物聯網技術在奶牛養殖的應用現狀及展望

文/張金夢 胡婷婷 余斯炅 王翌翀 郭凱軍 張仁龍

（1北京農學院計算機與信息工程學院；2北京農學院動物科學技術學院）

物聯網（The Internet of Things，IoT），即“萬物相連的互聯網”，指將需要監控、連接、互動的物體或信息通過各種傳感器、射頻識別技術、紅外感應器等各種裝置與技術，實時采集各種需要的信息，接入網絡形成大數據庫，實現對物品和過程的智能化感知和網絡連接，方便識別、管理和控制[1]。近年來，IoT和人工智能已經深入人們生活。據統計，2020年有大約500億物體連接到互聯網上，物聯網已廣泛應用于精準農業、產品供應鏈管理、環境監測、云計算等領域[2]。

IoT和人工智能在畜牧業的應用主要是為畜牧業提供畜禽個體識別、精準飼喂、發情鑒定、疾病防治、畜產品追溯等信息。IoT和人工智能的聯合使用深入到畜牧業的各個環節，保證了食品安全[3]。Dias等論述了精準奶牛養殖系統數據如何為牧場創造經濟效益[4]。IoT、人工智能與奶牛生產的聯系愈加緊密，在2018年舉行的德國漢諾威國際畜牧展（被譽為全球畜牧行業的風向標）就明確表示以數字化、物聯網等為核心的精準養殖技術在整個畜牧養殖中已經占據顯著地位[5]。

目前我國奶牛養殖的主要任務之一就是提高奶牛養殖的智能化、精準化水平。在奶牛生產各環節運用IoT技術，在群體養殖中實現奶牛個體營養管理精準化、發情鑒定智能化、設施操作自動化、環境監測智慧化以及疫病防控友好化。旨在對IoT和人工智能在奶牛生產中的應用做簡略的介紹。

1 個體識別技術

實現奶牛場數字化和智能化管理的基礎是對奶牛進行精準有效的個體識別。奶牛個體識別可分為可視耳標識別、無線射頻識別（RFID）、圖像生物識別等[6]。個體識別技術是奶牛發情、行為檢測、疾病監測等的基礎。比如RFID技術通過在相應的擠奶設備的入口處放置一個RFID應答器，配合奶牛頸圈或者電子耳標等所記錄的編號，與擠奶設備的程序相關聯，可以實時監測并記錄每一頭奶牛的產奶量，實現對牧場產奶信息的動態監測；可以監測動物的運動行為，據此監測奶牛發情和健康問題，實現牧場精細化管理水平，提高牧場生產效益[7]。

1.1 可視耳標識別

可視耳標在奶牛識別中比較常見，外型小巧易于安裝，制作成本小，對動物的傷害也比較低，但是牛在奔跑等過程中佩戴的耳標極易掉落損壞，需要使用經過國際動物記錄委員會（ICAR）認證的耳標才能實現長期有效識別，另外佩戴可視耳標還有可能感染耳部疾病，使用時應注意清潔衛生[8]。

1.2 無線射頻識別

RFID是一種無線通信技術，可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或者光學接觸，RFID配套設備主要由標簽、讀取器、條碼掃描器、傳感器和控制器組成。RFID識別的特點主要在于識別間距遠、讀取率高、防干擾能力較強等特點并可對動物個體信息進行編碼，可實現從動物出生開始追蹤其信息直到死亡。RFID主要有可穿戴式（項圈或者腿環）、電子耳標兩種。項圈中還可以植入定位技術，檢測動物的運動、位置信息[9]。RFID電子標簽的主要優勢在于該技術以條碼的形式出現且一牛一碼，易于辨別[10]。

1.3 圖像生物識別

圖像生物識別就是通過計算機與光學、聲學、生物傳感器和生物統計學原理等高科技手段密切結合，來進行牛只的身份識別[11]。圖像生物識別的過程主要為在奶牛場安裝多功能相機進行實時拍攝，獲取動物的臉部信息，進行個體牛臉識別。此外還可以通過圖片了解牛只采食、行為活動，大致了解動物的健康情況。如果牛場選用熱成像相機進行牛場的拍攝活動，可以探測動物的體溫、發現附著在牛體表面的寄生蟲，進而監測牛只的健康狀況[12]。

2 體重測定技術

奶牛體重測定對于奶牛營養、管理具有重要的意義。由于傳統稱重對奶牛會造成一定程度的應激，影響奶牛生產性能，奶牛智能化稱重成為目前研究的難題。

2.1 稱重系統與RFID技術結合

首先通過牛只RFID電子標簽識別牛只信息，奶牛在稱重區進行稱重，將獲取到的重量信息與牛只信息進行綁定，即可完成自動稱重。該系統的優勢主要在于能夠自動采集信息，解決了以往稱重的許多干擾問題，可遠距離傳輸數據、數據可靠性高、保密性強[13]。

