基于WSN的集約化豬舍多環(huán)境因子監(jiān)測(cè)及CFD模擬的研究.pdf

1、集約化養(yǎng)殖提高了養(yǎng)殖密度，節(jié)約了土地資源，同時(shí)也帶來了養(yǎng)殖業(yè)對(duì)飼養(yǎng)環(huán)境的密切關(guān)注。傳統(tǒng)的人工測(cè)量豬舍環(huán)境，很難做到同時(shí)多點(diǎn)測(cè)量，且人在豬舍走動(dòng)，對(duì)環(huán)境干涉大，有可能破壞豬舍當(dāng)前真實(shí)的環(huán)境分布。因此，開發(fā)一套無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN，wireless sensor network)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，代替人工測(cè)量，并結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)(CFD，computational fluid dynamics)模擬豬舍內(nèi)部環(huán)境分布，對(duì)有效獲取豬舍內(nèi)部環(huán)境參數(shù)和掌握

2、豬舍內(nèi)部環(huán)境分布規(guī)律具有重要意義。
　　本文主要設(shè)計(jì)了一套完整的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，多點(diǎn)、同步、連續(xù)地監(jiān)測(cè)了三個(gè)不同地理位置、不同季節(jié)的2個(gè)不同生長(zhǎng)階段的豬舍環(huán)境，并利用CFD技術(shù)研究了先進(jìn)樓房豬舍內(nèi)部環(huán)境分布規(guī)律;為我國(guó)樓房養(yǎng)殖的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高集約化豬舍環(huán)境控制水平，改善豬舍環(huán)境質(zhì)量提供理論依據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)部署無線傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)當(dāng)前環(huán)境下的溫、濕度，C

3、O2、NH3濃度。上層軟件通過抓包獲取底層發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到SQL server數(shù)據(jù)庫;成功實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能;為豬舍環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和舍內(nèi)環(huán)境分布規(guī)律的研究提供了便利條件。
　　(2)以冬季北方2個(gè)生長(zhǎng)階段的豬舍為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，7-2保育舍溫度平均值22.1℃高于8-2生長(zhǎng)舍平均值12.7℃，生長(zhǎng)舍整體溫度較低。7-2保育舍濕度平均值48.7％低于8-2生長(zhǎng)舍平均值64.9％。2個(gè)豬舍CO

4、2濃度平均值分別為4683.1mg/m3和4995.6mg/m3，NH3濃度平均值分別為12.4mg/m3和9.0mg/m3，均大于健康限值(CO2濃度3024.3mg/m3，NH3濃度8.4mg/m3)。從環(huán)境分布來看，2個(gè)豬舍有多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)差異性顯著，舍內(nèi)溫濕度、CO2、NH3濃度分布不均勻。為改善豬舍環(huán)境，建議冬季生長(zhǎng)舍需增加地暖、加熱器等供暖設(shè)備，2個(gè)豬舍均需改善通風(fēng)，排出過多CO2、NH3。
　　(3)以春季華中地區(qū)2個(gè)

5、生長(zhǎng)階段的豬舍為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，A-7保育舍和C-11生長(zhǎng)豬舍溫度平均值為31.7℃和28.1℃均高于國(guó)標(biāo)高臨界值;A-7保育舍的濕度平均值33.9％低于C-11生長(zhǎng)豬舍的濕度平均值49.3％，7-2保育舍整體偏干燥。2個(gè)豬舍CO2濃度最大值5205.3mg/m3和7660.7mg/m3均高于健康限值。A-7保育舍內(nèi)NH3濃度最大值6.6mg/m3低于健康限值，而C-11豬舍NH3濃度最大值9.5mg/m3高于健康限值。2個(gè)豬舍

6、THI最大值為30.0和28.3，均超出舒適區(qū)上限28.06。
　　(4)以夏季南方樓房豬舍為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，中間層保育舍欠通風(fēng)造成THI平均值達(dá)27.9，接近舒適區(qū)上限。受頂層輻射和底層保溫影響，頂層生長(zhǎng)豬舍溫度最大值比底層生長(zhǎng)豬舍高2.8℃，頂層晝夜溫度最大差值達(dá)11.6℃。底層濕度高，相對(duì)濕度達(dá)85.7％。各樓層內(nèi)的CO2和NH3濃度遠(yuǎn)低于最高濃度限值，欠通風(fēng)豬舍CO2和NH3分布不均，且較難排出，其中NH3濃度受豬

7、舍內(nèi)尿液排出方式影響。各樓層溫?zé)岷陀泻怏w環(huán)境差異性顯著，同一層豬舍不同位置環(huán)境存在差異。
　　(5)為研究樓房豬舍環(huán)境分布規(guī)律，本文在監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，采用CFD技術(shù)分別模擬底層和頂層豬舍環(huán)境。用Pro/E建立三維模型，用ANSYS18.0中的ICEM進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分;在fluent軟件里，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、組分輸運(yùn)模型對(duì)2個(gè)樓層的風(fēng)速、溫度、氨氣濃度進(jìn)行模擬;利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，測(cè)量值與模擬值

8、基本吻合，說明模擬結(jié)果可靠，可用于分析豬舍內(nèi)環(huán)境分布規(guī)律。
　　(6)底層豬舍模擬結(jié)果顯示，在Z=0.6m平面，走廊處通風(fēng)良好，但豬只生活區(qū)域通風(fēng)較差，氣流不均勻;Z=1.2m平面處空氣流動(dòng)較快，但靠近四周墻處仍然存在通風(fēng)死區(qū)。在Z=0.6m平面，由于豬只表皮對(duì)流換熱和水泥豬欄遮擋，導(dǎo)致溫度平均值(27.5℃)略高于Z=1.2m平面溫度平均值(27.2℃)。在Z=1.2m平面，NH3濃度平均值為2.0mg/m3，整體范圍為0～3.

9、8mg/m3。Z=0.6m平面處NH3濃度平均值為3.3mg/m3，整體范圍為0～6.6mg/m3。受NH3源的位置和舍內(nèi)氣流分布影響，Z=0.6m的豬只生活區(qū)域高于Z=1.2m平面區(qū)域，但低于健康限值。
　　(7)頂層豬舍模擬結(jié)果顯示，Z=0.6m平面風(fēng)速平均值為0.3m/s，風(fēng)速范圍為0～1.8m/s;豬只活動(dòng)的大部分區(qū)域空氣流動(dòng)緩慢。Z=1.2m平面風(fēng)速平均值為0.8m/s，風(fēng)速范圍為0～3.8m/s;靠近濕簾處的半個(gè)豬舍風(fēng)

10、速普遍高于另一半。2個(gè)平面風(fēng)速分布不均勻，建議大料倉遠(yuǎn)離濕簾放置，對(duì)較長(zhǎng)的豬舍，可以采取濕簾在兩側(cè)墻中間，風(fēng)機(jī)在兩端墻的安裝方式。Z=0.6m和Z=1.2m平面溫度平均值分別為27.3℃和27.4℃，略高于國(guó)標(biāo)高臨界值（生長(zhǎng)舍27℃）。Z=0.6m平面NH3濃度平均值為3.5mg/m3，整體范圍為0～7.8mg/m3。Z=1.2m平面NH3濃度平均值為2.5mg/m3，整體范圍為0～5.0mg/m3。4個(gè)導(dǎo)尿管開口附近NH3濃度較高，為