CN1946286B

CN1946286B - 环境控制的方法和设备

Info

Publication number: CN1946286B
Application number: CN200580011688.2A
Authority: CN
Inventors: N·J·巴雷特; B·N·比尔比
Original assignee: MONITEC Pty Ltd
Current assignee: MONITEC Pty Ltd
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: WO2005082134A1; US20080203178A1; US9078400B2; CN1946286A

Abstract

本文公开了控制一定的环境中环境参数的自动化方法、设备和计算机程序产品。一种公开的方法包括以下步骤：测量环境中的温度、相对湿度和风速值，以该测量值为变量计算感受温度值，其中计算出的感受温度值是恒定相对湿度下所感受的相应温度，和根据计算值控制环境参数。在某些实施方式中，特定的环境包括鸡场，以鸡的具体状态年龄或体重为变量计算鸡场中鸡所感受的温度。

Description

环境控制的方法和设备

技术领域

本发明主要涉及环境参数的监测和控制，更具体地，涉及鸡场的环境控制。

背景技术

当应用于鸡和其它动植物的物种和品种的生产周期时，环境控制提供了非常显著的收益。极端的环境条件导致死亡率增加，优化的环境条件则对于生长以及整体健康状态有积极的作用。例如，饲料转化和体重增加的比例可以通过环境控制而加以改善。

对鸡场有着显著的影响的三个相互关联的主要环境参数是温度、湿度和风速。具体地，就热应激而言，在温度、湿度和禽类年龄或体重之间存在关联，就风冷(wind chill)而言，在风速、温度和禽类年龄或体重之间存在关联。

与在鸡场内直接测得的温度相对称，禽类实际上承受的温度是所谓的感受温度。通常，当湿度增加时，鸡感觉较为温暖，当风速增加时，感觉较为寒冷。年龄，尤其是禽类的体重，也与这些参数的作用有直接关系。例如，小鸡对风冷很敏感，在有风的环境中很容易过冷。过冷导致的应激可以引起生产周期(正常情况下为5-8周)中体重增加的减少。

传统的环境控制系统使用测量温度作为反馈控制回路(loop)的输入量，对鸡场内的通风降温进行控制或调节。通常，通过启动和关闭将空气沿鸡场纵向或横向吹过鸡场的风扇对鸡场进行降温。风通过风冷效应使禽类凉爽。空气还可以通过用水喷洒过的垫板(pads)送入，以进一步通过蒸发冷却过程来辅助冷却效应。

尽管这种基本的控制可能将温度水平保持在某些极限之内，也可能在有限的幅度内并影响湿度水平，对湿度的有效控制需要耗资巨大的空调设备，因此通常农业行业不采用。

有一个标准的，对于人类舒适水平的热应激公式。它描述温度(干球)、热指数(HI)和湿度之间的关系。图4显示了HI随温度和湿度水平变化的曲线图，以及HI＝T的曲线轨迹。

美国气象局(the U.S.Weather Services)使用下列形式的含适合人类舒适水平的常数的热指数(HI)标准方程：

HI＝-42.379+2.04901523T+10.14333127H-0.22475541TH-6.83783x10^-3T²-5.481717x10^-2H²+1.22874x10^-3T²H+8.5282x10^-4TH²-1.99x10^-6T²H²

其中：T＝环境干球温度(°F)，与

H＝相对湿度(％)

热指数大于130°F(54.4℃)表示条件对人类极度危险。

虽然需要在反馈控制回路中自动控制环境参数，由于标准热应激方程的复杂性，难以在单一的解决方案中对这些参数加以统一。而且，该标准方程是不稳定的，方程中常数的微小变化将导致该标准方程输出值很大的变化。因此，需要有一种改良的控制环境参数温度、相对湿度和风冷的方法和设备。另外，也需要有改良的用于控制鸡场内环境参数的方法和设备。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种控制一定的环境中环境参数的自动化方法。该法包括以下步骤：测量环境中的温度、相对湿度和风速值，以测量值为变量计算感受温度值，其中计算出的感受温度值是恒定相对湿度下所感受的相应温度，根据感受温度值来控制环境参数。

