奶牛阴道植入式集成传感器与无线监测系统研究

Intravaginal Integrated Biosensor and Wireless Monitoring Platform for Precision Health Management in Dairy Cows

摘要

发情监测是奶牛繁育流程中的一个重要环节，人工监测耗费人力、物力且发情揭发率较低，计步器监测受安静发情、空间大小和蹄病的影响造成漏检率较高。以奶牛发情时阴道温度和活动量变化为基础，设计了一款可以同时监测这两项指标的奶牛阴道植入式集成传感器，无线监测系统可实现数据实时更新和分析，使奶牛发情的监测和管理更科学、更便捷。通过在青年牛上的实际应用发现，植入式集成传感器的发情揭发率为96.49%（55/57），较蜡笔法人工监测发情揭发率85.96%（49/57）提高10.53个百分点，在实际生产中已达到具有重要经济与管理意义的效应量。该传感器运行稳定、灵敏度高，适用基于阴道温度和活动量综合判定奶牛发情的方案，后续可根据长期的奶牛发情记录，建立模型进行系统训练，使发情揭发率进一步提高，实现奶牛繁育管理的智能化和现代化。

Abstract

Heat detection is a crucial step in the breeding management of dairy cows.Conventional manual monitoring is labor- and resource-intensive， yet yields a relatively low detection rate.Monitoring with pedometers is also prone to missed detections， particularly during silent estrus.To address these limitations， an intravaginal implantable integrated sensor capable of simultaneously monitoring vaginal temperature and physical activity was designed.Coupled with a wireless monitoring system， the device enabled real-time data update and analysis， thereby facilitating more accurate and convenient estrus detection and management.Field application in heifers demonstrated that the sensor achieved a heat detection rate of 96.49% （55/57）， which was 10.53 percentage points higher than that of manual detection using the chalk method 85.96% （49/57）.The improvement represents a substantial effect size with important economic and management implications in practical production.The sensor operates stably and has high sensitivity， making it well suited for estrus determination based on combined vaginal temperature and activity signals.With the accumulation of long-term estrus records， predictive models can be established for system training， further enhancing detection accuracy and promoting intelligent and modernized breeding management in dairy cows.

Graphical abstract

关键词

奶牛 / 发情 / 阴道植入式 / 阴道温度 / 活动量 / 集成传感器 / 无线监测系统

Key words

dairy cow / estrus / intravaginal implantation / vaginal temperature / activity level / integrated biosensors / wireless monitoring platform

随着奶牛养殖业的不断发展，提高奶牛繁殖效率成为提升牧场经济效益的关键。准确及时地监测奶牛发情是实现高效繁殖的重要前提，一旦错过这一窗口，不仅意味着当次受胎率归零，还会将产犊间隔延长21 d以上，直接造成每头牛每年最高可达3 000元的收益损失^［1］。然而，传统的人工观察法不仅费时费力^［2］，更因无法捕捉持续时间短、症状微弱的安静发情与亚临床发情，导致30%左右的发情事件被漏检，错过最佳配种时机，繁殖效率随之急剧下降^［3］。

孙伟等^［4］通过胚胎移植（Multiple ovulation and embryo transfer，MOET）与全基因组选择技术（Genomic selection，GS）在奶牛育种中实现了显著遗传，表明精准繁殖管理对提升牧场整体效益具有重要意义。李光鹏等^［5］通过基因编辑技术（CRISPR/Cas9）成功改良了黄牛繁殖性状，进一步说明精准监测与高效繁殖技术的结合是未来牛智能化育种的重要技术支撑。

近年来，随着信息技术和传感器技术的飞速发展，基于物联网^［6］、机器视觉^［7-8］和神经网络^［9］等多种技术的奶牛发情监测系统应运而生。这些系统通过实时监测奶牛的活动量^［10-14］、体温^［15-17］和行为^［18-21］等生理参数，结合先进的数据处理和分析算法，能够显著提高发情监测的准确率和效率。然而，在复杂养殖环境下，现有系统在鲁棒性、多参数融合监测优化与成本控制等方面仍面临诸多挑战^［22-23］。

