DHI采样信息化系统及应用

薛光辉，李建斌，张汝美，李荣岭，王晨，鲍鹏，杨君，侯明海

（1.山东省农业科学院奶牛研究中心，济南 250131；2.山东奥克斯畜牧种业有限公司，济南250131； 3.郑州奇飞特电子科技有限公司，郑州 450000）

奶牛生产性能测定（DHI）技术能显著提高奶牛场牛群遗传品质及经济效益，已经被世界奶业发达国家广泛采用。我国自2008年开始大规模开展DHI工作，《中国奶业白皮书（2017）》数据显示，截至2016年底，全国参加DHI的牛场数已达1 543个，参测奶牛头数由2008年的24.5万头增加至100.5万头。采样作为DHI工作的第一步，其准确性是至关重要的，传统的奶样采集方法是采样时预先在样品瓶上贴上空白标签，登记样品瓶序号，采样员手工抄写奶牛耳号，然后将采样瓶序号与奶牛耳号一一对应（或直接在采样瓶上登记奶牛耳号），奶样到达DHI实验室后由技术人员根据样品瓶序号（或奶牛耳号）进行检测，检测数据与样品瓶序号（或奶牛耳号）一一对应，最后数据处理人员将牛只信息和实验数据对应起来。为保证奶样的准确性，采样员需要遵守规范的采样流程，但全程一直是人工操作，包括记录牛号、规范取样、摇匀奶样等，中间难免出现失误，如耳号记录错误、牛号晕染、采样瓶序号错乱、数据丢失等[1]，致使奶样数据的准确性降低，样品的检测和分析出现偏差，最终对牛场的管理产生误导[2]。为了优化DHI工作流程，提高采样效率，保证样品的准确性，笔者所在研究团队初步研发了一套基于奶牛电子耳标和采样瓶条形码识别的信息化采样系统。

1 DHI采样信息化系统

1.1 系统构成

DHI采样信息化系统是由RFID电子耳标、RFID电子耳标识别器、手持采集终端、条形码打印机（条形码）、条形码扫描器、本地服务器六部分硬件及网络配置构成（图1）。

图1 硬件配置

1.2 硬件及功能介绍

1.2.1 RFID电子耳标

RFID电子耳标内置电子芯片和天线，主要功能是承载奶牛的个体信息[3]。具有ID唯一，安全性高，不易掉落等优点，芯片采用母扣式设计，可重复使用，可被反复读写10万次以上，使用寿命可达10年以上；外观采用TPU封装，具有良好的防晒、防尘、防浸泡性能。

1.2.2 RFID电子耳标识别器

具有识别RFID电子耳标的功能，可快速读取低频及超高频电子耳标。读取距离为5～60cm，可选芯片有TK4100、EM4200、EM4305、Hitag s256等；配备4000mAh可充电锂聚合物电池，正常工作8h以上，待机时长达200h。

1.2.3 手持采集终端

是架起信息化、自动化管理平台与奶牛个体之间的桥梁，具有奶牛耳号、栏位号等数据的显示、录入和存储以及识别条形码的功能。内置Android5.0以上操作系统、Qualcomm 8909 1.2G双核CPU、8GB ROM及1GB RAM的存储空间，并配置7寸高清LCD电容式触摸屏，分辨率为1024×600，摄像头为800/1300万像素，可支持北斗和GPS定位，精度在10m以内。

1.2.4 条形码标签及条形码打印机

条形码标签用白色PET防水不干胶标签纸制成，具有防水、防油、不可撕破、耐高温、耐刮擦的特点，尺寸可根据采样瓶大小进行调整，主要功能是代替传统的空白标签。条形码打印机尺寸为297mm×226mm×177mm，重量2.5kg，最大介质直径为127mm，介质芯尺寸25mm×38mm，宽度为25～110mm，打印分辨率203dpi，为标准USB设备接口和USB主机接口，碳带选用全树脂基碳带。

1.2.5 条形码扫描器

为实验室配制，与检测仪器相兼容，主要用于测样时快速读取采样瓶上的条形码数据。尺寸为16.3cm×9.1cm×4.1cm，重量145g，影像感应器为Wide VGA 752×480 pixels，分辨率为0.102mm/4mils。

1.2.6 本地服务器和计算机

牛场配置电脑一台，主要用于数据存储与管理，如采样数据备份、存储和上传等。硬件要求CPU 2G以上，内存1G，运行环境为Windows XP或以上，后台安装网络数据库Microsoft SQL Server。

1.3 采样流程

1.3.1 采样前准备

所有牛只尤其是泌乳牛只安装电子耳标；清点所需的贴有条形码的采样瓶数量，数量与采样牛只相应；检查RFID电子耳标识别器、手持采集终端、本地服务器的运行及通讯情况，安装奶样取样器。