该方法可以进一步包括以下步骤：根据鸡的年龄计算最佳感受温度，和根据最佳感受温度计算鸡的冷、热应激极限。

该方法可以更进一步包括以下步骤：计算鸡所承受的应激水平，其中所述的应激水平以冷、热应激极限和感受温度值为变量进行计算。

该方法可以再进一步包括以下步骤：计算所述的鸡在生产周期内的累积应激值。

本发明的另一个方面是提供一种控制一定的环境中环境参数的设备。该设备包括存储数据和处理单元所执行指令的存储单元、和与存储单元相连的处理单元。处理单元被编程为获取与环境相关的温度、相对湿度和风速的测量值，以测量值为变量计算感受温度值，其中计算出的感受温度值是恒定相对湿度下所感受的相应温度，并提供用于控制环境参数的感受温度计算值。

在本发明的再一个方面是提供包括计算机可读介质的计算机程序产品，所述的计算机可读介质中记录有用于控制一定的环境中环境参数的计算机程序。计算机程序产品包括用于测量环境中的温度、相对湿度和风速值的计算机程序代码；用于以测量值为变量计算感受温度值的计算机程序代码，其中计算出的感受温度值是恒定相对湿度下所感受的相应温度；以及用于输出控制环境参数的感受温度计算值的计算机程序代码。

本发明的其它方面提供了控制鸡场中环境参数的自动化方法、设备和计算机程序代码。该方法包括以下步骤：测量鸡场内温度、相对湿度和风速的值；以所述的温度和风速测量值、和至少一种所述鸡场中鸡的具体状态为变量确定风冷；以风冷和温度的测量值为变量确定风冷补偿值；以风冷补偿值和相对湿度为变量确定感受温度值；和根据感受温度值控制环境参数。设备和计算机程序产品用来实施前述方法。

附图说明

本发明的特征和优选实施方式在下文通过实施例并参考下列附图加以阐述：

图1是用于监测和控制环境参数的系统的框图；

图2是环境控制方法的流程图；

图3是鸡场内环境控制方法的流程图；和

图4是以相对湿度为变量，显示人类舒适水平的标准热指数曲线的温度变化图。

具体实施方式

下文对监测和控制环境参数的方法和设备的实施方式进行说明。虽然对方法和设备的说明，具体地基于鸡场内的环境控制，本发明并不局限于这种用途，因为本发明的原理对于大量其它用途的环境控制具有普遍的适用性。例如，本发明的实施方式可以应用于多种动物和植物的农业生产环境。本发明的实施方式还可实施用于控制人类的舒适水平。

如上文所述，由于标准热应激方程的复杂性，很难在单一的解决方案中对环境参数加以统一。

在标准热应激方程产生的连续数值中，存在有热应激指数(或称为感受温度)与测量温度相等的点的轨迹。但是，轨迹上每个点的相应湿度值是不同的。一个有助于统一的适用解决方案是将在轨迹上某一个等值湿度值的所有相应测量温度定为相应的感受温度。为方便起见，将该等值湿度值定为相对湿度为50％。根据该定义，与相对湿度等于50％相应的测量温度(忽略风冷)等于感受温度。另外，该感受温度定义相应的相对湿度值还可以使用其它数值。这样，对于鸡的最佳工作温度而言，通常定义成一定的相对湿度值与禽类的年龄或体重下的相应温度，它可以换算成一系列相应的感受温度值。这种方法简化了确定鸡累积应激的计算，由于测得的数据的换算值都以50％湿度为基础测算。

多重回归分析用于将湿度/温度方程的复杂性简化到最低程度，并确保所得到的常数满足感受温度(PT)在湿度恒为50％时等于T的要求。这有助于导出PT，其为湿度为50％时所感受的相应温度。

简化温度和湿度的标准热应激方程所导致的误差，与测量实际参数中产生的误差、鸡场内环境条件的不均匀性所导致的误差、和标准方程中的固有误差是不显著的。标准方程中的误差源于对热指数(HI)实际数值的测算。例如，当湿度特别低或特别高时，固有误差增加。

前述方法的优点是它让以实际测量温度、湿度、风速和禽类年龄或体重为变量的所测算禽类所感受的温度能够用于控制反馈回路，以监测和控制禽类感受温度与相应最佳环境条件进行比较下的应激水平。

