信息化技術(shù)在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用

王云，蘆娜，馬毅

（1.天津市科學(xué)技術(shù)信息研究所，天津 300074；2.天津市畜牧獸醫(yī)研究所，天津 300381）

信息化水平是衡量一個國家現(xiàn)代化水平的重要指標(biāo)，畜牧業(yè)信息化程度更是決定了我國畜牧業(yè)發(fā)展的深度和廣度。奶牛養(yǎng)殖業(yè)作為我國畜牧行業(yè)中的經(jīng)濟(jì)型和節(jié)糧型的高效產(chǎn)業(yè)，正在經(jīng)歷大變革與大發(fā)展。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式已然不適應(yīng)現(xiàn)代化、規(guī)模化、集約化的奶牛養(yǎng)殖，信息化技術(shù)正逐漸應(yīng)用于奶牛養(yǎng)殖業(yè)，并推動其向精細(xì)化、智能化方向發(fā)展。本文主要從奶牛生產(chǎn)中常見的信息化技術(shù)和信息化技術(shù)在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用兩方面對國內(nèi)外情況進(jìn)行論述。

1 奶牛生產(chǎn)中常見的信息化技術(shù)

1．1 無線射頻識別（RFID）技術(shù)

無線射頻識別（Radio frequency identification,RFID）技術(shù)是一種通過交變磁場、電磁場利用射頻信號將信息以非接觸方式進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，并通過其負(fù)載的信息數(shù)據(jù)來實現(xiàn)目標(biāo)自動識別的技術(shù)，具有非接觸、非視覺、無需人工干預(yù)等特點，目前在奶牛生產(chǎn)中常用于奶牛的識別與跟蹤、乳制品追溯系統(tǒng)以及數(shù)字化養(yǎng)殖[1]。

1．2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式計算技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)，通過各類傳感器的協(xié)作實時監(jiān)測、感知、采集信息，并通過無線傳送信息[2]。目前，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛運動行為實時監(jiān)測系統(tǒng)[3]、奶牛舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[4]、奶牛養(yǎng)殖管理定位系統(tǒng)[5]等已被開發(fā)并應(yīng)用于奶牛生產(chǎn)中。

1．3 生物識別

生物識別是根據(jù)個體特征的唯一性，結(jié)合計算機與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計學(xué)原理，識別動物個體聲音、面部、指紋等的技術(shù)，具有適用廣泛、準(zhǔn)確高效、錯誤率低的特點，目前主要對奶牛鼻鏡、眼部、面部、側(cè)面花紋以及尻部進(jìn)行識別[6]。

2 信息化技術(shù)在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用

2．1 反芻行為監(jiān)測在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用

反芻作為奶牛的重要生理活動，與生產(chǎn)性能密切相關(guān)，并在一定程度上反映奶牛的健康狀況。傳統(tǒng)方法主要靠人工監(jiān)測反芻行為，成本較高，易產(chǎn)生誤差。而智能化、精準(zhǔn)化的監(jiān)測手段主要依靠信息化技術(shù)實現(xiàn)。王莉薇等[7]設(shè)計了一種多源參數(shù)可穿戴式監(jiān)測設(shè)備及輔助佩戴裝置，監(jiān)測奶牛反芻聲音信號及姿態(tài)信號。Zehner等[8]開發(fā)了RumiWatch鼻帶傳感器，包括一個鼻帶壓力傳感器、一個帶有在線數(shù)據(jù)分析和軟件的數(shù)據(jù)記錄器，用于奶牛反芻和進(jìn)食行為的自動測量。該系統(tǒng)可記錄并分類咀嚼活動的持續(xù)時間，使用戶能夠量化動物反芻和進(jìn)食次數(shù)。

