奶牛發情監測系統在養殖信息化管理中的應用

周 菊

（遼寧郵電規劃設計院有限公司，遼寧 沈陽110179）

隨著經濟全球化進程的加快，我國現代畜牧業發展非常迅速，不僅實現了畜牧業的結構調整，而且畜牧業的增長方式也不斷創新，特別是在利用信息化技術方面。充分發揮了大數據信息技術在畜牧業信息化管理上的作用，在業務管理平臺上實現了畜牧業大數據的快速查詢、準確統計、科學分析等多種功能。

1.信息化在我國畜牧業中的發展趨勢

自國家“十五”計劃以來，高速增長、規模化、集約化、標準化已成為中國奶牛養殖現代化發展的趨勢。而近年來，傳染性疾病如國際上的瘋牛病和國內的口蹄疫、奶牛“兩病”的流行，以及我國乳制品安全事件頻繁發生，如劣質奶粉事件、三鹿奶粉事件等，給中國奶業發展帶來了極大的影響。加強畜牧奶牛養殖行業的現代管理，積極實施疾病防控，建立奶牛養殖業的可追溯性，對促進畜牧奶牛養殖行業的發展具有重要意義。

奶牛繁殖管理是養殖生產中的重要環節之一，及時準確地判斷出發情奶牛并進行適時配種能有效提高奶牛受胎率、減少空懷期、優化種群結構、增加經濟效益。錯誤的發情鑒定會導致奶牛產犢間隔延長、產奶量下降、飼養成本增加等一系列問題。傳統的奶牛養殖管理主要靠人工方式采集基本信息，由于集中養殖的數量多和規模大，人工標識、識別與管理難度加大，落后的管理制度不能滿足養殖現代化發展的需要。

人工觀察法存在2個方面的缺陷:一是受到泌乳天數、泌乳次數、產奶量、跛行、營養等多因素影響，且觀察費時費力，容易出現因不能及時發現發情爬跨行為而錯過最佳輸精時間的現象;二是高產奶牛常處于能量負平衡狀態，使其發情時間縮短，發情不明顯，極大影響發情判斷，從而影響繁殖水平。

傳統的奶牛發情監測方法主要是直腸觸摸檢測法，該方法是通過獸醫直接觀察和觸摸直腸，判定奶牛發情與配種時間，其準確性可高達95%以上，但對操作人員技術要求較高。對于規模化奶牛場，該方法易出現發情觀察不及時、不準確，引起漏配現象。王凱從0點開始，以每6h為節點統計奶牛的發情比例，分別為43%、22%、10%和25%，即奶牛發情高峰期主要集中在夜間或傍晚，即使安排夜間值班人員，也很容易錯過奶牛的最佳配種時間，影響牛群受胎率。

傳統的奶牛發情監測方法還有涂蠟筆法，該方法是使用專用蠟筆每天上、下午對待配牛和配過未孕牛尾根部來回涂抹3～4次，直到顏色鮮艷容易觀察，若奶牛接受爬跨，尾根部的毛發會被壓平，涂抹的蠟筆顏料被擦淡，個別奶牛還會沾染到爬跨奶牛腹部的糞便，以此判斷發情。Pennington等研究顯示，涂蠟筆法的發情檢出率高達93.9%，且成本較低，適用于規模較小的牧場，但對于中國逐漸形成的規模化養殖場來說，這種方法可操作性差。

近年來，隨著對奶牛發情期間行為表現的深入研究，發現奶牛發情期間活動量提高，同時伴隨有反芻減少、體溫升高、采食下降等生理變化。遼寧郵電規劃設計院有限公司相繼研發出通過電子傳感器監測奶牛發情狀態、行為規律的商業化精準奶牛發情監測系統。該系統的作用原理是基于奶牛發情時活動量、反芻時間、躺臥時間、體溫等相關數據的變化程度判定奶牛是否處于發情狀態，以此準確推算排卵時間并確定最佳輸精時間，充分發揮奶牛自身的繁殖潛力，方便養殖人員更快捷明了地識別每頭奶牛的發情狀態。

