牛舎照明：牛舎に最適なLEDライト

ディレクトリ：
1. 牛舎の照明の現状
 2. 飼育のための照明環境要件の分析
 3. 牛舎のインテリジェント照明システム設計
 4. 牛舎照明制御パラメータの設定
 5. 牛舎に最適なLEDライト

牛舎の照明は養殖業において非常に重要な役割を果たし、乳牛の泌乳能力と健康状態全般に影響を与えます。適切に設計された照明環境は乳量と乳質の両方を向上させることができますが、照明が不十分だと乳牛の生産性に悪影響を与え、健康や視力にも悪影響を及ぼす可能性があります。

本研究では、乳牛の成長、生産性、健康状態に合わせて調整された、牛舎向けのインテリジェント照明システムを開発しました。このシステムは、牛舎内の状況に基づいて照明パラメータをリアルタイムで監視、表示、調整することができます。環境の変化に応じて照明の点灯時間と強度を調整することで、牛の成長、生産性、健康状態に最適な照明を確保します。

さらに、照明サイクル、強度、快適性を乳牛の実際のニーズに合わせるために、テストとデータ分析を通じて照明の持続時間と強度の最適な制御パラメータが確立され、インテリジェント照明システムが牛乳の生産にプラスの影響を与えることが実証されました。

1. 牛舎の照明の現状

1.1 農業における照明の質の悪さ

牛舎は通常、日中は自然光、夜間は人工照明に頼る密閉された設計になっています。しかし、自然光は季節や天候によって変化するため、酪農には不安定な状況です。

乳牛は反芻動物であり、夜間に摂食・反芻することが多いため、この時間帯には十分な照明が必要です。しかし残念なことに、酪農場における夜間照明の多くは、主に作業員の利便性を優先して設計されており、乳牛の夜間活動の必要性や光が生理ホルモンに与える影響は考慮されていません。

現在、雲南省の大規模酪農場における自然光と人工照明の組み合わせは科学的な厳密さを欠いており、大規模酪農の技術基準を満たさない劣悪な照明環境につながっています。

1.2 牛舎の照明管理は時代遅れ

牛舎の照明システムは、主に従来の配電設計に依存しており、手動で制御されています。これらの施設には、光量や色温度を計測するセンサーは設置されていません。その結果、照明の操作はスタッフの経験や視覚的な判断にのみ依存しており、照明サイクルが一定でなく、乳牛の飼料摂取量、乳量、ホルモンバランスに大きな影響を与えています。

さらに、標準的な照明器具が一般的に使用され、明るさと色は牛ではなく作業員の夜間のニーズに基づいて選択されています。これらの一般的なランプは、光の強度と色温度が固定されており、自動調整ができないため、乳牛の照明要件を満たしておらず、視力や健康全般に悪影響を与える可能性があります。

大規模酪農場の照明設計と管理方法は科学的厳密さを欠いており、照明サイクル、強度、色温度の制御が牛の実際のニーズと一致していないため、酪農の健全な発展を妨げています。

1.3 牛舎における不適切なランプの選択

多くの酪農家は、牛舎のランプ選びについて誤解しています。多くの場合、人間のニーズを優先し、牛と人間の光感受性の違いを考慮していません。その結果、乳牛の光感受性の要件を満たさないランプが選ばれることがあります。

調査によると、ほとんどの牛舎には標準的なLED照明と青色照明が設置されています。これらの照明は農場労働者の夜間の視認性を高めるためのもので、牛には見えません。これは、牛の網膜には2種類の錐体細胞しかなく、長波長の赤色光には敏感ですが、短波長の青色光には鈍感だからです。

牛はオレンジ色と赤色の光は見ることができますが、青色の光は見えません。これは人間の視覚とは逆です。したがって、牛が見える光に基づいて照明を選択するべきなのに、人間の光感度に基づいて照明を選択するのは非科学的であり、牛の視覚に適した赤色とオレンジ色の照明を使用する必要があります。

2. 繁殖のための光環境要件の分析

2.1 照明の持続時間

乳牛は季節繁殖ではなく、照明環境は内分泌系、性成熟、摂食習慣、成長、そして乳量に大きな影響を与えます。酪農場からの最近のデータによると、自然光下での乳量は季節によって変動し、春にピークを迎え、晩夏から初秋にかけて減少し、10月以降徐々に回復することが示されています。

