寒區(qū)奶?，F(xiàn)代化飼養(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究

項(xiàng)建廷++趙毅++趙爾迪++劉立強(qiáng)

摘要：為了研發(fā)適合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)際的擠奶自動(dòng)化技術(shù)與裝備，設(shè)計(jì)一種可測(cè)定和采集奶牛運(yùn)動(dòng)步數(shù)與體溫變化情況的奶牛計(jì)步器，以及一款無(wú)線組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模式的奶牛場(chǎng)信息管理軟件。該成果的推廣應(yīng)用可促進(jìn)養(yǎng)牛業(yè)向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效益和集約化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：奶牛；計(jì)步器；信息管理；軟件；功能

中圖分類號(hào)：S817.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2017）04-0021-04

近年來(lái)，我國(guó)部分奶牛場(chǎng)發(fā)展迅速，實(shí)施了規(guī)模化養(yǎng)殖，亟需大力開(kāi)發(fā)適合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)際的擠奶自動(dòng)化裝備，并進(jìn)行相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備。本研究綜合國(guó)內(nèi)外奶牛場(chǎng)特點(diǎn)及奶牛信息化發(fā)展情況，在當(dāng)前技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出用于測(cè)定和采集奶牛運(yùn)動(dòng)步數(shù)與體溫變化情況的奶牛計(jì)步器，以及無(wú)線組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模式的奶牛場(chǎng)信息管理軟件。

1 奶牛計(jì)步采集部分設(shè)計(jì)

采用計(jì)步器監(jiān)測(cè)奶牛發(fā)情期。通過(guò)監(jiān)測(cè)奶牛每天的行走步數(shù)，利用無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)上傳計(jì)算機(jī)，判斷步數(shù)是否有大幅增加，來(lái)確定奶牛是否處于發(fā)情期中。

本研究設(shè)計(jì)一種計(jì)步器（如圖1所示），其主要特點(diǎn)為：1） 超低功耗。控制器選取超低功耗的MCU；無(wú)線發(fā)射端采用zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，模塊工作時(shí)電流僅為25 mA，休眠時(shí)電流小于1 μA；對(duì)硬件電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低輸入漏電流，從而大大降低系統(tǒng)的整體功耗。2） 記錄準(zhǔn)確。提出一種新的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)計(jì)步算法，利用三軸加速度傳感器，建立準(zhǔn)確的奶牛運(yùn)動(dòng)模型，精確記錄奶牛行走的步數(shù)。3） 便于佩戴使用。計(jì)步器體積小、質(zhì)量輕，便于佩戴在奶牛的脖子和小腿處，不會(huì)使奶牛不適。

2 管理軟件設(shè)計(jì)

2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1） 阿菲牧牧場(chǎng)管理軟件。以色列阿菲金公司研發(fā)的阿菲牧牧場(chǎng)管理系統(tǒng)軟件是一種供奶牛場(chǎng)使用的智能化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)收集和分析奶牛場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)奶牛場(chǎng)的生產(chǎn)進(jìn)行信息化管理，其涵蓋了奶牛場(chǎng)所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)，為養(yǎng)殖戶提供了一個(gè)有效的信息度量工具。阿菲牧所收集的數(shù)據(jù)資料和數(shù)據(jù)庫(kù)使管理者始終能獲取信息的“制高點(diǎn)”，防患于未然，從而做出最好的管理決策。同時(shí)，阿菲牧也為牧場(chǎng)技術(shù)人員提供了便捷的工具，使其通過(guò)軟件可以準(zhǔn)確得到牛群個(gè)體的詳細(xì)信息，真正做到信息的可溯性，為高效工作奠定基礎(chǔ)。

2） Crystal牧場(chǎng)管理軟件。Crystal是Fullwood公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)易于使用的智能化牧群管理軟件，配合該公司研發(fā)的智能化擠奶自動(dòng)化裝備使用。Crystal軟件貫穿了奶牛場(chǎng)生產(chǎn)和管理的各個(gè)環(huán)節(jié)，其根本任務(wù)是提供過(guò)程控制、信息管理和決策支持的解決方案，提高畜牧業(yè)的生產(chǎn)力、盈利能力和改善生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化與智能化。Crystal的功能十分強(qiáng)大，從整體上分為兩部分，即在所有奶牛的層面上工作和在個(gè)體奶牛的層面上工作。Crystal提供的個(gè)體奶牛信息十分豐富，從基本信息和健康信息到繁殖、擠奶、飼喂、日程、活動(dòng)等奶牛生命周期的全部信息與數(shù)據(jù)，都可以自動(dòng)地由Crystal控制。

