李奇峰 ，丁露雨*，李 潔，馬為紅，肖伯祥，余禮根，高榮華，鄭文剛，張石銳

（1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室，北京 100097；4.天津市農(nóng)業(yè)農(nóng)村委員會信息中心，天津 300061；5.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097）

全球范圍內(nèi)，畜禽生產(chǎn)正在向以動物為中心的精細畜牧業(yè)方向轉(zhuǎn)型，通過獲取畜禽的生命信息研究其生理、健康、福利狀況，可對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境、飼喂、繁育和防疫等進行精準管理與決策支持[1]。呼吸頻率作為畜禽重要的生命體征參數(shù)，常作為健康、熱環(huán)境舒適度和福利的重要參考指標(biāo)[2-4]。呼吸頻率是評判奶牛熱應(yīng)激狀態(tài)最直接、有效的生理指標(biāo)，出現(xiàn)熱應(yīng)激時，奶牛的呼吸頻率普遍在40 次/min 以上，并隨著熱應(yīng)激程度的增加而升高[5-8]。奶牛汗腺不發(fā)達，呼吸道蒸發(fā)散熱是奶牛體熱調(diào)節(jié)中的主要散熱途徑之一，呼吸頻率也是奶牛呼吸道散熱模型中的重要參數(shù)，是研究奶牛與環(huán)境傳熱傳質(zhì)過程與模型的基礎(chǔ)[9-10]。因此，連續(xù)、準確的呼吸頻率監(jiān)測對了解奶牛的健康狀況，建立奶牛與環(huán)境的互作機制、表達模型與報警機制、實現(xiàn)精準環(huán)境調(diào)控等都有重要意義。

傳統(tǒng)的奶牛呼吸頻率測定以人工觀察為主，利用秒表連續(xù)3 min 記錄側(cè)腹起伏次數(shù)[11-12]。這種方式對觀察人員要求高，人力成本高、效率低，不能進行連續(xù)自動監(jiān)測，難以滿足現(xiàn)代畜牧業(yè)數(shù)字化和智能化的需求[2,13]。連續(xù)自動監(jiān)測可以增加測量頻率，提供一致性和魯棒性更好的數(shù)據(jù)為動物的生理反應(yīng)做動態(tài)評估，同時減少數(shù)據(jù)收集所需的勞動強度和人力成本[14]。隨著傳感技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，人們開始嘗試呼吸頻率的無損、自動檢測。目前奶牛呼吸頻率的自動監(jiān)測技術(shù)大致可分為接觸式和非接觸式兩大類，其中接觸式檢測方法利用可穿戴設(shè)備中的壓敏、氣敏或熱敏元件等，通過測定胸腹部運動、呼吸聲、呼吸氣流、呼出的二氧化碳等來檢測呼吸頻率；而非接觸式檢測方法則主要通過機器視覺或光學(xué)測距技術(shù)監(jiān)測側(cè)腹起伏狀況來獲得呼吸頻率[4,15-18]。

隨著智慧養(yǎng)殖理念的提出和信息技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備和生物傳感器在動物生產(chǎn)和健康管理中的應(yīng)用越來越多，在全球范圍內(nèi)正在形成一個新興的市場[19]。本文從動物呼吸頻率接觸式測定方法和非接觸式測定方法兩方面介紹了國內(nèi)外相關(guān)研究的發(fā)展情況和應(yīng)用前景，為國內(nèi)開展奶牛智慧養(yǎng)殖研究提供參考。

1 接觸式測定方法

與人類的呼吸頻率檢測設(shè)備相比，由于使用場景、成本和動物的不配合性與破壞性等條件限制，用于動物尤其是大型動物的呼吸頻率自動檢測設(shè)備種類比較有限，主要包括基于胸腹伸縮運動的呼吸監(jiān)測馬甲/胸帶和基于呼吸氣流變化的監(jiān)測設(shè)備等。

奶牛呼吸所引起的側(cè)腹伸縮運動或呼吸氣流變化的信號很小，且伴有各種噪音，通常需要進行濾波或信號放大等預(yù)處理后才能進行分析，計算相應(yīng)的呼吸頻率[4,20]（圖1）。接觸式檢測方法雖然對動物的行為有一定干擾，但可以進行連續(xù)在線監(jiān)測，且動物適應(yīng)后可減少設(shè)備佩戴對動物的影響；其難點在于穿戴設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和傳感器信號的算法解析，同時，傳感器的使用壽命、抗破壞性等還需進一步提高[4,16]。

