Iluminación para establos: Las mejores luces LED para establos

Directorio:
1. Estado actual de la iluminación en los establos ganaderos
2. Análisis de los requisitos del entorno de iluminación para la cría
3. Diseño de sistemas de iluminación inteligente para establos ganaderos
4. Configuración de los parámetros de control de la iluminación en establos ganaderos
5. Mejores luces LED para establos ganaderos

La iluminación en los establos ganaderos desempeña un papel crucial en la acuicultura, ya que afecta el rendimiento de la lactancia y la salud general de las vacas lecheras. Un entorno de iluminación bien diseñado puede mejorar la producción y la calidad de la leche, mientras que una iluminación inadecuada puede afectar negativamente la productividad de las vacas lecheras y perjudicar su salud y visión.

Este estudio desarrolló un sistema de iluminación inteligente para establos ganaderos, adaptado a las necesidades de crecimiento, producción y salud de las vacas lecheras. El sistema puede monitorear, visualizar y ajustar los parámetros de iluminación en tiempo real según las condiciones del establo. Puede modificar la duración e intensidad de la luz según los cambios en el entorno, garantizando una iluminación óptima para el crecimiento, la productividad y la salud de las vacas.

Además, para alinear el ciclo de iluminación, la intensidad y la comodidad con las necesidades reales de las vacas lecheras, se establecieron parámetros de control óptimos para la duración e intensidad de la iluminación a través de pruebas y análisis de datos, demostrando que el sistema de iluminación inteligente influye positivamente en la producción de leche.

1. Estado actual de la iluminación en los establos de ganado

1.1 Mala calidad de la iluminación en la agricultura

Los establos para ganado suelen tener un diseño cerrado que depende de la luz natural durante el día y de la artificial durante la noche. Sin embargo, la luz natural varía según las estaciones y el clima, lo que la hace poco fiable para la ganadería lechera.

Dado que las vacas lecheras son rumiantes que suelen comer y rumiar durante la noche, requieren una iluminación adecuada durante estas horas. Desafortunadamente, la mayoría de la iluminación nocturna en las granjas lecheras está diseñada principalmente para la comodidad del personal, descuidando las necesidades de actividad nocturna de las vacas y los efectos de la luz en sus hormonas fisiológicas.

En la actualidad, la combinación de iluminación natural y artificial en las granjas lecheras a gran escala de la provincia de Yunnan carece de rigor científico, lo que genera un entorno de iluminación deficiente que no cumple con los estándares técnicos para la producción lechera a gran escala.

1.2 La gestión de la iluminación en los establos de ganado está obsoleta

Los sistemas de iluminación en los establos ganaderos se basan principalmente en sistemas tradicionales de distribución de energía, controlados manualmente. No hay sensores de intensidad de luz ni de temperatura de color instalados en estas instalaciones. Por lo tanto, el funcionamiento de las luces depende exclusivamente de la experiencia o el criterio visual del personal, lo que genera ciclos de iluminación irregulares que afectan significativamente el consumo de alimento, la producción de leche y el equilibrio hormonal de las vacas lecheras.

Además, se suelen utilizar luminarias estándar, cuyo brillo y color se eligen según las necesidades nocturnas de los trabajadores, no de las vacas. Dado que estas lámparas comunes tienen una intensidad de luz y una temperatura de color fijas que no se pueden ajustar automáticamente, no satisfacen las necesidades de iluminación de las vacas lecheras, lo que podría perjudicar su visión y su salud general.

El diseño de iluminación y las prácticas de manejo en grandes granjas lecheras carecen de rigor científico, y el control sobre los ciclos de luz, la intensidad y la temperatura del color no se alinean con las necesidades reales de las vacas, lo que obstaculiza el desarrollo saludable de la producción lechera.

1.3 Mala selección de lámparas en establos de ganado

Muchas granjas lecheras tienen ideas erróneas sobre la elección de lámparas para establos. La selección suele priorizar las necesidades humanas, ignorando las diferencias de fotosensibilidad entre vacas y humanos. En consecuencia, las lámparas elegidas no se ajustan a los requisitos de fotosensibilidad de las vacas lecheras.

