信息化技术在奶牛生产中的应用

王云，芦娜，马毅

（1.天津市科学技术信息研究所，天津 300074；2.天津市畜牧兽医研究所，天津 300381）

信息化水平是衡量一个国家现代化水平的重要指标，畜牧业信息化程度更是决定了我国畜牧业发展的深度和广度。奶牛养殖业作为我国畜牧行业中的经济型和节粮型的高效产业，正在经历大变革与大发展。传统的养殖方式已然不适应现代化、规模化、集约化的奶牛养殖，信息化技术正逐渐应用于奶牛养殖业，并推动其向精细化、智能化方向发展。本文主要从奶牛生产中常见的信息化技术和信息化技术在奶牛生产中的应用两方面对国内外情况进行论述。

1 奶牛生产中常见的信息化技术

1．1 无线射频识别（RFID）技术

无线射频识别（Radio frequency identification,RFID）技术是一种通过交变磁场、电磁场利用射频信号将信息以非接触方式进行双向数据通信，并通过其负载的信息数据来实现目标自动识别的技术，具有非接触、非视觉、无需人工干预等特点，目前在奶牛生产中常用于奶牛的识别与跟踪、乳制品追溯系统以及数字化养殖[1]。

1．2 无线传感器网络

无线传感器网络综合了嵌入式计算技术、无线通信技术、传感器技术，通过各类传感器的协作实时监测、感知、采集信息，并通过无线传送信息[2]。目前，基于无线传感器网络的奶牛运动行为实时监测系统[3]、奶牛舍环境监测系统[4]、奶牛养殖管理定位系统[5]等已被开发并应用于奶牛生产中。

1．3 生物识别

生物识别是根据个体特征的唯一性，结合计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理，识别动物个体声音、面部、指纹等的技术，具有适用广泛、准确高效、错误率低的特点，目前主要对奶牛鼻镜、眼部、面部、侧面花纹以及尻部进行识别[6]。

2 信息化技术在奶牛生产中的应用

2．1 反刍行为监测在奶牛生产中的应用

反刍作为奶牛的重要生理活动，与生产性能密切相关，并在一定程度上反映奶牛的健康状况。传统方法主要靠人工监测反刍行为，成本较高，易产生误差。而智能化、精准化的监测手段主要依靠信息化技术实现。王莉薇等[7]设计了一种多源参数可穿戴式监测设备及辅助佩戴装置，监测奶牛反刍声音信号及姿态信号。Zehner等[8]开发了RumiWatch鼻带传感器，包括一个鼻带压力传感器、一个带有在线数据分析和软件的数据记录器，用于奶牛反刍和进食行为的自动测量。该系统可记录并分类咀嚼活动的持续时间，使用户能够量化动物反刍和进食次数。

2．2 TMR监测在奶牛生产中的应用

日粮是奶牛发挥生产性能的关键因素之一，因此，监测奶牛日粮的制作与饲喂显得尤为重要。全混合日粮（Total mixed ration, TMR）是根据奶牛不同生长发育及泌乳阶段的营养需求和饲养目标，按照饲料配方，用特制的搅拌机混合而成的营养均衡的日粮。TMR配制及饲喂技术已被规模化奶牛场采用。张德敏等[9]利用网络数据库技术，开发了一种能自动采集生产数据的TMR智能监控系统，能够监控饲喂过程中奶牛饲料配方制作、上料和各牛舍投料过程，记录、分析饲喂过程中的关键数据，并对关键环节进行评价和智能提示，可有效提高奶牛场TMR精确化饲喂程度。

2．3 发情监测在奶牛生产中的应用

奶牛养殖过程中，繁殖问题是制约牛场经济效益的重要因素之一。奶牛的发情监测作为繁殖工作中的一个重要环节，其监测率直接影响奶牛的受孕率，进而影响整个奶牛场的经济效益，因此需要采取高效的发情监测方法，提高生产效率以及经济效益。

传统的发情监测通常采用外部观察、直肠检测、试情法等人工手段，存在工作量大、耗费时间长等弊端，且仅适用于小规模的奶牛养殖场。如今传统方法已不能适应集约化、规模化的奶牛养殖场，现代化、信息化方法已逐渐应用于现代化奶牛养殖。目前，基于奶牛发情时外部和内部的生理体征变化，通过电子传感器、视频图像或声音装置监测奶牛发情的方法已被研发并应用。