圖1 接觸式監(jiān)測設(shè)備自動獲取呼吸頻率的基本流程

1.1 可穿戴馬甲/ 胸帶 可穿戴的馬甲或胸帶（圖1）是出現(xiàn)最早、應(yīng)用相對較多的奶牛呼吸頻率自動監(jiān)測設(shè)備，通過檢測吸氣、呼氣時胸廓形變所引起的壓力變化或胸腹圍周長變化測定呼吸頻率。1997 年，BIOPAC 系統(tǒng)公司推出了一套自動檢測人呼吸頻率的傳感設(shè)備，該設(shè)備將一個薄膜力敏傳感器集成到了硅膠應(yīng)變裝置中，通過呼吸時胸圍或腹圍的變化來改變硅膠應(yīng)變裝置的拉力，并利用力敏傳感器記錄拉力變化，進行信號放大和調(diào)理后進而獲得呼吸頻率。在此基礎(chǔ)上，Eigenberg等[20]研制了適用于牛的呼吸頻率自動檢測設(shè)備，主要包含拉力傳感器、保持張力并能連接傳感器雙側(cè)拉力環(huán)的胸帶、數(shù)據(jù)采集器和分析程序幾部分。初代的呼吸頻率檢測胸帶采用的是TFX-11 微處理器，在采樣頻率為1 次/min、間隔15 min 自動記錄1 次的條件下，內(nèi)存只夠連續(xù)采集4 d[14]。

試驗條件下，呼吸頻率檢測胸帶測試結(jié)果與人工計數(shù)的誤差在10 次/min（RPM）以內(nèi)，目前主要是在科研中應(yīng)用，研究評價環(huán)境熱應(yīng)激程度以及降溫技術(shù)的效果。例如，Eigenberg 等[21]用該設(shè)備獲取了育肥牛的呼吸頻率，建立呼吸頻率與干球溫度、濕度、風(fēng)速和太陽輻射等環(huán)境參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，并評價了遮陽對緩解熱應(yīng)激的作用程度。但是糞尿污染和動物對胸帶的啃咬、拖拽都會嚴重干擾信號的讀取，甚至造成監(jiān)測設(shè)備的損壞[4,14,20]。此外，該設(shè)備測得的數(shù)據(jù)只能存儲在內(nèi)置的數(shù)據(jù)采集儀中，不能進行實時在線監(jiān)測和智能預(yù)警，且存儲時間有限。隨著芯片技術(shù)和無線通訊的發(fā)展，可以進一步擴展微處理器的存儲能力和計算能力，同時解決在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。但需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計和傳感器原理上進行改進才能解決糞尿污染和動物破壞性所造成的信號干擾，這就限制了可穿戴的馬甲或胸帶在實際生產(chǎn)中的大面積推廣應(yīng)用。

圖2 奶牛呼吸頻率穿戴式監(jiān)測設(shè)備(改編自Eigenberg 等[14]和Milan 等[4])

1.2 基于呼吸氣流的監(jiān)測方法 呼出的空氣溫度更高、濕度更大、CO2含量更高，且氣流的呼出會產(chǎn)生正壓[22-24]，這些差異為呼吸頻率的自動監(jiān)測提供了契機。因此，基于氣流的呼吸頻率監(jiān)測方法又可以分為4 種，即基于溫度、濕度、氣體濃度和壓力的呼吸頻率監(jiān)測方法。這一類的監(jiān)測方法一般需要借助呼吸面罩，或者需要固定在頭套上的設(shè)備從鼻孔處采集呼吸氣流的對應(yīng)參數(shù)信號。

