Содержание к диссертации
Введение
1. Электрическое освещение как параметр среды содержания птицы 10
1.1 Значение электрического освещения птицы 10
1.2 Виды, системы и режимы освещения в птицеводстве 11
1.3 Способы и системы управлением освещением птичников 17
Цель и задачи исследования 20
2. Курица как объект воздействия оптического излучения и как управляющее звено системы электрического освещения птичника на основе ритмов кормовой активности 21
2.1 Роль биологических ритмов в физиолого-эмоциональном состоянии кур 21
2.2 Воздействие оптического излучения на курицу и его синхронизирующее действие на биологические ритмы в организме 23
2.3 Значение временной упорядоченности биологических ритмов. Подвижность кур - основной внешний показатель физиолого-эмоционального состояния птицы 24
2.4 Исследование подвижности кур в естественном поле оптического излучения 35
2.5 Исследования подвижности курицы при неизменной длительности светового дня в искусственном поле оптического излучения 38
2.6 Активность кур при промышленном содержании 45
2.7 Влияние стрессовых факторов на активность курицы 47
2.8 Идентификация курицы, как основного звена системы автоматического управления освещением в птичнике 52
Краткие выводы 66
3. Построение и исследование системы электрического освещения птичников на основе циклов кормовой активности цыплят- бройлеров 68
3.1 Требования, предъявляемые к системе электрического освещения, и её необходимые функциональные возможности 68
3.2 Обоснование применения ультразвуковых систем для регистрации подвижности птицы
3.3 Регистрация подвижности птицы и оцифровка данных 75
3.4 Обоснование структуры системы электрического освещения птичников 83
3.5 Регулятор освещения и согласование его с ЭВМ 92
3.6 Обоснование алгоритма управления 95
3.7 Устойчивость системы электрического освещения птичника на основе циклов кормовой активности цыплят-бройлеров 103
Краткие выводы 116
4. Методика экспериментальных исследований 117
4.1 Методика экспериментального определения характеристики доплеровского датчика скорости 117
4.2 Методика наблюдения за поведением курицы 121
4.2.1 Методика наблюдения за поведением курицы при естественном освещении 121
4.2.2 Методика наблюдения за поведением курицы при неизменном искусственном освещении 123
4.2.3 Методика наблюдения за поведением курицы при периодическом изменении уровня искусственного освещения 124
4.3 Методика обработки экспериментальных данных 125
4.4 Методика наблюдения за поведением цыплят-бройлеров при клеточном содержании в производственных условиях 127
4.5 Методика наблюдения и фоторегистрации поведения цыплят-бройлеров во время темновых пауз в производственных условиях 130
4.6 Методика проведения эксперимента по предлагаемой технологии прерывистого освещения в производственных условиях 133
Технико-экономическая оценка системы электрического освещения птичника 134
Выводы и предложения 148
Библиографический список 150
Приложения 163
- Виды, системы и режимы освещения в птицеводстве
- Воздействие оптического излучения на курицу и его синхронизирующее действие на биологические ритмы в организме
- Обоснование применения ультразвуковых систем для регистрации подвижности птицы
- Методика наблюдения за поведением курицы при естественном освещении
Введение к работе
Актуальность проблемы. Сельскохозяйственное производство России нуждается в неотложных решениях многих экономических, организационных и технических задач, важнейшей из которых является увеличение валового и товарного объема дешевой высококачественной продукции, за счет совершенствования старых и использования новых технологий и технических средств механизации и электрификации производства.
Многочисленные исследования ученых и многолетний производственный опыт практических работников сельского хозяйства до настоящего времени не позволили разработать оптимальный режим электрического освещения при выращивании цыплят-бройлеров. Причина этого заключается в тем, что при постановке и проведении лабораторных опытов и производственных исследований не учитывались цикличность биологических процессов, протекающих в организме птицы, и зависимость их от множества труднорегистри-румых и труднопрогнозируемых внешних и особенно внутренних факторов. Стимулируя или угнетая некоторые из них, можно управлять продуктивностью птицы. При этом наиболее эффективное управляющее воздействие на птицу оказывает свет
Поэтому для повышения эффективности производства продукции птицеводства и увеличения её конкурентоспособности, как на отечественном так и на зарубежных рынках, необходимо разработать систему электрического освещения в птичниках, оперативно реагирующую на протекание биологических процессов в организме птицы, имеющих важнейшее значение для увеличения её продуктивности.
