畜牧養(yǎng)殖穿戴式信息監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析

張小栓 張夢杰 王 磊 羅海玲 李 軍

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品質(zhì)量與安全北京實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 北京 100193； 4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

作為畜牧業(yè)大國，我國逐漸由家庭散養(yǎng)向規(guī)模養(yǎng)殖模式發(fā)展，傳統(tǒng)的畜牧業(yè)在養(yǎng)殖、運(yùn)輸和銷售等環(huán)節(jié)存在著大量的不足和問題[1-2]。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，利用現(xiàn)代信息技術(shù)解決傳統(tǒng)畜牧業(yè)的不足和問題，探索畜牧業(yè)現(xiàn)代信息化發(fā)展方式，激發(fā)畜牧業(yè)內(nèi)在增長動力，對推動和實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近年來，穿戴式技術(shù)的快速發(fā)展受到廣泛關(guān)注，穿戴式設(shè)備被應(yīng)用在運(yùn)動追蹤、健身、生物醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。穿戴式信息監(jiān)測技術(shù)融合多媒體、傳感器和無線通信等技術(shù)于一體，有望成為對動物健康監(jiān)管最有效和可行的技術(shù)[3-4]。本文對穿戴式信息監(jiān)測技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)行系統(tǒng)文獻(xiàn)整理和綜述，以期為穿戴式信息監(jiān)測技術(shù)在畜牧業(yè)領(lǐng)域更加廣泛而深入的應(yīng)用提供理論支持。

1 畜牧養(yǎng)殖穿戴式信息監(jiān)測工作原理

穿戴式畜牧養(yǎng)殖信息監(jiān)測系統(tǒng)主要由信息采集單元、信息處理單元、無線傳輸單元和智能終端等組成[5-6]，信息采集單元采集養(yǎng)殖環(huán)境信息(光照強(qiáng)度、溫濕度、氣體濃度等)、動物的生理信息(體溫、血壓、心率、呼吸等)和行為信息(靜止、跳躍、跑動、打斗、聲音信息等)，信息處理單元對信息采集單元采集的各種信息進(jìn)行降噪濾波等預(yù)處理，然后對信息進(jìn)行分析處理、傳輸和存儲，信息處理單元處理過的信息通過無線傳輸單元傳輸?shù)街悄芙K端進(jìn)行顯示和存儲，對農(nóng)場動物的健康狀況等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測和管理。如圖1所示為畜牧養(yǎng)殖穿戴式信息監(jiān)測工作原理圖。

為適應(yīng)監(jiān)測對象、穿戴部位和監(jiān)測參數(shù)等要求，穿戴式設(shè)備往往被特別定制，其穿戴形式包括束縛式、貼覆式和植入式?？紤]到體積、成本和能耗等因素，束縛式穿戴設(shè)備常被應(yīng)用在牛、羊、豬等大中型家畜身上，貼覆式和植入式設(shè)備常被應(yīng)用在雞、鴨、鵝等小型家禽身上。對于散養(yǎng)或放牧養(yǎng)殖方式，主要實(shí)現(xiàn)定位和追蹤功能，對于圈養(yǎng)養(yǎng)殖方式，主要監(jiān)測其生理信息與生活環(huán)境信息。

圖1 畜牧養(yǎng)殖穿戴式信息監(jiān)測工作原理圖Fig.1 Schematic of animal husbandry wearable information monitoring

2 畜牧養(yǎng)殖穿戴式信息監(jiān)測技術(shù)

2.1 信息感知技術(shù)

2.1.1穿戴式傳感器技術(shù)

傳感器是實(shí)現(xiàn)信息收集、傳輸、存儲等功能的基礎(chǔ)元器件，用于畜牧養(yǎng)殖穿戴式傳感器主要分為運(yùn)動傳感器、生命體征傳感器以及環(huán)境傳感器等類型，圖2所示為畜牧養(yǎng)殖穿戴式信息監(jiān)測參數(shù)示意圖。傳感器通常用于感知監(jiān)測對象的信息變化，該技術(shù)作為穿戴式信息監(jiān)測技術(shù)的核心技術(shù)之一，對穿戴式技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的作用。

圖2 畜牧養(yǎng)殖穿戴式信息監(jiān)測參數(shù)示意圖Fig.2 Schematic of monitoring parameters of wearable information in animal husbandry

