浅析“胃电胶囊”在奶牛健康监测中的应用

拓 军，赵 云

(1.巴彦淖尔市科学技术研究所；2.巴彦淖尔市瑞安网络安全有限公司，内蒙古 巴彦淖尔 015000)

“十四五”规划纲要指出，要大力发展现代畜牧业。现代畜牧业发展的核心就是畜牧业数字化。巴彦淖尔市围绕发展农牧业数字化，在河套学院建成数字经济大数据中心，开设养殖数据分析、食品安全数据分析等教学、实验、科研项目。大数据中心的建立，为奶牛健康监测、数据分析提供了平台。巴彦淖尔市瑞安网络安全有限公司成功研发了“反刍动物胃电胶囊”，并应用于奶牛养殖健康监测中，对提高牛奶产量、提升饲草料转换利用率、降低劳动强度、改善奶牛养殖户收入、确保奶源质量安全以及对当地农牧业数字化建设都具有十分重要的意义。

1 当前奶牛健康监测中存在的问题

1.1 奶牛健康监测设备使用问题

目前，国内市场穿戴式智能感知设备如项圈、脚环、尾环、生殖器等传感器，都存在容易脱落、体积庞大、电池待机时间短、信号传输距离短、数据丢包率高等缺陷。

1.2 奶牛健康监测功能不全问题

国内还没有将各种功能集于一体的传感器，虽然有进口美国的穿戴传感器，功能也只具有一种或两种，而且价格偏高。美国有牛的“胃电胶囊”，但技术封锁，价格也很昂贵。

2 “胃电胶囊”及其在奶牛健康监测中的优势

巴彦淖尔市瑞安网络安全有限公司研发的“反刍动物胃电胶囊”(简称“胃电胶囊”)将温度传感器、pH传感器、加速度传感器、三轴陀螺体位传感器集中在一个Φ3.2×14 cm圆柱体内，通过LoRa技术传输通信讯号。

“胃电胶囊”为口服的体内植入式监测设备，有四大优势：①体积小；②外壳采用医用不锈钢合金材料和医用硅胶做成，安全耐用且对健康没有影响；③电池可用5年以上；④终身携带免维护，利用投药器通过食道轻松投放至瘤胃内，避免了穿戴式传感器的易损、易脱落等缺陷。并且具有以下功能：①定位；②持续测量牲畜的体温且不受外部环境影响；③监测胃内容物的pH值、步数、活跃度；④监测饮水、产犊行为特征等；⑤实时收集和记录准确可靠的数据，全程可追溯。

3 “胃电胶囊”在奶牛健康监测中的应用

“胃电胶囊”牲畜动态智能感知系统可以实现对牲畜瘤胃温度、胃部pH值、体态、胃蠕动量等部分生理信息自动感知、数据自动获取、分析、做出判断预警。通过这些关键生理参数获取，可以获得牲畜进食、饮水、活动、体温等信息，进而对牛的健康状况、发情、怀孕、分娩进行监管。“胃电胶囊”的应用可有效预防牛的疾病，准确判断牛的发情期，实现牛的精细饲养，保障乳制品质量安全，减轻饲养者劳动强度，提高工作效率，提升奶牛养殖企业的经济效益。

3.1 利用“胃电胶囊”监测奶牛体温的变化

通过高精度温度传感器检测牛的体温。研究牛体温与疾病、进食、饮水、瘤胃内变化、发情、妊娠及分娩等事件的规律性变化。建立大数据信息平台，预测牛的疾病、发情、妊娠、分娩及饲料转化利用。

3.1.1 奶牛体温检测方法。由巴彦淖尔市瑞安网络安全有限公司研发的“胃电胶囊”，经过8个牧场近1 000头牛长达5个月的植入示范，目前未造成动物不适，未影响到动物健康和生产，设备运行稳定、可靠。该产品在2021年3月8日，被农业农村部信息中心评定为“农业农村部信息中心关于推介2021数字农业农村新技术新产品新模式优秀案例”。

3.1.2 奶牛体温的变化规律。正常情况下，奶牛体温变化不明显。若出现体温偏高时，多为病原微生物感染引起的炎症或代谢紊乱等；体温偏低时，多为严重营养不良、休克、大出血及濒死期等。因此，在实践应用中，可以利用奶牛体温变化规律来确定其健康状态。奶牛体温监测情况见图1。