Milan 等[4]開發(fā)的呼吸頻率監(jiān)測裝置利用牛鼻孔處放置的熱敏傳感器分析呼入、呼出氣流的溫度變化來檢測呼吸頻率。檢測裝置負載到牛頭套頂端的脖子處，溫度傳感器及連接線通過金屬包被的保護殼引至鼻腔。研究中采用PT100/PPG101A1 的電阻型溫度傳感器，將其彎成“J”字型并包被金屬外殼，以增加傳感器的硬度和貼合度，避免奶?；顒訒r傳感器從鼻孔中掉出。溫度信號采樣頻率為100 Hz，經(jīng)過1 kHz 的低通濾波和611 倍放大后轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號進行存儲和后處理。利用傅里葉變換去除低于溫度信號譜中0.17 Hz 和高于1.67 Hz 的部分后，根據(jù)信號的振蕩次數(shù)就可以計算出對應(yīng)的呼吸頻率。雖然統(tǒng)計分析結(jié)果表明，Milan 開發(fā)的自動檢測裝置與人工計數(shù)獲得的呼吸頻率差異不顯著；但是從2 種方法檢測的平均值和回歸關(guān)系看，自動檢測的結(jié)果比人工計數(shù)的結(jié)果略低（圖3），平均系統(tǒng)誤差約為5%[4]，且并未分析環(huán)境溫度對鼻腔溫度的潛在影響。研究中，試驗期間的環(huán)境溫度處于奶牛體熱調(diào)節(jié)的熱中性區(qū)，呼吸頻率相對較低（＜30 RPM）。當(dāng)溫度升高、奶牛處于熱應(yīng)激時，環(huán)境溫度對鼻腔內(nèi)溫度的影響以及呼吸頻率檢測誤差的影響等還需進行深入分析，進一步優(yōu)化相應(yīng)的算法，提高檢測設(shè)備的準確率。

圖3 人工計數(shù)與基于呼吸氣流溫度差的呼吸頻率自動檢測結(jié)果比較[4]

Strutzke 等[24]根據(jù)吸入、呼出氣體的壓力差開發(fā)了奶牛呼吸頻率自動檢測設(shè)備。該設(shè)備利用一個柔性硅膠管將鼻腔內(nèi)的壓力傳送至壓差傳感器，并通過微控制器接收傳感器的信號，經(jīng)調(diào)理轉(zhuǎn)換后輸出測得的呼吸頻率。該方法所得的呼氣、吸氣壓力波清晰易分辨（圖4），與人工計數(shù)的結(jié)果相關(guān)系數(shù)較高，準確率在92%～99%。測試時奶牛的活動狀態(tài)會影響自動檢測與人工計數(shù)方式所得結(jié)果的一致性，奶牛站立時測試結(jié)果的一致性最高，躺臥時次之。

圖4 奶牛呼吸時呼吸氣流產(chǎn)生的壓差波形圖[18]

基于呼吸氣流的水汽含量差和CO2濃度差監(jiān)測呼吸頻率的方法在人醫(yī)臨床應(yīng)用上研究較多，與人工計數(shù)的誤差可達1 RPM[19]，但較少用于動物呼吸頻率檢測的研究。為了準確檢測氣體濃度，水汽含量差或CO2濃度差的方法通常需要在口鼻處戴面罩，這就限制了該方法在動物呼吸頻率檢測中的推廣應(yīng)用。而且同等條件下，溫度和壓力傳感器的成本通常比氣體濃度傳感器的成本低，因此，基于呼吸氣流壓力差或溫度差的方法在奶牛呼吸頻率檢測方面更具有可操作性和應(yīng)用前景。

2 非接觸式檢測方法

非接觸式檢測方法主要是根據(jù)呼吸時胸腹部的運動變化，通過測距或者圖像分析的方法來檢測呼吸頻率[13,16-17]，更大程度上依賴于軟件算法對信號進行提取、分析。相比較而言，現(xiàn)行條件下非接觸式檢測方法只能在特定場景（如擠奶時）進行自動測量，難以針對單頭動物進行跟蹤監(jiān)測。其優(yōu)點在于單個設(shè)備可以檢測多頭奶牛的呼吸頻率且不需要對動物本身裝配任何元件。

2.1 基于激光測距的檢測方法 2007 年，Pastell 等[16]開發(fā)了一套基于激光測距的非接觸式奶牛呼吸頻率檢測設(shè)備，該設(shè)備主要包括激光測距儀（L-Gage LT3，Banner，USA）、小型閃存數(shù)據(jù)采集卡（NI CF-6004）和PDA（Dell Axim 50）。激光測距儀的測點定位于奶牛側(cè)腹外側(cè)區(qū)域，測定頻率為25 Hz，通過奶牛呼吸時檢測到的側(cè)腹距離變化來推算呼吸頻率（圖5）。研究表明，奶牛在熱中性區(qū)時，呼吸頻率一般在0.3～0.7Hz（18～42 RPM），雖然激光測距儀的測點每次定位到牛體的位點不同，但側(cè)腹運動引起的形變面積較大，測點定位仍具有較好的代表性和普適性[26]。在檢測頻率為100 Hz時，該方法測定呼吸頻率的誤差為0.1Hz 即6 RPM。