運(yùn)動傳感器：運(yùn)動傳感器主要用于監(jiān)測被測對象的運(yùn)動狀態(tài)，可測量與運(yùn)動相關(guān)的位移、速度、加速度等物理量。養(yǎng)殖場內(nèi)動物的自由活動可能會引起動物個(gè)體、動物與動物之間、動物與環(huán)境的相互作用，從而對動物造成損傷、應(yīng)激，甚至影響?zhàn)B殖場經(jīng)濟(jì)效益及可持續(xù)發(fā)展[3-4]，因此有必要開發(fā)相應(yīng)設(shè)備監(jiān)測養(yǎng)殖場自由活動的動物。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，MOON等[7]應(yīng)用一種慣性壓電式傳感器BioStampRC進(jìn)行多發(fā)性硬化癥的步態(tài)特征監(jiān)測，此傳感器結(jié)構(gòu)簡單靈敏度高，但體積較大不易集成；CHUNG等[8]開發(fā)的穿戴式壓阻式彎曲運(yùn)動傳感器，體積小、續(xù)航能力強(qiáng)，具有同時(shí)檢測彎曲曲率和速度的功能；DEGRAFF等[9]使用碳納米管打印出柔性壓力傳感器，該傳感器相比于傳統(tǒng)的壓力傳感器靈敏度提升70%，且具有極高的線性度，可更加精準(zhǔn)地對動物行為進(jìn)行監(jiān)測。而及時(shí)發(fā)現(xiàn)動物發(fā)情行為是提高農(nóng)場動物繁殖能力的重要手段[10]；任亮等[11]研究了計(jì)步器監(jiān)測系統(tǒng)與人工監(jiān)測效率，結(jié)果顯示計(jì)步器監(jiān)測系統(tǒng)能夠得到更準(zhǔn)確的發(fā)情檢出率；PONS等[12]提出了一種基于深度追蹤的動物體位和身體部位自動檢測系統(tǒng)，并對基于監(jiān)督和監(jiān)測的幾種分類算法的性能進(jìn)行了詳盡的評估。為了評估活羊應(yīng)激水平，CUI等[13]設(shè)計(jì)了基于Arduino開源平臺的三軸加速度計(jì)用于測量和記錄活羊運(yùn)動及其行為狀態(tài)(圖3)，研究表明，活羊應(yīng)激反應(yīng)與其行為表現(xiàn)具有一定的相關(guān)性。在動物計(jì)算機(jī)交互領(lǐng)域，人們越來越關(guān)注自動檢測動物的行為和身體姿勢，這將給動物福利帶來好處，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信、福利評估、行為模式檢測、交互和適應(yīng)系統(tǒng)等。因此，使用傳感器模塊或傳感器集成平臺監(jiān)測動物生理行為具有十分重要的意義。

圖3 基于Arduino開源平臺的活羊應(yīng)激水平監(jiān)測示意圖Fig.3 Schematic of stress level monitoring of live sheep based on Arduino open source platform

生命體征傳感器：研究表明，生命體征變化可反映人或動物的病情輕重和危急程度[14-15]，即監(jiān)測人或動物的體溫、心率、血壓、呼吸、腦電波等生命體征，對保證人或動物健康具有重要意義。用于監(jiān)測生命體征的傳感器的實(shí)現(xiàn)方式主要是電極式、放射式和透射式，目前腦電波監(jiān)測的形式幾乎全部為電極式。胡良文等[16]利用4X1DS18B20電極式溫度傳感器陣列采集溫度數(shù)據(jù)，對比試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)連續(xù)測量的可靠性，測量精度為0.06℃，雖然測量精度較高，功耗低，但傳感器陣列不易集成，體積大、操作繁瑣；柏廣宇等[17]研制出母豬體溫監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，選擇母豬臀部為最佳測量部位，選用MLX90614型紅外溫度傳感器為溫度測量傳感器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測母豬體溫，操作方便，系統(tǒng)測量誤差為0.21℃，滿足養(yǎng)殖行業(yè)對豬體溫測量誤差的要求。此外，基本生命體征指標(biāo)可以反映和評估活羊應(yīng)激水平，CUI等[13]設(shè)計(jì)了基于Arduino開源平臺的生命體征監(jiān)測裝置(圖3)，該裝置包括主機(jī)端和從機(jī)端，主機(jī)與從機(jī)通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)通信，其測量指標(biāo)包括體表溫度、心率等，結(jié)果表明，在應(yīng)激狀態(tài)下活羊體溫和心率指標(biāo)均處于不適宜狀態(tài)。

環(huán)境傳感器：環(huán)境傳感器能夠監(jiān)測畜牧養(yǎng)殖環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化[18-19]，包括溫濕度傳感器、氣體濃度傳感器、雨量傳感器、光照傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器等，不僅能夠精確地測量相關(guān)環(huán)境信息，還可以和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，滿足用戶對被測物數(shù)據(jù)的測試、記錄和存儲。WEEKLY等[20]描述了一種BiB傳感器用于收集豐富的建筑物的環(huán)境參數(shù)(如CO2濃度等)；KIM等[21]研制出一種基于3×3矩陣離子通道的柔性溫度傳感器，并證明它能夠在特定區(qū)域內(nèi)對溫度進(jìn)行高度選擇性、靈敏和靈活的測量；通過改變采集節(jié)點(diǎn)的傳感器類型，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同場合的監(jiān)測任務(wù)，陳鐿等[22]設(shè)計(jì)了一種新型環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對CO2濃度、溫濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。表1所示為穿戴式信息監(jiān)測傳感器性能比較。

