李星， 趙寧， 江勇， 王志秀， 陳國宏，2， 白皓， 常國斌，

（1.揚州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州 225009； 2.揚州大學(xué)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展研究院，教育部農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品安全國際合作聯(lián)合實驗室，江蘇 揚州 225009）

家禽具有生長快、成熟早、飼料報酬高、繁殖力強和新陳代謝旺盛等特點[1]，是理想的肉產(chǎn)品。家禽養(yǎng)殖起點是經(jīng)種蛋孵化后的幼禽，家禽生長受環(huán)境[2-4]、采食[5]和營養(yǎng)[6-8]等多種因素影響，因此，養(yǎng)殖人員必需從幼禽開始進行選擇，監(jiān)測幼禽生長環(huán)境、行為活動、生理指標及因環(huán)境等問題導(dǎo)致的各種疾病，確保幼禽健康成長，從幼禽生長到禽產(chǎn)品的質(zhì)量，監(jiān)測貫穿家禽整個產(chǎn)業(yè)鏈。然而，當家禽養(yǎng)殖從散養(yǎng)模式逐漸轉(zhuǎn)向集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖后，人工往往無法有效監(jiān)測并及時準確地得到家禽個體信息。一方面，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式有一定的主觀性，耗時長且無法連續(xù)監(jiān)測，還大大提高了人工成本[9]；另一方面，傳統(tǒng)人工監(jiān)測方式獲取家禽某些信息時會對家禽機體造成損傷，如家禽的直腸測溫等會造成家禽的應(yīng)激反應(yīng)。除此之外，養(yǎng)殖人員頻繁進出養(yǎng)殖圈舍會大大提高禽類疾病的發(fā)病幾率，部分疾病是人禽共患疾病，也會對養(yǎng)殖人員的健康造成影響。為了實時精確地獲取家禽個體信息，智能化、自動化、數(shù)據(jù)化養(yǎng)殖管理逐漸被人們關(guān)注，其中傳感器監(jiān)測技術(shù)成為養(yǎng)殖領(lǐng)域的研究熱點。傳感器監(jiān)測技術(shù)獲取數(shù)據(jù)方式自由，可以不間斷采集動物的生理行為信息，且便于攜帶、抗干擾性強、靈活性強，可以為建立動物行為特征模型提供有效的行為信息[10]。常用的傳感器有物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器。Miwa等[11]將加速度計及心率監(jiān)測器接合起來，利用lceTag傳感器測量躺、站立和活動時的強度（步數(shù)），通過心率與加速度指數(shù)之間的關(guān)系判斷放牧反芻動物的能量消耗，將3個數(shù)據(jù)進行處理后得出加速度指數(shù)是估算放牧農(nóng)場動物能量消耗的良好代表。有學(xué)者研發(fā)了動物環(huán)境和生理監(jiān)測系統(tǒng)，將可用于監(jiān)測生理參數(shù)的體內(nèi)小丸傳感器和用于監(jiān)測外界環(huán)境的標簽傳感器相結(jié)合，通過遠程數(shù)據(jù)處理器進行數(shù)據(jù)分析，從而對動物所處環(huán)境及生理狀態(tài)進行評估[12]。Giovanetti 等[13]將三軸加速度傳感器置于試驗羊的下頜，用于區(qū)分放牧羊的反芻、休息和放牧行為活動。有學(xué)者用耳朵傳感器采集加速度值以判斷母豬分娩時間[14]，利用可穿戴相機附著在小牛身上以監(jiān)測小牛的姿勢、反芻以及進食行為[15]。傳感器技術(shù)在家畜養(yǎng)殖環(huán)境、行為活動、生理指標等方面都已有研究應(yīng)用，但由于家禽養(yǎng)殖集約化，養(yǎng)殖環(huán)境復(fù)雜，家禽數(shù)量眾多，因此需更注重養(yǎng)殖福利化和精準化，有效監(jiān)測家禽個體實時狀況，針對該情況，傳感器技術(shù)被應(yīng)用于家禽生產(chǎn)。本文闡述了傳感器在家禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測、行為監(jiān)測、生理指標監(jiān)測、禽疾病及禽產(chǎn)品監(jiān)測方面的研究應(yīng)用，總結(jié)了傳感器應(yīng)用過程中存在的問題并提出了建議，為以后研究提供方向及理論基礎(chǔ)。

