奶牛发情监测系统在养殖信息化管理中的应用

周 菊

（辽宁邮电规划设计院有限公司，辽宁 沈阳110179）

随着经济全球化进程的加快，我国现代畜牧业发展非常迅速，不仅实现了畜牧业的结构调整，而且畜牧业的增长方式也不断创新，特别是在利用信息化技术方面。充分发挥了大数据信息技术在畜牧业信息化管理上的作用，在业务管理平台上实现了畜牧业大数据的快速查询、准确统计、科学分析等多种功能。

1.信息化在我国畜牧业中的发展趋势

自国家“十五”计划以来，高速增长、规模化、集约化、标准化已成为中国奶牛养殖现代化发展的趋势。而近年来，传染性疾病如国际上的疯牛病和国内的口蹄疫、奶牛“两病”的流行，以及我国乳制品安全事件频繁发生，如劣质奶粉事件、三鹿奶粉事件等，给中国奶业发展带来了极大的影响。加强畜牧奶牛养殖行业的现代管理，积极实施疾病防控，建立奶牛养殖业的可追溯性，对促进畜牧奶牛养殖行业的发展具有重要意义。

奶牛繁殖管理是养殖生产中的重要环节之一，及时准确地判断出发情奶牛并进行适时配种能有效提高奶牛受胎率、减少空怀期、优化种群结构、增加经济效益。错误的发情鉴定会导致奶牛产犊间隔延长、产奶量下降、饲养成本增加等一系列问题。传统的奶牛养殖管理主要靠人工方式采集基本信息，由于集中养殖的数量多和规模大，人工标识、识别与管理难度加大，落后的管理制度不能满足养殖现代化发展的需要。

人工观察法存在2个方面的缺陷:一是受到泌乳天数、泌乳次数、产奶量、跛行、营养等多因素影响，且观察费时费力，容易出现因不能及时发现发情爬跨行为而错过最佳输精时间的现象;二是高产奶牛常处于能量负平衡状态，使其发情时间缩短，发情不明显，极大影响发情判断，从而影响繁殖水平。

传统的奶牛发情监测方法主要是直肠触摸检测法，该方法是通过兽医直接观察和触摸直肠，判定奶牛发情与配种时间，其准确性可高达95%以上，但对操作人员技术要求较高。对于规模化奶牛场，该方法易出现发情观察不及时、不准确，引起漏配现象。王凯从0点开始，以每6h为节点统计奶牛的发情比例，分别为43%、22%、10%和25%，即奶牛发情高峰期主要集中在夜间或傍晚，即使安排夜间值班人员，也很容易错过奶牛的最佳配种时间，影响牛群受胎率。

传统的奶牛发情监测方法还有涂蜡笔法，该方法是使用专用蜡笔每天上、下午对待配牛和配过未孕牛尾根部来回涂抹3～4次，直到颜色鲜艳容易观察，若奶牛接受爬跨，尾根部的毛发会被压平，涂抹的蜡笔颜料被擦淡，个别奶牛还会沾染到爬跨奶牛腹部的粪便，以此判断发情。Pennington等研究显示，涂蜡笔法的发情检出率高达93.9%，且成本较低，适用于规模较小的牧场，但对于中国逐渐形成的规模化养殖场来说，这种方法可操作性差。

近年来，随着对奶牛发情期间行为表现的深入研究，发现奶牛发情期间活动量提高，同时伴随有反刍减少、体温升高、采食下降等生理变化。辽宁邮电规划设计院有限公司相继研发出通过电子传感器监测奶牛发情状态、行为规律的商业化精准奶牛发情监测系统。该系统的作用原理是基于奶牛发情时活动量、反刍时间、躺卧时间、体温等相关数据的变化程度判定奶牛是否处于发情状态，以此准确推算排卵时间并确定最佳输精时间，充分发挥奶牛自身的繁殖潜力，方便养殖人员更快捷明了地识别每头奶牛的发情状态。

2.奶牛发情监测系统的应用

2.1 奶牛发情特征

奶牛发情是有规律可寻的，一般伴随有下列行为特征：敏感躁动，有人或其他奶牛靠近时，回首眸视；寻找其他发情母牛，活动量、步行数大于常牛数倍以上；嗅闻其他母牛外阴，下巴依托它牛臀部并摩擦；有的食欲减退和产奶量下降；爬跨它牛或“静立”接受它牛爬跨。

2.2 发情监测系统

2.2.1 奶牛发情监测系统概述

近几年来，发情监测系统在对奶牛发情、受孕、妊娠状态进行数字化监测方面取得了重要进展，极大地推动了我国规模化奶牛场的信息化建设发展。监测牛只发情的数字化管理系统主要有:基于奶牛活动量和行为变化的计步器发情监测系统和加速度感应器发情监测系统。