针对上述难题，基于奶牛发情时阴道温度与活动量同步变化的特点^［24］，设计了一款可植入奶牛阴道的集成传感器。该传感器内置高精度温度传感芯片和数字加速计，可通过无线传输技术将数据实时上传至云端分析平台，全天监测奶牛阴道温度与活动量的变化，综合判定发情事件。该方案显著提高奶牛发情揭发率，为奶牛养殖业实现智能化管理和提升繁殖效率提供了有力的技术支撑。

1 系统总体设计

1.1 设计需求

基于奶牛阴道温度和活动量的变化综合判断奶牛发情状态，通过咨询行业专家与规模化牧场繁育系统技术人员，总结以下奶牛阴道植入式温度和活动量传感器与无线监测系统的主要需求。

（1） 植入设备集成温度和活动量传感器应设计为长圆柱体，无尖锐部件，边缘光滑，外表由对奶牛生殖系统无危害且具有良好生物安全性的材料包裹，避免奶牛产生应激反应。

（2） 植入式温度和活动量集成传感器灵敏度高，监测数据准确，温度传感器精度为±0.1 ℃，整机待机功耗小于100 μA，数据可实现无线传输，通信距离大于50 m，可实时更新至无线监测系统供技术人员查看。

（3） 传感器进行植入与取出时操作方便快捷，可重复使用。

1.2 总体设计方案

根据奶牛阴道植入式发情传感器和无线监测系统的实际需求，设计方案如图1所示。

（1） 奶牛阴道植入式集成传感器：内部集成温度传感器、活动量传感器、电池和蓝牙通信模块，通过特制的栓枪植入待发情奶牛阴道内。

（2） 本地网关：可接收由阴道植入式集成传感器广播的数据，整理后通过4G网络上传至服务器。

（3） 无线监测系统：技术人员通过计算机登录无线监测系统，查看可视化的监测数据，进而对奶牛的发情状态快速预警。

1.3 系统硬件设计

1.3.1 温度传感器

采用高精度温度传感芯片M117W对奶牛阴道温度进行数据采集，原因如下。

（1） 出厂前经测试校准后，根据温度误差特性进行校准系数的拟合，芯片内部自动进行补偿计算，确保在无需用户校准的条件下，实现±0.1 ℃的最高测温精度，分辨率为0.004 ℃，具有-70~150 ℃的超宽工作范围，同时满足系统设计的温度精度要求。

（2） 基于互补金属氧化物半导体PN结温度与带隙电压的特性关系进行工作，经过小信号放大、模数转换和数字校准补偿后，经数字总线输出，具有精度高、一致性好和测温快的特性，待机功耗为0.1 μA，测温平均电流为5.2 μA，满足超低功耗设计要求。

（3） 可编程配置灵活和使用寿命长，I²C通信占用较少管脚，满足重复使用和小型化设计的要求。

1.3.2 活动量传感器

采用三轴数字加速计ADXL345对奶牛活动量（运动活跃度）进行数据采集，原因如下。

（1） 基于微机电系统（MEMS）技术，采用微小的振动结构，将物体加速度转化为机械振动，再将振动信号转化成电信号，最终通过内部处理产生数字输出，满足小型化设计的要求。

（2） 待机功耗为0.1 μA，低采样模式下平均电流为25 μA，具有功耗低、量程大、分辨率高、可编程配置灵活和使用寿命长等优点。

（3） 其内置阈值可调节的活动/非活动监控模式，可以在低功耗的条件下有效地记录奶牛的活动量变化，以最低成本满足测量需求。

1.3.3 主控与无线传输模组

采用支持低功耗蓝牙（Bluetooth low energy，BLE）无线通信的32位RISC微控制器CH582作为主控与无线通信模块，该微控制器集成2 Mbps低功耗蓝牙BLE通信模块、2个全速USB主机、设备控制器及收发器，在提供蓝牙无线通信功能的同时兼具对其他功能模组的控制、调节和通信的功能。