Цель и задачи исследования. С учетом изложенного поставлена цель исследования: обосновать и разработать технологию и систему электрического освещения птичников, учитывающую биологические ритмы в организ-
ме птицы и повышающую эффективность производства продукции птицеводства.
В теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на достижение этой цели, решены следующие задачи:
обоснован и разработан критерий объективной оценки физиолого-эмо-ционального состояния птицы и определены единицы его измерения;
обоснован и разработан практически приемлемый способ объективного измерения критерия оценки физиолого-эмоционального состояния птицы;
исследована курица как объект воздействия оптического излучения и как элемент системы управления освещением;
разработаны и исследованы технология электрического освещения и система автоматического управления осветительной установкой птичника на основе биологических ритмов кормления птицы;
проведена экономическая оценка технологии и системы электрического освещения птичника построенной на основе циклов кормовой активности цыплят-бройлеров.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являлись технология и система электрического освещения птичника бройлеров промышленного стада, основанные на кормовой активности цыплят.
Предметом исследования было взаимодействие системы освещения и птицы как объекта воздействия видимого излучения и как элемента системы управления освещением для повышения эффективности бройлерного производства.
Непосредственно исследовались:
а) в лабораторных условиях - поведение птицы при различных световых режимах; ультразвуковая система контроля и регистрации подвижности птицы при различных режимах освещения; компьютерная система управлением освещением в функции подвижности кур;
б) в производственных условиях птицефабрики - работа системы электрического освещения птичника с ультразвуковым контролем подвижности птицы и фоторегистрацией поведения птицы в световые и темно-вые периоды суток.
Материалы исследования являются итогом пятилетней работы автора, выполненных индивидуально и совместно с другими исследователями по программе: «Система ведения агропромышленного производства Волгоградской области на период 1996...20Юг.г.».
Методика исследования. В основу достижения поставленной цели и решения сформулированных задач положен подход, при котором элементы электрического освещения птичника и цыплята-бройлеры рассматривались как взаимосвязанное единое целое, как единая система: птица, ультразвуковой контроль её подвижности, фоторегистрация поведения, компьютерная система управления освещением, осветительная установка.
Работа логически сочетает экспериментальные и теоретические исследования при широком использовании компьютерной техники, электро- и радиоизмерительных приборов и фоторегистрирующей аппаратуры.
Результаты исследований обрабатывались методами спектрального анализа с использованием ПЭВМ.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
обоснован и разработан способ бесконтактного контроля подвижности птицы;
исследованиями определена продолжительность кормового цикла птицы;
предложена идентификация птицы как элемента системы управления электрическим освещением птичника и птица исследована как объект светового воздействия;
на основе исследований разработана технология и система электрического освещения птичников на основе кормовой активности цыплят-бройлеров с использованием ПЭВМ. Практическая ценность работы состоит в том, что предложенный принцип контроля и регистрации подвижности птицы может быть использован как основа при построении систем управления различными технологическими процессами в птицеводстве и животноводстве; разработанная компьютерная система управления электрическим освещением птичника имеет достаточную надежность в работе и может быть использована в птицеводстве при выращивании бройлеров.
На защиту выносятся следующие основные положения работы:
Метод, аппаратные средства и результаты регистрации и контроля физиолого-эмоционального состояния птицы;
Математическая модель птицы, идентифицирующая её как элемент компьютерной системы управления электрическим освещением птичника;
Принцип построения компьютерной системы управления электрическим освещением птичников подвижностью цыплят-бройлеров;
Результаты исследования и практического использования разработанной системы электрического освещения на основе регистрации подвижности птицы и компьютерного управления.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались:
- на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии по итогам научно-исследовательской работы в 1999-2004г.г.;
на IV межвузовской конференции студентов и молодых ученых Волгоградской области в 1998г.;
на V и VI региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области в 2000 и 2001г.г.;
на 1-ой Российской научно-практической конференции «Физико-технологические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе», Ставрополь, 2001г.
на международной научно-практической конференции «Проблемы АПК», посвященной 60-летию Победы под Сталинградом, 2003г.;
на научной конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 160-летию со дня рождения К.А. Тимирязева в МСХА в 2003г.
Реализация результатов исследований.
Результаты разработки и исследований системы управления электрическим освещением птичников на основе контроля подвижности птицы представляют собой основу для формулировки технического задания и проектно-технической документации на изготовление таких систем. Внедрение системы в производство было произведено в одном из корпусов птицекомбината Казачья холдинговая компания ЗАО «Краснодонское» Иловлинского района Волгоградской области.