2.2 稱重系統與ZigBee技術結合

ZigBee無線通信技術是基于蜜蜂相互間聯系的方式而研發生成的一項應用于互聯網通信的網絡技術。 ZigBee無線通信技術是一項近距離、低成本、低功耗的無線網絡技術，具有高效、便捷的特征。稱重系統與ZigBee技術結合，即在稱重區周圍設立一個RFID的讀卡器，使牛只在進行稱重的同時也能由讀卡器進行讀取條碼識別牛只的身份信息，測量的數據信息通過ZigBee無線傳感網絡發送至管理計算機，為管理人員提供基礎信息[14]。

2.3 圖像采集估測體重

用攝像頭對牛只進行三維照相，通過紅外線掃描得到牛只的胸圍、體斜長，根據體重和體尺的關系求得體重，比如約翰遜法：體重（千克） = 胸圍長度（cm）2×體斜長（cm）/10 800（可用于乳牛和乳肉兼用牛）。此法得出的牛的體重誤差較大，目前并沒有得到實際應用[15]。

3 產奶性能測定技術

3.1 產奶量和乳品質的自動測量

在群體生產中準確獲取每只奶牛的日產奶量對于奶牛的精確飼喂具有重要的作用，奶牛305 天產奶量估計的準確性直接影響著養殖場的經濟效益和奶牛遺傳評估效果[16]。近年來，在人工智能和大數據基礎上發展了一系列的估測305 天產奶量的模型，比如elder模型、Wood模型、人工神經網絡（ANN）和神經模糊系統等[17]。ANN模型主要要求收集奶牛胎次、乳脂率、乳蛋白率、體細胞數、最高單日產奶量5 項數據，能夠大致推算出奶牛305 天產奶量[18]。

對于乳品質的測定，全球范圍內通過DHI（Dairy herd improvement）計劃利用MIR（中紅外光譜）技術廣泛開展對乳脂率、乳蛋白率、體細胞數、菌落總數等指標的測定[19]。目前主要是開展離線批量自動化監測。2008年，阿菲金公司率先推出了實時在線乳成分分析儀-魔盒（Afilab），可以在擠奶時實時監控牛奶中乳脂、乳蛋白、乳糖等指標。Afilab主要是使用近紅外光譜進行在線牛奶分析。近紅外光譜的優勢在于能夠進行實時間、無損在線測量[20]。

3.2 機器人擠奶

擠奶機器人一般安裝有奶牛的識別和健康監測系統，在擠奶的過程中，能夠通過自動傳感器記錄牛只的個體信息；通過檢測系統實時監測牛只的乳品質、健康情況、繁殖狀況等；此外還與農場管理系統相連，使牧場人員能夠全面的獲取奶牛產奶的各項信息，更好的管理牧場[21]。與傳統擠奶設備相比，機器人擠奶設備幾乎不需要工作人員的參與，只需要維修人員定期對機器進行修護即可；在擠奶過程中大大減少了人為因素的干擾；對提高奶牛生產性能有積極作用[22]。

4 奶牛發情揭發技術

繁殖性能的管理在奶牛生產養殖中具有重要作用，其中對奶牛產奶量的影響最為明顯[23]。奶牛繁殖性能的管理涉及到奶牛的選種選配、同期發情、發情鑒定等過程，其中最關鍵的環節之一是奶牛的發情鑒定，對奶牛發情時間的準確鑒定也是許多牧場所面臨的挑戰。對奶牛發情進行及時監測可以有效提高奶牛發情檢出率、配種受胎率，從根本上降低由于空懷所導致的經濟損失[24]。目前牧場中應用的發情監測系統主要有計步器發情監測系統、SCR發情監測系統、基于體溫變化的發情監測系統等。

4.1 計步器發情監測系統

動物行為是評估動物福利、健康和繁殖行為的最重要標準之一。在奶牛發情的時候，表現出精神興奮、接受爬跨、并伴隨著奶牛運動量明顯增多等特點，因此計步器才可以依靠跟蹤記錄奶牛的活動量來判斷奶牛是否處于發情期。一般在牛腿部安裝計步器，對奶牛運動進行實時的監測，獲取牛只出現最大活動量的準確時段，由此判斷出母牛發情盛期的出現時間[25]。小型牧場采用人工識別方法進行發情監測，對于大型牧場來說由于人力有限不能及時發現奶牛發情現象或由于人員的經驗不足造成誤判導致牛只受胎率降低。而奶牛計步器的試驗能夠全面實時的反映牛群運動情況，從而準確揭發奶牛的發情情況。目前計步器在牧場已被大量使用，大大提高了發情揭發效率，同時能有效監測蹄病癥狀[26]。

4.2 頸圈發情監測系統

以色列的SCR公司研發的SCR發情檢測系統，主要包括SCR頸圈、傳感器、牛號識別器、計算機等。檢測過程主要是SCR頸圈通過傳感器精確監測奶牛的運動量，運動數據經過相關的軟件分析對比，如果發現運動量出現明顯的差異，則會自動報警，從而揭示動物處于發情狀態。該技術對牧場中奶牛發情的揭發具有顯著優勢，但是由于該系統的價格比較高，目前在國內的大型牧場應用還有待于推廣[27，28]。