图1显示用于监测和控制环境参数的系统的框图。传感器接口120与温度传感器142、湿度传感器144和风速传感器146经由互联总线130相衔接。本领域的技术人员可认识到，也可以采用其它类型的传感器和其它的传感器与传感器衔接接口。例如，可以使用检测氨气水平的传感器，以便检测对禽类有不良作用因而影响其应激水平的氨气的水平。此外，由于传感器可以单独地与一个或多个传感器接口相连，对传感器进行网络连接并不是必要的。

监测装置110与传感器接口120相衔接，并包括含有一个或多个微处理器的处理单元和用于储存软件程序和来自传感器的输入数据的存储单元。处理单元执行计算机程序，按指令向本机显示接口170、通信接口160和反馈控制接口150输出数据。存储单元可以包括一个或多个只读存储器(ROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、随机存取存储器(RAM)、快闪存储器和/或本领域公知的任何其他形式的存储器。存储单元或一部分存储器可以任选地集成在一个或多个微处理器中。

设备100可以任选地包括手动输入装置115，例如开关或键盘，以便用户手动输入根据对特定环境主要环境条件目测(例如，观察鸡场中的鸡)的标记。例如，当用户通过肉眼观察对特定环境进行检测时，这一性能使得人们能够对监测装置110确认所目测的最佳环境条件。此外，也可对监测装置110确认目测当时的其它的条件。根据这种手动输入的指定含义，该监测装置110可以进行自动校准。例如，对鸡的年龄和/体重和最佳感受温度的估计不准确时，这种校准可能是恰当的。

在使用中，监测装置110对传感器142、144和146进行扫描，以分别输入温度、湿度和风速的当前值。输入的数值用来进行计算。输入的数据和计算值可以记录或储存在存储单元中，并可以经由本机显示接口170显示在显示器175上，或者经由通信接口160让远程计算机165询取。输入的数据和计算值可以记录或存储在存储单元中，并使用实时时钟产生的日期/时间为相应数据标记，和/或当检测到输入数值有所变更时，将输入的数据和计算值记录或存储在存储单元中。远程计算机165可以经由网络(没显示)，例如局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线网络、因特网、内部网络、和/或任何其它本领域公知的通讯网络，与通信接口160连接。

远程监控、数据下载、和软件程序上传可以使用远程计算机190来进行。监测装置110中的本机数据的现场数据查询可以使用显示器和键盘175进行。

图1中显示的设备100接收来自传感器142、144和146的环境参数值，根据这些数值进行计算或运算，并经由集成在设备100中的反馈控制接口150向环境控制器155输出温度信号。反馈控制接口150使得数据和/或信号(例如，水平、记录等)能够变换成适应现有环境控制器的规格。温度信号被环境控制器155用来进行环境参数的闭合回路控制。例如，环境控制器155可以开关风扇来产生风冷。在另外可选的实施方式中，环境控制器155可以集成在设备100中。

环境参数的数值或数值变化过高(即超出工序极限)发出警告的报警条件可以分别通过显示器和键盘175在本机上设定和通过远程计算机165进行远程设定。使用感受温度来触发工序极限警报，使得设备能够在高湿度条件(低温)下运作而不引发湿度警报。

在图1所示的系统实施方式中，监测装置110包括基于嵌入式133MH x86的STPC Atlas处理器，经由ISA总线与内存有操作系统的快闪盘存储器连接。显示器175包括2线x20字符液晶显示器(LCD)和日立HD44780控制器。处理器使用ANSI标准指令来控制经由包括RS-232串行数据端口的本机显示接口170显示在显示器175上的信息。处理器还经由本机显示接口170接收来自通过RS-232串行数据端口的键盘175的命令。远程计算机165经由通过10/100BaseT以太网接口和内部PCI总线的通信接口160与处理器通信。环境控制器155经由通过并行数据端口的反馈控制接口150控制。传感器142、144和146通过互联总线130与传感器接口120连接，该总线包括使多个传感器能够经由一根电缆连接的3线式总线。传感器接口120通过RS-232串行数据端口与处理器连接。前述说明包括图1所示的系统的一个实施方式，并非由此限制本发明的范围。本领域技术人员很容易认识到，多种其它的硬件平台和元件可以用来实施本发明。例如，本发明可以作为由常规或嵌入式个人计算机(PC)执行的计算机程序来实施。在这种情况下，传感器接口120的提供可以独立于常规或嵌入式PC。计算机程序代码可以记录在包括计算机可读介质的计算机程序产品上。