2.2.2 计步器发情监测系统

计步器发情监测系统设计主要依据奶牛发情时体内雌激素含量显著上升，表现出精神兴奋、爬跨、精神紧张，同时奶牛活动量明显增加、躺卧时间则会明显减少，当奶牛接受爬跨时，发情强度达到顶点等特点。该系统的运动传感器模块佩戴在奶牛腿部，此外还有数据接收系统和计算机分析软件作为支撑，通过获取奶牛运动量的监测数据来分析奶牛的运动数据，数据由传感器发送到数据接收机，再汇总到上位机电脑，智能化软件系统通过分析运动情况，判断奶牛发情状况和健康状况，同过对不同时期的数据对比分析，可以提高奶牛发情监测的效率，这样可以为育种人员发奶牛繁殖和保健工作起到实时提示作用，使得人员观察的遗漏现象减低，该系统对监测夜间奶牛发情的监测情况有突出贡献作用，可以降低奶牛空怀期时间，从而降低饲养成本，提高奶牛养殖场的繁殖效率和繁殖水平，实现收益最大化。

2.3 奶牛发情监测系统优点

该系统监测精度高，发情检出率超过95%。安装佩戴简单，性能稳定，使用寿命达到十年。进口运动开关传感器，检测动物运动及行为。手机客户端，同步发送手机短信，牧场人员可以随时知道奶牛发情。同时监测奶牛健康状况和舒适度及进行在位识别。

2.4 奶牛发情监测系统原理

2.4.1 计步器

计步器发情监测系统通过在牛腿部安装计步器记录单位时间内的行走步数，并通过在挤奶厅安装配套的信息接收装置，于每次挤奶时上传一次数据，根据个体奶牛活动量变化规律，电脑端软件算法计算出奶牛加权活动量，以此作为奶牛间情期和发情期判定的指标计步器内置机械开关运动传感器，采集被测物加速度数据，重力数据，获得奶牛的运动情况和方向信息，对运动、行为的分析，来判断牛是否发情，卧地站立状态。当活动量达到预设的阈值时，系统自动发出发情警报。计步器采用全封闭设计，防水防潮，可以在泥泞或积水的牧场环境工作。系统灵敏度高，传感器识读率高，发情检测准确。设备安装简便，不需要大规模施工。

2.4.2 项圈奶牛发情监测系统原理

加速度感应器发情监测系统是一种通过佩戴颈环达到实时监测的系统，通过系统内安装的加速度感应器实时测定奶牛头部及颈部的行为活动变化，同时监测行走、躺卧、站立、吃料、奔跑等行为数据，数据经牛场中安装的无线设备接收上传到特定软件系统，通过相应算法经软件分析，所得运动指数超过软件规定正常阈值，系统自动发出发情警报，牧场主在手机端即可对奶牛发情情况进行监测。该系统能够准确鉴别和预测奶牛发情，有效区分和发情相关的各项行为指标的变化(行走步数、反刍时间)。Aungier等以直肠触摸检测法进行验证，证明加速度感应器发情监测系统对奶牛发情检出率可达90%以上。Schweinzer等给316头奶牛佩戴加速度发情监测设备，证明检出发情的敏感性、特异性、阳性预测值和阴性预测值、准确性和错误率分别为97%、98%、96%、94%、96%和2%，充分证明了加速度感应器发情监测系统具有良好的应用效果。Reith等的研究同样证明，通过给奶牛颈部佩戴加速度感应项圈进行发情监测与配种时间预测，配种成功率显著高于直接观察法。

2.5 牛发情监测系统组成

佩戴在奶牛腿部或颈部的运动采集器（计步器、项圈），计步器重量小于60g，项圈的重量小于160g，适合奶牛佩戴。发情监测系统控制器，数据接收系统可安装于奶牛经常通过的地方，比如挤奶厅出口通道，牧场中央，用于接收运动采集器数据。数据分析分析软件，安装于云端服务器，用于对奶牛运动数据分析，提供发情奶牛信息。手机APP、短信，工作人员可以在手机查看发情牛信息。

2.6 基于LoRa奶牛发情项圈技术发情监测系统原理

其优点是牧场安装接收基站，项圈数据传到基站再上传云端数据库，流量费较少。缺点是牧场安装接收基站需少量费用。

2.7 基于NB-IOT奶牛发情项圈技术发情监测系统原理

其优点是NB-IOT牧场不用安装数据接收基站，数据通过运营商网络直接上传到服务器。缺点是要支付运营商（电信网通移动）流量费。

2.8 发情监测采集器方案

发情监测采集器方案采用计步器方案以及项圈方案。

2.9 采集器-嵌入式硬件

计步器、项圈内部硬件采用国际一流的运动传感器芯片，具有系统级超低功耗，灵敏度极高。中央处理芯片采用超低功耗大规模集成电路处理器，卓越运算能力和超低功耗完美结合。高性能锂电池，支持十年工作时间。