1.3.4 奶牛阴道植入式传感器封装设计

根据奶牛阴道植入式传感器设计需求及应用场景，对传感器进行了多次优化改进，传感器结构及尺寸（单位为mm）如图2所示。前段（植入时靠近子宫颈部的结构）为一个两爪的弹性支臂，图2（a）为传感器在体外的状态，弹性双臂因无约束而张开，使用定制的栓枪（图3，尺寸单位为mm）将两者组装后进行植入操作，图2（b）为传感器植入阴道时的状态，弹性双臂内合向外支撑阴道内壁，力度适宜，避免造成应激反应的同时使传感器不易滑出；中段结构是直径为20 mm、长度为90 mm的圆柱体，核心电子模组集成于该段内部，外表面使用医用热硫化硅橡胶进行包裹，该材料经检测可应用于人的生殖系统，对组织无刺激性、无毒性、无过敏反应以及致畸胎实验显示阴性，具有良好的生物学性能^［25］；尾段为一根长300 mm的柔软硅胶绳，连接尾部圆柱体状天线。尾段设计的优点有两个，一是传感器在植入阴道工作时天线暴露在阴道外，进行低功率传输时信号不受影响；二是取出传感器时只需拉动暴露在外的天线即可。

1.3.5 本地网关

奶牛阴道植入式发情传感器配套的本地数据接收与转发网关系统由一套电气配电箱（包含一个主箱和两个副箱）组成，主网关由电源插排、Orange Pi Zero3、Simboss路由和UPS 4个主要部件组成；副网关由POE分离器、Orange Pi Zero3和UPS 3个主要部件组成。

主副网关的分离部署可有效扩大奶牛阴道植入式发情传感器的有效信号接收范围，与此同时，主网关通过Simboss路由内置的4G SIM卡，将解析、去重和打包处理后的数据块通过4G网络传输到后端进行数据分析。

2 系统运作概述

奶牛阴道植入式发情传感器的软件系统基于沁恒微电子的蓝牙协议栈任务管理操作系统（Task management operating system，TMOS），其任务执行优先级按照注册顺序进行排列调度。

2.1 广播任务

将多项采集数据与历史数据通过BLE广播形式进行发送，广播数据结构如图4所示。广播频率为30 min/次，每次广播20 s，广播类型为仅广播不可连接。

2.2 温度采集任务

温度数据由高精度温度传感芯片M117W获取，获取频率为15 min/次。M117W与主控芯片通过I²C通信。M117W包含所需函数，上电后会进入空闲模式，通过配置芯片函数进行单次高精度温度采样。主芯片发送温度采样指令开启温度采集，转换时间为10.5 ms，在执行开启命令的15 ms后读取寄存器温度数字并输出。温度数字输出为16 bit、有符号的二进制补码，温度数字输出与摄氏度的转换公式为T=\mathrm{40}+T_S/\mathrm{256}，式中，T的单位为℃，T_S 为芯片的输出参数。

2.3 活动量估算任务

活动量估算数据由三轴数字加速计ADXL345通过动态阈值触发方式累计获取，活动阈值为0x0E，睡眠阈值为0x0A，睡眠触发时长为5 s，增量频率为1 s。主控芯片通过I²C与其通信。ADXL345中包含所需函数，ADXL345初始为睡眠状态，活动量估算任务也处于睡眠状态。当加速度变化量大于活动阈值时，ADXL345发送中断信号至P00，激活活动量估算任务，以+1/s的速率增加，直至最近5 s内三轴加速度变化均低于睡眠阈值，ADXL345将再次进入睡眠状态，并发送中断信号至P00，终止活动量估算任务中的循环进程，使活动量估算任务进入睡眠状态。

2.4 电池电量采集任务

在模数转换器（Analog-to-digital converter，ADC）采样开启前，为了预先接通采样电路通路，需提前0.1 s将P04引脚置为高电平，随后通过P05引脚进行连续9次的ADC采样，频率为10 Hz（即每0.1 s采样一次）。系统对采样数据进行算术平均处理，并换算为电池电量百分比，最终电量值以单字节形式存储，有效数值范围为0%~100%。