Место выполнения. Работа выполнена в Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии. Лабораторные экспериментальные исследования проводились на кафедрах «Электротехнология в с.х.» и «Электроснабжения с.х. и ТОЭ». Производственные испытания и исследования были выполнены на птицефабрике Казачья холдинговая компания ЗАО «Краснодонское» Иловлинского района Волгоградской области.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 9 публикациях, в том числе в 2 статьях журнала «Механизация и электрификация с.х.»
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Она изложена на 162 страницах основного текста и 25 страницах приложений, содержит 52 рисунка, .7 таблиц и списка использованной литературы из 130 наименований, в том числе 34 на иностранных языках.
Виды, системы и режимы освещения в птицеводстве
Получение наибольшей продуктивности выращиваемых животных и птиц - многовековая проблема. И если раньше решение искалось в подборе оптимального рациона кормления, то в настоящее время пути решения ищутся в создании высокопродуктивных кроссов и оптимальных микроклиматических условий содержания. Оптимальные значения таких параметров, как температура и влажность окружающего воздуха при промышленном выращивании птицы, были получены более 20 лет назад и эти значения бесспорны на сегодняшний день. Влияние же света на продуктивность птицы до сих пор является областью многочисленных разногласий и споров [2, 3, 4, 9, 10, 11, 12,26,29,32,43,50,51,53,59,60,66,67,68,79,83,84, 101, 102, 103, 106, 108, 112, 115].
Эти проблемы объясняются, тем, что свет оказывает существенное влияние на ритмы физиологических процессов в организме птицы, которые имеют сложную структуру с множеством обратных связей. Кроме этого световое воздействие на живой организм характеризуется несколькими параметрами - освещенностью, спектральным составом, длительностью и периодичностью освещения. Освещенность. Длительное время считалось, что достаточным уровнем освещенности является значение 5...10 лк [2, 18, 32, 50, 51, 53, 79, 86, 95]. В исследованиях, проведенных в Волгоградском СХИ под руководством Климова А.А. [71] было установлено, что при кормлении птицы оптимальным уровнем интенсивности освещения является 30 л к. Снижению интенсивности ниже этого значения приводило к уменьшению поедаемости корма и к повышению его потерь.
Также отмечалось отрицательное воздействие слишком большой освещенности на сохранность поголовья птиц, в связи с увеличением вероятности возникновения вспышек каннибализма [50, 51]. Поэтому на многих птицефабриках, где выращиваются цыплята-бройлеры, освещенность постепенно уменьшают с 25-30 л к при посадке 1-2 суточных цыплят до 5-10 л к в 3-4-х недельном возрасте, тем самым экономя электроэнергию и увеличивая сохранность поголовья, но несколько снижая привес живой массы.
Спектральный состав. Исследования влияния спектрального состава света на продуктивность птицы и сохранность поголовья не дали однозначного результата. И в настоящее время еще ведутся интенсивные исследования в этой области как отечественными, так и зарубежными учеными. Но уже давно замечено, что при синем свете куры плохо видят и это их качество часто используется при выполнении таких технологических операций как отлов, рассадка, вакцинация и др. Использование красного света снижает вероятность возникновения вспышек каннибализма, хотя и несколько повышает возбудимость птицы.
То есть, об освещенности и спектральном составе мнения исследователей принципиально не отличаются, о длительности же и периодичности светового воздействия на птицу они весьма различны, поскольку результаты экспериментов часто имеют очень большой разброс, а иногда носят противоречивый характер.