图2显示一个可以使用图1的设备或其它合适的设备来实施的环境控制方法的流程图。在步骤210中，获取温度、风速和相对湿度(％)的测量值。步骤220根据风速测量值确定风冷。步骤230通过步骤220中确定的风冷对测量的温度值进行折算。在步骤240中，以相对湿度和步骤230中计算的风冷补偿温度为变量，计算感受温度。在步骤250中，感受温度可以用来控制环境条件。

图3显示一个可以使用图1的设备或其它合适的设备来实施在鸡场中环境控制的方法的流程图。在步骤310中，获取温度、风速和相对湿度(％)的测量值。在步骤320中，根据下列方程计算风冷：

WC＝V^P(a+bT+cT²+dT³+eT⁴) (1)

其中：T＝测量温度(℃)，

V＝风速(m/s)，且

a、b、c、d、e和p是取决于禽类年龄或体重的变量。

在一个具体实施方式中，使用下列变量：

a = n_{a} \tilde{A} + m_{a}

n_a＝-0.03233，m_a＝11.254

b = n_{b} \tilde{A} + m_{b}

n_b＝-0.0009538，m_b＝-0.05311

c = n_{c} \tilde{A} + m_{c}

n_c＝0.0005006，m_c＝-0.1045

d = n_{d} \tilde{A} + m_{d}

n_d＝-0.00002959，m_d＝0.006077

e = n_{e} \tilde{A} + m_{e}

n_e＝4.466E-07，m_e＝-0.00008901

p = n_{p} \tilde{A} + m_{p}

n_p＝-0.0009859，m_p＝0.6007

其中：

\tilde{A} = rA + s A^{2} + t A^{3} + u A^{4},

A＝禽类年龄(天数)，和

r＝0.05850，s＝0.02605，t＝0.001399，u＝-2.404E-05

或：

\tilde{A} = r + sW + t W^{2},

W＝禽类体重(克)，且

r＝-6.1，s＝0.0323，t＝2.8E-6

如果

\tilde{A} < 0,

则取

\tilde{A} = 0,

和

如果

\tilde{A} > 92

则取

\tilde{A} = 92 .

在生产周期中跟踪禽类的年龄和体重。在一个实施方式中，将禽类平均年龄的初始估计值输入到设备100中，随后通过时钟基准加以自动调整。基于禽类的平均年龄和体重之间普遍存在一致的相关性，相应的体重可以从查阅表中确定，此外，也可以对禽类直接进行体重测量。

方程1中的常数存储在存储器中，并可以随着鸡的品种、生产操作参数如最佳感受温度和应激水平而修改。

为了计算方程(1)中的风冷(WC)，需要输入禽类(A)的年龄或体重、温度(T)和风速(V)。当风冷(WC)的计算值为负值时，风冷将设定为0。

在步骤330中，根据下列方程计算风冷补偿温度(T_wc)：

T_wc＝T-WC

其中：T＝测量温度(℃)，和

WC＝步骤310中所计算的风冷。

在步骤340中，使用步骤330中所计算的风冷补偿温度(T_wc)，根据下列方程计算禽类的感受温度：

PT＝T_wc(f+gH+hH²)+iH+jH²+k (2)

其中：H＝相对湿度(％)，和

f＝1.4195，g＝-0.0136，h＝0.0001043，i＝0.7026，

j＝-0.00402，和k＝-25.07。

成年禽类可以在19-27℃的感受温度范围内舒适地适应环境。在PT＝46℃的感受温度下，在少于2小时的时间内成年禽类会经历非常高的死亡率。

在步骤350中，根据下列方程计算反映禽类生产最佳温度(相应RH 50％

)并随禽类年龄变化的最佳感受温度(T_opt)：

T_{opt} = z + \frac{v}{1 - wA + {xA}^{2} - {yA}^{3}} - - - (3)