3） 豐頓奶牛場(chǎng)管理信息系統(tǒng)。豐頓奶牛場(chǎng)管理信息系統(tǒng)（FreeDMS 4.0）憑借中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)專業(yè)技術(shù)支撐，結(jié)合國(guó)外最新奶?？茖W(xué)管理經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)國(guó)內(nèi)數(shù)十位奶牛飼養(yǎng)專家的育種、養(yǎng)殖、生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)營(yíng)管理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，遵循我國(guó)奶牛飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（最新第3版）開(kāi)發(fā)，并經(jīng)多家奶牛場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用而發(fā)展成熟，是實(shí)現(xiàn)奶牛場(chǎng)降本增效和管理現(xiàn)代化的有力保證。該系統(tǒng)可完全實(shí)現(xiàn)奶牛生長(zhǎng)繁育全生命周期、胎次產(chǎn)奶周期和奶牛養(yǎng)殖企業(yè)日常生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理的規(guī)范化、科學(xué)化、透明化。該系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)功能包括參數(shù)設(shè)置、基本數(shù)據(jù)錄入、CNDHI接口、報(bào)告分析、智能預(yù)警、精液管理、獸醫(yī)保健、飼喂與營(yíng)養(yǎng)、選種選配。

2.2 奶牛場(chǎng)信息管理軟件研發(fā)

2.2.1 研發(fā)背景 當(dāng)前，大型奶牛場(chǎng)普遍引進(jìn)擠奶自動(dòng)化裝備代替人工擠奶作業(yè)。為了配合擠奶自動(dòng)化裝備完成擠奶任務(wù)，提高擠奶效率；同時(shí)為了對(duì)擠奶自動(dòng)化裝備在擠奶過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、統(tǒng)計(jì)、分析，發(fā)現(xiàn)奶牛的健康問(wèn)題，管控產(chǎn)出牛奶的質(zhì)量；也為了方便管理人員對(duì)奶場(chǎng)環(huán)境、奶牛及其他資產(chǎn)和資源進(jìn)行管理，控制生產(chǎn)成本，做出決策和規(guī)劃，遂研究開(kāi)發(fā)一款“奶牛場(chǎng)信息管理軟件”。

2.2.2 軟件功能 奶牛場(chǎng)信息管理軟件可以收集、統(tǒng)計(jì)、分析擠奶過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，以及對(duì)擠奶自動(dòng)化裝備進(jìn)行一些參數(shù)設(shè)定。其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。1） 用戶權(quán)限控制功能。主要是登錄保護(hù)，禁止未授權(quán)的用戶使用本軟件；將授權(quán)用戶分為普通用戶和管理員用戶，管理員比普通用戶有更多的權(quán)限，包括增加、刪除普通用戶（組）和對(duì)軟件的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，普通用戶不能使用軟件的某些功能。2） 系統(tǒng)設(shè)置功能。主要是對(duì)軟件的運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，包括一些基本設(shè)置（設(shè)置時(shí)間、功能快捷鍵等），數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出設(shè)置，軟件頁(yè)面布局設(shè)置（顯示或隱蔽一些區(qū)域、起始頁(yè)的布局），報(bào)表或列表設(shè)置，以及用戶權(quán)限設(shè)置。3） 奶牛信息管理功能。主要是對(duì)每頭個(gè)體奶牛的所有信息（基本信息、健康信息、繁殖信息、日程信息、擠奶信息、飼喂信息等）進(jìn)行管理，包括對(duì)信息的收集、整理、顯示、分析等。4） 牛舍信息管理功能。主要是收集牛舍中多個(gè)地點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)，這些傳感器對(duì)牛舍環(huán)境信息（溫度、濕度、氨氣濃度、二氧化碳濃度、牛舍通風(fēng)條件等）進(jìn)行監(jiān)控。5） 數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能。主要是方便用戶對(duì)軟件的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入和導(dǎo)出操作。用戶可以將當(dāng)前數(shù)據(jù)導(dǎo)入到其他文件進(jìn)行備份，或者將其他文件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入當(dāng)前的工作環(huán)境。6） 奶牛信息摘要功能。主要是在用戶打開(kāi)登錄后，向用戶展示其感興趣的奶牛信息的摘要或報(bào)告。用戶可以快速定位奶牛（如患有乳房炎的奶?；蚣磳a(chǎn)犢的奶牛），然后進(jìn)行后續(xù)操作。7） 生成報(bào)告功能。主要是讓用戶自定義報(bào)告的格式，然后軟件對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并生成報(bào)告。