3 奶牛植入式发情传感器的应用和实验结果

3.1 发情传感器的植入流程

为了确保植入式集成传感器正常工作且避免因植入操作时对奶牛生殖系统造成炎症，使用植入式集成传感器时严格按照规范进行操作，具体步骤如下。

（1） 准备阶段，将植入式集成传感器和专用栓枪置于2 g·L^-1苯扎溴铵溶液中浸泡2 min以上，晾干后备用。重复利用的传感器需提前将污渍刷洗干净后再进行浸泡。

（2） 正式植入前，使用75%乙醇对植入式集成传感器和栓枪进行冲洗、擦拭消毒，干燥后将传感器前端弹性支臂向前压紧，整体装入栓枪卡槽内。

（3） 植入时，待植入奶牛应为保定状态，技术人员对其外阴消毒并擦拭干净，分开外阴后缓慢将栓枪插入阴道，待栓枪前端进入到子宫颈口外的阴道前庭时，向前推动栓枪推杆，将集成传感器缓慢推出的同时退出栓枪。奶牛植入式集成传感器的植入位置如图5所示。

（4） 植入完成后，天线结构应垂挂在奶牛外阴下部，如图6所示，记录牛号和对应传感器设备号。

3.2 发情信号的判断

在奶牛群中植入监测传感器后，在系统上录入牛号和对应装置编号，植入式集成传感器开始监控奶牛阴道温度和活动量，以30 min/次的频率广播数据，本地网关接收数据后上传至云端服务器，技术人员可通过无线监测系统的人机交互界面对牛群状态进行查看，如图7所示。

系统根据监测数据生成奶牛阴道温度和活动量随时间变化的柱状图，同时在柱状图中添加3 h移动平均值趋势线，以降低单个小时出现的温度异常导致的误判。通过对比当日趋势线最高点与前1 d趋势线最高点，若二者差值满足表1任一判断标准即输出发情预警。3 h移动平均值趋势线设定的理论依据Sakatani等^［26］和李蓝祁^［27］的研究：母牛发情时阴道温度较前1 d同期升高0.3 ℃，且持续3 h以上。

如表2所示，将文献统计的奶牛发情时活动量较间情期平均增加267.5%作为标准一的判断条件；根据Sakatani等^［26］和李蓝祁^［27］的研究，将奶牛发情时阴道温度较间情期平均增加0.3 ℃作为标准二的判断条件。如图8所示，系统根据设定的条件监测到奶牛发情，并对发情时间段加注颜色作出提醒。

3.3 传感器温度监测准确性测试

奶牛在发情期间体温通常会波动约0.3~1.0 ℃，因此，体温测量的准确性对奶牛发情监测至关重要。高精度温度传感芯片M117W提供的测温精度可达±0.1 ℃。然而，在芯片被塑胶外壳包裹后，其是否能够准确测量外部环境温度仍需通过实验进行验证。

为评估温度测量的准确性，随机挑选了3个设备进行对比实验。为避免水浴实验中容器内水温分布不均的影响，采用高精度恒温箱以提供稳定、精确且均匀的环境温度，从而确保所有设备在实验中处于相同的环境条件。此外，温箱内放置了一台高精度温度计作为参照基准。实验共设置27、32、37和42 ℃ 4组温度条件。在将温箱调整至目标设定温度并保持30 min以确保温度达到稳态后，每隔10 min记录一次温度数据，连续监测120 min。实验结果如图9所示，随机挑选的3个设备的温度测量值与高精度温度计的参考值均保持在±0.1 ℃的误差范围内，这表明设备能够满足体温测量的准确性要求，可为奶牛发情监测提供可靠支持。

3.4 三轴运动传感器灵敏度测试

奶牛个体之间存在较大差异，其运动量的绝对值测量既无标准定义，对发情监测的意义也不明确。因此，研究的重点应放在运动量的相对变化上，只需验证运动传感器对运动测量的灵敏性和一致性，即可满足实验要求。