圖5 基于激光測距的方法檢測呼吸頻率[16]

激光測距儀測得的原始信號需要經(jīng)過三步處理后才能提取出對應(yīng)的呼吸頻率：①所檢測的原始信號中含有牛舍熒光燈等引起的背景噪聲、奶?；顒铀鸬漠惓２ǚ宓雀蓴_信號，需要采用特定的算法進行去除；②采用0.1 Hz 和3 Hz 帶通的二階巴特沃斯帶通濾波器進行過濾；③采用1 024 個執(zhí)行點數(shù)的快速傅里葉變換算法（FFT）估計功率譜、提取呼吸頻率數(shù)據(jù)。增加FFT 算法的執(zhí)行點數(shù)可以增加時間窗（Time Window）進而提高分辨率，但同時也會降低系統(tǒng)度量時間變化的能力。

該方法目前只能用于處于保定狀態(tài)的牛，且受干擾因素較多。例如，黑色毛發(fā)對激光有吸收，不能用于側(cè)腹為黑色毛色的奶牛；信號傳輸線過長會產(chǎn)生噪音干擾，需要進行濾波去噪等[26]。

2.2 基于圖像分析的檢測方法 基于圖像分析的檢測方法可以分為可見光圖像分析和熱紅外圖像分析2 種，也有學(xué)者在探索深度圖像分析的方式?？梢姽鈭D像分析依據(jù)呼吸時側(cè)腹的周期性起伏變化，利用呼吸運動區(qū)域的運動速度與腹部起伏規(guī)律的相關(guān)性，通過對運動目標(biāo)的檢測篩選出呼吸運動點，提取呼吸過程特征值，進而計算呼吸頻率[13]。熱紅外圖像分析方法通過呼吸時鼻尖下皮膚溫度的變化，分析熱成像（圖6）后對應(yīng)區(qū)域的像素灰度值變化規(guī)律，進而計算呼吸頻率[15,27-28]。熱成像分析方法的難點在于自動對面部進行識別和實時追蹤，并對目標(biāo)區(qū)域進行圖像分割。與人工計數(shù)相比，熱紅外圖像分析獲得的呼吸頻率平均誤差為0.83 RPM[15]。

圖6 奶牛吸入(A)和呼出(B)氣流時的熱紅外圖像[15]

光流法是圖像分析中對運動目標(biāo)檢測和目標(biāo)跟蹤的常用方法，通過給圖像中的每個像素點賦予一個速度矢量，形成了一個運動矢量場。根據(jù)各個像素點的速度矢量特征，可以對圖像進行動態(tài)分析。應(yīng)用較為普遍的光流場計算方法主要包括Horn-Schunck 經(jīng)典光流場計算方法（H-S 法）和Lucas-Kanade 計算方法（L-K 法）[29]。H-S法結(jié)合梯度約束和全局平滑條件約束，在足夠的迭代次數(shù)時，該方法能獲得精確的光流，但計算時間較長。L-K法采用區(qū)域性最小平方法進行局部約束，將光流場計算轉(zhuǎn)換成線性系統(tǒng)的求解[30]。如果這個線性系統(tǒng)是良性的（圖像空間梯度達到設(shè)定的閾值且在小鄰域內(nèi)梯度方向變化豐富），利用局部優(yōu)化方法就可以得到唯一且可靠的光流值；若是空間梯度接近于零或梯度方向在小鄰域內(nèi)幾乎不發(fā)生變化，則局部優(yōu)化的方法就不再適用[31]。

趙凱旋等[13]利用光流法計算了視頻幀圖各像素點的相對運動速度，通過循環(huán)Ostu 處理對像素點進行篩選得到呼吸運動點，動態(tài)計算速度方向曲線的周期進而獲得了牛的呼吸頻率。研究中，光流場計算采用了H-S的約束算法，迭代次數(shù)300 次，最終誤差為0.01。根據(jù)其對72 頭奶牛進行的360 min 檢測數(shù)據(jù)分析，與人工計數(shù)相比，該方法獲得的呼吸頻率準確率為95.68%。

