淺析“胃電膠囊”在奶牛健康監(jiān)測中的應(yīng)用

拓 軍，趙 云

(1.巴彥淖爾市科學(xué)技術(shù)研究所；2.巴彥淖爾市瑞安網(wǎng)絡(luò)安全有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

“十四五”規(guī)劃綱要指出，要大力發(fā)展現(xiàn)代畜牧業(yè)。現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展的核心就是畜牧業(yè)數(shù)字化。巴彥淖爾市圍繞發(fā)展農(nóng)牧業(yè)數(shù)字化，在河套學(xué)院建成數(shù)字經(jīng)濟大數(shù)據(jù)中心，開設(shè)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)分析、食品安全數(shù)據(jù)分析等教學(xué)、實驗、科研項目。大數(shù)據(jù)中心的建立，為奶牛健康監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析提供了平臺。巴彥淖爾市瑞安網(wǎng)絡(luò)安全有限公司成功研發(fā)了“反芻動物胃電膠囊”，并應(yīng)用于奶牛養(yǎng)殖健康監(jiān)測中，對提高牛奶產(chǎn)量、提升飼草料轉(zhuǎn)換利用率、降低勞動強度、改善奶牛養(yǎng)殖戶收入、確保奶源質(zhì)量安全以及對當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)數(shù)字化建設(shè)都具有十分重要的意義。

1 當(dāng)前奶牛健康監(jiān)測中存在的問題

1.1 奶牛健康監(jiān)測設(shè)備使用問題

目前，國內(nèi)市場穿戴式智能感知設(shè)備如項圈、腳環(huán)、尾環(huán)、生殖器等傳感器，都存在容易脫落、體積龐大、電池待機時間短、信號傳輸距離短、數(shù)據(jù)丟包率高等缺陷。

1.2 奶牛健康監(jiān)測功能不全問題

國內(nèi)還沒有將各種功能集于一體的傳感器，雖然有進(jìn)口美國的穿戴傳感器，功能也只具有一種或兩種，而且價格偏高。美國有牛的“胃電膠囊”，但技術(shù)封鎖，價格也很昂貴。

2 “胃電膠囊”及其在奶牛健康監(jiān)測中的優(yōu)勢

巴彥淖爾市瑞安網(wǎng)絡(luò)安全有限公司研發(fā)的“反芻動物胃電膠囊”(簡稱“胃電膠囊”)將溫度傳感器、pH傳感器、加速度傳感器、三軸陀螺體位傳感器集中在一個Φ3.2×14 cm圓柱體內(nèi)，通過LoRa技術(shù)傳輸通信訊號。

“胃電膠囊”為口服的體內(nèi)植入式監(jiān)測設(shè)備，有四大優(yōu)勢：①體積小；②外殼采用醫(yī)用不銹鋼合金材料和醫(yī)用硅膠做成，安全耐用且對健康沒有影響；③電池可用5年以上；④終身攜帶免維護(hù)，利用投藥器通過食道輕松投放至瘤胃內(nèi)，避免了穿戴式傳感器的易損、易脫落等缺陷。并且具有以下功能：①定位；②持續(xù)測量牲畜的體溫且不受外部環(huán)境影響；③監(jiān)測胃內(nèi)容物的pH值、步數(shù)、活躍度；④監(jiān)測飲水、產(chǎn)犢行為特征等；⑤實時收集和記錄準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，全程可追溯。

3 “胃電膠囊”在奶牛健康監(jiān)測中的應(yīng)用

“胃電膠囊”牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)可以實現(xiàn)對牲畜瘤胃溫度、胃部pH值、體態(tài)、胃蠕動量等部分生理信息自動感知、數(shù)據(jù)自動獲取、分析、做出判斷預(yù)警。通過這些關(guān)鍵生理參數(shù)獲取，可以獲得牲畜進(jìn)食、飲水、活動、體溫等信息，進(jìn)而對牛的健康狀況、發(fā)情、懷孕、分娩進(jìn)行監(jiān)管。“胃電膠囊”的應(yīng)用可有效預(yù)防牛的疾病，準(zhǔn)確判斷牛的發(fā)情期，實現(xiàn)牛的精細(xì)飼養(yǎng)，保障乳制品質(zhì)量安全，減輕飼養(yǎng)者勞動強度，提高工作效率，提升奶牛養(yǎng)殖企業(yè)的經(jīng)濟效益。

