奶牛发情行为实时监测系统研究.docx

中国畜牧兽医学会信息技术分会 2014 年学术研讨会11 陆昌华，王立方，胡肄农等.动物及动物产品标识及可追溯体系研究进展.江苏农业学 报,2009,25(1):197-202.12 熊本海，傅润亭，林兆辉等. 生猪及其产品从农场到餐桌质量溯源解决方案以天津市为例. 中国农业科学，2009，42（1）：230-237.13 熊本海主编.奶牛精细养殖综合技术平台.中国农业科学技术出版社,2005, pp5157.14 /aarticle/h/redht/201106/20110607602279.html.15 罗卫强，陆承平. 基于激光技术的生猪二分体检疫标识关键技术研究.中国动物检疫，2011(11):4-5.161718192021/. /. /.国家信息中心.农村信息化可持续发展模式研讨及经验交流会.2014.(参阅资料).傅衍国外母猪的繁殖性能及年生产力水平.pic 中国技术期刊.2010, 16(3): 32-34.杨亮、曹沛，王海峰，熊本海. 妊娠母猪自动饲喂机电控制系统的优化设计与实现.农业工程学报，2013,21(29):66-71.agrovision b.v.2012./productline/. agritec./en/vaquitec/.2011.afifarm herd management software./products/cows/herd-management-tools/afifarm-herd-management-software.2013. 杨亮，吕健强，熊本海.山黑猪繁殖数据网络数据库平台的开发.中国农业科学.2013,46（12）： 2550-2557. 熊本海主编.种猪精细养殖综合技术平台.中国农业科学技术出版社,2005,肖建华, 胡玉龙, 范福祥, 马海鹍, 王洪斌.奶牛繁殖系统的构建.中国农业科学.2012, 45(10):2012-2021. /pigcloud/index.aspx. 中华人民共和国农业部.全国畜牧业发展第十二个五年规划（20112015 年）.中国农业信息，2011. 余鸣.中国畜牧业国际竞争力研究.2002.中国农业科学院研究生院博士论文.熊本海，罗清尧，杨亮. 家畜精细饲养物联网关键技术的研究. 中国农业科技导报,2011,13(5):19-25.22232425262728293031奶牛发情行为实时监测系统研究田富洋 1,2，李法德 1*，王中华 2，樊新忠 2（1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安，271018；2.山东农业大学动物科技学院，山东泰安，271018）摘要：及时和准确的识别奶牛发情在牛群管理中具有重要地位。根据奶牛发情期间，活动量上升、静卧时间变短和体温升高等生理学特性，采用振动传感器、姿态传感器和温度传感器实时检测奶牛的活动量、静卧时间和体温等参数，进一步确定了奶牛的行走因子、静卧时间、行走时间、温度等参数。利用 vb.net 软件设计了奶牛发情行为实时处理系统，经过初步试验验证，本文设计的监测系统检测奶牛发情是有效的。关键词：奶牛；发情；监测- 159 -中国畜牧兽医学会信息技术分会 2014 年学术研讨会0 引言随着人民生活水平的提高，需乳量也逐渐加大，集约化、规模化奶牛养殖场得到了迅速发展，奶牛发情的及时检测显得日益困难4 ，发情检测在牛群繁殖管理中具有重要地位，及时发现奶牛发情有利于奶牛的及时受孕、产犊并提高泌乳期。奶牛发情检测方法一般可分成两大类。一类是传统的检测方法，主要有人工观察、试情法和直肠检测法2。目前我国绝大多数养牛场还采用人工观察，再依靠经验判断的方法进行奶牛发情识别。这种判断方法仅能用于小规模的奶牛养殖，已经不适合较大规模、集约化的奶牛场。另一类是数字化检测方法。把现代数字化技术引入奶牛养殖，用电子传感器检测奶牛的发情体征做起，利用电子测控科技技术，采集、记录现场奶牛个体的身体物理参量（体温、活动量、呼吸参数、内分泌、采食量以及产奶量等），准确判断奶牛发情时间，充分发挥良种奶牛的繁殖潜力，促进生产性能和经济效益的不断提高，促进现代化奶牛养殖业的发展3。firk4提出在不同的自动检测奶牛发情的方法中， 利用计步器检测奶牛发情可以使检出率为 8090%，但同时也有高达 1755%的错误率。