牛棚照明：牛棚最佳LED灯

牛棚照明：牛棚最佳 LED 灯

目录：
1. 牛棚照明现状
 2. 养殖照明环境要求分析
 3. 牛棚智能照明系统设计
 4. 牛棚照明控制参数配置
 5. 牛棚最佳LED灯

牛舍照明在水产养殖中起着至关重要的作用，影响着奶牛的泌乳性能和整体健康。精心设计的照明环境可以提高牛奶产量和质量，而照明不足则会对奶牛的生产力产生负面影响，并损害其健康和视力。

本研究开发了一种牛舍智能照明系统，以满足奶牛的生长、生产和健康需求。该系统能够实时监测、显示并根据牛舍内部情况调整照明参数。它可以根据环境变化调整光照时长和强度，确保为奶牛的生长、生产和健康提供最佳照明。

此外，为了使光照周期、强度和舒适度与奶牛的实际需求相一致，通过测试和数据分析，建立了光照时长和强度的最佳控制参数，证明了智能照明系统对产奶量的积极影响。

1. 牛棚照明现状

1.1 农业照明质量差

牛棚通常采用封闭式设计，白天依靠自然光，晚上依靠人工照明。然而，自然光会随着季节和天气的变化而变化，这对于奶牛养殖来说并不可靠。

奶牛是反刍动物，经常在夜间进食和反刍，因此它们在夜间需要充足的照明。然而，大多数奶牛场的夜间照明设计主要是为了方便工作人员，而忽略了奶牛夜间活动的需求以及光线对其生理激素的影响。

目前，云南省规模化奶牛养殖场自然光照与人工光照的结合缺乏科学性，光照环境质量较差，不符合规模化奶牛养殖的技术标准。

1.2 牛棚照明管理已过时

牛舍的照明系统主要采用传统的配电设计，并由人工控制。这些设施中没有安装光强度或色温传感器。因此，灯光的运行完全依赖于工作人员的经验或视觉判断，导致照明周期不一致，严重影响奶牛的采食量、产奶量和激素平衡。

此外，奶牛场通常使用标准照明灯具，其亮度和颜色的选择取决于工人的夜间需求，而非奶牛自身。由于这些普通灯具的光强和色温固定，无法自动调节，因此无法满足奶牛的照明需求，可能会损害奶牛的视力和整体健康。

大型奶牛场的照明设计和管理缺乏科学性，光照周期、强度、色温的控制不符合奶牛的实际需求，阻碍了奶牛养殖的健康发展。

1.3 牛棚灯具选择不当

很多奶牛场在选择牛舍灯具时存在一些误区，往往以人为本，忽略了奶牛与人对光的敏感性差异，导致所选的灯具不符合奶牛对光的敏感度要求。

研究表明，大多数牛棚都配备了标准的LED灯和蓝光灯，这些灯满足了农场工人的夜间照明需求，但奶牛却无法看到。这是因为奶牛的视网膜中只有两种视锥细胞，它们对长波红光敏感，而对短波蓝光不敏感。

本质上，奶牛可以看到橙色和红色的光，而看不到蓝光，这与人类的视觉相反。因此，根据人类的光敏性来选择照明是不科学的，而应该根据奶牛的可见光来选择照明，因此需要使用适合奶牛视觉的红色和橙色灯光。

2.养殖光照环境要求分析

2.1 照明持续时间

奶牛并非季节性繁殖，光照环境对其内分泌系统、性成熟、采食习性、生长发育和产奶量有显著影响。近期来自奶牛场的数据显示，自然光照条件下的产奶量随季节变化，春季达到峰值，夏末秋初下降，10月后逐渐回升。

李云福及其同事的研究表明，在 30 天的试验中，将每日光照时间从 9.5 小时自然光延长至 15 或 18 小时，与 9.5 和 18 小时相比，15 小时的光照可提高产奶量和饲料摄入量。

因此，在设计大型奶牛场的照明系统时，必须考虑奶牛的实际照明时长需求以及光周期变化的影响，以最大限度地发挥照明控制系统的优势。

2.2 光照强度

奶牛作为反刍哺乳动物，需要在夜间采食。然而，它们生性胆小，不合适的照明——过暗或过亮——都会干扰它们的反刍和采食。

研究表明，最佳光照强度可以增强奶牛的夜间食欲，从而提高粗饲料的采食量和转化率。合理管理牛舍的光照强度可以提高夜间饲料摄入量，从而可能使整体产奶量提高5%至8%。

因此，大型奶牛场夜间光照强度的调控应结合奶牛的光敏性，有效满足奶牛的光照需求。

2.3 光的色温

在选择牛棚照明的色温时，重要的是要考虑奶牛的视觉敏感度，以确保它们在夜间能够看得清楚。

3.牛棚智能照明系统设计

3.1 总体概述

牛棚智能照明系统通过光传感器持续监测每个牛棚内的光照强度，经光电转换模块将检测到的光照强度转换为4～20mA模拟信号，送入S7-1500 PLC的模拟量卡通道。

PLC的CPU处理数据后，向每盏灯发出照明时长和强度的控制指令。为了增强照明管理的灵活性和便捷性，每个牛棚的控制柜内都安装了触摸屏，可进行本地操作，监控室的监控主机则可进行远程监控。

