动物体温无线测量系统的研究-胡肄农

 中国畜牧兽医学会信息技术分会年学术研讨会动物体温无线測量系统的研究胡肄农，王丰，王晨辉，李保全江苏省农业科学院咎医研究所农业部兽用生物制品工程技术重点实验室国家冉用生物制品工程技术研究中心，江苏南京南京稻盛弘网络科技有限公司，江苏常州江苏省明天农牧科技有限公司，江苏南京摘要：针对规模养殖和疫病预警的需求，研究开发动物体温无线自动测温平台，包括传感节点、基站、本地监控终端及网络服务器等；研究猪体核温度到体表温度的变化规律，设计测量动物皮肤、脂肪和肌肉热传导率的方法和装置。对不同日龄和身体状况的猪只，利用体表温度测量值推算体核温度。动物体温无线测量系统可用于畜牧养殖，以及与医学、制药、生物制品相关的动物科学实验。关键词：猪；体温；无线测量引言建立一个完善、即时、高效的动物疫情监测体系和重大动物疫情预警系统，对动物疫病进行早期预警预报，及时采取有效的措施，控制重大动物疫情的发生，具有极其重要的意义。物联网将给动物疫病的监测和早期预警带来技术突破。应用物联网技术建立动物健康监测与疫情预瞀平台，自动、实时监测动物的行为和健康状况，实时获取用人工不能或不便获取的生理参数，不仅能对动物健康、养殖、繁殖情况及养殖场环境等进行监控管理，还可通过远程专家系统对突发及特殊情况进行处理，在疫病初发阶段，能及时发现疫情，迅速找到源头，有效控制疫情扩散。体温是动物最重要的生命特征之一，很多传染性疫病都会引起体温变化，动物体温的测量在疫病预防、发现及控制中起着极其重要的作用。传统的猪体温测量方法主要是“直肠测温法”，这种方法简单易行，但容易引起生猪的应激反应，不利于生猪的健康和福利，而且在测定成年公猪或成年母猪等大型动物时，会给工作人员带来不便和危险。体温的自动渕量目前存在较多技术题：一是针对较多猪的快速体温测定，研发自动化、连续化和无线化猪体温测量设备，提高监测系统准确性和灵敏度，是实现猪健康监测的基础；二是研究猪体温模型和健康预警模型，是实现猪疾病预警的技术核心；国外学者开展体温测量技术研究：有人利用近红外成像技术测量猪的头部温度和直肠温度，以此来诊断猪的呼吸道疾病；有学者通过红外热像仪判断即将屠宰的活猪的肉品基金项目：“十二五”农村领域国家科技计划课题作者简介：胡陣农，江苏南京人，年生。研究员，研究方向为畜牧兽医信息技术， 中国畜牧兽医学会信息技术分会年学术研讨会品质（；；巴西有学者通过红外热像仪对条狗的鼓膜温度和直肠温度测量，发现两者有很大的相关性，；西班牙的学者应用热红外仪测量动物（猪、牛、羊）的体表温度，以此判断动物的福利情况（；加拿大的研究人员利用红外热像技术早期诊断牛犊的呼吸道疾病综合症（；美国有学者利用红外成像仪诊断牛的口蹄疫。国内近年来也开展相关研究：浙江大学的孙刚等采用微处理器控制的红外体温监测系统自动识别母猪的发情。经过种猪场现场测试，红外监测系统识别母猪正常发情的准确率达到以上，可有效减少母猪非生产繁殖的天数与投入的人工费用。河北农处大学的郑艳欣等将红外温度传感器安装在奶牛耳牌的耳环上，通过耳道可以准确测量奶牛耳膜温度，利用无线收发芯片实现奶牛体温数据采集系统与上位机的通信，提髙对奶牛体温数据采集的自动性和高效性；母猪直肠体温与母猪发情有一定关系，当母猪发情时体温较正常升高：张丁华。动物体温无线測量系统系统构成动物体温无线测量系统采用模块化设计，由无线测温模块、无线接收模块和管理后台三部分构成。技术原理如图所示：温度传感器—温度信号处理器发射一无线测温模块显示器无线接收器无线接收模块一？图无线测温系统技术原理圑无线测温系统以无线基站为控制中心，包括接收无线体温测量标签信息的无线模块，识别标签信息的处理模块，上传数据的到网络通讯模块；固定在猪身上的测温标签含有无线模块和传感模块。 中国畜牧兽医学会信息技术分会年学术研讨会无线測温标签测温标签采用嵌入式设计，嵌入式系统使用及负责所有设备的数据处理。控制无线发射器、传感器、电源的工作；无线发射器负责无线信号的发射部分。