择中间走道1、4层，在鸡舍中心位置各布置1个颗粒物监测传感器，总计2个；在鸡舍中心位置1、2、3层各安装1个光照传感器，总计3个；选择靠墙1列走道，在鸡舍前、中、后端各安装1个负压传感器，总计3个；在鸡舍中间设置1台噪音监测仪；舍外安装1台气象站监测舍外环境参数。传感器选型如表1所示，布置位置如图2所示。

1.3 物联网硬件设施搭建

叠层笼养蛋鸡舍环境分布特征及相关模型构建，需要对所选取鸡舍的温度、湿度、风速、二氧化碳浓度、颗粒物、负压等环境参数进行实时监测，将测量数据通过数据采集卡实时地传送到系统中进行评价，并通过服务器进行数据存储。

1.4 数据采集、处理与分析

本试验采集的温度、湿度、风速、二氧化碳浓度、颗粒物、负压等环境参数测定时间为2023年3月18日—9月13日，时间跨度较大，能够在一定程度上代表鸡舍环境特征，采用连续测定，数据采集间隔为5 min，通过MQTT3.1协议，以json格式储存于物联网云平台。

对采集的数据使用IBM SPSS Statistics 22.0 GLM模块进行分析，在进行数据分析前，运用Shapiro-Wilk法与Levene检验对数据正态性与方差齐性进行检验，若数据不符合正态分布或不具备方差齐性，则对数据进行Log、对数、三角函数转换，若经过转换后仍不符合正态分布时，则采用非参数检验进行分析。多重比较采用Duncan’s Multiple Range (LSD) 或Turkey HSD，并以P＜0.05为差异显著。温度、湿度、风速参数以单笼组所在空间环境区域作为数据分析单元，二氧化碳、颗粒物、负压以位点所在空间截面作为数据分析单元。以试验处理、周龄、及其相互作用作为固定效应，笼具位置作为随机效应，建立如下混合模型：

Y_{\mathrm{i}\mathrm{j}\mathrm{k}} = \mu + C A D_{\mathrm{i}} + W O K_{\mathrm{j}} + C A_{\mathrm{k}} + C A D \times W O K_{\mathrm{i}\mathrm{j}} + C A D \times C A_{\mathrm{i}\mathrm{k}} + {\epsilon }_{\mathrm{i}\mathrm{j}\mathrm{k}}

其中， Y_{\mathrm{i}\mathrm{j}\mathrm{k}}为性状观察值； \mu为分析性状的群体均值； C A D_{\mathrm{i}}为试验处理主效应； W O K_{\mathrm{j}}为试验周龄固定效应； C A_{\mathrm{k}}为笼具位置随机效应； C A D \times W O K_{\mathrm{i}\mathrm{j}}为试验处理与周龄交互作用效应； C A D \times C A_{\mathrm{i}\mathrm{k}}为试验处理与笼具位置交互作用效应； {\epsilon }_{\mathrm{i}\mathrm{j}\mathrm{k}}为随机误差。

当混合效应模型中，作用不显著时，将其从模型中剔除；若P＜0.05，则对相应参数进行事后检验。除温度、湿度、风速外，事后检验采用Duncan’s Multiple Range进行多重比较，二氧化碳、颗粒物对比采用Kruskal-Wallis非参数检验或Friedman检验，负压采用Mann-Whitney U检验进行对比，相关关系采用回归分析及皮尔逊积差相关分析。

2 结果与分析

2.1 温度分布情况

依据《畜禽场环境质量标准》，鸡舍温度舒适范围为15~28 ℃^[10]。由图3可知，试验期间，27个空间环境位点温度存在极显著差异，温度波动范围为14.5~25.8 ℃，满足鸡舍舒适性要求。27个空间环境位点在同一天的同一时段内，温差最小值为2.8 ℃，最大温差为7.7 ℃，不同空间位点温度差异较大，温度分布不均匀。一天中的不同时刻，同一位点温度波动较大，波动范围为3.9~9.1 ℃。温度波动超过7 ℃的7个位点7、8、9、16、17、25、27均位于第1列、第2列、第3列的第5层鸡笼位置，且该7个空间位点单位小时温度波动幅度大于2 ℃。

2.2 相对湿度分布情况

依据《畜禽场环境质量标准》，鸡舍相对湿度适宜范围为50%~75%。由图4可知，试验期间27个空间环境位点相对湿度存在极显著差异，波动范围为27.7%~83.5%，在多数时间段内相对湿度满足舒适性要求。27个空间环境位点在同一天同一时段内，相对湿度差最小值为24.3%，最大为65.8%，不同位点相对湿度差异较大，分布不均匀。在一天中的不同时刻，同一位点相对湿度波动较大，波动范围为4.1%~45.6%。相对湿度波动趋势与温度呈显著负相关。

2.3 风速分布情况

鸡舍春季风速适宜范围为0.5~1.0 m/s。由图5可知，试验期间27个空间环境位点风速值存在极显著差异，27个位点风速波动范围为0~0.6 m/s，平均值0.15 m/s，风速较小，不满足标准所限定的适宜风速值。27个空间环境位点在同一天同一时段内，风速差异波动范围为0.2~0.6 m/s，分布不均匀。在一天中的不同时刻，同一位点风速波动较大，波动范围最大可达到0.6 m/s。