其中：A＝禽类年龄(天数)，和

v＝10.67，w＝0.03537，x＝0.01169，y＝0.0001271，z＝21.96。

如果A大于39天，则T_opt＝23℃。

该感受温度可以用于步骤355中作为输入值，对环境条件进行控制。环境条件可以通过环境控制器(例如图1所示的环境控制器)反馈回路执行进行控制。

在步骤360中，该感受温度(PT)作为输入值，与最佳感受温度(T_opt)以及应激开始和继续发生的极限进行比较，计算禽类的应激水平。第一组热应激和冷应激极限(SH和SC)分别对应于开始可以观察到禽类高于和低于最佳感受温度(T_opt)的温度水平应激反应。第二组热应激和冷应激界限(DH和DC)分别对应于，在高温或低温持续7小时后对禽类造成损害和/或禽类死亡率过高时，高于和低于最佳感受温度(T_opt)的温度水平。

当应激开始发生时的第一组极限的定义在以下方程4和5中描述确定：

SH＝ε+φT_opt 其中：ε＝9.98，φ＝0.74 (4)

SC＝γ+ηT_opt 其中：γ＝-10.24，η＝1.28 (5)

当损害开始发生时(50％RH)的第二组极限的定义在以下方程6和7中描述确定：

DH＝α+βT_opt，其中：α＝36.09，β＝0.27 (6)

DC＝χ+δT_opt 其中：χ＝-15.69，δ＝1.03 (7)

如果感受温度(PT)低于冷应激极限(SC)，则冷应激水平(Sc)根据下列方程8来定义：

Sc = λΔt \frac{(SC - PT)}{(SC - DC)} - - - (8)

其中：λ＝1.7631E-4，和

Δt＝测量之间的时间间隔。

如果感受温度(PT)高于热应激极限(SH)，则热应激水平(S_H)根据下列方程9来定义：

S_{H} = λΔt \frac{(PT - SH)}{(DH - SH)} - - - (9)

其中：λ＝1.7631E-4，和

Δt＝测量之间的时间间隔。

如果感受温度(PT)在两个极限SH和SC之间，则Sc和S_H等于0。这称为温度舒适区。高于和低于温度舒适区的温度分别导致热应激和冷应激的增加。

在步骤370中，累加步骤360中计算的(每个测量周期的)热应激和冷应激水平，得到影响生产效率的应激累积值(AS)。根据以下方程10计算累积应激(AS)：

AS＝∑(Sc+S_H) (10)

在生产周期结束时，累积应激(AS)的理想值应当小于10。在100左右的数值反映了极为恶劣的条件。

本文前述的简化热应激方程的优点是使得计算能够直接进行，不需要叠加计算，且基本上通过基于微处理器的设备或系统几乎实时地进行计算。由于方程包含自乘项，因此需要进行浮点运算，嵌入式个人计算机(PC)是实施本发明的理想计算平台。但是，本领域技术人员将会认识到，可以使用其它的标准或专用计算平台或硬件来实施本

发明的实施方式。

上文已经对监测和控制环境参数的方法、设备和计算机程序产品的实施方式进行说明。但是，可以在不偏离本发明精神和范围的前提下对本文所述的实施方式进行各种变更和修改，这一点本发明相关领域的技术人员在本文所公开资料的基础上是显而易见的。

在某些实施方式中，传感器组分布在鸡场中或其它被监测区域，考虑到整个鸡场的不均匀性，对这些传感器的输出值加以平均。

在另外的实施方式中，从若干传感器组确定应激值。如果鸡是受隔离的(例如，用篱笆隔离)，或者如果通过相同设备检测多个鸡场，可以使用这样的实施方式。在这些情况下，可以通过感受温度平均值或者从特定传感器组得到的感受温度值来驱动温度反馈回路。另外，感受温度反馈回路可以在一段时间间隔内加以平均，以消除突然打开风扇引起的反应。

通过修改本文所述的简化方程中的常数，本发明的实施方式可以广泛应用于在农业生产过程中，如生产家禽、包括猪在内的动物、农作物和植物，监测可供应用于生长和增加体重的多余能量。还可以使用其它的实施方式来监测和/或控制人类的舒适水平。

