引言

在畜牧业智能化转型背景下，奶牛运动信息成为发情监测、健康管理的核心依据，推动基于运动信息的奶牛养殖监测设备快速发展。此类设备主要应用于奶牛发情状态监测和智能放牧两大方向，为牧场降本增效提供关键技术支撑。国外技术起步早、商业化成熟，但存在成本高、本土适配性不足等问题；国内虽起步较晚，但在低成本创新、远距离通信等方面取得突破，不过仍面临数据实时性欠缺、功能融合不足等挑战。本文系统梳理国内外相关设备研究现状与产品特性，对比技术差异与适用场景，为研发兼具低功耗、多功能的集成化监测设备提供参考，助力奶牛养殖产业精准升级。

1 奶牛发情监测设备国内外研究现状

1.1 国内研究状

国内基于运动信息的奶牛发情监测设备还没有大范围的推广使用，但是基于各类控制器、传感器和通信技术的奶牛发情监测设备层出不穷。柳平增等人基于MSP430微控制器开发出用于监测奶牛发情的计步器，但没有对无线通信方式和通信距离等问题进行深入的研究。陈广华等人基于Zigbee无线通信技术设计出可以实现低功耗无线数据传输的计步器，用于奶牛发情检测。陶兴平、谷刚等人采用SMB380三轴加速度传感器，通过设定阈值以及峰值的方法来计算奶牛行走步数。胡剑文等采用振动传感器获取运动信息，设计了基于ARM9的奶牛运动量无线采集系统。赵读俊利用CLA-3全向震动传感器，设计了一种基于ZigBee的奶牛活动量的无线数据传输监测系统，通过分析其震动频率和幅度来判断奶牛发情。张英桥使用加速度传感器MMA7455采集奶牛运动步数，通过NRF24L01低功耗无线数据传输芯片，将数据传输至主控机并加以显示。曾立华等人设计的奶牛行为信息智能监测系统，记录并保存奶牛的体表温度及运动量大小，并实现数据的无线传输。熊鹏设计了一款以STC89C52单片机、ADXL345加速度传感器为核心的奶牛计步器，步数直接在终端设备显示，未涉及数据的无线传输。陈亚勇等人使用串口有线通讯和WiFi无线通讯相结合的数据传输方式，提出了一种基于STC12C5A60S2单片机的奶牛健康检测系统，使用温度传感器、心率传感器和运动传感器对奶牛特征参数进行检测。这些系统多采用ZigBee、WIFI等短距离无线传输技术，对现代化的大型的奶牛养殖场不适用。

由于无线通信技术的发展，国内逐渐出现了一些新的研究方向。李辉利用实时气压数据设计了一套姿态检测算法，可识别出奶牛趴卧姿态并记录趴卧时长，为奶牛健康状况监测提供更加多元而又准确的依据。刘忠超等人开发了一种基于以太网和微信公众号平台的奶牛发情体征监测系统，系统通过DSl8820接触式温度传感器和ADXL345三轴加速度计分别采集奶牛发情体征的体温和运动量，并利用ZigBee网络和以太网技术相结合的方式实现远距离传输。

1.2 国外研究现状

在以色列、美国、新西兰、澳大利亚等发达国家，基于运动量的奶牛发情监测系统的应用已非常普遍。以色列80%的奶牛佩戴有运动量监测设备；英国牧场的奶牛也佩有记录步频的电子装置，用来测量奶牛行走的距离、频率及速度，并传输至计算机中。Schofield SA等发现，用计步器检测奶牛发情的效率在75%-90%之间；Redden KD等采用计步器检测奶牛的行走步数、静躺时间以及体温等参数，通过分析确定奶牛是否发情；Jiang X等人以高峰哺乳期荷斯坦奶牛做实验，发现使用计步器监测发情检测率比人工观察提高了24.01%。