表1 穿戴式信息監(jiān)測傳感器性能比較Tab.1 Performance comparison of wearable information monitoring sensors

2.1.2特征參數(shù)識別

畜牧養(yǎng)殖穿戴式信息監(jiān)測特征參數(shù)識別分為生理特征參數(shù)識別[30]、行為特征參數(shù)識別[31-32]和環(huán)境特征參數(shù)識別[33-34]，其中生理特征參數(shù)識別和行為特征參數(shù)識別是技術(shù)難點(diǎn)，因?yàn)楸O(jiān)測對象較為活躍，對傳感器的穩(wěn)定性、精度和布置方式等要求較高。表2綜合分析了常見的穿戴式信息監(jiān)測生理參數(shù)及傳感器類型。

表2 常見穿戴式信息監(jiān)測生理參數(shù)及傳感器類型Tab.2 Physiological parameters and sensor types of common wearable information monitoring

生理特征參數(shù)識別：生理特征參數(shù)直接關(guān)聯(lián)動物的健康水平，應(yīng)用于生理特征參數(shù)識別的傳感器主要有電極式、反射式和透射式，并且向多傳感集成的方向發(fā)展。參數(shù)識別方法主要是運(yùn)用各類監(jiān)測生理參數(shù)的傳感器，獲取畜牧養(yǎng)殖過程中農(nóng)場動物的心率、體溫、呼吸等參數(shù)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用均值聚類算法、主成分分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法和特征元素法等方法提取特征參數(shù)信息，建立生理特征與機(jī)體健康程度之間的關(guān)系模型。

行為特征參數(shù)識別：本文研究的動物行為特征主要表現(xiàn)在動物咀嚼、俯仰、行走、跳躍、爬跨、咳嗽等方面，運(yùn)用穿戴式運(yùn)動傳感器可記錄農(nóng)場動物的日常行為特征，便于研究分析農(nóng)場動物在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)產(chǎn)生的特定規(guī)律性變化，為生產(chǎn)者決策管理提供理論依據(jù)。動物運(yùn)動行為的聲學(xué)分析已被證明能夠準(zhǔn)確地識別咀嚼和咬傷，根據(jù)鉗口運(yùn)動的原理可有效區(qū)分動物的咬合和拒絕行為，RUTTER[48]研制一種由鼻帶、ART-MSR壓力傳感器和計(jì)算機(jī)接口組成的穿戴式行為記錄儀；CLAPHAM等[49]提出了一種聲學(xué)記錄和分析系統(tǒng)，利用靠近動物嘴的寬頻傳聲器獲取數(shù)學(xué)信號，用來自動檢測、分類和評估放牧肉牛的攝食情況；宣傳忠等[50]提出一種改進(jìn)的MFCC與HMM相互結(jié)合的羊咳嗽聲識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)識別率高，能夠達(dá)到對羊咳嗽聲的識別要求。聲音監(jiān)測在農(nóng)場動物的監(jiān)測中具有十分重要的作用，通過這種監(jiān)測指標(biāo)能夠比較清楚了解動物的生理狀態(tài)，對控制動物進(jìn)食量、降低動物疾病傳染風(fēng)險(xiǎn)等方面具有一定的貢獻(xiàn)。

此外，通過布置傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可對動物行為進(jìn)行較為全面的監(jiān)測，WATANABE等[51]使用三軸加速度傳感器對牛下顎部位運(yùn)動特征進(jìn)行監(jiān)測，分析牛咬斷草食、咀嚼草食、休息等行為；NADIMI等[52]提出使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對牛頸部的俯仰角及運(yùn)動速度進(jìn)行監(jiān)測，使用分類樹對牛的行為進(jìn)行分類并預(yù)測牛群其他個(gè)體的行為；尹令等[53]設(shè)計(jì)了一種奶牛行為特征監(jiān)測系統(tǒng)，在奶牛的頸部裝配無線傳感器節(jié)點(diǎn)并使用K-均值聚類算法對參數(shù)進(jìn)行分類識別，可以細(xì)致區(qū)分奶牛靜止、慢走、爬跨等行為。

