物联网技术在奶牛养殖的应用现状及展望

文/张金梦 胡婷婷 余斯炅 王翌翀 郭凯军 张仁龙

（1北京农学院计算机与信息工程学院；2北京农学院动物科学技术学院）

物联网（The Internet of Things，IoT），即“万物相连的互联网”，指将需要监控、连接、互动的物体或信息通过各种传感器、射频识别技术、红外感应器等各种装置与技术，实时采集各种需要的信息，接入网络形成大数据库，实现对物品和过程的智能化感知和网络连接，方便识别、管理和控制[1]。近年来，IoT和人工智能已经深入人们生活。据统计，2020年有大约500亿物体连接到互联网上，物联网已广泛应用于精准农业、产品供应链管理、环境监测、云计算等领域[2]。

IoT和人工智能在畜牧业的应用主要是为畜牧业提供畜禽个体识别、精准饲喂、发情鉴定、疾病防治、畜产品追溯等信息。IoT和人工智能的联合使用深入到畜牧业的各个环节，保证了食品安全[3]。Dias等论述了精准奶牛养殖系统数据如何为牧场创造经济效益[4]。IoT、人工智能与奶牛生产的联系愈加紧密，在2018年举行的德国汉诺威国际畜牧展（被誉为全球畜牧行业的风向标）就明确表示以数字化、物联网等为核心的精准养殖技术在整个畜牧养殖中已经占据显著地位[5]。

目前我国奶牛养殖的主要任务之一就是提高奶牛养殖的智能化、精准化水平。在奶牛生产各环节运用IoT技术，在群体养殖中实现奶牛个体营养管理精准化、发情鉴定智能化、设施操作自动化、环境监测智慧化以及疫病防控友好化。旨在对IoT和人工智能在奶牛生产中的应用做简略的介绍。

1 个体识别技术

实现奶牛场数字化和智能化管理的基础是对奶牛进行精准有效的个体识别。奶牛个体识别可分为可视耳标识别、无线射频识别（RFID）、图像生物识别等[6]。个体识别技术是奶牛发情、行为检测、疾病监测等的基础。比如RFID技术通过在相应的挤奶设备的入口处放置一个RFID应答器，配合奶牛颈圈或者电子耳标等所记录的编号，与挤奶设备的程序相关联，可以实时监测并记录每一头奶牛的产奶量，实现对牧场产奶信息的动态监测；可以监测动物的运动行为，据此监测奶牛发情和健康问题，实现牧场精细化管理水平，提高牧场生产效益[7]。

1.1 可视耳标识别

可视耳标在奶牛识别中比较常见，外型小巧易于安装，制作成本小，对动物的伤害也比较低，但是牛在奔跑等过程中佩戴的耳标极易掉落损坏，需要使用经过国际动物记录委员会（ICAR）认证的耳标才能实现长期有效识别，另外佩戴可视耳标还有可能感染耳部疾病，使用时应注意清洁卫生[8]。

1.2 无线射频识别

RFID是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触，RFID配套设备主要由标签、读取器、条码扫描器、传感器和控制器组成。RFID识别的特点主要在于识别间距远、读取率高、防干扰能力较强等特点并可对动物个体信息进行编码，可实现从动物出生开始追踪其信息直到死亡。RFID主要有可穿戴式（项圈或者腿环）、电子耳标两种。项圈中还可以植入定位技术，检测动物的运动、位置信息[9]。RFID电子标签的主要优势在于该技术以条码的形式出现且一牛一码，易于辨别[10]。

1.3 图像生物识别

图像生物识别就是通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，来进行牛只的身份识别[11]。图像生物识别的过程主要为在奶牛场安装多功能相机进行实时拍摄，获取动物的脸部信息，进行个体牛脸识别。此外还可以通过图片了解牛只采食、行为活动，大致了解动物的健康情况。如果牛场选用热成像相机进行牛场的拍摄活动，可以探测动物的体温、发现附着在牛体表面的寄生虫，进而监测牛只的健康状况[12]。

2 体重测定技术

奶牛体重测定对于奶牛营养、管理具有重要的意义。由于传统称重对奶牛会造成一定程度的应激，影响奶牛生产性能，奶牛智能化称重成为目前研究的难题。

2.1 称重系统与RFID技术结合

首先通过牛只RFID电子标签识别牛只信息，奶牛在称重区进行称重，将获取到的重量信息与牛只信息进行绑定，即可完成自动称重。该系统的优势主要在于能够自动采集信息，解决了以往称重的许多干扰问题，可远距离传输数据、数据可靠性高、保密性强[13]。