2.奶牛發情監測系統的應用

2.1 奶牛發情特征

奶牛發情是有規律可尋的，一般伴隨有下列行為特征：敏感躁動，有人或其他奶牛靠近時，回首眸視；尋找其他發情母牛，活動量、步行數大于常牛數倍以上；嗅聞其他母牛外陰，下巴依托它牛臀部并摩擦；有的食欲減退和產奶量下降；爬跨它牛或“靜立”接受它牛爬跨。

2.2 發情監測系統

2.2.1 奶牛發情監測系統概述

近幾年來，發情監測系統在對奶牛發情、受孕、妊娠狀態進行數字化監測方面取得了重要進展，極大地推動了我國規模化奶牛場的信息化建設發展。監測牛只發情的數字化管理系統主要有:基于奶牛活動量和行為變化的計步器發情監測系統和加速度感應器發情監測系統。

2.2.2 計步器發情監測系統

計步器發情監測系統設計主要依據奶牛發情時體內雌激素含量顯著上升，表現出精神興奮、爬跨、精神緊張，同時奶牛活動量明顯增加、躺臥時間則會明顯減少，當奶牛接受爬跨時，發情強度達到頂點等特點。該系統的運動傳感器模塊佩戴在奶牛腿部，此外還有數據接收系統和計算機分析軟件作為支撐，通過獲取奶牛運動量的監測數據來分析奶牛的運動數據，數據由傳感器發送到數據接收機，再匯總到上位機電腦，智能化軟件系統通過分析運動情況，判斷奶牛發情狀況和健康狀況，同過對不同時期的數據對比分析，可以提高奶牛發情監測的效率，這樣可以為育種人員發奶牛繁殖和保健工作起到實時提示作用，使得人員觀察的遺漏現象減低，該系統對監測夜間奶牛發情的監測情況有突出貢獻作用，可以降低奶牛空懷期時間，從而降低飼養成本，提高奶牛養殖場的繁殖效率和繁殖水平，實現收益最大化。

2.3 奶牛發情監測系統優點

該系統監測精度高，發情檢出率超過95%。安裝佩戴簡單，性能穩定，使用壽命達到十年。進口運動開關傳感器，檢測動物運動及行為。手機客戶端，同步發送手機短信，牧場人員可以隨時知道奶牛發情。同時監測奶牛健康狀況和舒適度及進行在位識別。

2.4 奶牛發情監測系統原理

2.4.1 計步器

計步器發情監測系統通過在牛腿部安裝計步器記錄單位時間內的行走步數，并通過在擠奶廳安裝配套的信息接收裝置，于每次擠奶時上傳一次數據，根據個體奶牛活動量變化規律，電腦端軟件算法計算出奶牛加權活動量，以此作為奶牛間情期和發情期判定的指標計步器內置機械開關運動傳感器，采集被測物加速度數據，重力數據，獲得奶牛的運動情況和方向信息，對運動、行為的分析，來判斷牛是否發情，臥地站立狀態。當活動量達到預設的閾值時，系統自動發出發情警報。計步器采用全封閉設計，防水防潮，可以在泥濘或積水的牧場環境工作。系統靈敏度高，傳感器識讀率高，發情檢測準確。設備安裝簡便，不需要大規模施工。