2 智慧牧场奶牛发情监测设备对比分析

2.1 国外奶牛发情监测设备现状

国外的相关研究较早，技术研究水平较成熟，与国外的奶牛养殖水平成正比。其中具有代表性的产品有以色列阿菲金(Afimilk)的Afitag，以色列森斯坦(SCR)的HeatimeTM，瑞典利拉伐(DeLaval)的Activity Meter等（见表1）。国外的奶牛发情监测设备不仅对奶牛发情监测，而是一个包括反刍、产奶、医疗等较为成熟的健康监控系统，因此价格较为昂贵，每套平均售价超过2万元，最少购买量为30套，一次性投入成本较高。产品在设计上存在许多弊端，不适合中国的奶牛养殖，如第一代Afitag、HeatimeTM只能在奶牛经过挤奶厅门口的时候读取奶牛运动数据，采集频率为每天一次，其他时段不能读取奶牛运动信息，可能会造成预报滞后，不能满足实时监测的目的。Activity Meter可以做到实时读取奶牛运动步数，需要在每栋牛棚中搭建中继天线，通信距离最长仅为3公里，每套系统最多可以处理十万头牛。

公司	阿菲金	森斯坦	利拉伐
捆绑位置	颈部 腿部	颈部	颈部
通信方式	WIFI路由器	(数据未知)	短距离无线传输
监测时间	24h不间断采集	24h不间断采集	24h不间断采集
监测传感器	热检测	计步器	(数据未知)

2.2 国内奶牛发情监测设备现状

近几年国内奶牛发情监测设备也出现一些具有代表性的产品，如南京丰顿的iHeatSpy，银川奥特的UCOWS(小牧童)系统，国科蓝海的奶牛发情监测系统，阿牧网云的发情监测系统等等（见表2）。国内的奶牛发情监测设备均采用基于加速度传感器的计步器记录奶牛运动数据，捆绑方式多为蹄式或颈式。24h不间断监测，但数据更新频率多为每小时更新一次，设备单电池使用寿命基本能达到五年，但通信方式多采用Zigbee、WIFI等短距离通信方式，由于通信距离较短，仅有几十到几百米，需要在牧场范围内额外架设天线等设备。其中，由于银川奥特公司采用NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）这种低功耗的远距离通信方式，单电池使用寿命可达6年，通信距离也得到保证。其通过奶牛运动数据的采集，在监测奶牛发情的同时，对奶牛难产、流产、泛情、热应激、蹄病及其他疾病也有一定的监测作用，应用最为广泛。一些产品虽然增加了体表温度、卧床时间、爬跨次数、产奶量、采食量等辅助数据来共同监测奶牛发情，但由于这些辅助数据的变化对发情预测的作用不是特别明显，如体表温度受环境影响大等原因，对奶牛发情的预测没有起到很好的辅助作用。经了解，奶牛场在使用类似计步器来监测奶牛发情的过程中，设备在使用后期会出现记录数据不准确的现象，导致使用后期发情检出率降低，无法准确判断奶牛的发情状态。国内奶牛发情监测的设备市场价格约为300-500元，主要用于科研和规模较大的奶牛场。由于奶牛发情检测器对奶牛产奶量提升有很大帮助，安装后半年可收回成本，其经济价值是可观的。

公司	南京丰顿	银川奥特	国科蓝海	阿牧网云
创立时间	2005年	2009年	2012年	2015年
捆绑位置	蹄式	颈部	蹄式 颈部	蹄式 颈部
通信方式	Zigbee(终端) GPRS/3G/4G	NB-IOT技术 互联网/短信平台	短距离无线通信	(数据未知)
监测时间	24h不间断采集	24h不间断采集	24h不间断采集	24h不间断采集
监测传感器	计步器	计步器	计步器	计步器
测量内容	计步、卧床次数&时间、爬跨次数、体表温度、RFID标识、反刍	体温、运动量	活动量（计步）、采食量、躺卧情况、起立	奶量、活动量
预测内容	发情期（由活动量、体表温度、个体状态共同预测）	(数据未知)	发情、难产、热应激	发情期（由产奶量+发情期间隔共同预测）、蹄病、流产
软件平台	云数据库 本地数据库	云平台+APP	云平台	手机端APP/PC端 PC端软件 SaaS云

3 GPS智能放牧系统研究现状及现有产品对比分析

3.1 国外GPS放牧系统研究现状

GPS（Global Positioning System）全球定位系统，早期主要应用于动物习性分析、野生动物追踪的相关研究中。科学家将卫星定位设备固定在动物身上，通过追踪这些动物的运动轨迹，从而推导出野生动物的活动范围、生活习性等情况。随后GPS技术也被应用在畜牧业的相关研究中。Williams ML等人利用数据挖掘和机器学习技术，建立了基于GPS全球定位系统(Global Positioning System)的放牧奶牛行为模型，利用全球定位系统监测放牧牛群。Aldo Calcante基于GPS/GSM技术奶牛产仔报警系统，由GSM设备在奶牛产犊时，向牧民发送短信报警，并由GPS设备获得牛犊出生点地理坐标。Weerd Nelleke等人用GPS技术跟踪牛的觅食、躺卧、站立和行走特征行为，并用分类和回归树算法对这些行为进行类型识别。在日本，兒嶋朋貴等人利用GPS与GIS分析牛场放牧空间利用规划的合理性；浪江宏宗等人利用高灵敏度的GPS追踪器记录牛只放牧轨迹，分析如何规划放牧轨迹来合理利用生态环境。

