DHI采樣信息化系統(tǒng)及應(yīng)用

薛光輝，李建斌，張汝美，李榮嶺，王晨，鮑鵬，楊君，侯明海

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學院奶牛研究中心，濟南 250131；2.山東奧克斯畜牧種業(yè)有限公司，濟南250131； 3.鄭州奇飛特電子科技有限公司，鄭州 450000）

奶牛生產(chǎn)性能測定（DHI）技術(shù)能顯著提高奶牛場牛群遺傳品質(zhì)及經(jīng)濟效益，已經(jīng)被世界奶業(yè)發(fā)達國家廣泛采用。我國自2008年開始大規(guī)模開展DHI工作，《中國奶業(yè)白皮書（2017）》數(shù)據(jù)顯示，截至2016年底，全國參加DHI的牛場數(shù)已達1 543個，參測奶牛頭數(shù)由2008年的24.5萬頭增加至100.5萬頭。采樣作為DHI工作的第一步，其準確性是至關(guān)重要的，傳統(tǒng)的奶樣采集方法是采樣時預(yù)先在樣品瓶上貼上空白標簽，登記樣品瓶序號，采樣員手工抄寫奶牛耳號，然后將采樣瓶序號與奶牛耳號一一對應(yīng)（或直接在采樣瓶上登記奶牛耳號），奶樣到達DHI實驗室后由技術(shù)人員根據(jù)樣品瓶序號（或奶牛耳號）進行檢測，檢測數(shù)據(jù)與樣品瓶序號（或奶牛耳號）一一對應(yīng)，最后數(shù)據(jù)處理人員將牛只信息和實驗數(shù)據(jù)對應(yīng)起來。為保證奶樣的準確性，采樣員需要遵守規(guī)范的采樣流程，但全程一直是人工操作，包括記錄牛號、規(guī)范取樣、搖勻奶樣等，中間難免出現(xiàn)失誤，如耳號記錄錯誤、牛號暈染、采樣瓶序號錯亂、數(shù)據(jù)丟失等[1]，致使奶樣數(shù)據(jù)的準確性降低，樣品的檢測和分析出現(xiàn)偏差，最終對牛場的管理產(chǎn)生誤導(dǎo)[2]。為了優(yōu)化DHI工作流程，提高采樣效率，保證樣品的準確性，筆者所在研究團隊初步研發(fā)了一套基于奶牛電子耳標和采樣瓶條形碼識別的信息化采樣系統(tǒng)。

1 DHI采樣信息化系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

DHI采樣信息化系統(tǒng)是由RFID電子耳標、RFID電子耳標識別器、手持采集終端、條形碼打印機（條形碼）、條形碼掃描器、本地服務(wù)器六部分硬件及網(wǎng)絡(luò)配置構(gòu)成（圖1）。

圖1 硬件配置

1.2 硬件及功能介紹

1.2.1 RFID電子耳標

RFID電子耳標內(nèi)置電子芯片和天線，主要功能是承載奶牛的個體信息[3]。具有ID唯一，安全性高，不易掉落等優(yōu)點，芯片采用母扣式設(shè)計，可重復(fù)使用，可被反復(fù)讀寫10萬次以上，使用壽命可達10年以上；外觀采用TPU封裝，具有良好的防曬、防塵、防浸泡性能。

1.2.2 RFID電子耳標識別器

具有識別RFID電子耳標的功能，可快速讀取低頻及超高頻電子耳標。讀取距離為5～60cm，可選芯片有TK4100、EM4200、EM4305、Hitag s256等；配備4000mAh可充電鋰聚合物電池，正常工作8h以上，待機時長達200h。

1.2.3 手持采集終端

是架起信息化、自動化管理平臺與奶牛個體之間的橋梁，具有奶牛耳號、欄位號等數(shù)據(jù)的顯示、錄入和存儲以及識別條形碼的功能。內(nèi)置Android5.0以上操作系統(tǒng)、Qualcomm 8909 1.2G雙核CPU、8GB ROM及1GB RAM的存儲空間，并配置7寸高清LCD電容式觸摸屏，分辨率為1024×600，攝像頭為800/1300萬像素，可支持北斗和GPS定位，精度在10m以內(nèi)。