還有一種方法是通過圖像分析脊腹線的曲率變化來檢測呼吸頻率。當(dāng)動物正常站立時，其身體輪廓可以找到一個形心，動物因探究行為等引起的頭、蹄部位稍稍挪動只會引起形心在某一水平面的輕微晃動。因此，可以基于形心確定動物的脊腹輪廓，并根據(jù)脊腹輪廓線與形心的距離計算脊腹線曲率，通過曲率波動檢測呼吸頻率[32]。目前該方法主要應(yīng)用在豬的呼吸頻率監(jiān)測研究方面。當(dāng)樣本量約為70 頭時，呼吸頻率自動識別率為94.3%，自動識別與人工計數(shù)的平均相對誤差為2.28%[32-33]。奶牛呼吸時腹部水平方向的位移比垂直方向明顯，該方法的應(yīng)用效果與改進方法還需要進行試驗驗證。

圖像分析的方法受動物身體展示角度影響，目前的研究基本都是針對具有完整側(cè)視的單頭動物。在實際生產(chǎn)中，由于動物相互間的遮擋或是展示角度的問題，很難自動捕捉到試驗條件的標(biāo)準圖像或視頻。圖像分析的方法在生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用還有一段距離。

3 展 望

隨著物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，穿戴設(shè)備迅速發(fā)展，其市場規(guī)模也從2014 年的22 億元激增到了2016年的231 億，有望成為未來物聯(lián)網(wǎng)的控制中心[34]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有數(shù)家創(chuàng)業(yè)公司在研發(fā)針對農(nóng)場的可穿戴設(shè)備，例如，蘇格蘭的Silent Herdsman 公司開發(fā)了一種內(nèi)置有重力感應(yīng)器的項圈，能夠讓農(nóng)戶從電腦或智能手機上追蹤奶牛的活動，獲取其健康信息。

目前，國內(nèi)奶?？纱┐髟O(shè)備大部分用于奶牛的活動量和體溫監(jiān)測，以此判斷奶牛健康和發(fā)情情況，很少涉及奶牛心率、呼吸頻率等多項生理參數(shù)的監(jiān)測。在政策層面上，國家大力發(fā)展數(shù)字畜牧業(yè)，為智能監(jiān)測方法和設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用提供了良好的契機；在應(yīng)用層面上，奶牛飼養(yǎng)周期長、個體經(jīng)濟價值相對較高，具有動態(tài)監(jiān)測健康與生產(chǎn)狀況的需求。因此，研發(fā)集呼吸頻率、體溫、活動量、采食量等多參數(shù)為一體的穿戴式智能檢測設(shè)備，具有較好的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用前景，在奶牛行業(yè)有廣闊的發(fā)展空間。

接觸式的呼吸頻率檢測方法基于傳感器測量，更容易實現(xiàn)多參數(shù)的集成監(jiān)測，同時獲得數(shù)據(jù)的準確性也更好，但是需要將設(shè)備的成本壓縮到商業(yè)應(yīng)用的可接受范圍內(nèi)才能實現(xiàn)普及應(yīng)用。由于還有一些技術(shù)瓶頸沒有突破，廣大科研工作者需要共同努力，使得呼吸頻率的檢測朝著智能化和低成本化的可穿戴式設(shè)備發(fā)展。這些問題包括畜牧生產(chǎn)環(huán)境下材料的耐用性與抗破壞性、傳感器的抗干擾能力、電池續(xù)航時間、無線傳輸功耗與數(shù)據(jù)丟包問題、設(shè)備小型化等[34]。

穿戴式的呼吸頻率監(jiān)測設(shè)備未來將實現(xiàn)24 h 不間斷地收集奶牛個體的生理信息、健康狀況、生產(chǎn)性能等，并對采集信息進行更深層的數(shù)據(jù)挖掘，通過手機、電腦等移動設(shè)備實時監(jiān)控、預(yù)警，為奶牛行為分析、生產(chǎn)能力評估與疾病預(yù)警提供有力支持，將奶牛養(yǎng)殖推向數(shù)字化、智能化管理的發(fā)展方向，整體提升我國奶牛的養(yǎng)殖水平。