寒区奶牛现代化饲养关键技术及装备研究

项建廷++赵毅++赵尔迪++刘立强

摘要：为了研发适合国内生产实际的挤奶自动化技术与装备，设计一种可测定和采集奶牛运动步数与体温变化情况的奶牛计步器，以及一款无线组网数据采集模式的奶牛场信息管理软件。该成果的推广应用可促进养牛业向高产、优质、高效益和集约化发展。

关键词：奶牛；计步器；信息管理；软件；功能

中图分类号：S817.21 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）04-0021-04

近年来，我国部分奶牛场发展迅速，实施了规模化养殖，亟需大力开发适合国内生产实际的挤奶自动化装备，并进行相关技术储备。本研究综合国内外奶牛场特点及奶牛信息化发展情况，在当前技术基础上，开发出用于测定和采集奶牛运动步数与体温变化情况的奶牛计步器，以及无线组网数据采集模式的奶牛场信息管理软件。

1 奶牛计步采集部分设计

采用计步器监测奶牛发情期。通过监测奶牛每天的行走步数，利用无线模块将数据上传计算机，判断步数是否有大幅增加，来确定奶牛是否处于发情期中。

本研究设计一种计步器（如图1所示），其主要特点为：1） 超低功耗。控制器选取超低功耗的MCU；无线发射端采用zigbee无线网络技术，模块工作时电流仅为25 mA，休眠时电流小于1 μA；对硬件电路进行优化设计，有效降低输入漏电流，从而大大降低系统的整体功耗。2） 记录准确。提出一种新的动态自适应计步算法，利用三轴加速度传感器，建立准确的奶牛运动模型，精确记录奶牛行走的步数。3） 便于佩戴使用。计步器体积小、质量轻，便于佩戴在奶牛的脖子和小腿处，不会使奶牛不适。

2 管理软件设计

2.1 国内外研究现状

1） 阿菲牧牧场管理软件。以色列阿菲金公司研发的阿菲牧牧场管理系统软件是一种供奶牛场使用的智能化管理系统。该系统通过收集和分析奶牛场数据库，对奶牛场的生产进行信息化管理，其涵盖了奶牛场所有生产环节，为养殖户提供了一个有效的信息度量工具。阿菲牧所收集的数据资料和数据库使管理者始终能获取信息的“制高点”，防患于未然，从而做出最好的管理决策。同时，阿菲牧也为牧场技术人员提供了便捷的工具，使其通过软件可以准确得到牛群个体的详细信息，真正做到信息的可溯性，为高效工作奠定基础。

2） Crystal牧场管理软件。Crystal是Fullwood公司开发的一个易于使用的智能化牧群管理软件，配合该公司研发的智能化挤奶自动化装备使用。Crystal软件贯穿了奶牛场生产和管理的各个环节，其根本任务是提供过程控制、信息管理和决策支持的解决方案，提高畜牧业的生产力、盈利能力和改善生产方式，实现生产过程自动化与智能化。Crystal的功能十分强大，从整体上分为两部分，即在所有奶牛的层面上工作和在个体奶牛的层面上工作。Crystal提供的个体奶牛信息十分丰富，从基本信息和健康信息到繁殖、挤奶、饲喂、日程、活动等奶牛生命周期的全部信息与数据，都可以自动地由Crystal控制。

3） 丰顿奶牛场管理信息系统。丰顿奶牛场管理信息系统（FreeDMS 4.0）凭借中国农业大学专业技术支撑，结合国外最新奶牛科学管理经验，总结国内数十位奶牛饲养专家的育种、养殖、生产技术和经营管理实践经验，遵循我国奶牛饲养标准规范（最新第3版）开发，并经多家奶牛场实施应用而发展成熟，是实现奶牛场降本增效和管理现代化的有力保证。该系统可完全实现奶牛生长繁育全生命周期、胎次产奶周期和奶牛养殖企业日常生产、经营管理的规范化、科学化、透明化。该系统的核心业务功能包括参数设置、基本数据录入、CNDHI接口、报告分析、智能预警、精液管理、兽医保健、饲喂与营养、选种选配。

2.2 奶牛场信息管理软件研发

2.2.1 研发背景 当前，大型奶牛场普遍引进挤奶自动化装备代替人工挤奶作业。为了配合挤奶自动化装备完成挤奶任务，提高挤奶效率；同时为了对挤奶自动化装备在挤奶过程中产生的各种数据进行收集、统计、分析，发现奶牛的健康问题，管控产出牛奶的质量；也为了方便管理人员对奶场环境、奶牛及其他资产和资源进行管理，控制生产成本，做出决策和规划，遂研究开发一款“奶牛场信息管理软件”。