brehme5发 明了一种新型计步器alt 计步器，来检测奶牛的发情状况，检出率大于 90%，错误率仅为 10%。国内柳平增6等设计了一套奶牛发情期自动检测系统，采用计步器采集奶牛的活动信息，计步器采集信息后通过无线传输的形式传输给上位管理机进行分析处理，帮助奶农监测奶牛的发情期以便于奶牛及时受孕。尹令7等提出在奶牛颈部安装无线传感器节点，通过各种传感器获取奶牛的体温、呼吸频率和运动加速度等参数，采用 k-均值聚类算法对提取的各种参数进行行为特征多级分类识别，以此建立的动物行为监测系统能准确区分奶牛静止、慢走、爬跨等行为特征，从而可以长时间监测奶牛的健康状态。本文采用振动传感器、姿态传感器和温度传感器实时检测奶牛的活动量、静卧时间和体温等参数，进一步确定了奶牛的行走因子、静卧时间、行走时间、温度等参数。利用 vb 设计了奶牛发情行为实时处理系统，利用该系统可以对奶牛的发情进行实时辨识和预测，通过实际验证确定设计的处理系统的正确性。1奶牛发情监测系统硬件设计1.1 系统设计根据系统的设计要求，奶牛发情辅助监测系统主要是由上位机和终端监测装置组成。基金项目：山东省科技攻关计划项目（2009ggb02777），国家自然基金项目（51205238）作者简介：田富洋（1979.08-），男，山东郓城人，讲师，工学博士，动物营养与行为检测博士后。研究方向：农业 装备及自动化技术、数字化养殖、机器人动力学与控制，email:。- 160 -中国畜牧兽医学会信息技术分会 2014 年学术研讨会上位机部分主要由一台pc机、与pc机连接的无线通讯模块和射频接收模块（读卡器）构成。上位机主要是奶牛信息管理系统软件，利用该软件可以对奶牛活动变化进行分析，可以直观的了解奶牛一段时间内的活动量、静卧时间和体温的变化特征，对奶牛是否处于发情期进行正确的判断，同时还可以监测奶牛的健康状况。终端检测装置如图 1 所示，主要由信息检测部分、单片机系统、无线通讯模块和无源射频卡构成。信息检测部分由检测奶牛活动量的振动传感器、检测奶牛静卧时间的姿态传感器和检测奶牛体温的温度传感器组成。如图 2 所示，是将终端监测装置采用捆绑的方式固定在奶牛的后腿上，然后将温度传感器的感温端紧贴奶牛后腿跟内侧皮肤。一图 1 检测硬件系统图 2 佩戴监测系统的奶牛-i1.2 数据采集实验数据来源 5 头奶牛，选择是基于管理员经验判断的将要发情的奶牛和不会发情的健康成年奶牛。这些奶牛在牧场内可以自由活动。为精确判断奶牛的行为特征，奶牛行为由监测系统和摄像机同步记录。实验数据结构由奶牛编号、活动时间、时间间隔、单位时间内活动量、卧姿状态、体表温度以及环境温度等组成。活动时间表示奶牛活动的时间；时间间隔表示监测系统检测奶牛活动因子累加的最小时间，即记录间隔时间内奶牛的活动因子（该参数与奶牛的行走步数成一定的线性关系）；单位时间内活动量表示一段时间内奶牛的活动量（即活动因子之和）；卧姿状态分为奶牛躺卧和奶牛站立（行走）两种状态。- 161 -中国畜牧兽医学会信息技术分会 2014 年学术研讨会2奶牛发情行为实时监测系统软件设计2.1 总体设计图 3 奶牛发情实时监控系统本软件分为奶牛场管理模块、奶牛信息录入模块、奶牛信息查询模块、通信管理模块、数据显示模块、数据处理与保存模块、奶牛发情分析模块（分析奶牛参数数据，显示分析结果）、传感器管理模块和报表打印模块。该软件的基本原理框图如图 3 所示。2.2 奶牛的基本信息设计本管理系统的开发以养牛场牛只个体信息和场里的具体情况为出发点，发挥了农业信息化技术的优越性，加强了现场生产的条理性以及大量数据信息的计算技术监管，降低了工作人员的工作强度，避免了传统的由饲养管理人员手工记录各种生产信息的纷繁杂乱性以及数据信息的不安全性，提高了牛只管理的自动化程度以及牛场生产效率和发情监测水平。系统人机界面如图 4 所示，系统中主要以个体牛只各种信息的数字化管理为主，包括牛只的品种、编号、出生日期、饲喂信息以及发情记录等实时信息的添加、修改、删除、查询和信息报表的打印。同时,辅助于系统的维护功能：用户信息的管理、权限的设置等，如图 5 所示奶牛基本信息，包括奶牛的品种、年龄、平均发情天数、自然状态下平均活动因子、发情状态下活动因子、活动等级以及日平均产奶量等信息。