Las investigaciones indican que la mayoría de los establos para ganado están equipados con luces LED estándar y luces azules, que satisfacen las necesidades nocturnas de los trabajadores agrícolas, pero son invisibles para las vacas. Esto se debe a que las vacas solo tienen dos tipos de conos en la retina, lo que las hace sensibles a la luz roja de onda larga e insensibles a la luz azul de onda corta.

En esencia, las vacas pueden ver la luz naranja y roja, mientras que la luz azul les es invisible, lo cual es opuesto a la visión humana. Por lo tanto, no es científico seleccionar la iluminación basándose en la fotosensibilidad humana cuando debería basarse en lo que es visible para las vacas, lo que requiere el uso de luces rojas y naranjas que favorezcan su visión.

2. Análisis de los requisitos del entorno de iluminación para la cría

2.1 Duración de la iluminación

Las vacas lecheras no son reproductoras estacionales, y su entorno lumínico influye significativamente en su sistema endocrino, madurez sexual, hábitos alimenticios, crecimiento y producción de leche. Datos recientes de granjas lecheras indican que la producción de leche con luz natural varía según la estación, alcanzando su máximo en primavera y disminuyendo a finales de verano y principios de otoño, para luego mejorar gradualmente después de octubre.

La investigación de Li Yunfu y sus colegas demostró que ampliar la duración de la iluminación diaria de 9,5 horas de luz natural a 15 o 18 horas durante una prueba de 30 días resultó en una mayor producción de leche y consumo de alimento a las 15 horas en comparación con las 9,5 y las 18 horas.

Por consiguiente, al diseñar el sistema de iluminación para grandes granjas lecheras, es esencial considerar las necesidades reales de duración de la iluminación de las vacas lecheras y el impacto de las variaciones del ciclo de luz para maximizar los beneficios del sistema de control de iluminación.

2.2 Intensidad de la luz

Como mamíferos rumiantes, las vacas lecheras requieren alimentación nocturna. Sin embargo, son tímidas por naturaleza, y una iluminación inadecuada, ya sea demasiado tenue o demasiado brillante, puede interrumpir su rumia y alimentación.

Las investigaciones indican que una intensidad lumínica óptima puede aumentar el apetito nocturno de las vacas lecheras, lo que se traduce en una mejor ingesta de forraje y una mejor conversión alimenticia. Un manejo adecuado de la intensidad lumínica en el establo puede aumentar el consumo nocturno de alimento, lo que podría incrementar la producción total de leche entre un 5 % y un 8 %.

Por lo tanto, la regulación de la intensidad de la luz nocturna en grandes granjas lecheras debe alinearse con la fotosensibilidad de las vacas lecheras para satisfacer sus necesidades de iluminación de manera efectiva.

2.3 Temperatura de color de la luz

Al seleccionar la temperatura de color para la iluminación del establo, es importante tener en cuenta la sensibilidad visual de las vacas lecheras para garantizar que puedan ver bien durante la noche.

3. Diseño de sistemas de iluminación inteligente para establos de ganado

3.1 Descripción general

El sistema de iluminación inteligente para establos ganaderos funciona mediante la monitorización continua de la intensidad lumínica en cada establo mediante sensores de luz. La intensidad lumínica detectada se convierte en una señal analógica de 4-20 mA mediante un módulo de conversión fotoeléctrica, que posteriormente se envía al canal de la tarjeta analógica del PLC S7-1500.

Tras procesar los datos, la CPU del PLC emite comandos de control para la duración e intensidad de la iluminación de cada lámpara. Para mayor flexibilidad y facilidad de gestión de la iluminación, se instala una pantalla táctil en el armario de control de cada establo para la operación local, mientras que un host de monitorización en la sala de monitorización permite la supervisión remota.

Además, cada establo puede transmitir datos a la nube mediante una puerta de enlace inalámbrica segura, lo que permite la monitorización en tiempo real mediante una aplicación móvil. El objetivo principal es desarrollar un sistema inteligente de producción lechera caracterizado por la digitalización, la automatización y la inteligencia, esenciales para el avance de alta calidad de la producción lechera.