Определению оптимальной периодичности светового воздействия посвящено наибольшее количество исследований [2, 3, 9, 10, 11, 26, 29, 84, 101, 102, 103, 108, 112, 115], что связано с возможной реализацией огромного числа вариаций световых режимов. Часто результаты таких исследований носят если не противоположный характер, то, по крайней мере, существенно разнятся в показателях продуктивности. Наиболее широкое производственное применение получили режимы: ? непрерывного освещения птичников; ? режимы с однократной сменой в сутки света и темноты; ? режимы прерывистого освещения, в которых цикл свет-темнота повторяется за сутки неоднократно. Все режимы прерывистого освещения делят на два типа: режимы прерывистого освещения симметричного типа и режимы прерывистого освещения асимметричного типа. Первые получили распространение в бройлерном производстве, т.к. имитируют кормовое поведение птицы, характеризующееся циклической сменой состояния бодрствование (кормление) - покой (переваривание), так, например, (1С:2Т)х8, (1С:ЗТ)х6 или (2С:4Т)х4. Здесь первая цифра означает длительность световой части цикла в часах, вторая - длительность темновой части цикла, третья - число циклов в течении суток. Второй тип нашел применение в яичном птицеводстве, т.к. имитирует суточный цикл изменения освещенности и оказывает существенное влияние на половое созревание птицы, которое имеет решающее значение в получении наибольшего количества качественного яйца (например, 2С:4Т:8С:10Т) [29]. Огромное значение имеют условия кормления и содержания, питательные и энергетические качества комбинированного корма, используемого при кормлении, текущее и предшествующее физиологическое состояние птицы, а также подверженность птицы стрессу, температура и влажность окружающего воздуха и даже такие факторы, как состояние родительского стада на момент яйцекладки и процесс инкубации.
Многочисленные исследования по сравнению симметричных режимов прерывистого освещения и постоянного режима освещения показали однозначное предпочтение первых при выращивании бройлеров: увеличивается продуктивность птицы, сохранность стада, улучшаются показатели конверсии корма [2, 3, 47, 84, 101, 102, 108, 112, 115]. Но этот положительный эффект наблюдается лишь при условии клеточного содержания птицы, при напольном содержании наблюдается отрицательный эффект [26]. Обобщая сведения, полученные из различных литературных источников о предпочтительности какого либо из световых режимов прерывистого освещения симметричного типа, можно однозначно утверждать, что предпочтительным является режима (1С:ЗТ) 6 [101, 102, 108, 112, 115], хотя есть и противоположные мнения [26, 84].
Воздействие оптического излучения на курицу и его синхронизирующее действие на биологические ритмы в организме
Циркадианные биологические ритмы у курицы, при отсутствии внешних периодических воздействий, ведут себя как «свободнотекущие», а при их наличии - поддаются захватыванию (синхронизации). Наиболее эффективным принудителем у теплокровных животных являются циклы освещения [14]. Но кроме этого достоверно установлено захватывающее действие колебаний температуры [107], атмосферного давления [111], режима кормления [127]. Многочисленные наблюдения показывают большую роль социальных принудителей [ПО, 121].
Для наиболее полного понимания механизма воздействия оптического излучения на курицу, необходимо детально рассмотреть процесс восприятия света её организмом.
Так, например, Блум Ф. утверждает [15], что у птиц восприятие света осуществляется как с помощью глаз, так и прямо сквозь череп. При этом наибольшее скопление фоторецепторов находится в эпифизе, где происходит превращение серотонина в гормон мелатонин, выделяемый в кровяное русло. Процесс превращения серотонина в мелатонин состоит из двух этапов, и его осуществляют два фермента, синтезируемых в эпифизе. Один из этих ферментов - N-ацетилтранфераза. От её активности зависит количество мелато-нина, выделяемого эпифизом в кровь, а он в свою очередь контролирует та кие физиологические ритмы, как циклические изменения температуры тела, и такие поведенческие ритмы, как цикл сна и бодрствования.
Убедительные данные о локализации колебателя у воробьев [15] и кур [14] в эпифизе были получены в результате экспериментов по удалению эпифиза, что приводило к потере циркадианного ритма у птиц.
Если у млекопитающих восприятие света связано, как будто в основном, с сетчаткой глаза, то у птиц, фотопериодическая информация поступает исключительно через внеглазные рецепторы, что было установлено с полной достоверностью и продемонстрировано на многих примерах [15, 119, 120, 128].
На птиц, свет может воздействовать, минуя глаза и эпифиз, хотя их глаза также способны осуществлять захватывающее действие света. В циркади-анной системе воробья, существует, по крайней мере, не менее трёх входных путей, которые могут осуществить захватывание соответствующих ритмов. Ослеплённые птицы всё ещё поддаются захватыванию через внеглазные пути, но свободно-текущий период у них уже не зависит от освещенности [14].
Из выше приведенных сведений следует, что одним из основных внешних факторов воздействия на биологические ритмы птицы является свет. При этом количественной мерой воздействия не может выступать только реакция зрачка курицы на изменение освещенности, как утверждается в некоторых работах [71], поскольку необходимо учитывать наличие у птицы и других каналов восприятия света.