Li Yunfu 氏と同僚による研究では、30 日間の試験で毎日の照明時間を自然光の 9.5 時間から 15 時間または 18 時間に延長したところ、9.5 時間や 18 時間と比較して 15 時間の方が乳生産量と飼料摂取量が増加したことが実証されました。

したがって、大規模酪農場の照明システムを設計する際には、照明制御システムの利点を最大限に引き出すために、乳牛の実際の照明時間のニーズと光サイクルの変化の影響を考慮することが不可欠です。

2.2 光の強度

乳牛は反芻動物であるため、夜間の給餌が必要です。しかし、乳牛は本来臆病なため、照明が暗すぎたり明るすぎたりすると、反芻や摂食が妨げられる可能性があります。

研究によると、最適な光強度は乳牛の夜間の食欲を高め、粗飼料摂取量と転換率の向上につながることが示されています。牛舎内の光強度を適切に管理することで、夜間の飼料摂取量が増加し、乳生産量が5～8%増加する可能性があります。

したがって、大規模酪農場における夜間の光強度の調節は、乳牛の照明ニーズを効果的に満たすために、乳牛の光感受性に合わせて行う必要があります。

2.3 光の色温度

牛舎の照明の色温度を選択する際には、乳牛の視覚感度を考慮して、夜間にもよく見えるようにすることが重要です。

3. 牛舎向けインテリジェント照明システム設計

3.1 概要

牛舎用インテリジェント照明システムは、光センサーを用いて各牛舎内の光量を連続的に監視することで動作します。検出された光量は光電変換モジュールを介して4～20mAのアナログ信号に変換され、S7-1500 PLCのアナログカードチャネルに送信されます。

データ処理後、PLCのCPUは各ランプの点灯時間と輝度を制御するコマンドを発行します。照明管理の柔軟性と容易性を高めるため、各牛舎の制御盤にはタッチスクリーンが設置されており、現場で操作できるようになっています。また、監視室に設置された監視ホストから遠隔監視も可能です。

さらに、各牛舎は安全な無線ゲートウェイを介してデータをクラウドに送信し、モバイルアプリによるリアルタイム監視を可能にします。主な目標は、酪農の質の高い発展に不可欠な、デジタル化、自動化、そしてインテリジェンスを特徴とするスマート酪農システムの開発です。

3.2 ハードウェアアーキテクチャ

このシステムは、デバイス層、制御層、アプリケーション層からなる3層アーキテクチャを採用しています。最下層のデバイス層には、光センサーと牛用の特殊照明が含まれます。中間の制御層は、S7-1500 PLC、タッチスクリーン、スイッチ、安全隔離装置、無線ゲートウェイで構成されます。最上層のアプリケーション層には、監視ホストとモバイルスマート端末が含まれます。

3.3 機器の選択

3.3.1 牛の眼の光感受性に基づいた特殊ランプの選択

現在、雲南省のほとんどの酪農場では、AC 220 Vで動作する標準的なLEDライトを使用しています。しかし、これらの一般的なLEDライトの色温度は5,000 Kを超えており、乳牛の光感度のニーズと一致していません。

さらに、これらのランプはちらつきやすく、照明が不均一なため、乳牛の夜間の行動に悪影響を及ぼします。乳牛は本来臆病なため、驚くとストレスを感じ、乳量が大幅に減少する可能性があります。

さらに、標準的なLED照明は光量と色温度を調整できないため、大規模酪農事業の照明設計要件を満たしていません。乳牛特有の照明ニーズに対応するため、本研究では、中山玉丘照明有限公司製のMRGZ01型（光量調整可能、標準色）のLED光源を搭載した、泌乳牛舎専用の照明器具をカスタマイズしました。仕様は表1に示されています。

表1 乳牛舎用特殊ランプのパラメータ

牛舎照明：牛舎に最適なLEDライト

3.3.2 光センサーの選択

牛舎の面積が広いため、本研究では、地面の光の強度を正確に測定するために、山東人科計測制御技術有限公司の RS-GZ-N01-2 光センサーを選択しました。

このセンサーの測定精度は±7%です。測定された光強度は4～20mAの標準信号に変換され、通信ケーブルを介してPLCのアナログチャネルに送信されます。このセンサーは、給餌通路の地面から60～80cmの高さに設置されており、これは給餌中の牛の目の高さと一致しています。