2．2 TMR監(jiān)測在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用

日糧是奶牛發(fā)揮生產(chǎn)性能的關(guān)鍵因素之一，因此，監(jiān)測奶牛日糧的制作與飼喂顯得尤為重要。全混合日糧（Total mixed ration, TMR）是根據(jù)奶牛不同生長發(fā)育及泌乳階段的營養(yǎng)需求和飼養(yǎng)目標(biāo)，按照飼料配方，用特制的攪拌機混合而成的營養(yǎng)均衡的日糧。TMR配制及飼喂技術(shù)已被規(guī)?；膛霾捎?。張德敏等[9]利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)了一種能自動采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)的TMR智能監(jiān)控系統(tǒng)，能夠監(jiān)控飼喂過程中奶牛飼料配方制作、上料和各牛舍投料過程，記錄、分析飼喂過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行評價和智能提示，可有效提高奶牛場TMR精確化飼喂程度。

2．3 發(fā)情監(jiān)測在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用

奶牛養(yǎng)殖過程中，繁殖問題是制約牛場經(jīng)濟(jì)效益的重要因素之一。奶牛的發(fā)情監(jiān)測作為繁殖工作中的一個重要環(huán)節(jié)，其監(jiān)測率直接影響奶牛的受孕率，進(jìn)而影響整個奶牛場的經(jīng)濟(jì)效益，因此需要采取高效的發(fā)情監(jiān)測方法，提高生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)的發(fā)情監(jiān)測通常采用外部觀察、直腸檢測、試情法等人工手段，存在工作量大、耗費時間長等弊端，且僅適用于小規(guī)模的奶牛養(yǎng)殖場。如今傳統(tǒng)方法已不能適應(yīng)集約化、規(guī)?；哪膛ｐB(yǎng)殖場，現(xiàn)代化、信息化方法已逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代化奶牛養(yǎng)殖。目前，基于奶牛發(fā)情時外部和內(nèi)部的生理體征變化，通過電子傳感器、視頻圖像或聲音裝置監(jiān)測奶牛發(fā)情的方法已被研發(fā)并應(yīng)用。

劉忠超等[10]設(shè)計了一種基于Android的奶牛發(fā)情爬跨行為無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用AT89C52單片機作為控制器，用薄膜壓力傳感器采集奶牛背部以及尾部壓力信息，使用OLED顯示屏進(jìn)行人機交互，并開發(fā)了Android平臺的手機APP壓力監(jiān)測系統(tǒng)，通過ESP8266 WIFI模塊完成數(shù)據(jù)的過程無線傳輸，從而實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測。還有根據(jù)奶牛發(fā)情時陰道黏液生理特征變化設(shè)計的陰道植入式電阻傳感器與無線監(jiān)測系統(tǒng)，對陰道電阻值進(jìn)行采集，通過無線傳輸系統(tǒng)傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，經(jīng)由總線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實現(xiàn)了奶牛陰道電阻的精確采集和遠(yuǎn)程實時監(jiān)測[11]。此外，還有基于ZigBee和C#的奶牛發(fā)情遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[12]，該系統(tǒng)是基于Storm的奶牛發(fā)情實時監(jiān)測系統(tǒng)[13]，利用無線傳感器的監(jiān)測方法實現(xiàn)對奶牛發(fā)情的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

視頻監(jiān)控和智能分析技術(shù)可以克服接觸式傳感器的弊端[14]，在奶牛發(fā)情監(jiān)測上取得了一定的成果。劉忠超等[14]根據(jù)奶牛發(fā)情爬跨行為特征，提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的奶牛發(fā)情監(jiān)測法，使用Matlab的MatConvnet深度學(xué)習(xí)工具箱搭建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對采集的奶牛視頻進(jìn)行分析。該方法對奶牛發(fā)情行為的識別準(zhǔn)確率為98.25%，漏檢率為1.75%，能夠?qū)崿F(xiàn)奶牛發(fā)情爬跨的無接觸實時監(jiān)測，且識別率較高，可顯著提高規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖場的管理效率。