2.4.2 項圈奶牛發情監測系統原理

加速度感應器發情監測系統是一種通過佩戴頸環達到實時監測的系統，通過系統內安裝的加速度感應器實時測定奶牛頭部及頸部的行為活動變化，同時監測行走、躺臥、站立、吃料、奔跑等行為數據，數據經牛場中安裝的無線設備接收上傳到特定軟件系統，通過相應算法經軟件分析，所得運動指數超過軟件規定正常閾值，系統自動發出發情警報，牧場主在手機端即可對奶牛發情情況進行監測。該系統能夠準確鑒別和預測奶牛發情，有效區分和發情相關的各項行為指標的變化(行走步數、反芻時間)。Aungier等以直腸觸摸檢測法進行驗證，證明加速度感應器發情監測系統對奶牛發情檢出率可達90%以上。Schweinzer等給316頭奶牛佩戴加速度發情監測設備，證明檢出發情的敏感性、特異性、陽性預測值和陰性預測值、準確性和錯誤率分別為97%、98%、96%、94%、96%和2%，充分證明了加速度感應器發情監測系統具有良好的應用效果。Reith等的研究同樣證明，通過給奶牛頸部佩戴加速度感應項圈進行發情監測與配種時間預測，配種成功率顯著高于直接觀察法。

2.5 牛發情監測系統組成

佩戴在奶牛腿部或頸部的運動采集器（計步器、項圈），計步器重量小于60g，項圈的重量小于160g，適合奶牛佩戴。發情監測系統控制器，數據接收系統可安裝于奶牛經常通過的地方，比如擠奶廳出口通道，牧場中央，用于接收運動采集器數據。數據分析分析軟件，安裝于云端服務器，用于對奶牛運動數據分析，提供發情奶牛信息。手機APP、短信，工作人員可以在手機查看發情牛信息。

2.6 基于LoRa奶牛發情項圈技術發情監測系統原理

其優點是牧場安裝接收基站，項圈數據傳到基站再上傳云端數據庫，流量費較少。缺點是牧場安裝接收基站需少量費用。

2.7 基于NB-IOT奶牛發情項圈技術發情監測系統原理

其優點是NB-IOT牧場不用安裝數據接收基站，數據通過運營商網絡直接上傳到服務器。缺點是要支付運營商（電信網通移動）流量費。

2.8 發情監測采集器方案

發情監測采集器方案采用計步器方案以及項圈方案。

2.9 采集器-嵌入式硬件

計步器、項圈內部硬件采用國際一流的運動傳感器芯片，具有系統級超低功耗，靈敏度極高。中央處理芯片采用超低功耗大規模集成電路處理器，卓越運算能力和超低功耗完美結合。高性能鋰電池，支持十年工作時間。

2.10 采集器-嵌入式軟件

自主研發專門針對奶牛的運動傳感器算法，包括奶牛計步算法，奶牛臥地站立算法，奶牛吃草動作算法。專門針對奶牛行為進行大量數據統計分析總結的一套奶牛行為算法，并非其他廠商采用人的計步器模塊套用到奶牛身上。計步更精準，臥地休息統計時間更準確，精確捕捉奶牛吃草、飲水動作。

2.11 采集器工作原理

傳感器內部就是一個微電腦傳感器系統，3D-MEMS運動傳感器監測奶牛運動，行為，及動作特征并處理處理數據，這些數據進行分類統計，記錄相應的時間長度。這些數據每兩小時為一個時間單元進行保存，并通過無線通訊系統發送到基站及云端服務器，進行進一步分析。為用戶提供奶牛運動數據（計步），臥地休息（臥地時間，時長），采食時間時長。

2.12 發情監測系統控制器

防水設計，適應奶廳潮濕環境。

2.13 數據分析軟件

奶牛運動量記錄，可以實現圖形化，可以看到泌乳天為單位的運動數據及以小時時間為單位的分時運動變化數據。可以提示奶牛發情，測算精度在兩小時以內。圖形化的運動量變化，讓運動數據一目了然。顯示奶牛臥地休息時間，臥地次數。可檢測奶牛舒適度情況。用奶牛運動量監測實現奶牛發情監測。用奶牛行為臥地站立，站臥比的時間和時長來實現奶牛健康及舒適度監測。奶牛在擠奶識別依靠奶牛所在擠奶位(牛號)識別、配套電子計量系統，個體奶量監測來實現。