3.3.3 PLCコントローラの選択

PLC制御技術は農業分野で有効性が実証されており、照明制御システムの信頼性とリアルタイム性の要件を満たしています。分析の結果、インテリジェント照明システムにはシーメンスS7-1500 PLCコントローラが採用されました。このコントローラには、イーサネット通信モジュール、アナログ入力モジュール、アナログ出力モジュール、スイッチ入力モジュール、スイッチ出力モジュールが含まれています。

アナログ入力モジュールは光センサーからの4～20mA信号を受信し、アナログ出力モジュールは牛舎照明に明るさ調整コマンドを送信します。スイッチ出力モジュールは照明のオン/オフ状態を制御し、スイッチ入力モジュールは牛舎照明と光センサーの両方から動作状態情報を収集します。

さらに、イーサネット通信モジュールにより、ローカル PLC、タッチスクリーン、およびバックグラウンドスイッチ間の通信が容易になり、牛舎の照明のローカル制御とリモート制御の両方が可能になります。

3.4 制御回路設計

3.4.1 インテリジェント照明システム制御回路

牛舎の給餌通路の照明を均一に保つため、各牛舎には牛の目専用の照明が16個設置されています。これらはすべて並列接続され、単一のACコンタクタで制御されます。すべての照明が点灯している状態でも電圧品質を維持するため、第1牛舎と第3牛舎ではL1-N配線、第2牛舎ではL2-N配線、第4牛舎ではL3-N配線が採用されています。

3.4.2 インテリジェント照明システムの制御信号の割り当て

PLC制御ユニットが各牛舎からリアルタイムの照明データを収集し、照明の稼働状況を監視するため、牛の目を保護する特殊照明の照度をインテリジェントに制御します。これには、照明の点灯、消灯、照明の消灯、照明センサーの故障を示すスイッチ入力信号と、照明用のアナログ入力信号が含まれます。

さらに、照明のオン/オフを切り替えるスイッチ出力コマンドと、照度を調整するためのアナログ出力コマンドがあります。照明システムのI/O構成を表2に示します。

表2 光システムのI/O分布

牛舎照明：牛舎に最適なLEDライト

3.4.3 PLCの外部配線設計

PLC 制御ユニット、光センサー、および牛の目の専用ランプ間の通信を容易にするために、各牛舎の PLC 制御ユニットの外部配線設計。

3.5 牛舎照明システムの制御モード

牛舎の照明システムは、手動モードと自動モードの2つのモードで動作します。スタッフはタッチスクリーン、バックグラウンド監視ホスト、またはモバイルアプリを使用して照明を手動で調整でき、ユーザーインターフェースを通じて各牛舎の照明状態と環境条件をリアルタイムで監視できます。自動モードでは、PLCシステムが事前に定義されたサイクル、光度、その他の要因に基づいて照明を自動的にオン/オフし、明るさを調整することで照明を管理します。

固定光周期制御の目的は、明期と暗期を交互に行うことで牛のホルモン反応を高め、生産パフォーマンスを最適化することです。乳牛の採食と休息の習慣に基づき、光周期は15～18時間の明期と6～9時間の暗期に分類されます。自動固定光周期モードを有効にすると、システムは牛舎内の照明を毎日7:00から24:00まで点灯し、それ以外の時間は消灯することで、牛に十分な照明を確保します。

固定光制御の目的は、乳牛に快適な光量を提供し、食欲を増進させることで、夜間の粗飼料摂取量と乳量の増加につなげることです。この制御モードを実行すると、システムはセンサーを用いて現在の光量を自動的に監視し、そのデータをPLCプログラムに事前設定された制御パラメータと照らし合わせて処理し、牛舎内の適切な光量を維持するために、専用の牛眼ランプに調整コマンドを送信します。

3.6 ヒューマンコンピュータインタラクションインターフェースの設計

酪農の情報化を促進し、環境モニタリングを容易にし、酪農場の遠隔管理を可能にし、牛舎の照明管理ニーズに効果的に対応するために、手動制御モードと自動制御モードの両方が実装されています。手動モードでは、担当者が各牛舎の照明を手動でオン・オフし、必要な照明の明るさ調整に基づいて制御パラメータを入力します。

自動制御モードでは、固定光サイクル制御または固定光強度制御のいずれかを選択できます。

4. 牛舎照明制御パラメータ設定

4.1 構成方法の説明

牛舎照明システムと産業用照明制御システムの主な違いは、制御パラメータの設定と照明効果の評価にあります。産業用照明システムでは、パラメータ設定のプロセスが簡潔で、制御応答が速く、照明の快適性をより簡単に評価できます。