3.2 Arquitectura de hardware

El sistema presenta una arquitectura de tres niveles que comprende una capa de dispositivo, una capa de control y una capa de aplicación. La capa de dispositivo, en la parte inferior, incluye sensores de luz y luces especiales para vacas. La capa de control intermedia consta del PLC S7-1500, la pantalla táctil, interruptores, dispositivos de aislamiento de seguridad y una puerta de enlace inalámbrica. La capa de aplicación superior incluye el host de monitorización y el terminal inteligente móvil.

3.3 Selección de equipo

3.3.1 Elección de lámparas especializadas según la fotosensibilidad del ojo de vaca

Actualmente, la mayoría de las granjas lecheras de la provincia de Yunnan utilizan luces LED estándar que funcionan a 220 V CA. Sin embargo, estas luces LED comunes tienen una temperatura de color superior a 5.000 K, lo que no se ajusta a las necesidades de fotosensibilidad de las vacas lecheras.

Además, estas lámparas tienden a parpadear y a proporcionar una iluminación irregular, lo que afecta negativamente el comportamiento nocturno de las vacas lecheras. Dado que las vacas lecheras son tímidas por naturaleza, pueden experimentar estrés al ser sobresaltadas, lo que provoca una disminución significativa de la producción de leche.

Además, la intensidad de la luz y la temperatura de color de las luces LED estándar no son ajustables, lo que no cumple con los requisitos de diseño de iluminación para explotaciones lecheras a gran escala. Para abordar las necesidades específicas de iluminación de las vacas lecheras, en este estudio se diseñó una lámpara especial para establos de ganado lactante. Esta lámpara cuenta con una fuente de luz LED con intensidad ajustable y color estándar, modelo MRGZ01, de Zhongshan Yuqiu Lighting Co., Ltd., cuyas especificaciones se detallan en la Tabla 1.

Tabla 1. Parámetros de lámparas especiales para galpones de lactancia.

Iluminación para establos: Las mejores luces LED para establos

3.3.2 Selección del sensor de luz

Dada la extensa área del establo, este estudio eligió el sensor de luz RS-GZ-N01-2 de Shandong Renke Measurement and Control Technology Co., Ltd. para medir con precisión la intensidad de la luz del suelo.

Este sensor tiene una precisión de medición de ±7 %. Convierte la intensidad de luz medida en una señal estándar de 4-20 mA, que se transmite al canal analógico del PLC mediante un cable de comunicación. El sensor se instala en el pasillo de alimentación a una altura de 60 a 80 cm del suelo, alineada con la altura de los ojos de las vacas durante la alimentación.

3.3.3 Selección del controlador PLC

La tecnología de control PLC ha demostrado su eficacia en la agricultura, cumpliendo con los requisitos de fiabilidad y tiempo real de los sistemas de control de iluminación. Tras un análisis exhaustivo, se seleccionó el controlador PLC Siemens S7-1500 para el sistema de iluminación inteligente. Incluye un módulo de comunicación Ethernet, un módulo de entrada analógica, un módulo de salida analógica, un módulo de entrada de conmutación y un módulo de salida de conmutación.

El módulo de entrada analógica recibe la señal de 4-20 mA del sensor de luz, mientras que el módulo de salida analógica envía comandos de ajuste de brillo a las luces del establo. El módulo de salida de conmutación controla el encendido/apagado de las luces, y el módulo de entrada de conmutación recopila información sobre el estado operativo tanto de las luces del establo como del sensor de luz.

Además, el módulo de comunicación Ethernet facilita la comunicación entre el PLC local, la pantalla táctil y el interruptor de fondo, lo que permite el control local y remoto de la iluminación del establo.

3.4 Diseño de circuitos de control

3.4.1 Circuito de control del sistema de iluminación inteligente

Para lograr una iluminación uniforme en el pasillo de alimentación del establo, se instalaron 16 luces especiales para ojos de vaca en cada establo, conectadas en paralelo y controladas por un solo contactor de CA. Para mantener la calidad del voltaje cuando todas las luces están encendidas, el primer y tercer establo utilizan cableado L1-N, el segundo, L2-N, y el cuarto, L3-N.