2.10 采集器-嵌入式软件

自主研发专门针对奶牛的运动传感器算法，包括奶牛计步算法，奶牛卧地站立算法，奶牛吃草动作算法。专门针对奶牛行为进行大量数据统计分析总结的一套奶牛行为算法，并非其他厂商采用人的计步器模块套用到奶牛身上。计步更精准，卧地休息统计时间更准确，精确捕捉奶牛吃草、饮水动作。

2.11 采集器工作原理

传感器内部就是一个微电脑传感器系统，3D-MEMS运动传感器监测奶牛运动，行为，及动作特征并处理处理数据，这些数据进行分类统计，记录相应的时间长度。这些数据每两小时为一个时间单元进行保存，并通过无线通讯系统发送到基站及云端服务器，进行进一步分析。为用户提供奶牛运动数据（计步），卧地休息（卧地时间，时长），采食时间时长。

2.12 发情监测系统控制器

防水设计，适应奶厅潮湿环境。

2.13 数据分析软件

奶牛运动量记录，可以实现图形化，可以看到泌乳天为单位的运动数据及以小时时间为单位的分时运动变化数据。可以提示奶牛发情，测算精度在两小时以内。图形化的运动量变化，让运动数据一目了然。显示奶牛卧地休息时间，卧地次数。可检测奶牛舒适度情况。用奶牛运动量监测实现奶牛发情监测。用奶牛行为卧地站立，站卧比的时间和时长来实现奶牛健康及舒适度监测。奶牛在挤奶识别依靠奶牛所在挤奶位(牛号)识别、配套电子计量系统，个体奶量监测来实现。

3.发情监测系统在奶牛养殖数字化管理中的应用

奶牛发情监测系统是伴随信息技术发展逐步研发的科技手段，促进了我国牛养殖业的健康发展。

首先，该系统监测发情期奶牛生理和行为的数据，以此对奶牛的发情时间和阶段进行预测，可以为养殖人员提供准确的奶牛配种时间，提高奶牛的受胎率。

第二，提供奶牛早期妊娠诊断，一般奶牛受胎后卵泡的变化至少要在25~30d后才能通过直肠超声波检测出，大大增加未受孕奶牛的空怀期，采用发情监测系统通过对其行为变化分析，预测奶牛受胎状况，对脱配奶牛及时进行二次输精，减少损失。

第三，可对奶牛的健康进行监测，当奶牛患有消化道疾病、肢蹄病、乳房炎等疾病时，各项行为体征将会发生变化，以此变化为依据对牧场牛群进行实时监测，可以为奶牛疾病的及早发现和治疗提供帮助。

3.1 发情监测

奶牛的发情周期一般为18~24d，发情持续的时间短则6h，最长也不过36h，若未能在奶牛发情时及时鉴定实施配种，则需要等到下一个发情周期，这对于牧场来说是极大的经济浪费，而对于泌乳盛期(产后60~100d)的荷斯坦奶牛而言，由于每天大量的泌乳，导致体重严重下降的同时出现能量负平衡，使得在这期间奶牛发情表现不明显或发情时间缩短，限制了直接观察法进行奶牛发情监测。据报道，在脱配的奶牛中，大约有60%是由错误的发情鉴定导致的，试验证明发情奶牛中只有70%在发情时出现站立不安、精神亢奋、爬跨、吊腺等现象。

Kiddy等使用计步器进行监测奶牛发情期的运动量变化，从中发现，在运动场中的奶牛发情期间活动量明显增加，可以达到间情期活动量的4.00倍，在牛舍饲养的发情奶牛活动量可以达到间情期活动量的2.75倍。Roelofs等研究也同样表明奶牛在发情期的运动量是间情期的170%，躺卧时间减少24.6%，与李蓝祁等的试验结果相近，即泌乳奶牛发情期的活动量显著高于间情期，且在发情4.5h时运动量达到最高，可以达到正常运动量的3倍以上;此外，通过计步器发情警报后进行直肠检测确认，准确性可比人工每天观察4次的检出率高15%~35%。

因此，奶牛发情监测系统可以促进牛群整体的发情检出率的提高，并且对隐性发情奶牛的发情检出也有明显提高作用。位于陕西省千阳县的八戒牛场为改善场里奶牛的繁殖水平，引进安装了计步器发情监测系统，相比直接观察法，发情牛的检出率提高了50%，奶牛受胎率提高了15个百分点，年产犊增加96头，大大增加了经济效益。Maatje等经研究发现，奶牛的最佳配种时间是在步数增加后的6~17h，进一步研究证明最佳的受孕时间是运动量增加后的11.8h。实践证明了可以通过奶牛发情监测系统来鉴定奶牛发情时间，预测奶牛输精时间，提高奶牛养殖场的奶牛的繁殖性能。