2.2 称重系统与ZigBee技术结合

ZigBee无线通信技术是基于蜜蜂相互间联系的方式而研发生成的一项应用于互联网通信的网络技术。 ZigBee无线通信技术是一项近距离、低成本、低功耗的无线网络技术，具有高效、便捷的特征。称重系统与ZigBee技术结合，即在称重区周围设立一个RFID的读卡器，使牛只在进行称重的同时也能由读卡器进行读取条码识别牛只的身份信息，测量的数据信息通过ZigBee无线传感网络发送至管理计算机，为管理人员提供基础信息[14]。

2.3 图像采集估测体重

用摄像头对牛只进行三维照相，通过红外线扫描得到牛只的胸围、体斜长，根据体重和体尺的关系求得体重，比如约翰逊法：体重（千克） = 胸围长度（cm）2×体斜长（cm）/10 800（可用于乳牛和乳肉兼用牛）。此法得出的牛的体重误差较大，目前并没有得到实际应用[15]。

3 产奶性能测定技术

3.1 产奶量和乳品质的自动测量

在群体生产中准确获取每只奶牛的日产奶量对于奶牛的精确饲喂具有重要的作用，奶牛305 天产奶量估计的准确性直接影响着养殖场的经济效益和奶牛遗传评估效果[16]。近年来，在人工智能和大数据基础上发展了一系列的估测305 天产奶量的模型，比如elder模型、Wood模型、人工神经网络（ANN）和神经模糊系统等[17]。ANN模型主要要求收集奶牛胎次、乳脂率、乳蛋白率、体细胞数、最高单日产奶量5 项数据，能够大致推算出奶牛305 天产奶量[18]。

对于乳品质的测定，全球范围内通过DHI（Dairy herd improvement）计划利用MIR（中红外光谱）技术广泛开展对乳脂率、乳蛋白率、体细胞数、菌落总数等指标的测定[19]。目前主要是开展离线批量自动化监测。2008年，阿菲金公司率先推出了实时在线乳成分分析仪-魔盒（Afilab），可以在挤奶时实时监控牛奶中乳脂、乳蛋白、乳糖等指标。Afilab主要是使用近红外光谱进行在线牛奶分析。近红外光谱的优势在于能够进行实时间、无损在线测量[20]。

3.2 机器人挤奶

挤奶机器人一般安装有奶牛的识别和健康监测系统，在挤奶的过程中，能够通过自动传感器记录牛只的个体信息；通过检测系统实时监测牛只的乳品质、健康情况、繁殖状况等；此外还与农场管理系统相连，使牧场人员能够全面的获取奶牛产奶的各项信息，更好的管理牧场[21]。与传统挤奶设备相比，机器人挤奶设备几乎不需要工作人员的参与，只需要维修人员定期对机器进行修护即可；在挤奶过程中大大减少了人为因素的干扰；对提高奶牛生产性能有积极作用[22]。

4 奶牛发情揭发技术

繁殖性能的管理在奶牛生产养殖中具有重要作用，其中对奶牛产奶量的影响最为明显[23]。奶牛繁殖性能的管理涉及到奶牛的选种选配、同期发情、发情鉴定等过程，其中最关键的环节之一是奶牛的发情鉴定，对奶牛发情时间的准确鉴定也是许多牧场所面临的挑战。对奶牛发情进行及时监测可以有效提高奶牛发情检出率、配种受胎率，从根本上降低由于空怀所导致的经济损失[24]。目前牧场中应用的发情监测系统主要有计步器发情监测系统、SCR发情监测系统、基于体温变化的发情监测系统等。

4.1 计步器发情监测系统

动物行为是评估动物福利、健康和繁殖行为的最重要标准之一。在奶牛发情的时候，表现出精神兴奋、接受爬跨、并伴随着奶牛运动量明显增多等特点，因此计步器才可以依靠跟踪记录奶牛的活动量来判断奶牛是否处于发情期。一般在牛腿部安装计步器，对奶牛运动进行实时的监测，获取牛只出现最大活动量的准确时段，由此判断出母牛发情盛期的出现时间[25]。小型牧场采用人工识别方法进行发情监测，对于大型牧场来说由于人力有限不能及时发现奶牛发情现象或由于人员的经验不足造成误判导致牛只受胎率降低。而奶牛计步器的试验能够全面实时的反映牛群运动情况，从而准确揭发奶牛的发情情况。目前计步器在牧场已被大量使用，大大提高了发情揭发效率，同时能有效监测蹄病症状[26]。

4.2 颈圈发情监测系统

以色列的SCR公司研发的SCR发情检测系统，主要包括SCR颈圈、传感器、牛号识别器、计算机等。检测过程主要是SCR颈圈通过传感器精确监测奶牛的运动量，运动数据经过相关的软件分析对比，如果发现运动量出现明显的差异，则会自动报警，从而揭示动物处于发情状态。该技术对牧场中奶牛发情的揭发具有显著优势，但是由于该系统的价格比较高，目前在国内的大型牧场应用还有待于推广[27，28]。

