基于Arduino微控制器的便携式家禽热舒适度评估设备开发与验证

为解决家禽养殖中热环境监测系统昂贵且功能单一的问题，巴西大学团队开发了一款集成多传感器的便携设备，可实时测量干球温度(Ta)、黑球温度(Tgn)、露点温度(Tdp)、相对湿度(RH)和风速(VA)，并计算温度-湿度指数(THI)、黑球温湿指数(BGTHI)等热舒适指标。验证显示该设备对多数变量测量准确（R2>0.93），成本降低50%以上，为中小型养殖场提供了经济高效的环境管理方案。

　　

在家禽集约化养殖中，热环境直接影响禽类的生产性能和福利水平。家禽作为恒温动物，其核心体温维持在41.1°C左右，对环境温度波动极为敏感。当前养殖场普遍面临监测设备昂贵、功能单一的问题，多数仅能测量基础参数如温度和湿度，缺乏对热舒适度的综合评估能力。这种技术缺口导致环境调控滞后，当禽群出现热应激时，代谢能量被迫用于体温调节而非增重，造成显著的经济损失。据研究，热应激可使家禽生产力下降15%-30%，而传统商业监测设备如Tinytag Plus 2TGP-4500售价高达233美元，远超中小型养殖场的承受能力。

针对这一产业痛点，巴西大学动物生产硕士项目的Letícia Salom?o Barbosa Adorno团队创新性地开发了一款基于Arduino Mega 2560微控制器的便携式监测系统。该研究发表在《Smart Agricultural Technology》期刊，通过集成DHT22传感器、自制黑球温度计和数字风速仪，构建了可测量五项关键环境参数的移动设备。设备创新之处在于内置了针对不同禽类品种（包括肉鸡、蛋鸡和种鸡）的热舒适算法，能自动诊断环境状态并提供管理建议，如启动风机或湿帘系统。

研究采用三项关键技术方法：1) 基于3D打印技术构建便携式外壳，集成温度/湿度传感器和自制黑球温度计；2) 通过C++编程实现实时数据采集和热舒适指数计算，包括THI=0.8×T_a+(RH×(T_a-14.3))/100+46.3等公式；3) 采用线性回归和Bland-Altman分析法对比商用设备KR911进行校准验证，采集1,323组数据评估精度。

设备组装与编程

研究团队通过Tinkercad平台设计3D打印外壳，内部集成Arduino Mega 2560主板、LCD显示屏和SD卡存储模块。黑球温度传感器采用喷涂哑光黑的Arprex铝杯改造而成，配合DHT22传感器实现双温度监测。系统通过loop()函数实现环境变量的连续采集，并采用"double"变量类型处理64位精度的露点温度计算。

决策支持系统

设备创新性地将28个商业品种（如Cobb肉鸡、Hy-Line蛋鸡）的理想温湿度范围预编程入库，建立三级诊断体系：当T_a超过33°C或THI>75时触发"高于理想"警报，建议开启湿帘；当18°C<>_a<22°C时判定为"理想"状态；低温时则提示启动加热器。这种基于设备可用性的决策树模型，显著提升了养殖场的应急响应能力。

校准验证结果

通过与商用设备对比，未校准前各变量的R2分别为：干球温度0.989、黑球温度0.992、露点温度0.935、相对湿度0.990、风速0.361。经二次多项式校准后，露点温度精度提升至R2=0.937（校准公式：T_dp=-19.67319+3.27924×T_dp-0.06535×T_dp²），但风速测量因机械限制未能改善，成为后续优化重点。Bland-Altman分析显示，校准后的干球温度偏差仅±0.193°C，满足ISO标准要求。

成本效益分析

该设备总成本仅94.06美元，较市售设备降低50.94%-71.61%。成本构成中，Arduino主板（23.10美元）和数字风速仪（32.56美元）占主要部分，3D打印材料仅7.72美元。相比Oliveira Júnior等开发的同类设备（250美元），本研究通过采用开源硬件和本土化组件实现显著降本。

这项研究的重要意义在于首次实现了多参数热舒适评估设备的低成本化，其54.1×16.8mm的紧凑尺寸和20,000mAh移动电源支持，特别适合资源有限的养殖场。尽管风速测量精度有待提升，但设备已能准确识别91.7%的热应激事件。未来通过迭代传感器升级和无线传输模块集成，该技术有望成为精准畜牧业的标准配置，为全球每年减少约42亿美元的家禽热应激损失提供解决方案。研究团队特别指出，该系统的开源性允许用户根据新型商业品种的特性自定义阈值，这种可扩展性使其在快速变化的养殖业中具有长期应用价值。