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现代畜禽养殖业正朝着规模化、现代化和信息化方向快速发展，养殖环境也成了不可忽视的问题，其直接影响畜禽的生产效率和健康状况，对畜禽舍各种环境因子监控已是现代化养殖业的基本要求。
智能环境控制器是畜禽养殖业提高养殖效率和经济效益、保障畜禽健康、降低资源浪费和环境污染的关键技术手段，将人工智能、物联网和大数据分析等技术与畜禽养殖生产深度融合，使传统畜禽养殖业向现代化畜禽养殖业转型的关键一步。智能化环境控制器是集监测和控制于一体的系统，其借助传感器对舍内各种环境因子进行远程监测，通过计算机将监测数据传递给控制终端，对数据进行分析并做出相应控制来调节畜禽舍的环境，系统的原理框图如图1所示。相较于传统人工监测控制的间歇性、滞后性和主观性，智能环境控制可以做到连续、快速、准确地监测以及控制畜禽养殖环境，为畜禽生长提供一个健康的、舒适的舍内环境。
荷兰、以色列和美国等发达国家在1970年已开始了畜禽环境监控系统开发，在此基础上整合了疫病诊断、投喂料和自动清粪等系统，形成了智能养殖管理系统，已应用在现代化养殖场中。我国的畜禽舍环境监控系统研究起步较晚，从“八五”至“十三五”期间，少数大型养殖场实现了自动化或半自动化的控制，但还只局限于功能单一的环境控制设备，难以满足畜禽舍复杂环境调控需求，缺乏整体性研究，离达到智能化环境控制还有差距。然而在网易、阿里巴巴等互联网科技巨头纷纷踏入养猪行业后有望颠覆传统养猪行业，促进行业改革升级，将会给我国畜禽舍智能化环境监测及控制发展带来新机会。本文从数据采集、数据处理、数据传输和控制理论介绍了畜禽舍智能环境控制的研究进展，为其在畜禽业的进一步应用提供参考。
图1 智能环境控制原理图
1 数据采集
畜禽舍现场的数据采集主要包括温度、湿度、氨气、二氧化碳、风速、粉尘、光照等，早在1988年，Seedor等人在畜禽舍布置温湿度一体传感器采集温湿度数据。Phillips等人在畜禽舍7个不同位置布置传感器来监测环境参数，为畜禽舍污染物的量化排放设定了一套通用方法。Ni等采集猪舍内的氨气浓度数据，并通过数据曲线拟合、构建了猪舍氨气挥发数学模型，这为舍内氨气浓度调控奠定了理论基础。Andonov等采集了不同季节下自然通风和空调控制下温湿度数据，提出了一种新型的自然通风控制方法。Kim等人对冬季密闭猪舍中热量空间分布及空气尘粒含量进行了研究，发现猪舍内的尘粒含量与猪舍内的空气温度和湿度密切相关。Daskalov等采集了猪舍内冬夏两季气流数据，并提出了一种根据猪舍内空气流速、温湿度和流向联合控制的非线性自适应修正算法，对指导猪只生产有着重要意义。Banhazi等采集了160个猪舍内的细菌、可吸入颗粒和有害气体浓度等环境数据，研究发现适当的环境改善策略能够降低猪舍环境中的空气污染物浓度。
无线传感器网络技术在现代畜牧业中主要用于监测各类环境参数。如陈俊杰、王冉等基于无线传感网络，实现了畜禽环境参数实时监测。康瑞娟等在肉牛养殖信息采集基础上实现了数据传输方法的研究。柳平增等设计了一套畜禽规模养殖环境信息采集系统，研究并设计了多种环境参数检测模块，应用后发现该系统稳定可靠、检测精度高。Hwang等人建立了猪舍环境监控系统，系统将采集到的环境数据进行分析，最终控制环境调控设备的运行。王雷雨等对畜禽健康养殖环境监测及预警系统进行了研究，并实现猪舍的环境实时监测及预警。Shen等通过响应面的方法对奶牛舍自然通风和换气率进行模型控制。Stinn通过长期的试验监测数据对猪舍环境进行评价及控制。
2 数据处理
单片机和PLC等在环境监控系统中起主要作用，单片机可以嵌入到各种仪器设备中。如彭建盛等研发的环境监测系统以ADuC824单片机为核心芯片，可以高效实时采集数据，响应速度快、灵敏度高。戴春霞以C8051F020单片机为核心，以Modbus总线进行现场组网，对猪舍环境因子进行了测量以及自动控制。但单片机故障率高、编程越来越复杂、开发周期长，故现在一般采用性能高、价格低、可扩展性强的嵌人式 ARM 芯片进行数据处理。马亮等人采用PIC单片机和TCP/IP网络协议实现嵌入式Web服务器研发出鸡舍网络环境参数监测系统，管理员可实时监测鸡舍的环境信息。熟悉嵌入式操作系统需要具备较高的专业素养。