1 傳感器概述

根據(jù)GB/T 7665—2005《傳感器通用術(shù)語》[16]的定義，傳感器是指被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)化成可輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其基本原理如圖1 所示[17]。傳感器依據(jù)被測量的目的劃分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器。物理量傳感器是利用某些效應(yīng)，把被測量的物理量轉(zhuǎn)化成便于處理的能量形式信號的裝置，物理量傳感器相比于其他類型傳感器應(yīng)用更加廣泛，尤其在畜禽的行為活動[11]和環(huán)境監(jiān)測[12]、生物醫(yī)學(xué)[18]等方面?；瘜W(xué)傳感器是對各種化學(xué)物質(zhì)敏感并將其含量轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測的儀器，在環(huán)境監(jiān)測[19]、生鮮保存[20]等方面有重要應(yīng)用。生物傳感器是把生物的敏感元件以及目標物品所產(chǎn)生的特異性反應(yīng)或信號通過轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)化為電、聲音等容易感知的信號，生物傳感器將待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用傳入生物活性材料，經(jīng)分子識別發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而經(jīng)相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物水平[21],該傳感器在食品[22?23]、環(huán)境監(jiān)測[24?25]、發(fā)酵工業(yè)[26]、醫(yī)學(xué)[27]等各個行業(yè)都有應(yīng)用前景。傳感器特點包括數(shù)字化、系統(tǒng)化、多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化[28]。據(jù)工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報研究所于2014 年發(fā)布的《中國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書（2014）》，傳感器發(fā)展大致可以分為3 代：第1 代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號；第2 代是20 世紀70 年代發(fā)展起來的固體型傳感器，其由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成；第3 代傳感器是2000年至今發(fā)展起來的智能型傳感器，是微型計算機技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

圖1 傳感器基本原理Fig.1 Basic principle of sensor

2 傳感器在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

在家禽生產(chǎn)中，養(yǎng)殖環(huán)境、行為、疾病、體溫及生理指標等與家禽生產(chǎn)性能息息相關(guān)，實時監(jiān)測便于養(yǎng)殖人員了解家禽個體狀況及養(yǎng)殖環(huán)境，從而促進家禽健康養(yǎng)殖，提高生產(chǎn)性能。

2.1 環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境控制對家禽養(yǎng)殖意義重大，是決定家禽健康生長的重要因素之一。養(yǎng)殖人員必需隨時了解圈舍環(huán)境，從而對其進行調(diào)控，保證適宜的養(yǎng)殖條件，以獲得最大的經(jīng)濟效益。環(huán)境輸入包括溫度、濕度、通風率、墊料質(zhì)量和氣體含量（包括二氧化碳和氨氣），傳統(tǒng)監(jiān)測方式運用單一的工具（溫濕度計）監(jiān)測圈舍的溫濕度，該方式無法實時監(jiān)測、耗費人力，且對環(huán)境參數(shù)監(jiān)測不全面，而傳感器的研發(fā)為環(huán)境監(jiān)測帶來了突破點。

養(yǎng)殖環(huán)境的熱舒適性對家禽生產(chǎn)活動至關(guān)重要，可促進家禽生長發(fā)育、提高飼料報酬[29]，有利于家禽機體健康，但適當?shù)臒崃W(xué)條件評價需要測量和控制，因此低成本、開源且易于使用的測量系統(tǒng)被逐漸開發(fā)。Tiago 等[30]利用傳感器測量系統(tǒng)實時溫度、相對濕度和空氣速度分布，采集的數(shù)據(jù)易被計算機讀取并存儲，該系統(tǒng)已被證明可以應(yīng)用于商業(yè)肉雞飼養(yǎng)。周雪等[31]設(shè)計了一種可穿戴式自適應(yīng)移動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可無差別監(jiān)測室內(nèi)外環(huán)境指標，如溫度、濕度、細顆粒物（PM2.5）水平等，然后將數(shù)據(jù)通過藍牙上傳至手機終端。鮑海虹等[32]通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以ZigBee 技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種養(yǎng)殖環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)，可對養(yǎng)殖環(huán)境各指標采集分析、存儲及無線網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測處理，從而實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)一體化。牛海春等[33]設(shè)計了可監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境并調(diào)節(jié)環(huán)境質(zhì)量的裝置，該裝置利用傳感器采集數(shù)據(jù)，計算實際環(huán)境參數(shù)，再將所得數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺，并實時顯示數(shù)據(jù)，若數(shù)值不在閾值內(nèi)，則啟動外圍設(shè)備進行調(diào)節(jié)。適宜的熱舒適環(huán)境有利于家禽生產(chǎn)，但是隨著養(yǎng)殖時間的延長，家禽養(yǎng)殖舍空氣中粉塵含量提高并且產(chǎn)生有害氣體，這些因素會誘發(fā)家禽疾病，危害家禽健康，因而需對有害氣體、粉塵含量監(jiān)測方面的設(shè)備進行研究。Rafaela等[34]設(shè)計了低成本、靈活、一次性的傳感裝置，可用于室溫下靈敏、選擇性氨監(jiān)測，該傳感裝置靈敏度高，含量檢測限為0.125×10-6，信噪比為3（S/N=3），并對家禽養(yǎng)殖場發(fā)現(xiàn)的其他常見干擾物具有出色的選擇性。Yasmeen 等[35]研發(fā)了一種低成本傳感器用于監(jiān)測肉雞舍的氣體含量和顆粒含量，發(fā)現(xiàn)顆粒含量和氣體含量隨著家禽年齡和活動的增加而增加。佐治亞理工學(xué)院研究所（Georgia Tech-Research Institute，GTRI）科研人員開發(fā)了一種多功能傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于機器學(xué)習(xí)，具有強大且重復(fù)的分析組件，用于連續(xù)氨液位監(jiān)測[36]。在監(jiān)測家禽養(yǎng)殖環(huán)境的同時監(jiān)測其行為狀態(tài)，可更好地依據(jù)二者數(shù)據(jù)來調(diào)控環(huán)境，保證家禽的健康成長。張啟亮等[37]研發(fā)了家禽監(jiān)測腳環(huán)，通過在該裝置里安裝運動傳感器、溫度傳感器以及發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）燈，記錄家禽運動狀態(tài)、環(huán)境溫度以及定位家禽。張燕軍等[38]發(fā)明了多指標一體化的家禽養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)測傳感器，可實現(xiàn)溫度、濕度、風速、風向等多種環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，便于改善禽舍環(huán)境。