2．4 活動量監(jiān)測和姿態(tài)識別在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用

活動量和姿態(tài)是評價奶牛健康狀況和生理狀態(tài)的重要指標(biāo)。奶?；顒恿渴侵笇δ膛Ｈ粘＿\動、采食、反芻等全部行為活動的計量[15]，其監(jiān)測可通過計步器實現(xiàn)。計步器大多捆綁在奶牛腿部，可實時監(jiān)測奶牛活動量并將信息發(fā)送到接收平臺，平臺通過有線傳輸將信息發(fā)送給服務(wù)器分析。目前，生產(chǎn)計步器的國外廠商主要有瑞典利拉伐（DeLaval）公司等。

國內(nèi)關(guān)于奶牛活動量和姿態(tài)的識別也有了較為深入的研究。李輝[16]開發(fā)了一款基于LoRaWAN和多傳感器的奶牛計步及姿態(tài)檢測系統(tǒng)，可滿足大規(guī)模牧場對于監(jiān)測的長距離的需求，精確度在95%以上；其利用實時氣壓數(shù)據(jù)設(shè)計了一套姿態(tài)檢測算法，可準(zhǔn)確識別出奶牛的趴臥姿態(tài)并記錄趴臥時長。李萌[17]開發(fā)了基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的奶牛姿態(tài)識別方法，將傳感器終端佩戴于奶牛頸部，該傳感器可識別采食、行走、撓癢等7種動作和奶牛的姿態(tài)，采集的數(shù)據(jù)通過Lora網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)對奶牛姿態(tài)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2．5 體溫監(jiān)測在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用

體溫作為重要的生理指標(biāo)，與奶牛繁殖行為息息相關(guān)。對體溫進(jìn)行實時監(jiān)測，可準(zhǔn)確判斷奶牛繁殖周期的不同階段，及時反映奶牛健康狀況。

傳統(tǒng)的體溫檢測方法采用水銀溫度計或電子體溫計對奶牛直腸進(jìn)行溫度測量，該方法需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，工作強度大，效率低下，且容易引起奶牛個體間的疾病傳染，不能滿足現(xiàn)代化、規(guī)模化養(yǎng)殖的需要。

現(xiàn)代化的自動體溫監(jiān)測方法主要分為非接觸式、接觸式與植入式三種。非接觸式體溫監(jiān)測是將非接觸式紅外溫度傳感器與無線通信技術(shù)相結(jié)合，通過測量物體表面發(fā)射的能量進(jìn)而測定溫度，其優(yōu)點是速度快、測量范圍寬，但也存在測量準(zhǔn)確度低、不能實時監(jiān)測等缺點[15]。范永存等[18]采用10TP583T型紅外溫度傳感器監(jiān)測奶牛體溫，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對采集的奶牛體溫數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，該方法測量誤差小于0.24℃。

自動接觸式體溫監(jiān)測主要利用接觸式的溫度傳感器（如熱敏電阻、熱電阻、熱電偶等）監(jiān)測奶牛的體溫變化，并基于無線通信技術(shù)實現(xiàn)奶牛體溫傳輸，該方法測量精度高，但對于奶牛等全身被毛的大型動物，很難找到適合溫度傳感器固定的最佳位置，且設(shè)備成本高，不易推廣[19]。

植入式體溫監(jiān)測是利用無線遙感技術(shù)將測溫裝置植入動物體內(nèi)，再將檢測到的溫度數(shù)據(jù)通過電磁信號發(fā)送至體外接收器，優(yōu)點是測量精度高，缺點是對動物的刺激較大[15]。何東健等[19]設(shè)計的奶牛體溫植入式傳感器，利用PT1000鉑電阻作為溫度測量探頭，利用ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器、PSP430控制芯片，對采集的電壓進(jìn)行處理，傳感器的測量誤差在0.05℃以內(nèi)，可實時準(zhǔn)確地監(jiān)測奶牛的體溫變化。

在奶牛養(yǎng)殖過程中采用信息化手段，有利于推動養(yǎng)殖方式的變革，提高養(yǎng)殖效率，促進(jìn)奶業(yè)更好發(fā)展。