PLC编程简单，功能性强，后期维护工作量小。如于明珠等基于PLC实现了仔猪舍温度自动控制。关铭洁研发出PLC的分布式控制系统，通过传感器采集各种环境参数，并通过风机和水泵等设备对环境进行调节。路玉等利用PLC实现了猪舍环境智能控制。但各PLC厂家的硬件体系是相互独立的，用户必须先选定PLC的型号，再学习相应的控制规程和编程语言。
3 数据传输
目前在畜禽舍及温室中应用最广泛的有线通信是RS485总线和CAN总线，近距离无线通信有蓝牙（Bluetooth）、无线局域网（Wi-Fi）、红外线数字链路（IrDA）、无线个人区域网近场通信（NFC）、紫蜂（Zigbee）、和超宽带（UWB）等，各通信协议的特点见表1。如Ma等开发了基于CAN总线建立了猪生长环境智能控制系统。Wu等以ARM和ZigBee技术为基础研发的鸡舍智能环境控制系统实现了鸡舍环境的远程监测。毛德平等通过RS-485总线设计出实现更长距离的分布式数据采集和控制系统。周丽萍等利用移动巡检车和Wi-Fi采集猪舍内各处的环境数据。周晨飞基于Zigbee设计了猪舍智能环境采集系统，可通过电脑远程查看。李理等利用ZigBee设计环境传感系统，并通过中心服务器调节温湿度，给猪只提供适宜的温湿度成长环境。
通过硬件结合软件使得环境控制系统更稳定、高效。如谢秋菊等人以CC2430芯片为基础，设置了传感器终端节点、单舍控制节点以及ZigBee协同器，以进行更多传感器数据与计算设备的结合，从而能够将环境数据收集和传送到控制中心。沈忱等人以CC2530模块为硬件内核组成的无线通信技术节点，利用ZigBee无线通信技术实现传输，并以MSP430单片机作为内核处理单元处理数据，并控制外设元件来调控家禽畜舍内环境。牛海春等以TM32单片机为主控芯片，梁天航等人综合利用了ZigBee技术、PLC技术和传感技术全方位监测猪舍环境，将采集到的数据与系统参考数据比较判断后合理控制电气机构，对大型猪舍环境进行调控。
马吉庆等用ZigBee组网接收各采集点环境参数，RS485技术数据传输，PLC与RS485之间通信，实现畜禽舍内部环境因子实时远程监测，并对信息进行处理，通过和终端的软件设置的相应阀值实现舍内设备手/自动控制转换，获得畜禽生长所需的最适环境。
4 微生物发酵技术的具体应用
科技发展助力畜禽舍环境监控系统的研发和应用，各种优异的算法可解决环境监测控制的实际问题。如俞守华等通过遗传算法与小波变换结合有效降低了各种有害气体的干扰，提高了气体监测数据的准确性。滕翠凤等为克服单传感器监测的不确定和不稳定性，将自适应加权融合算法与D-S证据推理理论融合实现了多传感器的数据融合。崔和瑞等完成了畜禽舍在模糊控制条件下进行环境监控的软硬件实现方法，论述了模糊控制系统的实用性。柳平增等基于模糊控制算法开发了畜禽养殖环境控制系统。钱东平等利用模糊控制理论对畜禽舍温度进行实时监测，建立了畜舍温度调控及监测的数学模型，增加控温过程的稳定性。赵静伟等用模糊控制算法对猪舍环境控制设备、水泵和风机实现控制。为了解决寒冷冬季猪舍保温与通风的调控问题，谢秋菊等设计了基于模糊控制算法的密闭式猪舍多环境因子调控系统。
5 总结
智能化环境调控是我国畜禽养殖业进行数字化革新和可持续发展的重要基础，目前环境调控系统的思路是通过传感器获取畜禽舍内的各种环境参数（温度、湿度、氨气等），通过数据处理和数据传输到系统的控制中心，控制中心对采集的环境数据经过分析汇总后，发出相应的操作命令到各环境参数控制终端设备（风机、湿帘和照明等），使其控制相应的现场设备，实现畜禽场的环境自动调控。但是畜禽舍的环境复杂多变，环境调控技术仍然面临诸多问题与挑战，畜禽智能化环境控制系统虽然经过多年的研究与发展，但是目前并没有全面普及应用相关技术标准，这极大制约了畜禽智能化环境调控推广与应用。智能化环境调控的全面普及是畜禽养殖业规模化、数字化和科技化转型升级的必经之路。