目前，傳感器技術(shù)在家禽生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測方面的研發(fā)已趨于成熟并應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)中，如寧夏九三零種雞有限公司、山東濰坊養(yǎng)殖場等通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)對養(yǎng)殖舍內(nèi)的溫濕度、氣體水平、光照度等進行監(jiān)測，有效提高了生產(chǎn)效率。然而，實際應(yīng)用中需要部署多個不同類型的傳感器來監(jiān)測大型養(yǎng)殖場的環(huán)境信息，由于傳感器的感應(yīng)范圍和養(yǎng)殖場環(huán)境差異，其布置安排對監(jiān)測性能有一定的影響。此外，大型養(yǎng)殖場和禽舍金屬籠會影響傳感器和網(wǎng)絡(luò)信號傳輸，不利于環(huán)境監(jiān)測，因此，提高傳感器感應(yīng)范圍、合理部署傳感器位置是環(huán)境監(jiān)測的重要研究方向。

2.2 行為監(jiān)測

家禽行為是家禽對一定刺激的反應(yīng)，是家禽對內(nèi)在和外在條件進行適應(yīng)或調(diào)整的一種表現(xiàn)。家禽行為監(jiān)測是發(fā)現(xiàn)家禽異常行為的基礎(chǔ)，異常行為的發(fā)現(xiàn)能預(yù)警家禽疾病的發(fā)生，是動物福利評價的重要指標[39]。

2.2.1產(chǎn)蛋行為 家禽的育種程度是畜禽養(yǎng)殖的重要指標，現(xiàn)代養(yǎng)禽業(yè)取得的巨大成就的40%應(yīng)歸功于禽類育種,其中優(yōu)異種質(zhì)資源在育種中所起的作用超過50%[40]，因此，對家禽產(chǎn)蛋行為進行實時監(jiān)測，可以避免人工選育的盲目性，促進家禽精細繁育體系的構(gòu)建。Chien等[41]將傳感技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合創(chuàng)建了智能巢箱，基于射頻識別技術(shù)（radio frequency identification，RFID）傳感器監(jiān)測母雞何時進入或離開巢箱；雞蛋檢測傳感器對收集管中的雞蛋進行稱重，將母雞標簽識別時間與收集管中雞蛋位置順序?qū)?yīng)，可以將雞蛋分配到不同的母雞。平陽等[42]為了自動、準確地收集散養(yǎng)環(huán)境下的產(chǎn)蛋數(shù)據(jù)，研發(fā)了基于無線傳感技術(shù)的散養(yǎng)雞集蛋系統(tǒng)，采用基于ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，實現(xiàn)了雞蛋的自動分離、計數(shù)、稱重、收集和分析功能，數(shù)據(jù)采集準確率較高。

2.2.2飲食行為 家禽養(yǎng)殖過程中，飲食行為是衡量家禽饑餓程度的關(guān)鍵方式，通過監(jiān)測家禽飲食行為可以判斷家禽飼料報酬高低并測量家禽攝入營養(yǎng)物質(zhì)的多少，對家禽健康生產(chǎn)非常重要[43]。傳統(tǒng)人工測量有較大的誤差且無法獲取家禽個體的飲食情況，因此，如何有效獲取家禽個體采食情況成為亟需解決的問題之一。劉志偉[44]基于加速度傳感器構(gòu)建了本交籠內(nèi)種雞的行為檢測系統(tǒng)，將加速度傳感器佩戴于種雞脖子下方，利用Kmeans 均值聚類算法對采集的數(shù)據(jù)進行分析后可準確識別種雞的采食、飲水、打斗、交配、振翅等多種行為，除打斗與交配行為識別精度較低外，其他行為識別精度都在90%以上。Tu 等[45]開發(fā)了實時自動監(jiān)測采食量和體重的系統(tǒng)，喂料稱重站1 次只允許1 只雞進入，按照時間順序，可以得出雞的動態(tài)飼喂數(shù)據(jù)以及每日的采食量、飼喂時間、啄食力、體重和飼料轉(zhuǎn)化率等方面的信息，該系統(tǒng)已被家禽育種公司用于遺傳選擇項目。家禽個體采食和飲水行為的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)研究開發(fā)較早[46]，目前傳感器技術(shù)在監(jiān)測家禽飲食行為方面應(yīng)用廣泛。