2.2.3 軟件功能需求詳述

1） 用戶權(quán)限控制。該功能的業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

2） 系統(tǒng)設(shè)置。① 背景數(shù)據(jù)交換時(shí)間。為防止軟件使用過(guò)程中發(fā)生意外情況導(dǎo)致擠奶自動(dòng)化裝備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)丟失，軟件需要每隔一段時(shí)間在任務(wù)空閑時(shí)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，時(shí)間間隔可以由用戶設(shè)置，以避免由于頻繁的寫(xiě)入導(dǎo)致當(dāng)前任務(wù)處理變慢。② 數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)?？梢栽O(shè)定軟件是否在重新啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3） 奶牛信息管理。① 奶?；拘畔ⅰ？梢燥@示個(gè)體奶牛的基本信息和奶牛的一些基本設(shè)置?；拘畔ǎ耗膛＞幪?hào)（ID）、分組編號(hào)、奶牛耳號(hào)、計(jì)步器編號(hào)、性別、毛色、品種、牛舍編號(hào)、牛場(chǎng)、出生日期和用途。除以上基本信息外，還可顯示個(gè)體奶牛的生育信息。奶牛的雙親信息可被用來(lái)查看該奶牛的血統(tǒng)和世系圖譜，該功能可以顯示奶牛雙親的編號(hào)（ID）。② 奶牛分組信息?？梢砸罁?jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同一頭奶牛進(jìn)行分組。軟件提供4種分類方法，分別是根據(jù)飼喂量、根據(jù)產(chǎn)奶量、根據(jù)哺乳期天數(shù)、根據(jù)用途。③ 其他數(shù)據(jù)?？梢燥@示奶牛的一些附加信息，包括：添加日期、最后修改、顯示該奶牛信息的最后一次修改的日期、日程信息、擠奶信息、擠奶列表、擠奶量統(tǒng)計(jì)、營(yíng)養(yǎng)成分、裝備設(shè)置、每天擠奶量的統(tǒng)計(jì)圖、當(dāng)前情況、整個(gè)泌乳期的情況、配給量算法等。

2.3 模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 奶牛信息摘要模塊 該模塊在用戶登錄后的第一個(gè)界面顯示，方便用戶查看。默認(rèn)顯示所有奶牛的信息，根據(jù)在設(shè)置模塊的用戶設(shè)置，顯示用戶感興趣的信息項(xiàng)。模塊界面采用MFC的“組合列表框”控件，默認(rèn)顯示的信息項(xiàng)有：組（牛群）編號(hào)、牛只編號(hào)、耳號(hào)、性別、生長(zhǎng)階段、產(chǎn)奶階段、計(jì)步器數(shù)據(jù)。模塊界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

該模塊中還設(shè)計(jì)了一個(gè)篩選器，這樣用戶就可以在界面中只關(guān)注某些符合條件的奶牛。例如，只關(guān)注在“泌乳期”的奶?；蛑魂P(guān)注在“干奶期”的奶牛。用戶雙擊列表中的某條奶牛信息，將彈出一個(gè)模態(tài)對(duì)話框，即是該奶牛的各種詳細(xì)信息。

2.3.2 奶?；拘畔⒛K 該模塊可根據(jù)需求分析的要求，顯示一頭奶牛的各種基本信息。模塊界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

為了使該界面可復(fù)用（與添加奶牛信息使用同一個(gè)界面），根據(jù)不同的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)使用不同的MFC控件。例如，性別使用了單選按鈕（Radio button），毛色、品種等可選擇的數(shù)據(jù)使用了組合框控件（Combo box），出生日期使用了時(shí)間日期選擇控件（Date Time Picker）。

2.3.3 擠奶信息模塊 該模塊處理奶牛擠奶過(guò)程中擠奶自動(dòng)化裝備的各種傳感器傳過(guò)來(lái)的各種數(shù)據(jù)，還會(huì)顯示數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)。模塊界面（如圖6所示）中“每天擠奶量統(tǒng)計(jì)”折線圖使用了TeeChart這一第三方MFC控件。

該模塊中有多處數(shù)據(jù)庫(kù)讀取操作。界面初始化時(shí)，需要初始化列表組合控件和圖表控件的數(shù)據(jù)。初始化列表數(shù)據(jù)所使用的SQL語(yǔ)句為：

SELECT MilkDate， MilkTime， Duration， Yield， Result FROM t_CowMilking WHERE CowID=id ORDER BY MilkDate DESC， MilkTime ASC；

此SQL語(yǔ)句在數(shù)據(jù)庫(kù)表中查詢出擠奶數(shù)據(jù)，并按照日期降序、時(shí)間升序排列。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究開(kāi)發(fā)的奶牛計(jì)步器與奶牛場(chǎng)信息管理軟件產(chǎn)品經(jīng)推廣銷售后，每100萬(wàn)元的銷售收入將獲得30萬(wàn)元的利潤(rùn)。黑龍江省奶牛存欄量300萬(wàn)頭，全省規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場(chǎng)2 279個(gè)。隨著推廣范圍擴(kuò)大，銷售量將會(huì)逐年增加，前景廣闊。該成果的推廣應(yīng)用是促進(jìn)養(yǎng)牛業(yè)向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效益和集約化發(fā)展的有效途徑，在推動(dòng)奶牛飼養(yǎng)、奶牛生產(chǎn)等行業(yè)發(fā)展的同時(shí)，可帶動(dòng)奶牛用品生產(chǎn)、加工等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣曉新.計(jì)步器在荷斯坦奶牛群體生理健康水平監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[2] 劉俊杰，王秀珍，余濤，等.擠奶機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2015（7）：30-33.

[3] 高旭東.基于加速度傳感器和無(wú)線傳輸?shù)哪膛Ｓ?jì)步器系統(tǒng)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2014.

[4] 李軍，羅艷紅，毛紅安.DHI、TMR、牛場(chǎng)管理軟件三位一體綜合技術(shù)應(yīng)用[J].中國(guó)乳業(yè)，2013（10）：31-33.