3.4.2 Asignación de señales de control para el sistema de iluminación inteligente

Para que la unidad de control PLC recopile datos de iluminación en tiempo real de cada establo y supervise el estado operativo de las luces, se puede controlar inteligentemente la intensidad de las luces especializadas para los ojos de las vacas. Esto incluye señales de entrada de interruptor para la activación, desactivación, fallo de la luz y fallo del sensor de luz, además de una señal de entrada analógica para la iluminación.

Además, existen comandos de salida de conmutación para encender y apagar las luces, así como comandos de salida analógica para ajustar la iluminación. La configuración de E/S del sistema de iluminación se presenta en la Tabla 2.

Tab.2 Distribución de E/S del sistema de iluminación

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3.4.3 Diseño de cableado externo para PLC

Para facilitar la comunicación entre la unidad de control PLC, el sensor de luz y la lámpara especializada para ojos de vaca , se diseñó el cableado externo para la unidad de control PLC en cada establo.

3.5 Modo de control del sistema de iluminación del establo

El sistema de iluminación del establo funciona en dos modos: manual y automático. El personal puede ajustar la iluminación manualmente mediante una pantalla táctil, un host de monitoreo en segundo plano o una aplicación móvil, lo que permite monitorear el estado de la iluminación y las condiciones ambientales de cada establo en tiempo real a través de la interfaz de usuario. En modo automático, el sistema PLC gestiona la iluminación encendiéndola y apagándola automáticamente y ajustando la intensidad según ciclos predefinidos, la intensidad de la luz y otros factores.

El objetivo del control del ciclo de luz fijo es mejorar la respuesta hormonal de las vacas alternando períodos de luz y oscuridad, optimizando así su rendimiento productivo. Según los hábitos de alimentación y descanso de las vacas lecheras, el ciclo de luz se divide en una fase de luz de 15 a 18 horas y una fase de oscuridad de 6 a 9 horas. Al activar el modo automático de ciclo de luz fijo, el sistema enciende las luces del establo diariamente de 7:00 a 0:00 y las apaga en otros momentos para garantizar una iluminación adecuada para las vacas.

El objetivo del control de iluminación con luz fija es proporcionar a las vacas lecheras una intensidad de luz confortable que estimule su apetito, lo que se traduce en un mayor consumo de forraje y una mayor producción de leche durante la noche. Al implementar este modo de control, el sistema monitoriza automáticamente la intensidad de la luz mediante un sensor, procesa estos datos comparándolos con los parámetros de control predefinidos en el programa PLC y envía comandos de ajuste a las lámparas oculares especializadas para mantener la intensidad de luz deseada en el establo.

3.6 Diseño de interfaces de interacción humano-computadora

Para mejorar la informatización de la explotación lechera, facilitar la monitorización ambiental, permitir la gestión remota de la explotación y abordar eficazmente las necesidades de gestión de la iluminación del establo, se implementan modos de control tanto manuales como automáticos. En el modo manual, el personal se encarga de encender y apagar manualmente las luces de cada establo e introducir los parámetros de control según los ajustes de intensidad de la iluminación requeridos.

En el modo de control automático, el personal tiene la opción de seleccionar el control del ciclo de luz fijo o el control de la intensidad de luz fija.

4. Configuración de los parámetros de control de iluminación del establo

4.1 Descripción del método de configuración

La principal diferencia entre el sistema de iluminación de establos y los sistemas de control de iluminación industrial reside en la configuración de los parámetros de control y la evaluación de los efectos de la iluminación. El proceso de configuración de los parámetros en los sistemas de iluminación industrial es breve, con una respuesta de control rápida y una evaluación más sencilla del confort lumínico.

Por el contrario, el ciclo de parametrización y optimización de los sistemas de iluminación de establos es largo y complejo, lo que hace que el método industrial sea inadecuado. Los ajustes a los parámetros de iluminación de los establos deben realizarse desde la perspectiva de la vaca. Los cambios en los parámetros de iluminación pueden influir lentamente en el rendimiento productivo y la salud de la vaca, y se requiere tiempo para que se observen efectos perceptibles en el consumo de alimento o la producción de leche.