2.4 二氧化碳分布情况

依据《畜禽场环境质量标准》，鸡舍二氧化碳浓度适宜范围＜1.5 mL/L。由图6可知，试验期间27个空间环境位点二氧化碳浓度存在极显著差异，2023年3月25日之前测试位点多数测试时间段内二氧化碳浓度高于1.5 mL/L，超过标准限定值。试验期间二氧化碳浓度波动范围为0.334~3.605 mL/L，平均值1.194 mL/L。二氧化碳浓度分布整体趋势为下层高于上层，后端高于前端。

2.5 颗粒物分布情况

依据《畜禽场环境质量标准》，鸡舍颗粒物浓度适宜范围＜4 μg/m³。由图7可知，试验期间27个空间环境位点PM_2.5、PM₁₀浓度存在极显著差异，但浓度值均低于标准限定值。PM_2.5、PM₁₀浓度整体分布趋势均是上层高于下层。颗粒物浓度的分布趋势受鸡舍活动和空气流动的复杂交互影响，机械运作与人员活动引发了频繁的鸡群活动，这种活动程度的剧烈变化直接导致颗粒物浓度的上升。鸡舍高度较高导致上下层温度差异相对较高，产生了温度梯度，进而推动颗粒物在气流作用下向上浮升，形成浓度分布的变化。

2.6 噪声分布情况

依据《畜禽场环境质量标准》，鸡舍噪声值＜80 db。由图8可知，测试期间鸡舍内噪声值分布较为均匀，在多数测试时段内低于80 db，在舍内饲喂、清粪时段内噪声值显著提高。而在鸡舍内，噪声的产生源头包括机械设备的运转和鸡群的活动，运作中的机械设备和人员活动会引发鸡群的活动，进而显著提升鸡舍内的噪声水平，这种复杂的噪声背景对畜禽的生长和行为产生着潜在的影响。

3 讨论

本文通过物联网平台搭建，实现了鸡舍内温度、湿度、风速、二氧化碳浓度、颗粒物、噪声等环境参数的实时采集与存储，数据可反馈至生产人员进行对比分析，便于及时调整环境控制参数：①根据收集的数据分析，对鸡舍环境的温度、相对湿度、风速、二氧化碳浓度、颗粒物浓度和噪声水平进行了初步的评估；②试验期间，舍内不同空间环境位点温度差异较大，温度波动超过7 ℃的7个位点7、8、9、16、17、25、27均位于第1列、第2列、第3列的第5层鸡笼位置，单位小时温差超过2.4 ℃，相对湿度波动趋势与温度呈显著负相关；舍内风速平均值较小，不满足标准所限定的适宜风速值；③分析结果表明，虽然在监测期间舍内温度保持在适宜的范围内，但舍内空气质量相对较差。

综合来看，鸡舍环境的各项指标均存在一定程度的波动和差异，其中，温度、相对湿度、二氧化碳浓度等参数的波动较大，而风速较低且分布不均匀。在环境参数空间分布规律方面，相较于风机端，鸡舍内靠近湿帘端温度低、相对湿度高、二氧化碳浓度低，本研究结果与杨选将等^[11]研究基本一致。在试验期间二氧化碳浓度波动范围为0.334~3.605 mL/L，超过《畜禽场环境质量标准》标准限定值，但根据王阳等^[12]研究，应用传送带清粪蛋鸡舍内二氧化碳浓度参数建议取2.53 mL/L作为标准，试验期间基本符合此建议标准。颗粒物浓度和噪声水平在大部分时段内符合标准，但受到特定活动影响会出现显著变化。针对以上问题为进一步优化鸡舍环境管理，以确保鸡群的健康和生产性，提出以下建议：

1）考虑采用分区控制技术。根据不同区域的温度差异进行精细化调节，提高温度分布均匀性。

2）加强通风换气。考虑增加风速调节设备，如风扇或气流调节器，以提高鸡舍内的空气流动速度和均匀性，促进空气流动，有助于减少湿度积聚并提高湿度分布均匀性。

3）合理安排饲料、清粪等作业时间。尽量减少在鸡群活动高峰期进行，或分批次进行相关作业，以降低噪声水平。

本研究主要的问题在于环境监测系统传感器布置位点在空间上均匀分布于鸡舍内，对监测点所采集环境参数是否能代表该分区内环境水平未做探讨。此外，研究中仅分析了鸡舍内单一环境参数变化规律，未进行鸡舍内不同环境参数间、鸡舍内环境参数与鸡舍外环境、鸡舍内环境参数与鸡只生产性能之间的相关性分析，这可能会影响研究结果的广泛适用性。

未来可以开展以下几个方向的研究：

1）自动化与智能化控制系统的优化。基于本研究发现的环境参数波动问题，优化环境控制系统，以提高鸡群的生产性能和健康状况。

2）多因素综合评价体系。研究各环境因素之间、鸡舍内外环境因素之间、环境因素与鸡只生产性能的相互作用，并开发综合评价指数，以便更有效地对鸡舍环境进行整体优化。

3）长时间、多场景研究。扩展研究时间跨度和空间范围，考虑不同季节、气候条件下的鸡舍环境控制，确保研究结果的普适性和推广价值。

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基金资助

乡村振兴技术创新专项“基于数字技术的种鸡舍环境应激指数及环境调控模型构建研究”(22326611D)