2.2.3活動行為 家禽的活動行為包括休息、散步、跳躍等，通過監(jiān)測家禽活動行為可以及時發(fā)現(xiàn)家禽是否有反常行為。楊龍[47]研發(fā)了鴿子飛行遠程監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)，讓鴿子背負該設(shè)備進行飛行，系統(tǒng)模擬測試和在體測試表明該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測飛行數(shù)據(jù)且傳輸穩(wěn)定，可達到遠程監(jiān)測與調(diào)控鴿子飛行的目的。除此之外，Usherwood 等[48]將加速度傳感器置于鴿子翅膀下面和尾部，通過多重多項式回歸分析與加速度數(shù)據(jù)處理，研究鴿子的平飛和著陸行為。劉仲旭[49]基于六軸運動傳感器構(gòu)建了禽類行為監(jiān)測裝置，以雞為試驗對象，將該裝置佩戴于雞的腿部采集雞的行為數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)預(yù)處理后導(dǎo)入上位機軟件進行行為識別，結(jié)合人工監(jiān)測法優(yōu)化上位算法，最終使雞行為(行走、站立、跑動及休息)自動識別準確度達75%以上。何燦隆等[50]研制了一種三軸加速度傳感器的無線運動腳環(huán)，利用邏輯回歸算法研究肉雞的健康步態(tài)和跛行步態(tài)程度，平均準確率達93%。Debasmit等[51]設(shè)計了10 g 的無線傳感器，將其安裝在母雞背部遠程采集蛋雞6種活動（臥/睡、站立、步行/跑步、采食、飲水、沐?。?shù)據(jù)，2 年后又利用約同樣重量的穿戴傳感器監(jiān)測蛋雞的跳躍力和著地力[52]。李文勇等[53]通過監(jiān)測腳環(huán)采集家禽步數(shù)，實時監(jiān)測家禽個體健康狀態(tài)，實現(xiàn)家禽信息可追蹤性。Derakhshani等[54]使用慣性傳感器和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，以識別、分類和分析3 個活動水平下蛋雞的行為，該模型的準確率達90%，監(jiān)測結(jié)果可用于禽舍的管理。

家禽行為除了一般行為和異常行為，還有因管理、環(huán)境和疾病等因素產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)，應(yīng)激反應(yīng)會導(dǎo)致家禽生產(chǎn)性能下降，免疫力低下，產(chǎn)品品質(zhì)降低，營養(yǎng)需求增加[55]等，因此如何避免家禽產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)也是家禽養(yǎng)殖的重要問題之一。Lacey等[56]利用生物遙測技術(shù)監(jiān)測家禽深部體溫是否隨外界環(huán)境溫度、相對濕度變化而變化，發(fā)現(xiàn)當外界環(huán)境溫度迅速升高時，家禽維持自身深部體溫能力較差，反映出深部體溫對周圍環(huán)境變化相當敏感，可以作為應(yīng)激的指標之一。

利用傳感器技術(shù)對家禽行為監(jiān)測的技術(shù)逐漸成熟，目前存在的問題就是監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確性，綜合來看，數(shù)據(jù)準確性較高，但仍存在部分行為識別錯誤，可能受家禽本身以及傳感器靈敏性的影響。

2.3 體溫監(jiān)測

體溫變化是反映家禽健康狀況的重要指標，正常體溫能夠促進家禽機體新陳代謝及生命活動。家禽體溫是指機體深部溫度，傳統(tǒng)家禽體溫測量采用直腸測量法，該法有很多弊端，如對家禽機體有損害，且不能實時監(jiān)測家禽體溫。因此，要想連續(xù)監(jiān)測家禽體溫從而判斷是否發(fā)生疾病，需要新的監(jiān)測方法。