В живом организме одновременно протекает огромное число физиологических процессов, направленных на наиболее эффективное продление жизни животного и птицы. Эффективность этих физиологических процессов даже в большей степени зависит не от количества принудителя, вызывающего этот процесс, а от того насколько слаженно они работают в комплексе. И здесь главное место занимает именно временная упорядоченность физиологических процессов.
Но физиологические параметры, несущие в себе очень ценную информацию о состоянии организма, невозможно контролировать, не принося неудобства подопытному животному и, тем самым, не навязывая еще один существенный возмущающий фактор. Например, определение концентрации гормона роста или кортизола в крови, выделение калия с мочой и т.д. (рис. 2.1). На рисунке представлены два последовательных дня со светлым периодом от 6.30 до 23.00. Прерывистыми вертикальными линиями отмечена смена освещения. Ректальную температуру отмечали каждые 30 минут, плазму брали на анализ с интервалами около 20 минут [14].
График захваченных ритмов сна, ректальной температуры, концентрации гормонов роста и гидрокортизона в плазме крови и выделения калия с мочой у испытуемого организма. Также есть предположения, что сложные формы колебаний - это результат совместного действия многих факторов [14]. Например, ритм концентрации кортизола в плазме крови - сложная функция собственных ритмов коры надпочечников, ритмических изменений объема тканевых жидкостей, в которых он растворен [104], скорости его расщепления в печени [118] и выделения почками [114]. Кроме этого на секрецию кортизола влияют внешние факторы, например, периоды чередования света-темноты [116], а также стресс-факторы [105]. Сложность этого процесса такова, что в настоящее время его нельзя достоверно описать со всеми его обратными связями. Однако необходимо отметить зафиксированные некоторыми исследователями всплески секреции кортизола, появляющиеся с периодом около 85-90 минут [129]. Стабильная периодичность этих ритмов пищеварительного тракта, говорит о возможности их синхронизации с технологическими процессами при промышленном выращивании птицы.
Для эффективного управления ритмами пищеварительного тракта (кормовыми циклами) курицы как важнейшими факторами её продуктивности, необходимо подробно рассмотреть механизм их стимуляции и угнетения.
У птиц гормоны, выделяемые корой надпочечников относятся к стероидам и делятся на следующие группы: глюкокортикоиды, минералокорти-коиды и половые гормоны (андростероиды) [47]. К первой группе принадлежат кортизол и кортизон, оказывающие влияние на обмен углеводов, белков, активизирующие железы желудочно-кишечного тракта, участвуют в регуляции водно-солевого обмена. Избыток гормонов приводит к уменьшению массы соединительной, лимфоидной и мышечной тканей, изменению структуры костей [47].
Действие минералокортикоидов, главным образом, направлено на регуляцию содержания электролитов и воды в организме. Андростероиды участвуют в регуляции нормального развития мышц и скелета, дифференци-ровки половых органов, роста оперения, полового поведения.
Мозговое вещество надпочечников выделяет два гормона: адреналин и норадреналин; они повышают кровяное давление и влияют на сердце и сосуды. У птиц, адреналин учащает сокращение сердца, суживает периферические кровеносные сосуды, расслабляет мышцы бронхов и кишечника, ослабляет сокращения желудка и перистальтику кишок [47]. Различные стрессовые воздействия на организм птицы сопровождаются поступлением в кровь больших количеств адреналина [47]. Итак, ритмические выделения корой надпочечников глюкокортикои-дов периодически стимулируют желудочно-кишечный тракт. А связанный со стрессом адреналин угнетает пищеварительную активность.
Для правильного выбора регистрируемого параметра необходимо в первую очередь рассмотреть реакцию животного на стрессовые факторы, внутренние или внешние раздражители.
В настоящее время при промышленном использовании сельскохозяйственных животных и птиц особую значимость приобрела проблема стресса. Это связанно в первую очередь с интенсификацией сельскохозяйственного производства (максимальное использование площадей, механизация и автоматизация производственных процессов). При этом вроде бы сбалансированные рационы кормления не дают ожидаемых результатов, т. к. они не согласованны с технологией производства и поэтому животные вынуждены адаптироваться с большим физиологическим напряжением.