1.3.2 采样

奶牛进入挤奶厅后，采样员使用电子耳标识别器按栏位顺序依次识别牛只耳号，并将识别的牛号传至手持采集终端；牛号识别结束后，利用手持采集终端按顺序扫描采样瓶条形码，每批次扫描完成后将牛只耳号及条形码数据一并上传至本地服务器；按规范采集奶样，每头牛奶量不少于40mL，充分混匀，确保防腐剂完全溶解；采样时注意保持奶样的清洁，奶样采集结束，装箱后送至DHI测定中心；资料员统计牛群档案信息，包括牛号、出生日期、父母号、产犊日期、产奶量等，通过e-mail发送至DHI测定中心。

1.3.3 实验室检测与报告制作

奶样到达DHI测定中心后，样品检测组检查奶样完整情况，利用乳成分测定仪器进行样品检测，条形码扫描器直接识别奶样瓶上的条形码数据并自动记录条形码信息；奶样检测结束，数据处理组将乳成分、条形码及牛群档案信息进行整理，制作DHI报告，报告完成后返给牛场，技术服务人员帮助牛场进行DHI数据分析。

DHI信息化采样流程见图2。

图2 DHI信息化采样流程

1.4 系统特点

该系统在使用过程中，表现出以下特点：①牛号获取自动化，不用人工记录，提高了牛号获取的速度和准确度；②采样流程规范化，通过系统将牛号与栏位号、栏位号与采样瓶条形码进行对应，最终实现牛号与采样瓶条形码的一一对应，保证样品不会“张冠李戴”，每份奶样采集后，样品瓶可随意摆放；③带有条形码的采样瓶可重复使用，节省了制作和重复粘贴空白标签的人力、物力和时间；④网络化、信息化采样有效地保护了样品数据，减少了奶样数据的人为丢失；⑤方便了历次采样数据的集中管理；⑥样品检测不受摆放顺序的限制，提高了检测的自由度。

1.5 误差处理

利用RFID电子耳标识别器识别电子耳标，理论上可以达到100%准确率，但奶牛电子耳标偶有脱落的情况发生，或部分奶牛在识别扫描时头部摆动剧烈，使得电子耳标较难识别。为避免识别误差的发生，可用如下方案处理：①手持采集终端，手动录入未识别到的电子耳标，此时识别器能自动判断手动录入耳号的准确性；②牧场及时补打脱落的电子耳标，减少手动录入牛号的情况，提高识别速度，减少人为误差；③识别器内部设定好每批次挤奶的奶牛头数，当识别总数不够时，识别器会自动发出警报声，提示采样员重新检查，补充漏扫的牛只。

2 应用前景

DHI早已成为奶业发达国家奶牛养殖现代化综合管理的代名词，作为主流的生产性能测定手段被广泛应用，我国应以DHI大数据统领奶业战略发展，将其作为重大民生工程列入国家中长期发展战略[4]。虽然我国奶牛DHI参测率仍很低，但这也反映出DHI技术还有广阔的推行空间，DHI采样信息化系统会有很好的应用前景。主要表现在：①奶牛场对DHI重要性的认识及参测积极性提高，加之中央财政持续进行专项资金支持，将会有更多奶牛场主动参加DHI工作；②牛场规模化、规范化程度逐步提高，基于应用电子耳标、计步器识别的各类信息化服务软件进行牛群管理的牛场越来越多，这为DHI采样信息化系统在奶牛场的推广提供了重要基础；③由于奶牛场技术人才水平的提高，对智能化、信息化采样的需求增大；④未来DHI可能作为第三方实验室，检测结果成为原料乳按质定价的重要依据，因此DHI数据的可靠性显得尤为重要，而信息化采样系统减少了人为操作的误差，从源头上保证了数据的准确性。

3 讨论

DHI工作是涉及行政主管部门、DHI测定中心、奶牛场等各单位的一项过程繁琐而效果显著的系统性工作。对于采样环节监管起来较难，易受牧场管理者积极性、采样员责任心、奶厅环境等主观和客观因素的影响，又因其范围的局限性，在技术上难有重大的、突破性的改进。不过随着DHI技术被越来越多的科技人员所认识，国内也出现了对DHI技术进行优化的研究，如：利用SAS程序制作DHI报告[5]；将计算机网络与牛只标识技术（二维码与电子腿标等）相结合的智能管理信息系统[6]的研究等。后者为解决采样数据录入提供了很好的思路，但研究是将牛号编成二维码标识系于牛后脚踝上进行扫码采样，识别极易受奶牛肢蹄卫生的影响。还出现了基于移动互联网环境下奶牛DHI数据互通互联的DHI系统设计[7]，但其主要意图是拓展DHI测定中心的业务范围，而针对Android智能手机如何在牧场客户端进行采样应用，并没有成功的技术设计。参加DHI测定的奶牛场无论规模大小，若人工采样操作，需要手动进行耳号记录、奶样采集、奶样摆放等操作，中间不免容易发生人为操作失误的情况，而DHI采样信息化系统，深入优化了奶牛生产性能测定中关键的采样环节，降低了奶样采集的人为失误和不确定性，提升了DHI的工作效率。今后随着万头存栏规模的牧场开始参加DHI工作，信息化采样的应用会更加广泛。