3.1 利用“胃電膠囊”監(jiān)測奶牛體溫的變化

通過高精度溫度傳感器檢測牛的體溫。研究牛體溫與疾病、進(jìn)食、飲水、瘤胃內(nèi)變化、發(fā)情、妊娠及分娩等事件的規(guī)律性變化。建立大數(shù)據(jù)信息平臺，預(yù)測牛的疾病、發(fā)情、妊娠、分娩及飼料轉(zhuǎn)化利用。

3.1.1 奶牛體溫檢測方法。由巴彥淖爾市瑞安網(wǎng)絡(luò)安全有限公司研發(fā)的“胃電膠囊”，經(jīng)過8個牧場近1 000頭牛長達(dá)5個月的植入示范，目前未造成動物不適，未影響到動物健康和生產(chǎn)，設(shè)備運行穩(wěn)定、可靠。該產(chǎn)品在2021年3月8日，被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部信息中心評定為“農(nóng)業(yè)農(nóng)村部信息中心關(guān)于推介2021數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村新技術(shù)新產(chǎn)品新模式優(yōu)秀案例”。

3.1.2 奶牛體溫的變化規(guī)律。正常情況下，奶牛體溫變化不明顯。若出現(xiàn)體溫偏高時，多為病原微生物感染引起的炎癥或代謝紊亂等；體溫偏低時，多為嚴(yán)重營養(yǎng)不良、休克、大出血及瀕死期等。因此，在實踐應(yīng)用中，可以利用奶牛體溫變化規(guī)律來確定其健康狀態(tài)。奶牛體溫監(jiān)測情況見圖1。

圖1 奶牛一天內(nèi)不同時段胃內(nèi)溫度變化曲線

3.2 利用“胃電膠囊”監(jiān)測奶牛活動量的變化

活動量監(jiān)測數(shù)據(jù)包括：奶牛日常采食、運動、反芻等行為活動。“胃電膠囊”內(nèi)置了加速度傳感器，實現(xiàn)了“胃電膠囊”計步檢測奶牛活動量變化。每天實時(默認(rèn)12 min上傳一次)上傳采集數(shù)據(jù)，并由云端電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲。利用算法可以得出反芻動物飲水頻次，可以得到反芻動物的運動量、體態(tài)和瘤胃蠕動量。

3.2.1 奶牛活動量監(jiān)測方法。根據(jù)胃電膠囊內(nèi)置的加速度傳感器、陀螺儀數(shù)據(jù)，利用算法可以得出反芻動物飲水頻次、運動量、瘤胃蠕動量。該設(shè)備已對內(nèi)蒙古8個牧場近1 000頭牛進(jìn)行了長達(dá)5個月的植入示范推廣使用。其中胃活動變化如圖2所示。

圖2 奶牛每日胃活動變化曲線

圖3 奶牛一天內(nèi)不同時段溫度變化曲線

圖4 利用數(shù)據(jù)分析出的每日飲水次數(shù)

根據(jù)一天中反芻動物采食后必然要進(jìn)行飲水的生理特征，每次飲水后，植入到瘤胃內(nèi)的“胃電膠囊”會采集到因為飲水而發(fā)生的溫度數(shù)據(jù)變化值(監(jiān)測到的溫度在飲水前是38 ℃～39.5 ℃，飲水后會降到27 ℃～36 ℃，大約在36 min～60 min會回升到38 ℃～39.5 ℃)，利用算法可以得出反芻動物飲水頻次。