Обоснование применения ультразвуковых систем для регистрации подвижности птицы
Система регистрации подвижности должна отвечать следующим требованиям: 1) оказывать минимальное воздействие на объект регистрации (кури цу); 2) обеспечивать достаточную точность измерения; 3) иметь низкое соотношение шум-сигнал; 4) обладать безинерционностью устройств преобразования; 5) иметь высокую стабильность характеристик, независимость их от изменений условий окружающей среды; 6) иметь высокую надежность; 7) по возможности, иметь линейную зависимость величины выходного сигнала от скорости перемещения объекта; 8) выходной сигнал системы должен быть цифровым или хотя бы дискретным, что облегчит его регистрацию с помощью ЭВМ; 9) система должна быть простой и дешевой по конструкции, удобной в наладке и эксплуатации.
На основании анализа литературной информации [5, 6, 1.7, 25, 28, 81] были выбраны для дальнейшего рассмотрения системы регистрации со следующими типами датчиков: емкостный, контактный, ультразвуковой, пироэлектрический, механический датчик ускорения, установка тензодатчика на секционированных частично подвижных полах.
Механический датчик ускорения представляет собой катушку, внутри которой в подпружиненном состоянии находится постоянный магнит. Датчик фиксируется на теле птицы вместе с радиопередатчиком и антенной. Перемещения птицы приводят к колебаниям постоянного магнита и наводке ЭДС в катушке. Недостатком этого датчика является относительно большая масса, что при закреплении его на теле курицы приносит ей существенные неудоб # ства и повышает раздражительность. Он реагирует только на продольные пе ремещения тела курицы, имеет низкую чувствительность, сложен в реализации и т.д.
Контактные датчики. Предполагалась установка чувствительных контактов на сетчатом полу клетки и разработка дополнительного устройства опроса датчиков, контролирующего замыкание контактов. Недостатки такого варианта: 1) необходимо устанавливать по всей площади клетки большое количе ство контактных датчиков, которые создадут помехи удалению по мета и сами будут при этом загрязняться; 2) возможность регистрации ограниченного числа видов телодвиже ний; 3) невозможность фиксации процесса кормления по причине нахожде ния курицы при этом на одном месте - у кормушки. Подобными недостатками обладает и установка с тензодатчиками на секционированных подвижных полах.
Пироэлектрические датчики нашли широкое применение в системах пожарного предупреждения и охранных сигнализациях, где они используются для обнаружения источников инфракрасного излучения. Данный вид датчиков хотя и обладает тем существенным достоинством, что позволяет следить за перемещениями объекта без непосредственного контакта с ним, но такие его недостатки как существенная нелинейность характеристики, высокий уровень помех, невозможность регистрации поперечной составляющей скорости перемещения живого объекта и др., не позволяет нам использовать его в системе регистрации подвижности.
Ультразвуковые датчики эффективно используются во многих отраслях промышленности и медицины для измерения скорости перемещения, расстояния, концентрации и многих других параметров. В настоящее время происходят существенные изменения в системах автоматического управления в промышленности, в связи с доступностью и высокими технологическими качествами ультразвуковых систем для определения скоростей движения, расстояний, потоков. Для измерения контролируемой величины используют частоты, лежащие за пределами слышимого акустического диапазона - в ультразвуковой области. В рассматриваемом случае для измерения скорости перемещения птицы используется изменение частоты (Доплеров-ский сдвиг) ультразвуковой волны при ее отражении от движущегося предмета.
Такая система имеет ряд существенных достоинств: 1. Достаточно высокую точность определения скорости при невысокой сложности измерительной схемы, что обусловлено применением в системе фазового метода; 2. Помехоустойчивость; 3. Она не создает неудобств животному при определении скорости его перемещения; 4. Её выходная величина не зависит от размеров и удаленности перемещающегося тела; 5. Выходная величина дискретна. Дискретность выходного сигнала позволяет легко согласовывать измерительную ультразвуковую систему с персональным компьютером. К недостаткам ультразвуковой системы можно отнести тот факт, что она позволяет производить лишь измерение продольной составляющей скорости перемещения. На основе анализа приведенной выше информации о различных системах, к реализации принята именно ультразвуковая система определения подвижности птицы. В принципе ультразвуковое облучение биологических объектов может оказывать на них механическое, тепловое, косвенное или физико-химическое действия. Применяемые в биологии и медицине ультразвуковые излучения по интенсивности обычно делят на следующие группы[92, 93]: 1. Малой интенсивности 0-1,5 Вт/см2; 2. Средней интенсивности 1,5-3 Вт/см ; 3. Большой интенсивности от 3 до 10 Вт/см . Вредное действие ультразвука наблюдается, когда граница безопасной интенсивности превышена в течение длительного времени [8].