此外，每个牛棚都可以通过安全的无线网关将数据传输到云端，并通过手机APP进行实时监控。该项目的首要目标是打造数字化、自动化、智能化的智慧奶牛养殖体系，这对于推动奶牛养殖高质量发展至关重要。

3.2 硬件架构

系统采用设备层、控制层、应用层三层架构。底层设备层包括光照传感器、奶牛专用灯等；中间控制层由S7-1500 PLC、触摸屏、开关、安全隔离装置、无线网关等组成；顶层应用层包括监控主机和移动智能终端。

3.3 设备选择

3.3.1 根据牛眼光敏感性选择专用灯

目前，云南省大部分奶牛场采用的是交流220V的标准LED灯，但这些普通LED灯的色温超过5000K，不符合奶牛的感光需求。

此外，这些灯容易闪烁，且光照不均匀，会对奶牛的夜间行为产生不利影响。由于奶牛天生胆小，受到惊吓时会感到压力，导致产奶量大幅下降。

此外，标准LED灯的光强和色温不可调，无法满足规模化奶牛养殖场的照明设计要求。针对奶牛的特殊照明需求，本研究定制了一款泌乳牛舍专用灯具，采用中山市宇球灯饰有限公司生产的可调光强、标准色温的LED光源，型号为MRGZ01，其规格参数见表1。

表1 泌乳牛舍专用灯具参数

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3.3.2 光传感器选择

鉴于牛棚面积较大，本研究选用山东仁科测控技术有限公司的RS-GZ-N01-2光照传感器来精确测量地面光照强度。

该传感器测量精度为±7%，将测得的光照强度转换成4~20mA标准信号，通过通讯线传输到PLC的模拟量通道。传感器安装在采食通道内，距离地面60~80cm，与奶牛采食时眼睛的高度一致。

3.3.3 PLC控制器选择

PLC控制技术在农业领域已被证明有效，能够满足照明控制系统对可靠性和实时性的要求。经过分析，智能照明系统选择了西门子S7-1500 PLC控制器。该控制器包含以太网通信模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、开关量输入模块和开关量输出模块。

模拟输入模块接收来自光传感器的4-20 mA信号，模拟输出模块向牛棚灯发送亮度调节命令。开关输出模块控制灯的开关状态，开关输入模块收集来自牛棚灯和光传感器的运行状态信息。

此外，以太网通信模块促进了本地 PLC、触摸屏和后台开关之间的通信，从而实现了对牛棚照明的本地和远程控制。

3.4 控制电路设计

3.4.1 智能照明系统控制电路

为了确保牛棚饲喂通道照明的一致性，每个牛棚安装了16盏专门用于牛眼的照明灯，所有照明灯并联连接，并由一个交流接触器控制。为了保证所有照明灯亮起时的电压质量，第一牛棚和第三牛棚采用L1-N接线，第二牛棚采用L2-N接线，第四牛棚采用L3-N接线。

3.4.2 智能照明系统控制信号的分配

为了使 PLC 控制单元能够收集每个牛棚的实时照明数据并监控灯光的运行状态，可以智能控制奶牛眼睛专用灯的强度。这包括用于灯光开启、关闭、灯光故障和光传感器故障的开关输入信号，以及用于照明的模拟输入信号。

此外，还有用于打开和关闭灯光的开关输出命令，以及用于调节照明的模拟输出命令。照明系统的 I/O 配置如表 2 所示。

表2 灯光系统I/O分布

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3.4.3 PLC外部接线设计

为了方便PLC控制单元、光照传感器、牛眼专用灯之间的通讯，对每个牛棚内的PLC控制单元进行外部布线设计。

3.5 牛棚照明系统控制方式

牛棚照明系统分为手动和自动两种模式。工作人员可以通过触摸屏、后台监控主机或手机APP手动调节照明，并通过用户界面实时监控每个牛棚的照明状态和环境条件。自动模式下，PLC系统根据预设的周期、光照强度等因素，自动开启、关闭照明并调节亮度。

固定光照周期控制的目的是通过交替光照和黑暗来增强奶牛的激素反应，从而优化其生产性能。根据奶牛的采食和休息习惯，光照周期分为持续15至18小时的光照阶段和持续6至9小时的黑暗阶段。当自动固定光照周期模式启动时，系统将每天07:00至24:00开启牛棚内的灯光，并在其他时间关闭，以确保奶牛获得充足的照明。