2.2 信號分析與處理

穿戴式信息監(jiān)測技術(shù)能進(jìn)一步分析挖掘更加有價(jià)值的信息，促進(jìn)畜牧養(yǎng)殖業(yè)更好發(fā)展。應(yīng)用于畜牧養(yǎng)殖信息監(jiān)測的各類傳感器采集的信號大部分是微弱信號，信號不僅強(qiáng)度較弱，而且信號噪聲高、衰減快，不能獲得精準(zhǔn)的信號，從而對動物的健康狀況水平不能進(jìn)行精準(zhǔn)的判斷。如圖4與表3所示，信號分析與處理方法主要研究內(nèi)容有時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析以及數(shù)字濾波等方法[54-55]。

圖4 信號分析與處理原理圖Fig.4 Signal analysis and processing schematic

表3 信號分析與處理方法對比Tab.3 Comparison of signal analysis and processing methods

2.2.1時(shí)域分析法

時(shí)域分析法根據(jù)時(shí)間歷程記錄信號波形，研究動物生理信號的幅值等參數(shù)、信號的穩(wěn)態(tài)和交變分量隨時(shí)間變化的情況，分析傳感器采集的原始波形，保留信號最完整的信息，但生理信號處理的時(shí)間范圍較小、精密度較低[54]。如CUI等[13]通過研究心臟結(jié)構(gòu)以及心臟跳動規(guī)律，并選擇5個(gè)典型時(shí)域參數(shù)分析了活羊心率變異性，結(jié)果表明，活羊心率變異性時(shí)域特征可反映活羊應(yīng)激水平。

2.2.2頻域分析法

在生理信號的提取過程中會混入大量的噪聲，在對信號進(jìn)行頻域處理之前要對信號進(jìn)行濾波處理，提高信噪比，其理論基礎(chǔ)是傅里葉變換[54]。相較于時(shí)域分析法，頻域分析法的精密度較高一些，沈勁鵬等[56]首先對原始信號進(jìn)行FFT分析，以確定呼吸信號和心跳信號的頻帶范圍，然后將原始信號分解為若干IMF分量，重構(gòu)呼吸信號和心跳信號。該方法得到的呼吸率和心率的準(zhǔn)確性都超過90%，可以很好地提取呼吸和心跳信號；SHARMA等[57]提出了一種基于廣態(tài)濾波的方法對呼吸信號進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)表明基于廣義同態(tài)濾波的離散傅立葉變換EDR技術(shù)優(yōu)于基于離散傅立葉變換的同態(tài)濾波。

2.2.3時(shí)頻分析法

生理信號的時(shí)域分析和頻率分析都是從整體上對動物生理信號進(jìn)行處理，無法反映信號的局部特征且只能處理平穩(wěn)的、線性的生理信號，時(shí)頻分析法可以反映信號時(shí)間和頻域之間的關(guān)系[58]。HASSANPOUR[59]提出了一種利用時(shí)頻分布降低信號時(shí)間序列噪聲的方法，信號的時(shí)頻首先被劃分為信號子空間和噪聲子空間，使用時(shí)頻矩陣的奇異值作為空間劃分的標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)了信號時(shí)頻表示嵌入的信息。

2.2.3.1小波變換

小波變換(Wavelet transform，WT)繼承和發(fā)展了短時(shí)傅立葉變換局部化的思想，同時(shí)克服了窗口大小不隨頻率變化等缺點(diǎn)，能夠提供一個(gè)隨頻率改變的“時(shí)間-頻率”窗口，是進(jìn)行信號時(shí)頻分析和處理的理想工具。劉思佳等[60]基于小波分解與去噪原理，通過串聯(lián)多次小波變換實(shí)現(xiàn)對睡眠時(shí)呼吸信號的去噪與提??；王芳等[61]在心電信號處理過程中，為了避免產(chǎn)生Gibbs振蕩現(xiàn)象和嚴(yán)重的頻率混疊現(xiàn)象，提出基于雙樹復(fù)小波變換，并結(jié)合最大后驗(yàn)估計(jì)確定閾值的心電信號去噪方法，與傳統(tǒng)離散小波變換相比，雙樹復(fù)小波變換去噪更徹底，邊界、紋理等特征能較好地保留，可以作為一種生物醫(yī)學(xué)信號降噪處理的新方法；AKAR等[62]使用小波包變換對心電信號進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)證明可以較好降低心電信號中的噪聲，解決了小波變換只對低頻信號進(jìn)行處理的局限，分解更加細(xì)化。

2.2.3.2Hilbert-Huang變換

Hilbert-Huang變換是一種新興的時(shí)頻分析方法，能有效處理非線性非平穩(wěn)信號問題，但存在操作時(shí)間過長、結(jié)果精準(zhǔn)度不高等問題[63]。針對脈率變異性提取方法，丑永新等[64]提出一種基于Hilbert-Huang變換的脈率變異性信號(PRV)提取方法，即對脈搏信號進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到脈搏信號的內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)及其邊際譜，根據(jù)邊際譜的頻率范圍選取能反映脈率變化的內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)分量，從分量中提取PRV信號。將所提出的方法應(yīng)用于實(shí)際采集的脈搏信號，能從脈搏信號中準(zhǔn)確地提取PRV信號，并且抗噪性很強(qiáng)。