В зависимости от интенсивности, ультразвук вызывает различные биологические эффекты, как положительные, так и отрицательные. Применение низких интенсивностей облучения, в большинстве случаев, вызывает проявление положительных биологических эффектов.
Кроме того, эффект зависит от специфической реакции облучаемого биологического объекта. Например, значительной восприимчивостью к действию ультразвука обладают эмбриональная, быстрорастущая и новообразованная ткани.
При малых интенсивностях переменное звуковое давление вызывает бурное движение содержимого внутри клетки, особенно цитоплазмы. Это приводит к ускорению нормальных физиологических процессов.
При применении средних интенсивностей, происходит сильная циркуляция цитоплазмы, благодаря чему изменяется проницаемость клеточной оболочки для ионов калия и кальция. Значительно стимулируется и ускоряется процесс межклеточного обмена веществ. При больших интенсивностях ультразвука в облучаемых клетках и тканях происходят морфологические и функциональные реакции и процессы, которые приводят к необратимым клеточным повреждениям. Выражается все это прекращением клеточных обменных процессов.
Применяемые в наших лабораторных и производственных экспериментах ультразвуковые датчики имели выходную мощность излучателей =10-12 мВт/см и излучатели не имели непосредственного контакта с птицей, более того, птица находилась в области дальнего поля на расстоянии примерно одного метра, где интенсивность ультразвуковой волны изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от излучателей. Из этого можно сделать вывод о безвредности используемой ультразвуковой установки как для птицы, так и для обслуживающего персонала.
Таким образом, для измерения активности птицы наиболее подходящей оказалась система ультразвуковых излучателей и приемников, отличающаяся достаточной точностью, помехоустойчивостью, стабильностью, отсутствием непосредственного контакта с объектом наблюдения - птицей и отсутствием, тем самым стрессового влияния на неё.
Методика наблюдения за поведением курицы при естественном освещении
Информация об активности курицы в течении суток при естественном освещении была получена в лаборатории ВГСХА, оборудованной клеткой для содержания курицы. Ультразвуковые датчики регистрации движений и персональный компьютер типа IBM PC, записывающий полученную в цифровом виде информацию о подвижности курицы в течении суток располагались в этой же лаборатории, но были отгорожены от клетки, в которой размещалась курица, ширмой, что позволило уменьшить влияние присутствия человека и регистрирующей аппаратуры в помещении на поведение курицы.
Освещение помещения осуществлялось естественным излучением, которое проникало в помещение через окно. Кормление птицы производилось сухими комбикормами, доставленными с птицефабрики вместе с курицей, три раза в день (9т; 13ш; 17т). Ультразвуковой доплеровский датчик был размещен таким образом, чтобы быть максимально чувствительным к телодвижениям птицы при кормлении. Установленный персональный компьютер производил запись на магнитный диск информации, получаемой с ультразвуковых датчиков об активности курицы. Рис. 4.4. План помещения и размещения в нем оборудования. 1 - оконный проем; 2 - клетка для содержания птицы; 3 - кормушка; 4 - поилка; 5 - ширма; 6 - персональный компьютер и блок сопряжения; 7 - ультразвуковой доплеровский датчик движения; 8 - входная дверь. Эксперимент проводился в период с 1.04.2001г. по 18.04.2001г., т.е., в условиях увеличивающейся продолжительности естественного светового дня. Наблюдения за поведением курицы в условиях естественного освещения показали, что график её активности имеет двухвершинный профиль с утренним и вечерним максимумами. Время пробуждения птицы и отхода её ко сну зависят от времени рассвета и заката солнца. Присутствует стабильная периодическая составляющая (Т=85+90 минут) в графике активности, наличие которой объясняется проявлением кормового поведения птицы, вызванного внутренними гормональными циклами в организме.
Проведенные эксперименты по наблюдению за активностью курицы при естественном освещении показали наличие стабильных периодических составляющих в суточном графике активности птицы. Так как при промышленном выращивании птица содержится в условиях искусственного освещения, было решено провести наблюдение за поведением курицы при неизменном искусственном освещении.
Для чистоты проведения эксперимента в данном режиме помещение было изолировано от попадания естественного света зашториванием окна плотной черной материей. Над клеткой были установлены светильники ПУН с плафонами из белого матового стекла и лампами накаливания БК-235-245-100.