4.3 加速度感應器發情監測系統

加速度感應器發情監測系統對動物佩戴頸圈或者耳標等設備內安裝加速度感應器進行實時檢測奶牛的運動行為。將這些數據通過傳感器傳送到特定計算機上進行分析對比，如果超過軟件正常閾值則自動發出警報。該系統能夠準確監測出奶牛發情，提高發情期奶牛的受胎率，實現了奶牛發情監測的自動化管理[29]。Schweinzer等對263 頭奶牛佩戴該系統，結果表明檢測發情的敏感性、特異性、陽性預測值、陰性預測值、準確性分別為97%、98%、96%、94%、96%，說明該系統對奶牛發情的監測具有顯著的應用效果[30]。

5 奶牛精準飼喂

全混合日糧（TMR）由于能夠給奶牛提供均衡的營養，從而能夠有效減少營養代謝病和提高產奶量及生鮮乳品質，牧場中廣泛應用TMR飼喂奶牛[31]。為了更加精準的監測TMR日糧的制作質量，TMR智能管理系統逐步在牧場中應用。該系統由TMR飼喂車數據終端系統、裝料車數據終端系統和數據管理系統三大部分組成，能夠從投料過程、投喂誤差、采食分析、飼喂成本、飼喂效率等方面進行全面分析，實現飼喂工作實時監管，使飼喂更精準[32]。

精確飼喂機器人在TMR飼喂技術的基礎上，給高產奶牛進行精準補飼，稱為PMR技術，設立精料補飼站，按照程序自動運行，通過精準識別奶牛，按照產奶量高低為高產奶牛精確配比并補充精補料，實現每天多次有規律飼喂，進而充分發揮奶牛泌乳遺傳潛力，減少飼料消耗，提高產奶量[33]。

6 環境監測和調控

6.1 溫室氣體和氨氣排放監測

在養殖場中，奶牛體內的腸胃消化物、糞便排泄物和有機物腐敗分解會產生甲烷、二氧化碳、氨氣等氣體[34]。甲烷和二氧化碳是引起溫室效應導致氣候變暖的主要成分，奶牛養殖場釋放的甲烷和二氧化碳備受關注；氨氣含量過多則會引起牛的呼吸道疾病等癥狀，同時也暗示著蛋白質的浪費，因此溫室氣體和氨氣排放量通常被作為監測空氣污染程度和安全性的可靠指標[35]。對于甲烷、二氧化碳、氨氣的監測也逐漸常規化，從人工氣候倉研究試驗牛只氣體排放，到牛舍飼喂槽甲烷、二氧化碳、氨氣傳感器的推廣應用，將為奶牛養殖可持續發展提供有力的工具。

6.2 溫濕度等環境指標的實時監控

在奶牛生產過程中，牛舍中的溫度、濕度、風速等對奶牛的產奶量、采食量、乳品質都有較大的影響，甚至導致各種細菌滋生易誘發乳房炎[36]。曲愛玲和馬長路研究表明環境中的PM2.5會造成奶牛呼吸道疾病、損害奶牛的免疫系統、導致抵抗力下降，甚至導致妊娠奶牛妊娠異常、子癇前期早產、死胎等現象[37]。

孫濤等設計的基于PLC（可編程控制器）的牛舍無線智能環境監控系統，主要是根據環境傳感器收集信息傳送到PLC并進行保存，當環境參數發生改變達到設定值時，能夠自動發動相應的設備（噴霧降溫、流風機等）進行維持畜舍環境的穩定[38]。劉忠超等設計的基于ZigBee和Android的牛舍環境遠程監測系統，把畜舍內的環境參數通過ZigBee網絡傳輸到計算機上，并借助TCP/IP通信協議搭建TCP服務器，得到畜舍內的溫濕度、氨氣濃度等參數，進而能夠對畜舍環境實行遠程無線實時監測[39]。此外還有基于無線傳感器網絡的調控系統[40]、基于LabVIEW的養殖場環境監控系統[41]等都能有效監測畜舍內的溫濕度和有害氣體并實時做出反應。

除了這些檢測系統外，還有一種模擬環境設備-人工氣候室，具備調溫、調濕、調CO2、調光照的功能。人工氣候室主要包括上下機位兩個系統，上位機用于對氣候室系統的實時監控，下位機的作用在于復雜運算和邏輯控制，上下位機之間采用Rs485串口通信，通過傳感器對環境因子進行檢測控制，使各個因素都維持在一個穩定的范圍[42，43]。人工氣候室實現了在實驗室條件下對環境的智能監控。

7 總結和展望

隨著物聯網的發展，養殖場智能化的水平越來越高，然而我國畜牧行業的智能化發展仍處于相對初級的階段，體重稱量、三維照相體況評分等方面還需要更加成熟的系統，傳感器采集到的海量數據形成的信息孤島還需要進一步有機融合。中國是畜牧大國，我國區塊鏈+5G物聯網技術已經站在世界前列，其在奶牛生產的應用，必將促使我國奶牛智能化生產向智慧化生產轉變，我國向畜牧強國的發展指日可待。