1.2.4 條形碼標簽及條形碼打印機

條形碼標簽用白色PET防水不干膠標簽紙制成，具有防水、防油、不可撕破、耐高溫、耐刮擦的特點，尺寸可根據(jù)采樣瓶大小進行調(diào)整，主要功能是代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空白標簽。條形碼打印機尺寸為297mm×226mm×177mm，重量2.5kg，最大介質(zhì)直徑為127mm，介質(zhì)芯尺寸25mm×38mm，寬度為25～110mm，打印分辨率203dpi，為標準USB設(shè)備接口和USB主機接口，碳帶選用全樹脂基碳帶。

1.2.5 條形碼掃描器

為實驗室配制，與檢測儀器相兼容，主要用于測樣時快速讀取采樣瓶上的條形碼數(shù)據(jù)。尺寸為16.3cm×9.1cm×4.1cm，重量145g，影像感應(yīng)器為Wide VGA 752×480 pixels，分辨率為0.102mm/4mils。

1.2.6 本地服務(wù)器和計算機

牛場配置電腦一臺，主要用于數(shù)據(jù)存儲與管理，如采樣數(shù)據(jù)備份、存儲和上傳等。硬件要求CPU 2G以上，內(nèi)存1G，運行環(huán)境為Windows XP或以上，后臺安裝網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫Microsoft SQL Server。

1.3 采樣流程

1.3.1 采樣前準備

所有牛只尤其是泌乳牛只安裝電子耳標；清點所需的貼有條形碼的采樣瓶數(shù)量，數(shù)量與采樣牛只相應(yīng)；檢查RFID電子耳標識別器、手持采集終端、本地服務(wù)器的運行及通訊情況，安裝奶樣取樣器。

1.3.2 采樣

奶牛進入擠奶廳后，采樣員使用電子耳標識別器按欄位順序依次識別牛只耳號，并將識別的牛號傳至手持采集終端；牛號識別結(jié)束后，利用手持采集終端按順序掃描采樣瓶條形碼，每批次掃描完成后將牛只耳號及條形碼數(shù)據(jù)一并上傳至本地服務(wù)器；按規(guī)范采集奶樣，每頭牛奶量不少于40mL，充分混勻，確保防腐劑完全溶解；采樣時注意保持奶樣的清潔，奶樣采集結(jié)束，裝箱后送至DHI測定中心；資料員統(tǒng)計牛群檔案信息，包括牛號、出生日期、父母號、產(chǎn)犢日期、產(chǎn)奶量等，通過e-mail發(fā)送至DHI測定中心。

1.3.3 實驗室檢測與報告制作

奶樣到達DHI測定中心后，樣品檢測組檢查奶樣完整情況，利用乳成分測定儀器進行樣品檢測，條形碼掃描器直接識別奶樣瓶上的條形碼數(shù)據(jù)并自動記錄條形碼信息；奶樣檢測結(jié)束，數(shù)據(jù)處理組將乳成分、條形碼及牛群檔案信息進行整理，制作DHI報告，報告完成后返給牛場，技術(shù)服務(wù)人員幫助牛場進行DHI數(shù)據(jù)分析。

DHI信息化采樣流程見圖2。

圖2 DHI信息化采樣流程

1.4 系統(tǒng)特點

該系統(tǒng)在使用過程中，表現(xiàn)出以下特點：①牛號獲取自動化，不用人工記錄，提高了牛號獲取的速度和準確度；②采樣流程規(guī)范化，通過系統(tǒng)將牛號與欄位號、欄位號與采樣瓶條形碼進行對應(yīng)，最終實現(xiàn)牛號與采樣瓶條形碼的一一對應(yīng)，保證樣品不會“張冠李戴”，每份奶樣采集后，樣品瓶可隨意擺放；③帶有條形碼的采樣瓶可重復(fù)使用，節(jié)省了制作和重復(fù)粘貼空白標簽的人力、物力和時間；④網(wǎng)絡(luò)化、信息化采樣有效地保護了樣品數(shù)據(jù)，減少了奶樣數(shù)據(jù)的人為丟失；⑤方便了歷次采樣數(shù)據(jù)的集中管理；⑥樣品檢測不受擺放順序的限制，提高了檢測的自由度。