В контрольной точке, в кормушке, по показаниям люксметра Ю-116 освещенность была Е=46 лк. Время суток было разделено на две части: «день» и «ночь». В течение «дня» освещенность поддерживалась на одном уровне. Курица находилась в условиях скачкообразного изменения освещенности («день» и «ночь») с периодом 24 часа и скважностью света-темноты СТ=13:11, что примерно соответствовало скважности естественной освещенности на широте г.Волгограда в указанный период года. Такая скважность была взята с целью снижения стрессового воздействия на курицу перехода от естественного освещения к искусственному.
Для управления освещением в помещении применен фазоимпульсный регулятор (РОЭВ-0,24), который был модернизирован для управления с порта компьютера.
В результате проведенных наблюдений были получены сведения об активности курицы в клетке при искусственном освещении, были отмечены различия активности птицы при естественном и искусственном освещении. Спектральный анализ позволил определить периоды ритмов активности курицы днем и ночью.
В экспериментах с искусственным освещением нормальная освещенность на уровне кормушки была принята 46лк, что соответствовало уровню освещенности кормушки при естественном освещении клетки.
В экспериментах с периодическими импульсными воздействиями нижний уровень освещенности был в два раза меньше нормального и составлял 23 лк.
С целью получения АФЧХ курицы как объекта воздействия световых импульсов была проведена следующая серия опытов. Во-первых, создавались режимы, в которых продолжительности периодов нормальной и пониженной освещенности равны 1/2 светового дня с различными начальными фазами (режим №2, 3 рис. 2.16). Во-вторых, создавались режимы с продолжительностью периодов нормальной и пониженной освещенности, равной 1/3 светового дня («300 минут) с различными начальными фазами (режимы №4, 5 рис. 2.16). Также были проведены эксперименты со световым режимом, который, по утверждению американских ученых Корнеллского университета и группы отечественных ученых [29], является наиболее приемлемым при выращивании кур-несушек: 8 часов света +10 часов темноты + 2 часа света и 4 часа темноты (режим №1 рис. 2.16).
Кроме этого, проведена серия опытов, в которых период световых импульсов кратен кормовым периодам активности птицы (режимы №7, 8, 9, 10, 11 рис. 2.16), поскольку выше было предположено, что 80-90 минутные циклы активности курицы связаны с её кормовым поведением.
Для определения влияния уровня освещенности на циклы активности курицы проведена серия опытов с пониженной освещенностью в течении всего светового дня (режим №12 рис. 2.16).
Для повышения достоверности получаемых результатов была принята трехкратная повторность каждого режима. К персональному компьютеру типа IBM PC внешние устройства (в нашем случае ультразвуковые датчики и регулятор освещения) могут быть подключены тремя путями, соответствующими трем типам стандартных внешних интерфейсов: через системную магистраль, параллельный интерфейс Centronics, последовательный интерфейс RS-232C [81].
Системная магистраль обеспечивает наибольшую скорость обмена данными, но имеет ряд недостатков: одноплатное исполнение, ограничивающее сложность внешнего устройства; наличие повышенного уровня электромагнитных помех, вызванного соседством с быстродействующими и мощными узлами компьютера.
Стандартные интерфейсы Centronics и RS-232C позволяют расположить устройство любой сложности и габаритов на большом расстоянии от компьютера, но при этом достигается меньшая скорость обмена. Что касается сложности узлов сопряжения, то понятно, что обмен данными в параллельном формате гораздо проще и быстрее, чем в последовательном. Поэтому при разработке аппаратуры сопряжения ультразвуковых датчиков и регулятора с ЭВМ и программного обеспечения исходили из необходимости работы со стандартным параллельным интерфейсом Centronics.
К программному обеспечению экспериментальной установки для регистрации активности кур при клеточном содержании предъявлялись требования: надежная и быстрая работа с параллельным интерфейсом Centronics; резидентное выполнение программы, т.к. необходимо одновременно с записью результатов наблюдений на жесткий диск производить их предварительную обработку, и перезапись на переносные носители информации, что невозможно сделать каким либо другим путем, учитывая параметры ПК (486DX, 100MHz, 12Mb, MS-DOS 6.22); возможность оперативной обработки полученной информации и представления её в формате, удобном для визуализации.
Для выполнения первых двух требований программное обеспечение было выполнено на языке низкого уровня Borland C++ v3.1. со встроенными ассемблерными процедурами. Листинг программы приведен в приложении №2.