一方、牛舎照明システムのパラメータ設定と最適化サイクルは長く複雑であるため、工業的な手法には適していません。牛舎照明パラメータの調整は、牛の視点から行う必要があります。照明パラメータの変更は、牛の生産パフォーマンスと健康にゆっくりと影響を与える可能性があり、飼料摂取量や乳量に顕著な影響が現れるまでに時間がかかります。

したがって、本研究では、牛乳の生産量を主要な評価指標として使用し、制御テストとデータ分析を使用して牛舎のインテリジェント照明システムの照明期間と強度を微調整し、最終的に制御システムに最も効果的な照明期間と強度のパラメータを選択することを提案しています。

4.2 インテリジェント照明システム制御パラメータの設定

雲南省の酪農場から、平均乳量（24.6±2.8）kg/週、平均産卵回数（2.2±0.9）回、平均体長（143±69）cmの健康な泌乳牛50頭をサンプルとして選びました。

対照群として5頭の牛を無作為に選び、自然光が入る伝統的な牛舎に飼育しました。一方、45頭の牛を9つのグループに分け、光照射時間と光強度の変化が乳量に及ぼす影響を調べました。各実験因子は、光照射時間13時間、15時間、18時間、光強度150ルクス、200ルクス、250ルクスの3つのレベルで試験されました。

実験全体を通して、すべての牛に同じ配合の濃厚飼料、粗飼料、その他の飼料成分を与えました。試験パラメータと結果は表3に示されています。

表3 乳牛舎照明試験データ

牛舎照明：牛舎に最適なLEDライト

4.3 テスト結果とパラメータの決定

乳牛の生産パフォーマンスは、遺伝、環境、生理など、いくつかの重要な要因の影響を受けます。乳牛の生産パフォーマンスを向上させるには、これらの影響要因を徹底的に理解することが不可欠です。

表3に示すように、乳生産量の週平均増加率はグループ間で異なり、牛舎内の照明時間と照度が乳生産量に異なる影響を与えることを示唆しています。SY-5グループは乳生産量の週平均増加率が最も高く、乳牛の生産パフォーマンスにとって照明時間15時間と照度200ルクスが最も有益であるという予備的な結論に至りました。

照明の持続時間と強度が乳生産に与える影響をさらに調査するために、表 3 を再編成し、計算して分析し、その結果を表 4 に示します。

表4 テスト結果の比較分析

牛舎照明：牛舎に最適なLEDライト

表 4 は、照明時間が 15 時間であった 3 つのテストでの乳生産量の最も高い平均増加が 25.44 kg であったことを示しており、この照明時間は 13 時間や 18 時間と比較して乳牛の乳生産量により大きな影響を与えたことを示しています。

さらに、200ルクスの光強度による乳量増加のピーク平均値は20.36kgであり、この光強度は150ルクスや250ルクスよりも効果的であることが示されました。照明時間による乳量増加の変動（13.43kg）は、光強度による変動（2.79kg）よりもかなり大きく、照明時間が乳牛の乳量に影響を与える主な要因であることを浮き彫りにしています。この結果は、15時間の照明と200ルクスの光強度の組み合わせが酪農場にとって最適であることを示唆しています。

本研究では、実験群の乳牛における週平均の乳量増加を評価し、SY-5群の15時間の照明時間と200ルクスの照度がインテリジェント照明制御システムの理想的なパラメータであることを確認しました。制御された試験を通じて照明時間と照度を調整するというアプローチは、実験の後期段階における酪農場における乳量全体の向上に効果的であることが証明されており、他の飼育環境パラメータの調整にも応用できます。

従来の酪農場では、通常、人間の光感受性と作業要件に基づいて牛舎の照明システムを設計しており、牛特有の光感受性が無視され、照明の設計と制御において牛の快適性が考慮されていないことがよくあります。

本研究では、雲南省の大規模酪農場における照明管理・制御のニーズを調査し、システムアーキテクチャ、ハードウェアコンポーネント、制御方法、ヒューマンコンピュータインタラクションインターフェース、そしてシーメンスS7-1500 PLC制御フレームワークに基づく制御パラメータ設定を含むインテリジェント照明システムソリューションを提案する。これは、雲南省の大規模酪農場における飼育環境のインテリジェント管理のための技術的参考資料となり、他の大規模酪農事業における照明条件の設計改善を促すことを目指している。