1.5 誤差處理

利用RFID電子耳標識別器識別電子耳標，理論上可以達到100%準確率，但奶牛電子耳標偶有脫落的情況發(fā)生，或部分奶牛在識別掃描時頭部擺動劇烈，使得電子耳標較難識別。為避免識別誤差的發(fā)生，可用如下方案處理：①手持采集終端，手動錄入未識別到的電子耳標，此時識別器能自動判斷手動錄入耳號的準確性；②牧場及時補打脫落的電子耳標，減少手動錄入牛號的情況，提高識別速度，減少人為誤差；③識別器內(nèi)部設(shè)定好每批次擠奶的奶牛頭數(shù)，當識別總數(shù)不夠時，識別器會自動發(fā)出警報聲，提示采樣員重新檢查，補充漏掃的牛只。

2 應(yīng)用前景

DHI早已成為奶業(yè)發(fā)達國家奶牛養(yǎng)殖現(xiàn)代化綜合管理的代名詞，作為主流的生產(chǎn)性能測定手段被廣泛應(yīng)用，我國應(yīng)以DHI大數(shù)據(jù)統(tǒng)領(lǐng)奶業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展，將其作為重大民生工程列入國家中長期發(fā)展戰(zhàn)略[4]。雖然我國奶牛DHI參測率仍很低，但這也反映出DHI技術(shù)還有廣闊的推行空間，DHI采樣信息化系統(tǒng)會有很好的應(yīng)用前景。主要表現(xiàn)在：①奶牛場對DHI重要性的認識及參測積極性提高，加之中央財政持續(xù)進行專項資金支持，將會有更多奶牛場主動參加DHI工作；②牛場規(guī)模化、規(guī)范化程度逐步提高，基于應(yīng)用電子耳標、計步器識別的各類信息化服務(wù)軟件進行牛群管理的牛場越來越多，這為DHI采樣信息化系統(tǒng)在奶牛場的推廣提供了重要基礎(chǔ)；③由于奶牛場技術(shù)人才水平的提高，對智能化、信息化采樣的需求增大；④未來DHI可能作為第三方實驗室，檢測結(jié)果成為原料乳按質(zhì)定價的重要依據(jù)，因此DHI數(shù)據(jù)的可靠性顯得尤為重要，而信息化采樣系統(tǒng)減少了人為操作的誤差，從源頭上保證了數(shù)據(jù)的準確性。

3 討論

DHI工作是涉及行政主管部門、DHI測定中心、奶牛場等各單位的一項過程繁瑣而效果顯著的系統(tǒng)性工作。對于采樣環(huán)節(jié)監(jiān)管起來較難，易受牧場管理者積極性、采樣員責任心、奶廳環(huán)境等主觀和客觀因素的影響，又因其范圍的局限性，在技術(shù)上難有重大的、突破性的改進。不過隨著DHI技術(shù)被越來越多的科技人員所認識，國內(nèi)也出現(xiàn)了對DHI技術(shù)進行優(yōu)化的研究，如：利用SAS程序制作DHI報告[5]；將計算機網(wǎng)絡(luò)與牛只標識技術(shù)（二維碼與電子腿標等）相結(jié)合的智能管理信息系統(tǒng)[6]的研究等。后者為解決采樣數(shù)據(jù)錄入提供了很好的思路，但研究是將牛號編成二維碼標識系于牛后腳踝上進行掃碼采樣，識別極易受奶牛肢蹄衛(wèi)生的影響。還出現(xiàn)了基于移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下奶牛DHI數(shù)據(jù)互通互聯(lián)的DHI系統(tǒng)設(shè)計[7]，但其主要意圖是拓展DHI測定中心的業(yè)務(wù)范圍，而針對Android智能手機如何在牧場客戶端進行采樣應(yīng)用，并沒有成功的技術(shù)設(shè)計。參加DHI測定的奶牛場無論規(guī)模大小，若人工采樣操作，需要手動進行耳號記錄、奶樣采集、奶樣擺放等操作，中間不免容易發(fā)生人為操作失誤的情況，而DHI采樣信息化系統(tǒng)，深入優(yōu)化了奶牛生產(chǎn)性能測定中關(guān)鍵的采樣環(huán)節(jié)，降低了奶樣采集的人為失誤和不確定性，提升了DHI的工作效率。今后隨著萬頭存欄規(guī)模的牧場開始參加DHI工作，信息化采樣的應(yīng)用會更加廣泛。