李麗華[57]研究設(shè)計了蛋雞翼下測溫傳感裝置，該裝置由CC2420無線模塊、體溫采集模塊、電池模塊，背包和溫度傳感器組成，試驗表明體溫傳感器精度誤差平均值0.1 ℃，網(wǎng)絡(luò)丟包率不超過1%，功耗低，可滿足雞長期全程體溫監(jiān)測的需要；除此之外，通過建立基于類屬編程的蛋雞翼下溫度與直腸溫度關(guān)系模型發(fā)現(xiàn)，該數(shù)據(jù)模型平均誤差絕對值0.029，擬合精度高。李奇峰等[58]研發(fā)了家禽體溫遠程監(jiān)控終端，通過熱信號實現(xiàn)非接觸性精準測溫，可以實時監(jiān)控雞舍內(nèi)多個蛋雞體溫信息，支持對整個禽舍體溫的實時監(jiān)控。楊威[59]設(shè)計了可穿戴無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)，探究蛋雞體溫變化與日常行為之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)雞翼下靠近雞胸的位置最接近雞真實體溫，且雞的體溫變化與環(huán)境溫度有較大的相關(guān)性，將無線監(jiān)測系統(tǒng)用于大型養(yǎng)殖場進行實際測試，結(jié)果表明雞對無線體溫傳感器節(jié)點表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。鐘杰東等[60]公開了一種動物脈搏體溫監(jiān)測設(shè)備及其檢測系統(tǒng)，將設(shè)備緊貼動物表面監(jiān)測處可實現(xiàn)對動物脈搏和體溫的精準監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至人工智能監(jiān)控系統(tǒng)分析處理，并與動物健康數(shù)據(jù)比對，可對異常體溫、脈搏數(shù)據(jù)進行獨立監(jiān)管，實時監(jiān)測生病動物的身體數(shù)據(jù)，該發(fā)明在一定程度上降低了因溫度傳感器未緊貼皮膚而造成監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差。除此之外，尹旭生[61]發(fā)明了一種禽類動物體溫監(jiān)測報警器，該裝置包括體溫檢測儀和溫度傳感器，實現(xiàn)將溫度傳感器放置在家禽翅膀下并防止家禽掙脫而造成儀器損壞或丟失問題的出現(xiàn)。陸輝山等[62]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了家禽體溫監(jiān)測系統(tǒng)，通過系統(tǒng)節(jié)點對家禽翼下體溫進行采集并傳輸，將數(shù)據(jù)進行處理分析保存，實現(xiàn)對家禽體溫的實時監(jiān)測，經(jīng)試驗表明，該系統(tǒng)可準確采集數(shù)據(jù)，通過對比正常體溫與異常體溫，可以快速檢測發(fā)病、死亡家禽個體，準確率達93.75%。

體溫監(jiān)測對家禽的疾病預(yù)防以及診斷有重要意義，從人工直腸測溫到利用傳感器進行翼下測溫，監(jiān)測方法有了質(zhì)的飛躍，不僅避免了雞發(fā)生直腸感染，而且極大地降低了人工成本，數(shù)據(jù)記錄方便，對家禽健康養(yǎng)殖有一定的促進作用。盡管監(jiān)測模型已經(jīng)小型化，相比于紅外線熱成像技術(shù)，固定在家禽上的傳感器仍不可避免地會引起一些不適。此外，傳感器節(jié)點的數(shù)量和通訊距離也限制了它們在大規(guī)模養(yǎng)殖場中的部署。

2.4 生理指標監(jiān)測

心率、血壓、激素水平等畜禽生理指標能夠反映機體生理狀態(tài)和代謝水平。傳統(tǒng)監(jiān)測方法都是人工監(jiān)測，如心率測量是以聽診的方式，具有主觀性和一定誤差。除傳統(tǒng)監(jiān)測方法，還有植入式方法，如傳感器植入頸動脈監(jiān)測血壓，該方法會導(dǎo)致家禽身體產(chǎn)生不良反應(yīng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無創(chuàng)式監(jiān)測方法逐漸成為研究熱點。張小栓等[63]發(fā)明了動物血壓智能監(jiān)測系統(tǒng)，利用傳感器敷貼器將傳感器組件固定于動物身體上，采用RFID讀卡器遠程連續(xù)讀取RFID 標簽存儲的動物心電信號和脈搏波信號，可持續(xù)監(jiān)測動物血壓。龔毅光等[64]研發(fā)了一種動物心率監(jiān)測系統(tǒng)以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的心率狀態(tài)識別方法，將采集裝置穿戴在動物身上，智能終端可實時采集并遠程監(jiān)測動物心率，該發(fā)明可排除動物種類、年齡、運動狀態(tài)等差異，為每個監(jiān)測動物量身定做，真正做到精準有效地監(jiān)測目標；除此之外，他們還公開了一種動物血糖監(jiān)測系統(tǒng)及識別方法，采集被監(jiān)測動物的接觸壓力、熱量攝入量及加速度信息，最終通過智能終端將其識別為動物的血糖狀態(tài)[65]。嚴濤等[66]發(fā)明了一種個體管控畜禽養(yǎng)殖方法，除在圈舍安裝傳感器監(jiān)測畜禽采食飲水以及稱重等之外，還在畜禽個體上安裝管控裝置，該裝置主要由8 個模塊組成，分別是控制、電池、定位、通訊、身份識別、加速度傳感器、生理監(jiān)測以及驅(qū)趕模塊，控制模塊與其他模塊相連并接進管控，電池模塊與其他模塊連接并提供電能，定位模塊、加速度傳感器模塊、生理指標監(jiān)測模塊將采集后的數(shù)據(jù)通過通訊模塊傳送至管控系統(tǒng)，該發(fā)明適用于各個種類的家禽。Gumus 等[67]研發(fā)了可實時監(jiān)測鳥類體內(nèi)尿酸的傳感器系統(tǒng)，通過雙電極恒電位儀系統(tǒng)驅(qū)動生物傳感器，讀取輸出電流并無線傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)證明生物傳感器可用于測量鳥類間尿酸水平。