2.2.4數(shù)字濾波方法

實(shí)驗(yàn)采集的動物生理信號存在大量的噪聲，時(shí)域分析法、頻域分析法、時(shí)頻分析法在消除和減少信號噪聲時(shí)存在局限和制約。數(shù)字濾波的原理是輸入信號中有用成分和希望除去的噪聲部分各自占有不同的頻帶，把輸入序列通過一定運(yùn)算變換成輸出序列[65]。段力等[66]提出了一種基于數(shù)字濾波的呼吸信號去噪方法，仿真實(shí)驗(yàn)表明該方法能夠有效去除呼吸信號中的高頻噪聲干擾和抑制基線漂移，為臨床上實(shí)現(xiàn)便攜式呼吸監(jiān)測打下基礎(chǔ)；張志鵬[67]使用基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器消除了與有用信號頻域重疊的運(yùn)動偽跡干擾噪聲，提高了運(yùn)動狀態(tài)下血氧飽和度檢測數(shù)據(jù)的精確度；ACHARYA等[68]使用研制的自適應(yīng)Savitzky-Golay濾波器在不同信噪比下對噪聲合成腦電波圖信號進(jìn)行了測試，自適應(yīng)SG濾波器去除了噪聲，保持了信號的原始形狀，該方法計(jì)算簡單，速度快，效率高。此外，該方法還可用于其他信號，如心電圖、肌電圖、腦電波圖。

2.2.5綜合分析方法

信號分析與處理通常結(jié)合多種方法以實(shí)現(xiàn)更加全面的功能，如趙素文等[69]先對PPG信號進(jìn)行9層小波分解得到具有較高信噪比呼吸波，并用改進(jìn)的FFT頻率估計(jì)法從該信號中提取呼吸率，僅用光電傳感器便能同時(shí)完成呼吸率、心率及血氧飽和度等多項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測。針對心電信號處理中噪聲難以消除問題，殷俊鵬等[70]提出一種基于小波域數(shù)字濾波的基線漂移去噪算法，采用提升小波分解心電信號，對最高層尺度系數(shù)做數(shù)字高通濾波處理，并重構(gòu)得到去除基線漂移信號，在計(jì)算復(fù)雜度和性能方面能取得比傳統(tǒng)算法更好的平衡；郭洪量等[71]利用小波分析進(jìn)行預(yù)處理，再利用簡單整系數(shù)濾波器進(jìn)行進(jìn)一步消噪，改進(jìn)的心電信號消噪方法性能優(yōu)于傳統(tǒng)的小波閾值去噪法和數(shù)字濾波法，處理時(shí)間比小波閾值去噪法低33%；GERMAN-SALLO等[72]利用連續(xù)的小波變換和頻譜分析結(jié)合的方法對心電信號進(jìn)行處理，降低信號的噪聲效果顯著。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法也得到了廣泛應(yīng)用，MICHIELLI等[73]提出了一種基于長短期記憶塊(LSTM)的級聯(lián)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)結(jié)構(gòu)，處理腦電波信號，對睡眠階段精準(zhǔn)分類；GHADERYAN等[74]提出了一種新的簡單而有識別性的算法，該算法采用了最小生理信號數(shù)目和時(shí)變奇異值分解(TSVD)方法，與以往的傅立葉變換、倒譜變換、小波變換和傳統(tǒng)的方法相比，該方法具有更好的性能。

2.3 信息傳輸技術(shù)

穿戴式設(shè)備通過信息傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，信息傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)對傳感器采集的關(guān)鍵信息進(jìn)行快速有效存儲、分析和處理，圖5所示為畜牧養(yǎng)殖穿戴式信息傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖。為實(shí)現(xiàn)奶牛體溫信息的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測，武彥等[75]以CC2430芯片為核心開發(fā)了測溫節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，基于ARM9的微處理器S3C2440A和嵌入式Linux構(gòu)建了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)自動匯聚，并用LabVIEW設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲、體溫監(jiān)測預(yù)警及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視的上位機(jī)軟件，該系統(tǒng)為奶牛疾病及分娩期預(yù)測提供了有效工具；李麗華等[76]以ATmega 16單片機(jī)為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸，使用C#語言編寫人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了蛋雞體溫變化的實(shí)時(shí)采集、存儲、顯示以及歷史數(shù)據(jù)查詢，該裝置體溫測量誤差為0.1%；王世平等[77]采用CC2530芯片作為主控芯片處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件使用VC#編寫，總體處理比較穩(wěn)定；李年攸等[78]采用Arduino mega 2560單片機(jī)處理采集的養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)大型養(yǎng)殖場環(huán)境(溫度、濕度、光照)的自動監(jiān)控，在降低養(yǎng)殖戶專業(yè)知識門檻的同時(shí)，節(jié)約財(cái)力物力的投入，提高了養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。