3.2 国内GPS放牧系统现有产品对比分析

目前国内市场上基于GPS的智能牧场设备主要用于智能放牧，代表产品有国科蓝海的“GPS放牧系统”、祁连山牧场的“全轨迹溯源系统”、几米牧场的“智慧牧场方案”等（见表3）。由于定位精度的限制，只能实现牧群位置追踪、电子围栏、记录运动数据、轨迹回放等功能，无法对识别单个牲畜的运动特征。这些设备的使用需要一定的成本投入，主要用于牦牛、哈萨克羊、马、骆驼等高经济效益牲畜的大规模养殖。由于天然的草场环境不便于架设天线，这些设备多采用卫星通信、NB-IOT、LoRa、GPRS等远距离通信方式，适用于高原、草原、沙漠、盐碱地等恶劣环境，使得牧民可以通过手机软件等移动设备远程查看牧群位置。其中，祁连牧场采用卫星信号+视频信号相结合的方式管理羊群，同时在定位器上设有麦克风、话筒、振动器等装置，用来与牲畜产生互动。几米智能牧场则采用卫星定位与远距离无线通信技术相结合的数据传输方式。相关产品在颈标的基础上设计出体型较小的耳标和尾标，且增加了心跳和体温监测功能和太阳能充电板，以适应不同环境牧场的需要，在无光照的情况下可待机7-30天。为了降低设备功耗，延长待机时间，系统监测到的数据并没有进行实时更新。产品预设的数据更新频率为颈标数据每三天上传一次，耳标的数据每2小时上传一次，尾标数据每1小时上传一次，更新频率可人工更改。在上传数据前，设备的蓝牙模块将搜索附近50米范围内的其他设备，并将搜索到的待机设备的数据会随之一起上传。由于，蓝牙是一种低功耗的传输方式，这样做就可以降低设备的耗电量，但也牺牲了数据实时性。定位器采集牲畜位置信息的同时获取其所在位置的温度、湿度、气压、海拔等数据。设备在安装的时候，会采集绑定奶牛的面部、花纹等图片信息及奶牛年龄等基本信息进行存储。系统开发了一套完善的交互软件，基于WEB端，以及牧民版APP和畜牧局版APP，有离群报警、低电报警、围栏报警三种报警信号。虽然一些产品也有计步功能，但并没有用于发情监测。发情期根据上次发情时间及发情周期来推算，只有预测作用。

公司	国科蓝海	祁连牧场	几米牧场
创立时间	2012年	2017年	2014年
捆绑位置	颈部	颈部	颈部/耳部/尾部
针对的牲畜	羊、牛、马、骆驼	哈萨克羊、牦牛、骆驼	牦牛、牛、马、羊、骆驼
定位精度	10m	10m	10m
实现功能	实时定位、电子围栏、轨迹回放	定位、记录运动数据 麦克风+话筒+震动器的信息反馈装置	离群/低电/围栏报警 运动数据采集(加速度传感器) 周边环境数据
软件平台	云平台	APP	WEB端，牧民版APP、畜牧局版APP

4 创新与发展

基于计步器的奶牛发情监测设备和基于GPS的智能放牧系统都是通过奶牛运动信息开发的智能化牧场奶牛养殖监测设备。在奶牛养殖过程中不仅极大的节省了人力劳动的成本，也为奶牛提供了一个健康、自由的生活环境，有效提高产奶量，提升奶牛经济价值。我们可以将两者有效的结合起来，通过GPS卫星定位系统来获取奶牛的运动量信息和位置信息，从而设计出能够实现监测奶牛发情状态和进行轨迹追踪等多重功能的可穿戴设备。实现低功耗和远程监控的目标，使牧场工作人员可以有针对性的对奶牛进行管理，避免重复劳动。

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