无线符合欧洲北美规范的频段；供电采用钮扣式电源或可充电锂电池，由电源管理器负责电源管理。分别选用个型号的温度传感器：红外热电堆传感器内置低噪声放大器、位模数转换器和信号处理芯片，测温分辨率°在室温下标准精度为±°医疗版精度为为±°。测温精度如图所示：°一“：一———‘——“一■—：匿圓°图测温精度采用数字温度传感器测量温度范围为在°附近范围内，精度为±°采用封装，其体积仅为单位：可以采集节点设计得很小，便于放置于动物体表。测温精度如图所示：——苏———‘―图测温精度 中国畜牧兽医学会信息技术分会年学术研讨会研制开发获得的无线测温标签，具有扁平的壳体，温度传感器为置于壳体背面的接触式温度传感器，无线发射器与温度信号处理器置于壳体内。无线测温模块体积小，可固定于被测动物体表，不影响被测量对象正常活动、进食、休息等，方便灵活地远程监测体温。测温标签如图。■：图无线测温模块实物图图无线测温模块固定装置测温模块的固定装置采用生理材质，系于动物胸部和颈部，可防止滑动、脱落等，一般采集腹部或颈部的体表温度。固定方法如图所示。技术人员在示范基地及兽医研究所实验动物房，对研发的体温无线传感节点进行安装和调试，佩戴实验持续年，佩戴动物头数近百头。对猪只的颈部、耳部、背部、腹部、腿部等多个部位进行测温和安装试验，对体温传感节点的安装方式和穿戴装置进行余次试验和改进，对传感节点的电路设计和模具进行次改型，对传感节点的内置程序进行持续升级。通过反复多次的现场试验和改进，目前的节点安装方式和装置可适用于母猪、断奶仔猪的体温测量，佩戴时间可达个月，满足哨兵动物的设置要求，测量的准确性和一致性也得到保证。无线測温基站无线基站的功能是：接收测温模块无线传输数据，并连接局域网或因特网将测温数据上传到数据库。基站釆用嵌入式设计，及嵌入式系统负责所有设备的数据处理，控制无线接收器、存储器、电源管理器的工作；无线接收器负责接受由测温节点发射的无线信号。包括低噪声放大器）及调制解码部分；存储器负责存储所有采集的数据；接收器可选配模块或有线模块。无线通信选用免执照频段，功率符合当地法律要求。空旷实测距离最远为米，一般情况下可保证至少米有效传输。如距离过远，可设计中继器。无线基站实物图如图。 中国畜牧兽医学会信息技术分会年学术研讨会连接糊图无线基站实物图无线測温系统的通讯中间件无线基站与多个体温测量标签通过无线通信协议进行通信，分别接收各个标签的测量值。无线基站通过接口接入以太网，与操作系统的上位机工作站进行通信。工作站中间件可以将无线基站传来的测量数据存储到本机或者互联网上的数据库。运行界面如图■——■■工興郷帮助采集教掮数‘—基站列表（共个基站）采终马夯名称广仆务该潘丨丨蒯重体遄邢腿丨纖体邁挪务已连接珈重体逼蒯翟』一丨剜置体虛；‘：则里氨气浓度—广谏中輸签工作’广禁止列夹中的标益工作彳标签瞬丨卜丨卜」■脑藤务开启傘图测温工作站中间件界面 中国畜牧兽医学会信息技术分会年学术研讨会无线測温系统平台无线测温平台软件是基于服务的图形化软件平台，平台支持浏览器访问，支持本地或远程方式管理。平台界面如图每一页面可放置个“体温实时监测面板”，超出个则分页显示。‘；：！：——“抓广‘一沉抓『—―—一一一；嫩狄；！：！———‘；；：丨：■必欲拓《：；；：！：！■丨；！！—“————：；■教雄■：丨饥：抓！！——；——…；—！——抓论；；脚」】卿卿丨隊丨』」脚聊卿说丄仏酬《、图测温平台界面“体温实时监测面板”可切换”实时监测”和“数据统计”种状态。“饥‘’■度均「）脱—：犹“““■純§图体温实时监测面板图是“实时监测”状态，注释是测温设备的编号；注释是最新一次温度测量结果，如果该数字变成红色，代表该温度计处于报警状态，鼠标移动到数字上面，会显示具体的报警信息，如“温度计在十分钟内没有新的数据”、“温度计电量值过低”。