图1 奶牛一天内不同时段胃内温度变化曲线

3.2 利用“胃电胶囊”监测奶牛活动量的变化

活动量监测数据包括：奶牛日常采食、运动、反刍等行为活动。“胃电胶囊”内置了加速度传感器，实现了“胃电胶囊”计步检测奶牛活动量变化。每天实时(默认12 min上传一次)上传采集数据，并由云端电脑进行数据处理和存储。利用算法可以得出反刍动物饮水频次，可以得到反刍动物的运动量、体态和瘤胃蠕动量。

3.2.1 奶牛活动量监测方法。根据胃电胶囊内置的加速度传感器、陀螺仪数据，利用算法可以得出反刍动物饮水频次、运动量、瘤胃蠕动量。该设备已对内蒙古8个牧场近1 000头牛进行了长达5个月的植入示范推广使用。其中胃活动变化如图2所示。

图2 奶牛每日胃活动变化曲线

图3 奶牛一天内不同时段温度变化曲线

图4 利用数据分析出的每日饮水次数

根据一天中反刍动物采食后必然要进行饮水的生理特征，每次饮水后，植入到瘤胃内的“胃电胶囊”会采集到因为饮水而发生的温度数据变化值(监测到的温度在饮水前是38 ℃～39.5 ℃，饮水后会降到27 ℃～36 ℃，大约在36 min～60 min会回升到38 ℃～39.5 ℃)，利用算法可以得出反刍动物饮水频次。

3.2.2 奶牛活动量的变化规律。健康奶牛每天的活动量变化都在一个相对恒定的范围内。但是，当疾病发生时，奶牛活动量会出现异常变化。如果奶牛活动量明显降低，多为行动障碍的肢蹄疾病发生；如果活动量明显增加，多为引起精神亢奋的疾病或受惊吓刺激等导致。当出现监测预警时，可结合临床表现对牛体进行相应处理。

3.3 奶牛体温与活动量数据在生产中的指导应用

利用奶牛体温与活动量的变化规律可以科学合理地判断奶牛的健康状况与生理状态，也可衡量奶牛疾病与繁育生产管理等指标。在实际生产中，通过“胃电胶囊”牲畜动态智能感知系统每天实时上传数据到河套学院数字经济大数据中心，并由云端电脑进行数据存储及处理，利用奶牛体温与活动量的变化规律及时科学合理地判断奶牛的健康状况与生理周期状态，也为疾病预防与高效管理提供重要依据。具体应用见图5、图6、图7。

图5 温度变化与疾病的关系

图6 正常牛实时监测报告

图7 异常牛实时预警报告

根据畜牧健康管理平台各功能模块，查看奶牛健康状况，进行科学管理，利用算法排除因生理变化、应激反应而导致的体温变换数据对因为疾病而导致的体温变化的数据的干涉，继而得到有效的、真实的疾病报警信息。及早发现病牛，并进行相应处理。具体功能：①信息管理，管理年龄、品种、毛色、怀孕状况等；②健康管理，实时监测体温、进食情况；③发情管理，发现发情并通知、了解受精适当的时期；④疾病管理，行为和体温预测有疾病迹象的牛；⑤行为管理，了解饮水次数和进食行为；⑥喂养管理，了解瘤胃环境适当调整喂食配比；⑦历史管理，记录发情、怀孕和分娩的繁殖历史；⑧进度管理，检查发情、分娩、繁殖状况等。

图8 畜牧健康管理平台界面

4 结束语

将“基于牛‘胃电胶囊’牧场数字化管理系统”应用到我国反刍动物，如牛、羊、骆驼等养殖业中，通过监测动物体温与活动量变化值，进行数字化精准管理，及时有效防治疾病。此技术成果也可应用于包括养殖、饲草、兽药、育种、银行、保险公司、科研院所在内的畜牧养殖全产业链，可以为管理者精准评估牲畜个体的生理行为提供有效的数据支撑，也为相关的科研人员在牲畜生理体征行为领域，尤其在牲畜的疾病、营养、发情预警领域的进一步研究提供一种有效、长期的监测工具。应用前景十分广阔。