2.2.2 软件功能 奶牛場信息管理软件可以收集、统计、分析挤奶过程中产生的各种数据，以及对挤奶自动化装备进行一些参数设定。其功能结构如图2所示。1） 用户权限控制功能。主要是登录保护，禁止未授权的用户使用本软件；将授权用户分为普通用户和管理员用户，管理员比普通用户有更多的权限，包括增加、删除普通用户（组）和对软件的运行参数进行设置，普通用户不能使用软件的某些功能。2） 系统设置功能。主要是对软件的运行参数和环境进行设置，包括一些基本设置（设置时间、功能快捷键等），数据导入导出设置，软件页面布局设置（显示或隐蔽一些区域、起始页的布局），报表或列表设置，以及用户权限设置。3） 奶牛信息管理功能。主要是对每头个体奶牛的所有信息（基本信息、健康信息、繁殖信息、日程信息、挤奶信息、饲喂信息等）进行管理，包括对信息的收集、整理、显示、分析等。4） 牛舍信息管理功能。主要是收集牛舍中多个地点的传感器数据，这些传感器对牛舍环境信息（温度、湿度、氨气浓度、二氧化碳浓度、牛舍通风条件等）进行监控。5） 数据导入导出功能。主要是方便用户对软件的数据进行导入和导出操作。用户可以将当前数据导入到其他文件进行备份，或者将其他文件的数据导入当前的工作环境。6） 奶牛信息摘要功能。主要是在用户打开登录后，向用户展示其感兴趣的奶牛信息的摘要或报告。用户可以快速定位奶牛（如患有乳房炎的奶牛或即将产犊的奶牛），然后进行后续操作。7） 生成报告功能。主要是让用户自定义报告的格式，然后软件对所有的数据进行统计分析，并生成报告。

2.2.3 软件功能需求详述

1） 用户权限控制。该功能的业务流程如图3所示。

2） 系统设置。① 背景数据交换时间。为防止软件使用过程中发生意外情况导致挤奶自动化装备的实时数据丢失，软件需要每隔一段时间在任务空闲时将数据写入数据库，时间间隔可以由用户设置，以避免由于频繁的写入导致当前任务处理变慢。② 数据库恢复。可以设定软件是否在重新启动时自动恢复数据库。

3） 奶牛信息管理。① 奶牛基本信息。可以显示个体奶牛的基本信息和奶牛的一些基本设置。基本信息包括：奶牛编号（ID）、分组编号、奶牛耳号、计步器编号、性别、毛色、品种、牛舍编号、牛场、出生日期和用途。除以上基本信息外，还可显示个体奶牛的生育信息。奶牛的双亲信息可被用来查看该奶牛的血统和世系图谱，该功能可以显示奶牛双亲的编号（ID）。② 奶牛分组信息。可以依据不同的标准对同一头奶牛进行分组。软件提供4种分类方法，分别是根据饲喂量、根据产奶量、根据哺乳期天数、根据用途。③ 其他数据。可以显示奶牛的一些附加信息，包括：添加日期、最后修改、显示该奶牛信息的最后一次修改的日期、日程信息、挤奶信息、挤奶列表、挤奶量统计、营养成分、装备设置、每天挤奶量的统计图、当前情况、整个泌乳期的情况、配给量算法等。

2.3 模块设计

2.3.1 奶牛信息摘要模块 该模块在用户登录后的第一个界面显示，方便用户查看。默认显示所有奶牛的信息，根据在设置模块的用户设置，显示用户感兴趣的信息项。模块界面采用MFC的“组合列表框”控件，默认显示的信息项有：组（牛群）编号、牛只编号、耳号、性别、生长阶段、产奶阶段、计步器数据。模块界面设计如图4所示。

该模块中还设计了一个筛选器，这样用户就可以在界面中只关注某些符合条件的奶牛。例如，只关注在“泌乳期”的奶牛或只关注在“干奶期”的奶牛。用户双击列表中的某条奶牛信息，将弹出一个模态对话框，即是该奶牛的各种详细信息。

2.3.2 奶牛基本信息模块 该模块可根据需求分析的要求，显示一头奶牛的各种基本信息。模块界面设计如图5所示。

为了使该界面可复用（与添加奶牛信息使用同一个界面），根据不同的数据，设计使用不同的MFC控件。例如，性别使用了单选按钮（Radio button），毛色、品种等可选择的数据使用了组合框控件（Combo box），出生日期使用了时间日期选择控件（Date Time Picker）。

2.3.3 挤奶信息模块 该模块处理奶牛挤奶过程中挤奶自动化装备的各种传感器传过来的各种数据，还会显示数据库中存储的历史数据。模块界面（如图6所示）中“每天挤奶量统计”折线图使用了TeeChart这一第三方MFC控件。

该模块中有多处数据库读取操作。界面初始化时，需要初始化列表组合控件和图表控件的数据。初始化列表数据所使用的SQL语句为：

SELECT MilkDate， MilkTime， Duration， Yield， Result FROM t_CowMilking WHERE CowID=id ORDER BY MilkDate DESC， MilkTime ASC；

此SQL語句在数据库表中查询出挤奶数据，并按照日期降序、时间升序排列。

3 结语

本研究开发的奶牛计步器与奶牛场信息管理软件产品经推广销售后，每100万元的销售收入将获得30万元的利润。黑龙江省奶牛存栏量300万头，全省规模化奶牛养殖场2 279个。随着推广范围扩大，销售量将会逐年增加，前景广阔。该成果的推广应用是促进养牛业向高产、优质、高效益和集约化发展的有效途径，在推动奶牛饲养、奶牛生产等行业发展的同时，可带动奶牛用品生产、加工等相关产业的共同发展。

参考文献

[1] 蒋晓新.计步器在荷斯坦奶牛群体生理健康水平监测中的应用[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2016.

[2] 刘俊杰，王秀珍，余涛，等.挤奶机器人国内外研究现状[J].农业科技与装备，2015（7）：30-33.

[3] 高旭东.基于加速度传感器和无线传输的奶牛计步器系统[D].呼和浩特：内蒙古大学，2014.

[4] 李军，罗艳红，毛红安.DHI、TMR、牛场管理软件三位一体综合技术应用[J].中国乳业，2013（10）：31-33.