作為穿戴式設(shè)備，要體現(xiàn)攜帶方便、穿脫方便、操作靈活、安全性高以及低功耗等特點(diǎn)，無線通信設(shè)備具有至關(guān)重要的作用。無線通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)穿戴式設(shè)備與智能設(shè)備的相互關(guān)聯(lián)，吳振宇等[79]提出一種基于藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧和GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)的新型無線心率穿戴式設(shè)備，具有體積小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、穿戴方便、測量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好和成本低等優(yōu)點(diǎn)；劉忠超等[80]將處理的養(yǎng)殖環(huán)境信息使用ZigBee無線傳輸給智能終端，實(shí)現(xiàn)了對牛舍環(huán)境的遠(yuǎn)程無線實(shí)時(shí)監(jiān)測，但傳輸不穩(wěn)定，容易受外界環(huán)境的影響；于曉婷等[81]設(shè)計(jì)了一種畜牧業(yè)免疫管理系統(tǒng)，運(yùn)用NFC技術(shù)對畜牧免疫信息進(jìn)行存儲，用戶可以通過手機(jī)軟件或網(wǎng)頁進(jìn)行畜牧信息的管理；MA[82]使用主動RFID進(jìn)行種豬的個(gè)體識別和生命指標(biāo)的采集，指標(biāo)包括了呼吸、脈搏、血壓、體溫，實(shí)現(xiàn)無源更低功耗采集生理數(shù)據(jù)，操作更加方便，信息更加安全，但不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，其更多應(yīng)用于追溯方面。表4所示為各種無線通信技術(shù)的比較與分析。

圖5 畜牧養(yǎng)殖穿戴式信息傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.5 Schematic of wearable information transmission network for livestock breeding

表4 通信方式比較與分析Tab.4 Comparison and analysis of communication methods

2.4 人機(jī)交互技術(shù)

人機(jī)交互技術(shù)是實(shí)現(xiàn)人與穿戴式信息監(jiān)測設(shè)備之間語音交互[83]、姿態(tài)交互[84]、眼動交互[85]等方式的互動技術(shù)(如圖6所示)。人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展為消費(fèi)者帶來了更好的用戶體驗(yàn)，同時(shí)也是穿戴式技術(shù)實(shí)現(xiàn)解放雙手的重要技術(shù)之一?；谝曈X的手勢識別率低，實(shí)時(shí)性差，需要研究各種算法來改善識別的精度和速度，眼睛虹膜、掌紋、步態(tài)、語音、人臉、DNA等人類特征的研發(fā)應(yīng)用也正受到關(guān)注，多通道的整合也是人機(jī)交互的熱點(diǎn)，另外，與“無所不在的計(jì)算”、“云計(jì)算”等相關(guān)技術(shù)的融合與促進(jìn)也需要繼續(xù)探索。

圖6 人機(jī)交互技術(shù)示意圖Fig.6 Schematic of human-computer interaction technology

目前，相關(guān)研究已經(jīng)取得一定進(jìn)步，如ZHANG等[86]根據(jù)人體生物電信號的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了皮層信號采集與調(diào)節(jié)電路，利用特征提取算法識別人體行為特征，然后利用物聯(lián)網(wǎng)建立無線局域網(wǎng)，該系統(tǒng)的建設(shè)為物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的無線控制和康復(fù)娛樂的應(yīng)用和擴(kuò)展提供了一個(gè)有效可行的方案；MALASSIOTIS等[87]使用深度攝像頭對空間人體部位識別與跟蹤，利用深度與手部幾何特征，進(jìn)行手勢與姿態(tài)識別；盛衛(wèi)華等[88]采用一個(gè)慣性傳感器來采集被試驗(yàn)人手指部位活動的信號，運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行手勢捕捉，并應(yīng)用一個(gè)分層隱馬爾可夫模型結(jié)合前后手勢的關(guān)聯(lián)信息，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了穿戴式設(shè)備的人機(jī)交互。此外，基于生物特征識別技術(shù)的穿戴式人機(jī)交互系統(tǒng)可以帶來更自然、更輕松的交互體驗(yàn)[86]?？傮w而言，當(dāng)前人機(jī)交互的智能化水平相比于人們的構(gòu)想還存在較大的差距，需要進(jìn)一步改善。