刘忠超等[10]设计了一种基于Android的奶牛发情爬跨行为无线监测系统。该系统采用AT89C52单片机作为控制器，用薄膜压力传感器采集奶牛背部以及尾部压力信息，使用OLED显示屏进行人机交互，并开发了Android平台的手机APP压力监测系统，通过ESP8266 WIFI模块完成数据的过程无线传输，从而实现了远程监测。还有根据奶牛发情时阴道黏液生理特征变化设计的阴道植入式电阻传感器与无线监测系统，对阴道电阻值进行采集，通过无线传输系统传送给协调器节点，经由总线传输到监控中心，实现了奶牛阴道电阻的精确采集和远程实时监测[11]。此外，还有基于ZigBee和C#的奶牛发情远程监测系统[12]，该系统是基于Storm的奶牛发情实时监测系统[13]，利用无线传感器的监测方法实现对奶牛发情的远程监测。

视频监控和智能分析技术可以克服接触式传感器的弊端[14]，在奶牛发情监测上取得了一定的成果。刘忠超等[14]根据奶牛发情爬跨行为特征，提出了一种基于卷积神经网络的奶牛发情监测法，使用Matlab的MatConvnet深度学习工具箱搭建卷积神经网络对采集的奶牛视频进行分析。该方法对奶牛发情行为的识别准确率为98.25%，漏检率为1.75%，能够实现奶牛发情爬跨的无接触实时监测，且识别率较高，可显著提高规模化奶牛养殖场的管理效率。

2．4 活动量监测和姿态识别在奶牛生产中的应用

活动量和姿态是评价奶牛健康状况和生理状态的重要指标。奶牛活动量是指对奶牛日常运动、采食、反刍等全部行为活动的计量[15]，其监测可通过计步器实现。计步器大多捆绑在奶牛腿部，可实时监测奶牛活动量并将信息发送到接收平台，平台通过有线传输将信息发送给服务器分析。目前，生产计步器的国外厂商主要有瑞典利拉伐（DeLaval）公司等。

国内关于奶牛活动量和姿态的识别也有了较为深入的研究。李辉[16]开发了一款基于LoRaWAN和多传感器的奶牛计步及姿态检测系统，可满足大规模牧场对于监测的长距离的需求，精确度在95%以上；其利用实时气压数据设计了一套姿态检测算法，可准确识别出奶牛的趴卧姿态并记录趴卧时长。李萌[17]开发了基于多传感器数据融合的奶牛姿态识别方法，将传感器终端佩戴于奶牛颈部，该传感器可识别采食、行走、挠痒等7种动作和奶牛的姿态，采集的数据通过Lora网关实现对奶牛姿态数据的无线传输。

2．5 体温监测在奶牛生产中的应用

体温作为重要的生理指标，与奶牛繁殖行为息息相关。对体温进行实时监测，可准确判断奶牛繁殖周期的不同阶段，及时反映奶牛健康状况。

传统的体温检测方法采用水银温度计或电子体温计对奶牛直肠进行温度测量，该方法需要专业人员进行操作，工作强度大，效率低下，且容易引起奶牛个体间的疾病传染，不能满足现代化、规模化养殖的需要。

现代化的自动体温监测方法主要分为非接触式、接触式与植入式三种。非接触式体温监测是将非接触式红外温度传感器与无线通信技术相结合，通过测量物体表面发射的能量进而测定温度，其优点是速度快、测量范围宽，但也存在测量准确度低、不能实时监测等缺点[15]。范永存等[18]采用10TP583T型红外温度传感器监测奶牛体温，利用无线传感器网络对采集的奶牛体温数据进行传输，该方法测量误差小于0.24℃。

自动接触式体温监测主要利用接触式的温度传感器（如热敏电阻、热电阻、热电偶等）监测奶牛的体温变化，并基于无线通信技术实现奶牛体温传输，该方法测量精度高，但对于奶牛等全身被毛的大型动物，很难找到适合温度传感器固定的最佳位置，且设备成本高，不易推广[19]。

植入式体温监测是利用无线遥感技术将测温装置植入动物体内，再将检测到的温度数据通过电磁信号发送至体外接收器，优点是测量精度高，缺点是对动物的刺激较大[15]。何东健等[19]设计的奶牛体温植入式传感器，利用PT1000铂电阻作为温度测量探头，利用ADS1256模数转换器、PSP430控制芯片，对采集的电压进行处理，传感器的测量误差在0.05℃以内，可实时准确地监测奶牛的体温变化。

在奶牛养殖过程中采用信息化手段，有利于推动养殖方式的变革，提高养殖效率，促进奶业更好发展。