图％是“数据统计”状态，注释是测温设备的编号；注释是温度计面板的曲线显示控制按钮，点击可以控制面板上相对应颜色的曲线显示或者隐藏最新一次温度测量结果；注释是最新一次温度测量结果， 中国畜牧兽医学会信息技术分会年学术研讨会图所示的“设备属性面板”中，包括“温度校准”，用于建立皮肤温度和直肠温度的对应关系。根据人工测量的直肠温度，对自动测量的皮肤温度进行修正。：基本侑悤：实麵褚编年实费疫苗名称：细苗当前设备编兮：当前设费电量：动德攻寒时阕：航！你贫以通过子工方式与校准选梓乎工测量的时阂：取灘觸纖砂而絲■输入乎：调量得到的重滋度进、贈概纖—设备哲理：你可以在实驗过狸中更換随设备，抓当前使用的设备，—；设备—磁“图设备属性面板动物体温測量数据校正方法直肠温度与体表温度以猪为例，健康猪的正常体温为°°直肠温度、不同年龄的猪体温略有差别，如刚初生的猪体温为°哺乳仔猪°中猪°肥猪°妊娠母猪°公猪°。一般傍晚猪的正常体温比上午猪的正常体温高°。猪在不同年龄、不同时期的体温是不一样的。猪的直肠温度变化范围如表表健康猪直肠温度年龄或体况直肠温度新出生小猪出生一小时后小猪°出生小时后小猪出生小时后小猪：哺乳猪到断奶期断奶猪（体重一公斤） 中国畜牧兽医学会信息技术分会年学术研讨会架子猪（体重“公斤）°育肥猪（体重公斤）。妊娠母猪产后一周到断奶母猪种公猪°动物机体表层组织的温度称为体表温度，其中最外层皮肤表面的温度为皮肤温度。体表温度低于体核温度，各部位之间差异大，且由里至外存在递减的温度梯度。体表温度不稳定，尤其是皮肤温度极易受环境因素的影响。另外，机体由体表向内分布的隔热层可调控机体的散热量，这在体温的维持中有着重要意义。用红外热像仪对猪头部和身体表面温度进行观测，得到基本印象为：身体表面温度场分布：四肢温度向远心处降低；腹部温度略高于背部；躯干温度与脂肪厚度呈相关性。如图所示。头部温度场分布：鼻镜、耳朵为散热器管，表面温度较低；耳根、眼窝温度较高。如图所示：■■麗謹鐘图猪体表温度的红外热像基于体表温度的间接测量核心体温临床上大多采用直肠温度来替代核心体温，这种方法简单易行，但容易引起被测动物的应激反应，不利于动物健康和福利，且在测定大型动物时，会给测量人员带来不便和危险。当动物所处环境温度急剧变化时，各器官的热响应也不相同：当体温快速升高时，直肠温度表现出较大的滞后。在动物实验中，对致热原引起发热的响应，口腔、肝和胃的温度比直肠的反应快，如果测量直肠温度，就有使肝短期过热的危险。由此可见，监视平衡态体温时测量直肠温度最为合适。 中国畜牧兽医学会信息技术分会年学术研讨会因为体温调节中枢在下丘脑，人们推测下丘脑应是体温变化最敏感区，但无法直接测量，理想的替代部位是鼓膜，在临床和动物研究中，经常测量鼓膜温度。但是，鼓膜温度的测量，受到家畜耳道的长度、弯曲度和开口程度等限制’耳垢也会给测温精度带来误差》现有技术中有很多方法可以测量动物的体表温度。动物体表温度，受到外界环境和核心体温的双重影响：外界环境因素至少包括温度、湿度、空气对流、阳光等因素，在环境温度较低的时候，根据测量部位的不同，测量的体表温度与核心体温的差别可能达：以上，这是不可接受的。综上所述，动物核心体温的测量方法，往往需要在口腔、直肠、耳道等特定生理部位进行，非常不适用于长期的体温监测；而基于体表温度的测量虽然较容易解决测量部位等问题，但到目前一直没有公开文献，阐明体表温度与核心体温的关系模型，难以通过体表温度的测量来反映真实的核心体温。测量动物核心体温的方法和装置，根据被测量动物的生理结构，将温度传感器与接近核心体温的身体表面耦合，并利用热通量的传导公式，对所测量的体表温度进行分析和推导，从而间接测量家畜的核心体温。用本发明的方法和装置可以实现对动物进行长期、连续、动态的核心体温测量。测量方法为：在动物皮下脂肪较少并有浅表动脉经过的皮肤上，利用温度传感器测量皮肤表面温度；在皮肤和敏感元件之上，覆盖已知热导率和厚度的材料作为传热层，利用与温度传感器参数非常接近的温度传感器测量覆盖材料的表面温度在覆盖材料和敏感元件之上，覆盖一绝热层，利用与温度传感器、温度传感器参数非