目前技術(shù)水平下，利用傳感器監(jiān)測技術(shù)僅可以監(jiān)測基本生理參數(shù)（血壓、心率及血糖等），對于家禽的激素水平、血紅蛋白含量及紅細胞數(shù)等仍無法利用傳感器監(jiān)測技術(shù)進行監(jiān)測，在今后研究應(yīng)用中，對生理參數(shù)監(jiān)測可傾向于細胞及分子層面。

2.5 禽疾病檢測

家禽疾病可能對動物和人類的健康構(gòu)成重大威脅，早期的檢測診斷可以提醒養(yǎng)殖人員提早采取預(yù)防措施，從而減少傳染病的傳播，因此快速檢測禽疾病對家禽業(yè)至關(guān)重要。經(jīng)過探索，傳感器技術(shù)成為檢測禽疾病的新技術(shù)之一。

Okada 等[68]以禽流感早期診斷為概念，開發(fā)了帶有熱敏電阻和加速度計的可穿戴無線傳感器，重量輕且不干擾家禽的正常行為，當家禽感染高致病性流感病毒時，參數(shù)會發(fā)生顯著變化，試驗表明，在雞出現(xiàn)臨床癥狀和病變之前，穿戴傳感器可以檢測到雞變虛弱并且體溫升高，體溫突然下降會觀察到感染雞的死亡。但是，在有些情況下，感染高致病性禽流感（highly pathogenic avian influenza，HPAI）病毒的雞體溫沒有明顯升高，如感染致病性CkYK7 毒株的雞不會發(fā)燒或輕微發(fā)燒[69]，在這些情況下，體溫監(jiān)測不能有效地用于早期監(jiān)測禽流感，且附著于身體表面的體溫傳感器容易受環(huán)境的影響。因此，Okada 等[70]提出了僅利用活動數(shù)據(jù)來監(jiān)測雞的異常狀態(tài)的新方法，結(jié)果表明，相比于體溫監(jiān)測，僅利用加速度計測量雞的運動可以更快更準確地監(jiān)測雞的禽流感病毒感染，重要的是，穿戴傳感節(jié)點中的傳感器數(shù)量只有1 個，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且減少了數(shù)據(jù)分析量，有利于延長傳感器節(jié)點的工作時間。在家禽生產(chǎn)中，穿戴運動傳感器持續(xù)活躍，可以實時傳輸數(shù)據(jù)，及時為生產(chǎn)者提供信息，但是缺乏特異性診斷，因為其他因素會影響家禽的生理和運動行為，導(dǎo)致誤報檢查。相較于穿戴傳感器，生物傳感器可以進行特異性診斷，其采用生物受體，該生物受體使用固定分子可以檢測樣品病原體等的存在，并將識別信息轉(zhuǎn)換為電信號[71]。Chen 等[72]開發(fā)了用于檢測流感病毒表面抗原血凝素（hemagglutinin，HA）的方法，通過利用雙探針系統(tǒng)，可以測定區(qū)分病毒亞型H1（人）和H5（禽）的HA。除此之外，Karen[73]將納米技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合，研究手持式人工智能病毒檢測工具，分別開發(fā)了使用光學(xué)傳感器和電化學(xué)傳感器的2 種類型的納米技術(shù)。2 種傳感器各有優(yōu)缺點，生物傳感器具有診斷特異性，但需要手動采樣和操作，而穿戴傳感器雖然可以持續(xù)實時監(jiān)測，但缺乏特異性，因此將生物傳感器與穿戴式傳感器相融合是以后的研究方向。

2.6 禽產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測

新鮮度是食品工業(yè)、運輸和消費者用來評估營養(yǎng)價值和食品最相關(guān)的指標，在決定禽產(chǎn)品質(zhì)量方面起著重要作用[74]。傳統(tǒng)禽產(chǎn)品新鮮度的測量主要靠人工視覺、嗅覺等，這種方法可以判斷禽肉的新鮮度，但禽蛋好壞難以通過肉眼觀察確定。禽蛋新鮮度測量方法可分為破壞性和非破壞性2種[75]，破壞性測量方法是傳統(tǒng)、耗時的物理、生化方法，并且以該方法監(jiān)測的樣品不能重復(fù)利用，故監(jiān)測樣本量較少。因此，傳統(tǒng)監(jiān)測方法不足以全面監(jiān)測禽產(chǎn)品，而無損檢測方法具有檢測速度快、適合在線檢測等優(yōu)點[76]，受到廣泛關(guān)注。