3 畜牧養(yǎng)殖信息監(jiān)測穿戴方式比較

穿戴式監(jiān)測方式直接影響對動物健康狀況實(shí)時(shí)、動態(tài)、連續(xù)監(jiān)測過程的可操作性及監(jiān)測結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。表5所示為穿戴式信息監(jiān)測方式比較與分析，按照穿戴方式分為體內(nèi)和體外監(jiān)測，按照創(chuàng)傷程度分為微創(chuàng)和無創(chuàng)等。體外監(jiān)測又分為束縛式和貼覆式，其中束縛式具有穿戴簡單方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但容易脫落，受外界影響大，監(jiān)測準(zhǔn)確度較低，受動物大小限制；貼覆式監(jiān)測方式常常受監(jiān)測對象限制，很難連續(xù)監(jiān)測，續(xù)航較差，并且需要安裝工具，但該穿戴方式不易脫落。體內(nèi)監(jiān)測通常采取植入式將傳感器微型裝置導(dǎo)入體內(nèi)，該監(jiān)測方式監(jiān)測精度高，不受監(jiān)測對象大小限制，不易脫落，但價(jià)格比較昂貴，續(xù)航能力差，傳輸距離有限。無創(chuàng)穿戴方式通常監(jiān)測精度較低，但對大多數(shù)監(jiān)測對象的日常行為沒有影響，續(xù)航能力較好；微創(chuàng)監(jiān)測方式一般對監(jiān)測對象的健康狀況有輕微影響，但該穿戴方式不易受外界因素影響，監(jiān)測準(zhǔn)確度較高。

表5 信息監(jiān)測穿戴方式比較與分析Tab.5 Comparison and analysis of information monitoring wear methods

單個(gè)/網(wǎng)路：穿戴式設(shè)備具有監(jiān)測一種或多種參數(shù)的功能，實(shí)現(xiàn)農(nóng)場動物生理信息和環(huán)境信息感知，保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和可靠性，并且能高效率地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸和記錄，盡可能少的時(shí)間占用少的系統(tǒng)資源，對于多參數(shù)同時(shí)監(jiān)測的情況下，是確?？纱┐髟O(shè)備正常運(yùn)行的重要因素。周龍甫等[96]采用系統(tǒng)集成方式，整合多個(gè)傳感器模塊，完成整機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了動態(tài)監(jiān)測運(yùn)動情況下的生命基本體征和周邊環(huán)境信息，對于保證動物健康具有積極作用。

動物汗液中富含各種與疾病和健康有關(guān)的生物標(biāo)記物，通過對這些標(biāo)記物的檢測分析，可以監(jiān)測動物身體健康狀態(tài)。KOH等[97]提供了一種微流體裝置，定義了一組汗腺接入點(diǎn)，通過捕獲汗液并對氯離子、葡萄糖、乳酸等標(biāo)記物進(jìn)行化學(xué)分析，從而達(dá)到健康監(jiān)測的目的，監(jiān)測結(jié)果包括汗液率、汗液流失等；GAO等[98]提出了一種傳感器陣列，用于多重原位汗液分析，穿戴式系統(tǒng)通過對汗液中的鈉離子、皮膚溫度等生物標(biāo)記物進(jìn)行檢測，能夠?qū)崟r(shí)掌控汗液特征，該技術(shù)可以提供一種新的監(jiān)測動物指標(biāo)用于農(nóng)場動物監(jiān)測中，具有十分重要的研究意義。

體內(nèi)/體外：與體外監(jiān)測相比，植入體內(nèi)監(jiān)測具有較高精度，但缺點(diǎn)是操作不方便。何東健等[92]設(shè)計(jì)了一種植入式傳感器和體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，將該植入式設(shè)備植入奶牛陰道內(nèi)，能夠有效對奶牛陰道部位的體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，雖然能夠準(zhǔn)確監(jiān)測奶牛體溫，但操作比較繁瑣、較難控制、續(xù)航能力較差、影響動物日常生活和健康狀況；ROSE等[99]開發(fā)了一種貼附在表皮上的傳感器貼片，實(shí)現(xiàn)了在智能終端上讀取溶質(zhì)和電位傳感溶質(zhì)和表面溫度，操作方便而且不影響動物的日常生活和健康狀況；納米多孔鉑電鍍會產(chǎn)生極強(qiáng)的拉伸應(yīng)力，盡管經(jīng)過等離子體處理可提高粘附力，但仍會導(dǎo)致納米多孔鉑在柔性聚合物基體上剝落，YOON等[100]通過改進(jìn)柔性不銹鋼解決了這一難題，并開發(fā)耐磨、堅(jiān)固、靈活和非酶連續(xù)血糖監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明柔性不銹鋼對提高金屬層與基體的結(jié)合力有很好的效果，所開發(fā)的無線系統(tǒng)包括電化學(xué)分析電路、微控制器單元和無線通信模塊，通過兩種動物試驗(yàn)評估了連續(xù)血糖監(jiān)測系統(tǒng)，顯示出該植入式可穿戴血糖傳感器具有良好生物相容性。