运动量数据是指在一段固定的时间内，运动传感器加速度读数大于某一阈值的总时长。我们设计了一个电机马达驱动的摇摆支架，该支架由单片机控制马达，以间歇、速度随机的方式进行摆动，模拟不同的运动状态。3个随机挑选的设备被固定在支架上角速度和线速度相同的位置，并进行约10 h的连续测试，设备会记录自身的累计运动时长。预期实验结果中，3个设备的累计运动时长应具有良好的一致性，并能够准确反映电机马达的实际运动时长。实验结果如图10所示，3个设备在累计运动时长的记录数据上几乎没有差异，这表明设备的运动量测量具有一致性。测量数据与电机马达的实际运动时长呈固定比例关系，表明三轴运动传感器能够灵敏地反映相对运动量的变化，同时证明了设备运动量测量的一致性与灵敏性，这为后续奶牛发情监测中的运动数据分析提供了可靠支持。

3.5 发情揭发率监测实验

为了验证植入式发情传感器及无线监测系统的效果，在内蒙古自治区呼和浩特市某大型养殖场开展研究，在青年牛和成母牛上进行了发情揭发实验，共选择青年牛57头和成母牛93头。青年牛选择10月龄以上的牛，成母牛选择三胎次以内、产后50~80 d的牛。符合条件的奶牛植入阴道集成传感器，同时人工使用蜡笔法监测奶牛发情状态，无线监测系统报告发情的奶牛需人工确认。统计人工监测和发情监测系统的发情揭发率，同时分别对发情监测系统根据温度和活动量单参数进行发情判断的揭发率计算，用SPSS v22.0软件中的卡方检验进行结果差异性统计分析。

表3结果显示，在青年牛上使用植入式集成传感器的发情揭发率为96.49%，高于人工揭发的85.96%；双参数综合揭发率相较于温度和活动量单参数发情揭发率高35.09个百分点和7.02个百分点。如表4结果所示，在成母牛上使用植入式集成传感器的发情揭发率为72.04%，人工发情揭发率为75.27%，两者差异不显著（P＞0.05）；双参数综合揭发率相较于温度和活动量单参数发情揭发率高8.60个百分点和6.45个百分点。

4 讨论和结论

采用计步器可自动鉴定奶牛发情，其依据是奶牛发情期阴道活动量可增至间情期的3.6~6.8倍，但受空间大小^［28］、蹄病^［29］和安静发情^［30］等因素影响，导致鉴定结果稳定性欠佳。温度传感器受干扰小，可识别奶牛的安静发情，却因被毛覆盖的限制，需采用接触式测温，设备研发存在难度。奶牛的阴道温度在发情前4 h达峰^［31］，与其活动量同步变化，两者联用可降低漏检。

奶牛阴道植入式发情传感器与无线监测系统可实时监测奶牛发情时阴道温度和活动量的变化。实验结果表明，温度测量芯片与三轴运动传感器经塑胶外壳封装后，其测量精度、一致性与灵敏度均符合设计指标（温度误差≤±0.1 ℃，运动传感器批次间变异系数<0.17%），从而确保了后续奶牛发情监测算法输入数据的可靠性与稳定性。同时参考前人对奶牛发情时阴道温度和活动量的研究设定系统揭发阈值，实验得出在青年牛上的发情揭发率为96.49%（55/57），对比人工发情揭发率85.96%（49/57），在统计学上未达到显著水平（P＞0.05），但奶牛发情揭发率绝对值提高10.53个百分点，在实际生产中已达到具有重要经济与管理意义的效应量。在成母牛上的发情揭发率为72.04%（67/93），对比人工观察法差异不显著（P＞0.05）。造成这样的结果主要原因为：经产母牛生产牛犊后阴道较青年牛松弛，传感器与阴道接触不紧密，降低了温度传感器检测的准确性，同时安静发情的奶牛活动量监测数据达不到揭发阈值，导致对此类牛只的发情揭发效果不理想。另外，在成母牛上传感器易滑落掉出，成母牛传感器掉出率为23.8%（29/122），造成数据丢失，也是该系统在成母牛上发情揭发率统计不准确的原因之一。后续将设计不同弹性支臂尺寸和规格防止其掉落，同时根据数据优化成母牛发情预警阈值，使成母牛发情揭发率达到青年牛的准确率。

后续可通过记录长期追踪式的发情数据，揭示奶牛发情时活动量和阴道温度在时间上的关系，建立大数据模型进行量化分析与深度机器学习，使综合发情检出率提高到趋近于100%，解决安静发情与亚临床发情等问题。

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