柴春祥等[77]利用氣體傳感器導(dǎo)電性的變化對雞肉新鮮度進行檢測，結(jié)果表明，隨著雞肉保存時間的延長，氣體傳感器測試系統(tǒng)測得的信號值增加。V?lgyi[78]使用微波傳感器確定雞蛋的新鮮度，發(fā)現(xiàn)雞蛋的微波衰減（含水量）和尺寸在30 d的儲存期間會發(fā)生變化，基于此他們計劃開發(fā)一種用于自動挑選舊雞蛋的微波設(shè)備。常志勇等[79]建立了基于電子鼻和力學(xué)參數(shù)的2 種傳感器以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別技術(shù)的智能檢測系統(tǒng)，利用2 種傳感器的檢測值構(gòu)建基于多信息參數(shù)融合的雞肉新鮮度識別模型，經(jīng)試驗表明識別準確度達93.65%。Harnsoongnoen 等[80]提出了基于稱重傳感器和機器視覺的檢測雞蛋新鮮度和雞蛋分級的新方法，利用稱重傳感器獲取雞蛋重量，機器視覺技術(shù)獲取雞蛋體積，進而計算雞蛋密度以進行分級和雞蛋新鮮度評估，該系統(tǒng)獲得重量、體積和密度的準確率分別為99.88%、98.26%和99.02%，表明室溫下儲存的雞蛋重量和新鮮度隨著儲存時間的延長而降低，并且雞蛋新鮮度可以通過密度來確定。胡幸等[81]以單片機為控制器，利用氣體傳感器、溫度傳感器等采集食品信息，將嵌入式平臺與傳感器技術(shù)融合設(shè)計了一款可以檢測肉類是否變質(zhì)的智能檢測儀，經(jīng)實際檢測，常溫下對肉質(zhì)檢測準確率很高，且檢測速度快、體積小，完全滿足家庭對于肉類變質(zhì)的檢測要求。

綜上，傳感器技術(shù)在家禽生產(chǎn)方面呈現(xiàn)多方向發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測方面的傳感器技術(shù)已被實際應(yīng)用，其他方面如疾病監(jiān)測、生理指標監(jiān)測、行為監(jiān)測等仍處于試驗階段，其原因在于養(yǎng)殖場復(fù)雜的環(huán)境、家禽本身以及傳感器功能的限制，若要應(yīng)用于實際并保證準確性，需與其他技術(shù)相結(jié)合。

3 傳感器應(yīng)用在家禽生產(chǎn)中存在的問題及發(fā)展建議

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性較低

使用傳感器監(jiān)測家禽行為時，無法像人工一樣進行觀察判斷，只能依靠所得數(shù)據(jù)確定并區(qū)分家禽行為，在這個過程中因家禽的某些行為較為接近，傳感器會混淆家禽的某些相似行為，影響所測數(shù)據(jù)的準確性。劉志偉[44]在利用加速度傳感器監(jiān)測本交籠中雞個體行為時，視頻顯示交配行為73 次，而模型識別為85 次，其原因就是交配行為與打斗行為加速度數(shù)據(jù)相近，導(dǎo)致監(jiān)測的交配行為準確性降低。Yang 等[82]在利用三軸加速度計和機器學(xué)習(xí)對肉雞行為進行分類時發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)測模型對采食和飲水的敏感度較低，將飲水誤認為采食的概率在10%以上；同樣，Debasmit 等[51]設(shè)計的無線傳感器在監(jiān)測雞行為時，幾乎將63%的飲水行為錯誤地識別為采食行為。綜上可知，可穿戴傳感器的研究應(yīng)用對家禽的精準養(yǎng)殖有積極作用，但其準確性往往達不到期望值，可能影響人們對家禽行為的判斷，忽視家禽疾病的發(fā)生。因此，開發(fā)聯(lián)合傳感器是未來的研究方向，利用不同傳感器芯片共同制造傳感器，該傳感器可以相互矯正，避免識別錯誤。

3.2 傳感器續(xù)航能力低

傳感器（尤其是穿戴傳感器）應(yīng)用于監(jiān)測家禽個體時，體積小、重量輕是其優(yōu)點。李麗華等[83]在對蛋雞體溫動態(tài)監(jiān)測裝置進行功耗測試時發(fā)現(xiàn)，若實時傳輸數(shù)據(jù)且沒有任何低功耗措施時，鋰電池供能僅2.5 d，若間隔發(fā)送數(shù)據(jù)則供電時間可延長至8 d。劉燁虹[84]對家禽健康體征監(jiān)測裝置的功耗進行了測試，確定其壽命約為11.3 d。對于監(jiān)測家禽的生長周期而言，十幾天是遠遠不足的，因此功耗低且可自動蓄電的傳感器將是穿戴傳感器研究的重點，比如將太陽能電池與傳感器相結(jié)合，縮小電池體積。