微創(chuàng)/無創(chuàng)：穿戴式設(shè)備工作過程一般為微創(chuàng)或無創(chuàng)方式，目的是盡量減少對農(nóng)場動物的傷害，降低應(yīng)激程度。屈東東等[93]設(shè)計(jì)了一種安裝在奶牛耳道邊沿的穿戴式設(shè)備用于監(jiān)測奶牛的體溫，該設(shè)備主要由數(shù)字溫度傳感器、基于ARM9的微處理器S3C2440A組成，實(shí)現(xiàn)了對群養(yǎng)奶牛體溫的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，為奶牛疾病及分娩期預(yù)測提供了有效工具，對其他大型動物的監(jiān)測也具有一定的指導(dǎo)意義；KOH等[97]提供一種柔軟穿戴式的微流體裝置，采用無創(chuàng)的方式緊密貼和皮膚表面，從而對汗液進(jìn)行分析；針對現(xiàn)有基于脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間法或脈搏波特征參數(shù)法的血壓測量模型存在的不足，譚霞等[101]提出利用平均影響值法從提取的脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間和脈搏波特征參數(shù)中優(yōu)選出對血壓影響較大的參數(shù)作為輸入量，血壓作為輸出量訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，然后采用遺傳算法對個(gè)性化參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而建立一種連續(xù)血壓無創(chuàng)監(jiān)測GA-MIV-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

4 發(fā)展趨勢展望

畜牧養(yǎng)殖信息化已成為現(xiàn)代牧業(yè)的重要發(fā)展理念，有助于肉產(chǎn)品質(zhì)量的安全可追溯，提升我國畜牧養(yǎng)殖體系的運(yùn)作速度和質(zhì)量，同時(shí)促進(jìn)我國畜牧養(yǎng)殖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和適合我國國情的信息化模式的形成。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，并借鑒穿戴式技術(shù)在人身上的應(yīng)用情況，提出畜牧養(yǎng)殖穿戴式信息監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢：

(1)信息獲取方式由人工采集向自動化采集發(fā)展。傳統(tǒng)的信息獲取方式具有工作量大、主觀性強(qiáng)、精度低等缺點(diǎn)，無法滿足畜牧養(yǎng)殖業(yè)日益增長的實(shí)際需求。穿戴式信息監(jiān)測技術(shù)集成多元傳感技術(shù)與通信技術(shù)為一體，可實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)殖場動物生理參數(shù)及環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)、連續(xù)與自動采集，從而保證了養(yǎng)殖場信息資源的高效獲取。

(2)穿戴式傳感器將向微型化和柔性化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的穿戴式設(shè)備功能單一，結(jié)構(gòu)簡單，且適應(yīng)性較差，無法滿足對養(yǎng)殖場動物的監(jiān)測需求。隨著柔性傳感器和生物傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)，穿戴式傳感器逐漸具有了柔韌、可延展、可植入等功能，為穿戴式技術(shù)提供了新的研究思路。

(3)信號處理與信息傳輸將向多元化、復(fù)合化和智能化方向發(fā)展。穿戴式信號處理技術(shù)由單一的信號處理方法到多種信號處理方法相結(jié)合，克服單一方法在信號處理方面的局限性。信息傳輸更加快捷，近場通信技術(shù)(RFID/NFC)、短距離無線通信與較遠(yuǎn)距離無線通信并存，可滿足不同應(yīng)用場景的需求。這些技術(shù)的應(yīng)用對于養(yǎng)殖場動物生理及其生活環(huán)境信息的獲取具有重要實(shí)踐意義。

(4)信息監(jiān)測方式將向系統(tǒng)性、整體性和自適應(yīng)方向發(fā)展。穿戴式技術(shù)的應(yīng)用使信息獲取方式更加多樣化，將由單參數(shù)到多參數(shù)監(jiān)測，體內(nèi)監(jiān)測到體外監(jiān)測，微創(chuàng)監(jiān)測到無創(chuàng)監(jiān)測，單傳感器監(jiān)測到多傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測，而且更加注重傳感器分布形式和動物監(jiān)測部位對監(jiān)測過程可操作性和監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

(5)穿戴式信息監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用將提高養(yǎng)殖管理與決策水平。借助于物聯(lián)網(wǎng)平臺，穿戴式設(shè)備將更加信息化，獲取信息并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾砥脚_，使決策更加及時(shí)和精準(zhǔn)。信息化體系的構(gòu)建能夠更好地促進(jìn)現(xiàn)代管理科學(xué)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合，使畜牧養(yǎng)殖由傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式向精細(xì)化畜牧養(yǎng)殖系統(tǒng)發(fā)展。