3.發情監測系統在奶牛養殖數字化管理中的應用

奶牛發情監測系統是伴隨信息技術發展逐步研發的科技手段，促進了我國牛養殖業的健康發展。

首先，該系統監測發情期奶牛生理和行為的數據，以此對奶牛的發情時間和階段進行預測，可以為養殖人員提供準確的奶牛配種時間，提高奶牛的受胎率。

第二，提供奶牛早期妊娠診斷，一般奶牛受胎后卵泡的變化至少要在25~30d后才能通過直腸超聲波檢測出，大大增加未受孕奶牛的空懷期，采用發情監測系統通過對其行為變化分析，預測奶牛受胎狀況，對脫配奶牛及時進行二次輸精，減少損失。

第三，可對奶牛的健康進行監測，當奶牛患有消化道疾病、肢蹄病、乳房炎等疾病時，各項行為體征將會發生變化，以此變化為依據對牧場牛群進行實時監測，可以為奶牛疾病的及早發現和治療提供幫助。

3.1 發情監測

奶牛的發情周期一般為18~24d，發情持續的時間短則6h，最長也不過36h，若未能在奶牛發情時及時鑒定實施配種，則需要等到下一個發情周期，這對于牧場來說是極大的經濟浪費，而對于泌乳盛期(產后60~100d)的荷斯坦奶牛而言，由于每天大量的泌乳，導致體重嚴重下降的同時出現能量負平衡，使得在這期間奶牛發情表現不明顯或發情時間縮短，限制了直接觀察法進行奶牛發情監測。據報道，在脫配的奶牛中，大約有60%是由錯誤的發情鑒定導致的，試驗證明發情奶牛中只有70%在發情時出現站立不安、精神亢奮、爬跨、吊腺等現象。

Kiddy等使用計步器進行監測奶牛發情期的運動量變化，從中發現，在運動場中的奶牛發情期間活動量明顯增加，可以達到間情期活動量的4.00倍，在牛舍飼養的發情奶牛活動量可以達到間情期活動量的2.75倍。Roelofs等研究也同樣表明奶牛在發情期的運動量是間情期的170%，躺臥時間減少24.6%，與李藍祁等的試驗結果相近，即泌乳奶牛發情期的活動量顯著高于間情期，且在發情4.5h時運動量達到最高，可以達到正常運動量的3倍以上;此外，通過計步器發情警報后進行直腸檢測確認，準確性可比人工每天觀察4次的檢出率高15%~35%。

因此，奶牛發情監測系統可以促進牛群整體的發情檢出率的提高，并且對隱性發情奶牛的發情檢出也有明顯提高作用。位于陜西省千陽縣的八戒牛場為改善場里奶牛的繁殖水平，引進安裝了計步器發情監測系統，相比直接觀察法，發情牛的檢出率提高了50%，奶牛受胎率提高了15個百分點，年產犢增加96頭，大大增加了經濟效益。Maatje等經研究發現，奶牛的最佳配種時間是在步數增加后的6~17h，進一步研究證明最佳的受孕時間是運動量增加后的11.8h。實踐證明了可以通過奶牛發情監測系統來鑒定奶牛發情時間，預測奶牛輸精時間，提高奶牛養殖場的奶牛的繁殖性能。

該系統降低了奶牛養殖場養殖人員的工作量和工作難度，對發情奶牛的檢出率和受胎率起到了提升作用，奶牛養殖場在奶牛空懷期間的損失也有所減少。根據產值總損失=3.29×(空懷天數-85)×母牛平均產奶量×母牛頭數×乳脂率4%牛奶市場收購價，可計算出每次發情監測失誤或輸精后未受胎會給牧場帶來360美元的損失。此外，奶牛繁殖率的提高能夠快速增加犢牛的產出率，陜西省千陽縣某牛場應用奶牛活動量發情監測系統后發情檢出率明顯提升，相比上年產犢增加126頭，以當地平均奶犢牛售價計算，預計增加收益近10萬元。