3.3 傳感器易脫落

傳感器佩戴于家禽時，家禽對陌生事物會產(chǎn)生一定反應(yīng)，常通過一些行為使其掉落，如啄裝備、梳羽、振翅等。研究發(fā)現(xiàn)，當給母雞背上安裝傳感器后，母雞梳羽和啄食裝備次數(shù)相比于不安裝傳感器時增加，并且雞吃喝更少，從其他母雞那里得到的啄食更多[85]。除此之外，一個養(yǎng)殖籠有多個家禽，隨著年齡的逐漸增大會出現(xiàn)爭奪社會等級的現(xiàn)象，在爭斗過程中可能對傳感器的附著產(chǎn)生影響，家禽某些異常行為如相互啄羽，也可能造成傳感器的脫落。針對傳感器易脫落問題，首先應(yīng)縮小傳感器體積，微型傳感器可減少家禽的應(yīng)激；其次可以改變傳感器附著方式，將傳感器通過某些物理或化學(xué)方式附著于家禽身體。

3.4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)易丟失

在使用傳感器監(jiān)測大型養(yǎng)殖場環(huán)境、家禽運動行為時，因采集的數(shù)據(jù)過于龐大，若傳感器本身的性能較低，采集的數(shù)據(jù)在傳輸存儲時可能會部分丟失，不能全部進行傳送，且將數(shù)據(jù)傳送至中央處理器后，龐大的數(shù)據(jù)在處理分析時可能會因為錯誤命令而遺漏，從而導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確度降低。劉燁虹[84]在測試監(jiān)測家禽健康體征裝置丟包率時發(fā)現(xiàn)，該裝置丟包率在2%左右，雖然對監(jiān)測的大量數(shù)據(jù)而言，2%的丟失率較低，但若丟失的數(shù)據(jù)是某一時間段的同一組數(shù)據(jù)，就會造成家禽的個體信息分析出現(xiàn)誤差，進而影響?zhàn)B殖人員對家禽疾病的防治。造成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失的原因很多，具體原因具體分析并進行處理。針對傳感器數(shù)據(jù)傳輸方面，可每隔一段距離建立一個數(shù)據(jù)處理平臺，再將數(shù)據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)傳至中央處理器；管理人員需定時檢查設(shè)備、查看網(wǎng)絡(luò)擁堵情況等。

3.5 傳感器芯片成本高

使用傳感器技術(shù)監(jiān)測家禽生產(chǎn)，其核心是傳感器芯片。目前在畜禽養(yǎng)殖上常用傳感器有加速度傳感器、運動傳感器及溫度傳感器，其芯片價格昂貴。如加速度傳感器芯片單價在5~100 元，溫度傳感器芯片單價在6~37 元。根據(jù)我國家禽規(guī)?；B(yǎng)殖標準，蛋雞存欄數(shù)量不少于2 萬羽，肉雞出欄大于或等于5 萬羽，若要做到精準養(yǎng)殖、實時監(jiān)測，則傳感器芯片總價可達10 萬至500 萬。其他輔助監(jiān)測儀器也價格不菲，維護費用也較昂貴。芯片成本高究其原因是其生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性以及半導(dǎo)體設(shè)備采購成本的增長，要降低成本，一方面可降低生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，另一方面可用其他材料來降低外界對芯片的影響，進而降低生產(chǎn)成本。

4 展望

隨著家禽養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，對實現(xiàn)家禽個體監(jiān)測的研究也在不斷深入，并且探索出了許多技術(shù)方法，其中傳感器技術(shù)是最可靠的方法之一。目前傳感器在家禽個體行為、體溫、生理指標、疾病監(jiān)測等方面尚未大范圍使用，其主要原因在于傳感器易脫落、續(xù)航能力低、監(jiān)測準確性較低及芯片成本高等。未來仍需針對以下幾個方面進行研究，以加快傳感器大范圍應(yīng)用于實際生產(chǎn)：（1）縮小傳感器的體積，相比于大型的傳感器而言，微型傳感器可減少家禽應(yīng)激反應(yīng)，避免家禽發(fā)生啄斗導(dǎo)致傳感器脫落現(xiàn)象；（2）開發(fā)太陽能式傳感器，以實現(xiàn)傳感器實時連續(xù)工作；（3）聯(lián)合傳感器監(jiān)測，利用不同傳感器芯片相互配合制造傳感器，提高監(jiān)測的準確性。由于傳感器具有數(shù)字化、智能化、多功能化、小巧便捷等特點，在未來發(fā)展中，利用傳感器技術(shù)進行家禽個體監(jiān)測將有明顯優(yōu)勢，尤其在環(huán)境、行為、體溫監(jiān)測方面將廣泛應(yīng)用。在疾病監(jiān)測方面，傳感器技術(shù)處于起步階段，但具有巨大前景，值得深入研究發(fā)展。