该系统降低了奶牛养殖场养殖人员的工作量和工作难度，对发情奶牛的检出率和受胎率起到了提升作用，奶牛养殖场在奶牛空怀期间的损失也有所减少。根据产值总损失=3.29×(空怀天数-85)×母牛平均产奶量×母牛头数×乳脂率4%牛奶市场收购价，可计算出每次发情监测失误或输精后未受胎会给牧场带来360美元的损失。此外，奶牛繁殖率的提高能够快速增加犊牛的产出率，陕西省千阳县某牛场应用奶牛活动量发情监测系统后发情检出率明显提升，相比上年产犊增加126头，以当地平均奶犊牛售价计算，预计增加收益近10万元。

3.2 妊娠早期诊断

奶牛妊娠早期诊断在奶牛生产中同样有着非常重要的意义，及时准确地对妊娠奶牛作出妊娠早期诊断，能够有效提高母畜的繁殖力。对妊娠奶牛作出妊娠早期诊断后，可对妊娠母牛进行分群饲养，保证奶牛所需环境和饲料营养条件，对于未妊娠奶牛及时找出脱配原因并进行第2次配种。通常的孕检要在配种后35d进行，直肠触诊法和B超检测法是目前应用最为广泛的2种方法，前者操作简单但对奶牛应激较大，并且容易影响胚胎的发育;后者鉴定结果准确但需要B超检测相关仪器，相对成本较高，对胚胎辐射危害较大。

使用发情监测系统对奶牛早期妊娠诊断上也有非常重要的作用，可以提高检测的效率和准确度。某牧场引进监测设备，仅3年时间，牧场奶牛妊娠率提高了28%，产犊间隔减少了30d。妊娠奶牛由于妊娠黄体的存在，抑制卵泡生成素的分泌，从而抑制卵泡发育，奶牛表现不发情，当计步器监测到妊娠奶牛出现活动量增高等发情症状时，很可能说明这头奶牛存在流产现象。由此可见，该系统对奶牛的妊娠状况可以进行更直观地显示，更有效地帮助奶牛养殖场的养殖人员对奶牛妊娠状况进行评估，有利于对病牛和流产牛的快速准确治疗或再配种，有利于减少奶牛空怀期和浪费药品，给牧场带来显著的经济效益。

3.3 健康监测

发情监测系统能够依据监测的生理状态指标推算出奶牛个体的生活规律，反映奶牛的健康状况。通常情况下，奶牛每天躺卧反刍的时间为8~10h，当监测到的躺卧时间高于或低于这个范围时，说明奶牛的健康状态存在异常。另有研究表明，奶牛佩戴计步器可以有效地监测奶牛蹄病的发生，尽早的发现并积极治疗使得牧场蹄病治愈率从71.59%提升至91.18%。

4.如何发挥奶牛发情监测系统在奶牛养殖业发展中的价值

目前，信息技术在奶牛养殖、疾病控制和奶制品销售中起着不可或缺的作用。进一步加强奶牛养殖业信息化建设，这不仅有助于牛奶养殖业的健康发展，也将有助于推动我国从禽畜养殖大国向禽畜养殖强国迈进。

传统的发情检测模式是通过牧场人员每天至少三次的查看，还得是牧场工作人员非常细心的情况下，有时候甚至4次检查，根据数据分析，这种检测模式，漏检率高达百分之50，假如养了100头牛，那么50头将漏配一个情期，根据农业大学的数据表示，一头奶牛漏配一个情期，每头牛每天单产30Kg（大约均产量），每公斤3.6元（市价行情有波动），情期21天，那就是说漏配一个情期将损失2268元，50头牛也就是113400元。那么使用智能项圈检测发情系统呢，根据测试，带上智能项圈的牛只，检出率达到90%—95%，就相当于省了100000左右。

5.小结和展望

奶牛的繁殖性能是决定奶牛养殖经济效益的重要因素。发情监测系统已成为现代奶牛养殖的重要技术之一，该系统的应用大大减少了人工观察法造成的漏配现象，有效提高了奶牛发情检出率、受胎率以及妊娠率，显著降低了由于空怀所导致的经济损失。不过，由于奶牛发情监测系统在我国起步较晚，产品和技术的应用不够完善，需要进一步加强奶牛发情前后活动量、体温等生理状态的阈值研究，以不断改进和完善该领域的研究。