3.2 妊娠早期診斷

奶牛妊娠早期診斷在奶牛生產中同樣有著非常重要的意義，及時準確地對妊娠奶牛作出妊娠早期診斷，能夠有效提高母畜的繁殖力。對妊娠奶牛作出妊娠早期診斷后，可對妊娠母牛進行分群飼養，保證奶牛所需環境和飼料營養條件，對于未妊娠奶牛及時找出脫配原因并進行第2次配種。通常的孕檢要在配種后35d進行，直腸觸診法和B超檢測法是目前應用最為廣泛的2種方法，前者操作簡單但對奶牛應激較大，并且容易影響胚胎的發育;后者鑒定結果準確但需要B超檢測相關儀器，相對成本較高，對胚胎輻射危害較大。

使用發情監測系統對奶牛早期妊娠診斷上也有非常重要的作用，可以提高檢測的效率和準確度。某牧場引進監測設備，僅3年時間，牧場奶牛妊娠率提高了28%，產犢間隔減少了30d。妊娠奶牛由于妊娠黃體的存在，抑制卵泡生成素的分泌，從而抑制卵泡發育，奶牛表現不發情，當計步器監測到妊娠奶牛出現活動量增高等發情癥狀時，很可能說明這頭奶牛存在流產現象。由此可見，該系統對奶牛的妊娠狀況可以進行更直觀地顯示，更有效地幫助奶牛養殖場的養殖人員對奶牛妊娠狀況進行評估，有利于對病牛和流產牛的快速準確治療或再配種，有利于減少奶牛空懷期和浪費藥品，給牧場帶來顯著的經濟效益。

3.3 健康監測

發情監測系統能夠依據監測的生理狀態指標推算出奶牛個體的生活規律，反映奶牛的健康狀況。通常情況下，奶牛每天躺臥反芻的時間為8~10h，當監測到的躺臥時間高于或低于這個范圍時，說明奶牛的健康狀態存在異常。另有研究表明，奶牛佩戴計步器可以有效地監測奶牛蹄病的發生，盡早的發現并積極治療使得牧場蹄病治愈率從71.59%提升至91.18%。

4.如何發揮奶牛發情監測系統在奶牛養殖業發展中的價值

目前，信息技術在奶牛養殖、疾病控制和奶制品銷售中起著不可或缺的作用。進一步加強奶牛養殖業信息化建設，這不僅有助于牛奶養殖業的健康發展，也將有助于推動我國從禽畜養殖大國向禽畜養殖強國邁進。

傳統的發情檢測模式是通過牧場人員每天至少三次的查看，還得是牧場工作人員非常細心的情況下，有時候甚至4次檢查，根據數據分析，這種檢測模式，漏檢率高達百分之50，假如養了100頭牛，那么50頭將漏配一個情期，根據農業大學的數據表示，一頭奶牛漏配一個情期，每頭牛每天單產30Kg（大約均產量），每公斤3.6元（市價行情有波動），情期21天，那就是說漏配一個情期將損失2268元，50頭牛也就是113400元。那么使用智能項圈檢測發情系統呢，根據測試，帶上智能項圈的牛只，檢出率達到90%—95%，就相當于省了100000左右。

5.小結和展望

奶牛的繁殖性能是決定奶牛養殖經濟效益的重要因素。發情監測系統已成為現代奶牛養殖的重要技術之一，該系統的應用大大減少了人工觀察法造成的漏配現象，有效提高了奶牛發情檢出率、受胎率以及妊娠率，顯著降低了由于空懷所導致的經濟損失。不過，由于奶牛發情監測系統在我國起步較晚，產品和技術的應用不夠完善，需要進一步加強奶牛發情前后活動量、體溫等生理狀態的閾值研究，以不斷改進和完善該領域的研究。