(仅对澳大利亚)在本说明书中，词语“包括(comprising)”的含义是指“主要包括但非仅仅包括”或“具有”或“包括”，而不是“仅由其组成”。词语“comprising”的变体如“comprise”和“comprises”的含义则相应地变化。

Claims

1.一种控制一定的环境中环境参数的自动化方法，所述的方法包括以下步骤：

测量所述环境中的温度、相对湿度和风速的值；

以所述温度、相对湿度和风速的测量值为变量使用方程PT＝T_wc(f+gH+hH²)+iH+jH²+k计算感受温度值，其中：

PT＝感受温度；

T_wc＝风冷补偿温度；

H＝相对湿度；并且

f、g、h、i、j和k是常数值，f＝1.4195，g＝-0.0136，h＝0.0001043，i＝0.7026，j＝-0.00402，并且k＝-25.07，

其中所述的风冷补偿温度(T_wc)是根据方程T_wc＝T-V^P(a+bT+cT²+dT³+eT⁴)进行计算的，其中T＝测量温度，V＝风速，a、b、c、d、e和p是取决于所述一定的环境中的鸡的年龄或体重的变量；和

根据所述的感受温度值控制所述的环境参数。

2.根据权利要求1的方法，其中所述的一定的环境包括鸡场，所述的感受温度代表所述鸡场中的鸡所感受的温度。

3.根据权利要求2的方法，其中所述的感受温度以所述鸡的年龄或体重为变量。

4.根据权利要求2的方法，其中所述的控制步骤包括开启和关闭所述鸡场中的风扇和相关设备。

5.根据权利要求2的方法，其进一步包括以下步骤：

根据所述鸡的年龄或体重计算适于鸡的生产的感受温度；和

根据所述的适于鸡的生产的感受温度计算所述鸡的热应激和冷应激极限，其中所述的热应激和冷应激极限分别对应于高于和低于所述适于鸡的生产的感受温度的感受温度值。

6.根据权利要求5的方法，其进一步包括以所述的应激极限和所述的感受温度为变量，计算所述鸡所承受的应激水平的步骤。

7.根据权利要求6的方法，其进一步包括计算所述的鸡在生产周期内的累积应激值的步骤。

8.根据权利要求1的方法，其中所述的感受温度包括生物在所述的一定的环境中所感受的温度，所述的生物选自：

动物，包括人、猪和家禽；和

植物，包括农作物。

9.一种控制一定的环境中环境参数的设备，所述设备包括：

存储数据和处理单元所执行指令的存储单元；和

与所述的存储单元相连的处理单元，所述的处理单元被编程为：

获取与所述环境相关的温度、相对湿度和风速的测量值；

PT＝感受温度；

T_wc＝风冷补偿温度；

H＝相对湿度；并且

提供用于控制所述环境参数的所述的感受温度值。

10.根据权利要求9的设备，其进一步包括将所述的感受温度值提供给环境控制器的接口。

11.根据权利要求9的设备，其进一步包括响应于按所述的感受温度值控制所述环境参数的控制器。

12.根据权利要求9的设备，其中所述的一定的环境包括鸡场，所述的感受温度代表所述鸡场中的鸡所感受的温度。

13.根据权利要求12的设备，其中所述的处理单元进一步被编程为以所述鸡的年龄或体重为变量计算所述的感受温度。

14.根据权利要求12的设备，其中所述的处理单元进一步被编程为开启和关闭所述鸡场中的风扇和相关设备。

15.根据权利要求12的设备，其中所述的处理单元进一步被编程为：

根据所述鸡的特征计算适于鸡的生产的感受温度；和

16.根据权利要求15的设备，其中所述的处理单元进一步被编程为以所述的应激极限和所述的感受温度为变量，计算所述鸡所承受的应激水平。

17.根据权利要求16的设备，其中所述的处理单元进一步被编程为计算所述的鸡在生产周期内的累积应激值。

18.根据权利要求9的设备，其进一步包括用户用以根据对所述一定的环境的目测输入当时的环境条件指征的手动输入端。

19.根据权利要求9的设备，其中所述的感受温度包括生物在所述的一定的环境中所感受的温度，所述的生物选自：

动物，包括人、猪和家禽；和

植物，包括农作物。