Por lo tanto, este estudio sugiere utilizar la producción de leche como una métrica de evaluación clave, empleando pruebas de control y análisis de datos para ajustar la duración e intensidad de la iluminación del sistema de iluminación inteligente en el establo, y finalmente seleccionar los parámetros de duración e intensidad de la iluminación más efectivos para el sistema de control.

4.2 Configuración de los parámetros de control del sistema de iluminación inteligente

Se seleccionó una muestra de 50 vacas lactantes sanas de una granja lechera de la provincia de Yunnan, con una producción promedio de leche de (24,6 ± 2,8) kg/semana, una paridad promedio de (2,2 ± 0,9) veces y un tamaño corporal promedio de (143 ± 69) cm.

Se seleccionó aleatoriamente un grupo de control de cinco vacas, que se alojaron en un establo tradicional con luz natural. Mientras tanto, 45 vacas se dividieron en nueve grupos para examinar cómo la variación en la duración e intensidad de la luz afectaba la producción de leche. Cada factor experimental se evaluó en tres niveles: duraciones de luz de 13, 15 y 18 horas, e intensidades de luz de 150, 200 y 250 lux.

Durante todo el experimento, todas las vacas recibieron la misma composición de concentrado, forraje y otros componentes del forraje. Los parámetros y resultados de la prueba se detallan en la Tabla 3.

Tabla 3 Datos de la prueba de iluminación del gallinero para vacas lecheras

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4.3 Resultados de la prueba y determinación de parámetros

El rendimiento productivo de las vacas lecheras se ve influenciado por diversos factores clave, como la genética, el entorno y la fisiología. Para mejorarlo, es fundamental comprender a fondo estos factores.

As indicated in Table 3. the weekly average increase in milk production varies among different groups, suggesting that the duration and intensity of light in the cow housing have differing impacts on milk production. The SY-5 group exhibited the highest weekly average increase in milk production, leading to a preliminary conclusion that a lighting duration of 15 hours and an intensity of 200 lux are most beneficial for dairy cow production performance.

To further investigate the effects of lighting duration and intensity on milk production, Table 3 was reorganized, calculated, and analyzed, with the findings presented in Table 4.

Tab.4 Comparative Analysis of Test Results

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Table 4 reveals that the highest average increase in milk production from the three tests with a lighting duration of 15 hours was 25.44 kg, suggesting that this lighting duration had a more significant impact on dairy cows' milk production compared to 13 and 18 hours.

Additionally, the peak average increase in milk production associated with a light intensity of 200 lux was 20.36 kg, indicating that this intensity was more effective than 150 and 250 lux. The variation in milk production due to lighting duration (13.43 kg) is considerably greater than that due to light intensity (2.79 kg), highlighting that lighting duration is the primary factor influencing milk production in dairy cows. The findings suggest that a combination of 15 hours of lighting and 200 lux intensity is optimal for dairy farms.

This research evaluates the weekly average increase in milk production of the experimental group of dairy cows, identifying the 15-hour lighting duration and 200 lux intensity from group SY-5 as the ideal parameters for the intelligent lighting control system. The approach of adjusting lighting duration and intensity through controlled tests proves effective for enhancing total milk production on the dairy farm in the later stages of the experiment and can be applied to regulate other breeding environment parameters.

Conventional dairy farms typically design lighting systems for cow barns based on human photosensitivity and work requirements, often neglecting the unique photosensitivity of cows and failing to consider their comfort in lighting design and control.

This study examines the lighting management and control needs of large-scale dairy farms in Yunnan Province, proposing an intelligent lighting system solution that includes system architecture, hardware components, control methods, human-computer interaction interfaces, and control parameter settings based on the Siemens S7-1500 PLC control framework. This provides a technical reference for the intelligent management of breeding environments in large-scale dairy farms in Yunnan Province and aims to inspire design improvements for the lighting conditions in other large-scale dairy operations.