3.2.2 奶牛活動量的變化規(guī)律。健康奶牛每天的活動量變化都在一個相對恒定的范圍內(nèi)。但是，當(dāng)疾病發(fā)生時，奶牛活動量會出現(xiàn)異常變化。如果奶牛活動量明顯降低，多為行動障礙的肢蹄疾病發(fā)生；如果活動量明顯增加，多為引起精神亢奮的疾病或受驚嚇刺激等導(dǎo)致。當(dāng)出現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警時，可結(jié)合臨床表現(xiàn)對牛體進(jìn)行相應(yīng)處理。

3.3 奶牛體溫與活動量數(shù)據(jù)在生產(chǎn)中的指導(dǎo)應(yīng)用

利用奶牛體溫與活動量的變化規(guī)律可以科學(xué)合理地判斷奶牛的健康狀況與生理狀態(tài)，也可衡量奶牛疾病與繁育生產(chǎn)管理等指標(biāo)。在實際生產(chǎn)中，通過“胃電膠囊”牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)每天實時上傳數(shù)據(jù)到河套學(xué)院數(shù)字經(jīng)濟大數(shù)據(jù)中心，并由云端電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲及處理，利用奶牛體溫與活動量的變化規(guī)律及時科學(xué)合理地判斷奶牛的健康狀況與生理周期狀態(tài)，也為疾病預(yù)防與高效管理提供重要依據(jù)。具體應(yīng)用見圖5、圖6、圖7。

圖5 溫度變化與疾病的關(guān)系

圖6 正常牛實時監(jiān)測報告

圖7 異常牛實時預(yù)警報告

根據(jù)畜牧健康管理平臺各功能模塊，查看奶牛健康狀況，進(jìn)行科學(xué)管理，利用算法排除因生理變化、應(yīng)激反應(yīng)而導(dǎo)致的體溫變換數(shù)據(jù)對因為疾病而導(dǎo)致的體溫變化的數(shù)據(jù)的干涉，繼而得到有效的、真實的疾病報警信息。及早發(fā)現(xiàn)病牛，并進(jìn)行相應(yīng)處理。具體功能：①信息管理，管理年齡、品種、毛色、懷孕狀況等；②健康管理，實時監(jiān)測體溫、進(jìn)食情況；③發(fā)情管理，發(fā)現(xiàn)發(fā)情并通知、了解受精適當(dāng)?shù)臅r期；④疾病管理，行為和體溫預(yù)測有疾病跡象的牛；⑤行為管理，了解飲水次數(shù)和進(jìn)食行為；⑥喂養(yǎng)管理，了解瘤胃環(huán)境適當(dāng)調(diào)整喂食配比；⑦歷史管理，記錄發(fā)情、懷孕和分娩的繁殖歷史；⑧進(jìn)度管理，檢查發(fā)情、分娩、繁殖狀況等。

圖8 畜牧健康管理平臺界面

4 結(jié)束語

將“基于牛‘胃電膠囊’牧場數(shù)字化管理系統(tǒng)”應(yīng)用到我國反芻動物，如牛、羊、駱駝等養(yǎng)殖業(yè)中，通過監(jiān)測動物體溫與活動量變化值，進(jìn)行數(shù)字化精準(zhǔn)管理，及時有效防治疾病。此技術(shù)成果也可應(yīng)用于包括養(yǎng)殖、飼草、獸藥、育種、銀行、保險公司、科研院所在內(nèi)的畜牧養(yǎng)殖全產(chǎn)業(yè)鏈，可以為管理者精準(zhǔn)評估牲畜個體的生理行為提供有效的數(shù)據(jù)支撐，也為相關(guān)的科研人員在牲畜生理體征行為領(lǐng)域，尤其在牲畜的疾病、營養(yǎng)、發(fā)情預(yù)警領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供一種有效、長期的監(jiān)測工具。應(yīng)用前景十分廣闊。