固定光照控制的目标是为奶牛提供舒适的光照强度，以刺激其食欲，从而增加夜间粗饲料的采食量和产奶量。当采用这种控制模式时，系统会使用传感器自动监测当前光照强度，并根据 PLC 程序中预设的控制参数处理这些数据，然后向专门的牛眼灯发送调节命令，以保持牛舍内所需的光照强度。

3.6 人机交互界面设计

为了提升奶牛养殖信息化水平，方便环境监测，实现奶牛场的远程管理，有效解决牛棚照明管理需求，系统采用手动和自动两种控制模式。手动模式下，由人员手动开关每个牛棚的灯光，并根据所需的照明亮度调节输入控制参数。

在自动控制模式下，人员可以选择固定光周期控制或固定光强度控制。

4.牛棚照明控制参数配置

4.1 配置方法说明

牛棚照明系统与工业照明控制系统的主要区别在于控制参数的配置和照明效果的评估。工业照明系统的参数设置流程简洁，控制响应迅速，照明舒适度的评估也更为直观。

相比之下，牛舍照明系统的参数设置和优化周期冗长复杂，不适合采用工业化方法。牛舍照明参数的调整必须从奶牛的角度出发。照明参数的变化会缓慢地影响奶牛的生产性能和健康状况，需要一段时间才能对采食量或产奶量产生明显的影响。

因此，本研究建议以产奶量为关键评价指标，通过控制试验和数据分析，对牛棚智能照明系统的照明时长和强度进行微调，最终选择出控制系统最有效的照明时长和强度参数。

4.2 智能照明系统控制参数配置

选取云南省某奶牛场健康泌乳母牛50头,平均产奶量为(24.6±2.8)kg/周,平均胎次为(2.2±0.9)次,平均体围为(143±69)cm。

随机选取5头奶牛作为对照组，饲养在有自然采光的传统牛舍中。同时，将45头奶牛分成9组，研究不同光照时长和光照强度对产奶量的影响。每个实验因素均在三个水平进行测试：光照时长分别为13、15和18小时，光照强度分别为150、200和250勒克斯。

在整个实验过程中，所有奶牛均饲喂相同成分的精饲料、粗饲料和其他饲料成分。试验参数和结果详见表3。

表3 奶牛舍光照试验数据

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4.3 试验结果及参数确定

奶牛的生产性能受遗传、环境、生理等多个关键因素的影响。为了提高奶牛的生产性能，必须彻底了解这些影响因素。

从表3可以看出，不同组别的奶牛每周平均产奶量增幅存在差异，说明牛舍光照时长和光照强度对奶牛产奶量的影响存在差异。SY-5组奶牛每周平均产奶量增幅最高，初步判断光照时长15小时、光照强度200勒克斯对奶牛生产性能最有利。

为了进一步研究光照时间和强度对产奶量的影响，对表3进行了重新整理、计算和分析，结果如表4所示。

表4 试验结果对比分析

牛棚照明：牛棚最佳 LED 灯

表4显示，光照时间为15小时的三次试验中奶牛产奶量最高平均增幅为25.44公斤，说明该光照时间对奶牛产奶量的影响比13小时和18小时更为显著。

此外，光照强度为200勒克斯时，产奶量峰值平均增幅为20.36公斤，表明该光照强度比150勒克斯和250勒克斯更有效。光照时长对产奶量的影响（13.43公斤）明显大于光照强度对产奶量的影响（2.79公斤），这表明光照时长是影响奶牛产奶量的主要因素。研究结果表明，对于奶牛场来说，15小时光照和200勒克斯光照强度的组合是最佳选择。

本研究评估了实验组奶牛的每周平均产奶量增幅，并确定SY-5组15小时的光照时间和200勒克斯的光照强度是智能照明控制系统的理想参数。通过控制试验调整光照时间和光照强度的方法在实验后期被证明能够有效提高奶牛场的总产奶量，并可应用于其他养殖环境参数的调控。

传统奶牛场通常根据人体的光敏性和工作要求来设计牛舍的照明系统，往往忽略了奶牛独特的光敏性，在照明设计和控制上没有考虑奶牛的舒适度。

本研究针对云南省规模化奶牛养殖场的照明管控需求，提出基于西门子S7-1500 PLC控制框架的智能照明系统解决方案，包括系统架构、硬件组成、控制方式、人机交互界面以及控制参数设置等，为云南省规模化奶牛养殖场养殖环境的智能化管理提供技术参考，并旨在为其他规模化奶牛养殖场的照明环境设计改进提供借鉴。