- 162 -打 印 等 其 他 模 块奶 牛 发 情 显 示 模奶 牛 发 情 处 理 模奶 牛 行 为 处 理 模数 据 处 理 保 存 模通 信 管 理 模 块奶 牛 基 本 信 息 模奶 牛 场 管 理 模 块奶牛发情行为实时监测系统字化奶牛养殖个体行实时栓洲分管理系统、1口删j；m册jnj鱿艇i，旃*i雠n【女#口)】【*】【女】【目【mhc)】中国畜牧兽医学会信息技术分会 2014 年学术研讨会敷为特征析图 4 人机交互界面图 5 奶牛的基本信息l奶牛发情行为实时监测2.3从下位机发给上位机的数据包括检测日期和时间、奶牛编号、采样间隔、活动因子、卧姿状态、体温以及环境温度，如图 6 所示。图 6 奶牛检测数据图 7 奶牛发情结果查询奶牛活动量参数、姿态和体温参数是与奶牛发情有关的三个参数。因此，我们利用奶牛的活动量、姿态和体温参数建立判断奶牛发情的模糊数学模型。分析监测得到的奶牛数据，并将其提炼成数学模型，建立隶属函数，判断奶牛是否发情如图 7 所示。3试验结果和分析为验证该奶牛发情辅助监测系统的实用可靠性，在前期进行室内外模拟试验的基础上，于2012.04.012012.05.31 在泰安鲁宝奶牛养殖乳业有限公司进行了奶牛发情监测试验，该奶牛场奶牛品种为荷斯坦牛。獯黧熏享一- 163 -中国畜牧兽医学会信息技术分会 2014 年学术研讨会图 8 0256 号奶牛未发情时活动因子曲线图 9 0256 号奶牛发情时活动因子曲线为提高检测奶牛发情的精确水平，本文设计采样时间间隔为 1 分钟，即 1 分钟内记录奶牛的活动量；连接终端监测装置的无线通讯模块休眠时间为 24 小时，即 1 天向 pc 机发送 1 次数据，因此1 天可采集奶牛 1440 组数据。在 pc 中基于 visual basic 软件设计了奶牛行为特征监测软件，可以对数据进行处理。通过图 8 和图 9 可以看出发情奶牛和未发情奶牛的活动因子、温度和卧姿状态有很大的差别，通过对该差别的辨识可以比较容易的对奶牛的发情进行辨识。- 164 -；中国畜牧兽医学会信息技术分会 2014 年学术研讨会3.1 环境温度影响分析34环境温度体表温度303332252031302928271510502610:00 16:00 22:00 4:00 10:00 16:00 22:00 4:00 10:00 16:00 22:00 4:00 10:00 16:00 22:00 4:00图 10 环境温度对奶牛体温的影响奶牛发情期间体温升高，本文对环境温度对奶牛体温的影响进行了试验研究。将一个终端检测装置放置在奶牛场的空旷处，时刻检测奶牛场的环境温度，得到环境温度和体温的曲线图，如图所示，可以看到体温不会随周围环境温度的变化而有明显的变化。因此外界温度对奶牛体温的影响可以忽略不计。4 结论1）本文采用振动传感器、姿态传感器和温度传感器设计了一套奶牛发情行为监测系统，实时检测奶牛的活动量、静卧时间和体温等参数，用于进行奶牛发情的判别。2）在上位机上编制奶牛发情行为实时监测系统进行辨识和预测奶牛的静止和动态的行为特征，可准确的辨识奶牛的发情行为，以及预测奶牛的发情日期。参考文献：1 maeve a. palmer, gabriela olmos, laura a. boyle, john f. mee. estrus detection and estrus characteristics in housed and pastured holsteinfriesian cowsj. theriogenology, 2010 (74): 2552642 lars relund nielsen, asger roer pedersen, mette s. herskin, lene munksgaard. quantifying walking and standing behaviour of dairy cows using a moving average based on output from an accelerometerj. applied animal behaviour science , 2010 (127) 12193 gabriele mattachini, elisabetta riva, giorgio provolo. the lying and standing activity indices of dairy cows in free-stall housingj.