4.3 加速度感应器发情监测系统

加速度感应器发情监测系统对动物佩戴颈圈或者耳标等设备内安装加速度感应器进行实时检测奶牛的运动行为。将这些数据通过传感器传送到特定计算机上进行分析对比，如果超过软件正常阈值则自动发出警报。该系统能够准确监测出奶牛发情，提高发情期奶牛的受胎率，实现了奶牛发情监测的自动化管理[29]。Schweinzer等对263 头奶牛佩戴该系统，结果表明检测发情的敏感性、特异性、阳性预测值、阴性预测值、准确性分别为97%、98%、96%、94%、96%，说明该系统对奶牛发情的监测具有显著的应用效果[30]。

5 奶牛精准饲喂

全混合日粮（TMR）由于能够给奶牛提供均衡的营养，从而能够有效减少营养代谢病和提高产奶量及生鲜乳品质，牧场中广泛应用TMR饲喂奶牛[31]。为了更加精准的监测TMR日粮的制作质量，TMR智能管理系统逐步在牧场中应用。该系统由TMR饲喂车数据终端系统、装料车数据终端系统和数据管理系统三大部分组成，能够从投料过程、投喂误差、采食分析、饲喂成本、饲喂效率等方面进行全面分析，实现饲喂工作实时监管，使饲喂更精准[32]。

精确饲喂机器人在TMR饲喂技术的基础上，给高产奶牛进行精准补饲，称为PMR技术，设立精料补饲站，按照程序自动运行，通过精准识别奶牛，按照产奶量高低为高产奶牛精确配比并补充精补料，实现每天多次有规律饲喂，进而充分发挥奶牛泌乳遗传潜力，减少饲料消耗，提高产奶量[33]。

6 环境监测和调控

6.1 温室气体和氨气排放监测

在养殖场中，奶牛体内的肠胃消化物、粪便排泄物和有机物腐败分解会产生甲烷、二氧化碳、氨气等气体[34]。甲烷和二氧化碳是引起温室效应导致气候变暖的主要成分，奶牛养殖场释放的甲烷和二氧化碳备受关注；氨气含量过多则会引起牛的呼吸道疾病等症状，同时也暗示着蛋白质的浪费，因此温室气体和氨气排放量通常被作为监测空气污染程度和安全性的可靠指标[35]。对于甲烷、二氧化碳、氨气的监测也逐渐常规化，从人工气候仓研究试验牛只气体排放，到牛舍饲喂槽甲烷、二氧化碳、氨气传感器的推广应用，将为奶牛养殖可持续发展提供有力的工具。

6.2 温湿度等环境指标的实时监控

在奶牛生产过程中，牛舍中的温度、湿度、风速等对奶牛的产奶量、采食量、乳品质都有较大的影响，甚至导致各种细菌滋生易诱发乳房炎[36]。曲爱玲和马长路研究表明环境中的PM2.5会造成奶牛呼吸道疾病、损害奶牛的免疫系统、导致抵抗力下降，甚至导致妊娠奶牛妊娠异常、子痫前期早产、死胎等现象[37]。

孙涛等设计的基于PLC（可编程控制器）的牛舍无线智能环境监控系统，主要是根据环境传感器收集信息传送到PLC并进行保存，当环境参数发生改变达到设定值时，能够自动发动相应的设备（喷雾降温、流风机等）进行维持畜舍环境的稳定[38]。刘忠超等设计的基于ZigBee和Android的牛舍环境远程监测系统，把畜舍内的环境参数通过ZigBee网络传输到计算机上，并借助TCP/IP通信协议搭建TCP服务器，得到畜舍内的温湿度、氨气浓度等参数，进而能够对畜舍环境实行远程无线实时监测[39]。此外还有基于无线传感器网络的调控系统[40]、基于LabVIEW的养殖场环境监控系统[41]等都能有效监测畜舍内的温湿度和有害气体并实时做出反应。

除了这些检测系统外，还有一种模拟环境设备-人工气候室，具备调温、调湿、调CO2、调光照的功能。人工气候室主要包括上下机位两个系统，上位机用于对气候室系统的实时监控，下位机的作用在于复杂运算和逻辑控制，上下位机之间采用Rs485串口通信，通过传感器对环境因子进行检测控制，使各个因素都维持在一个稳定的范围[42，43]。人工气候室实现了在实验室条件下对环境的智能监控。

7 总结和展望

随着物联网的发展，养殖场智能化的水平越来越高，然而我国畜牧行业的智能化发展仍处于相对初级的阶段，体重称量、三维照相体况评分等方面还需要更加成熟的系统，传感器采集到的海量数据形成的信息孤岛还需要进一步有机融合。中国是畜牧大国，我国区块链+5G物联网技术已经站在世界前列，其在奶牛生产的应用，必将促使我国奶牛智能化生产向智慧化生产转变，我国向畜牧强国的发展指日可待。