智慧養牛科技：乳牛發情電腦也知道
106/02/03
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王思涵｜
行政院農業委員會畜產試驗所新竹分所
李國華｜
行政院農業委員會畜產試驗所新竹分所
環境與氣候對荷蘭牛的影響
台灣位於亞熱帶地區，一年四季溫度各有變化，最冷的月分落在1月與2月。但南部較接近熱帶氣候，日照充足，冬、夏的溫度變化比北部小，也就是說北部地區的最高與最低氣溫相差會比較大。以台北與高雄相較，夏季時兩地均溫都可達攝氏28度至29度，但冬天時前者的均溫只有攝氏16度左右，後者卻仍高達攝氏19度至20度。
其實台灣的氣候可以北回歸線為界，其北是副熱帶季風氣候，其南則是熱帶季風氣候。然近年來，由於氣候變遷導致台灣夏季高溫屢破歷史新高，平均溫度甚至高達攝氏30度以上。
台灣飼養的乳牛品種以荷蘭牛為主，其原產地是荷蘭，成年母牛體重可達500～800公斤，毛色呈黑白花，且黑白分明，適合生長於低溫（攝氏0～15度）且乾燥的氣候。
荷蘭乳牛是最大型的乳牛品系，乳量以搾乳305天，每天搾乳二次及體重成熟為標準計算，每一泌乳期的泌乳量可達7,000公斤以上。但橘逾淮為枳，這種原本生長在溫帶地區的荷蘭牛，卻因為台灣高溫高溼的環境，使其遭受極大的熱緊迫而降低了生產性能，例如採食量、產乳量、發情配種困難及受胎率都顯著下降，尤以高產乳牛的影響更為明顯。
攝氏4.5～15度是荷蘭牛感覺最舒適並有最佳性能表現的環境溫度，但在高於攝氏27度時，牛隻會因泌乳而增加了熱的產生，導致其食欲不振，採食量下降，各項性能表現也隨之降低，例如乳產量明顯下降。
乳牛發情的周期
乳牛發情周期以18～23天最多，平均是21天。一般而言，80％的牛群發情周期是18～23天。但也發現有約9.86％的牛隻是7～17天的極短發情周期，與10.2％是24～38天的極長發情周期的牛。
極短或極長發情周期的牛群，僅在特別觀察下才能增加受胎率。發情排卵而未受精成功時，母牛需再經一定的時間才會再次發情，如此間隔一定時間重複發情的現象就稱為發情周期。發情周期是由於卵巢周期性變化所產生，以開始發情為發情第1天，一般把發情周期分為4期，依序是發情前期、發情期、發情後期及發情休止期。
前3期通屬發情狀態，而發情前期稍長於發情期，發情後期的時間則約為發情前期的一半。平均發情期間約為21小時，於發情休止期開始有發情徵兆，但未有容許駕乘行為的期間是發情前期，雖無法明顯區分，但約有10小時至1個白天的時間。於發情前期開始時，會有容許駕乘的動作與有發情站立的行為，這時是發情徵兆最明顯期，約有8小時到近1天的時間。發情站立行為過後，則不容許駕乘至完全消退期，約4小時。無發情徵兆後開始進入發情休止期，一段時間後再重啟發情周期。
乳牛的發情觀察
母牛會歡迎公牛並容許騎乘交配的狀態稱為發情，這時其卵濾泡會脹大且分泌動情素，其作用除表現於外在的性行動外，外生殖器也有變化，從這些徵候可以了解母牛的發情狀態。但一般牧場不會有把公、母牛混養的情形，若有公牛時必須分開飼養。
母牛發情時，它會注意或注視公牛所在方向或靠近，母牛間有時也會互相騎乘，發情母牛尾根會使力緊張且左右擺動，被騎乘時則靜止不動，這就是發情站立，發情站立是判定母牛發情最正確的指標。另外，由於動情素的作用，發情母牛會焦躁不安、來回走動、擺耳及不斷注意周遭聲響，較神經質的母牛甚至會食欲減退、乳量減少等。
一般觀察到乳牛發情騎乘的時段以午夜2～3時最多，而白天正午2時最少，因此酪農觀察發情狀況多採上下午擠乳趕牛時各觀察一次，在上午一大清晨及傍晚4、5時較涼快時，或於夜晚午夜前增加2次發情觀察，約可觀察到85％的發情騎乘，其身心的勞累可想而知。
酪農觀察發情的次數與時間愈多，愈能正確觀察到發情的牛隻，也愈能提高受胎率。以往牛隻發情觀察都依賴人為肉眼的判定，但這是一項繁瑣且高勞力付出的工作。近年來陸續發展出許多發情觀察的方法，研究方向大多聚焦於物理性變化、動物行為、動物生理與發情訊號間的關聯性。其中，以乳牛而言，最容易判定發情的行為就是發情時的駕乘動作。
無線感測網路系統
無線感測網路是由一到數個無線資料蒐集器以及為數眾多的感測器所構成的網路系統，元件之間的通訊則採用無線的方式。換句話說，不需要布線就可傳輸資料，是一項非常便利的技術。
無線感測網路是美國加州柏克萊大學的一個研究計畫所發展出來的。這項計畫由美國國防部所資助，原先的構想是應用在軍事上，例如戰爭時使用無人駕駛的小飛機帶著數以百萬計外型像是灰塵一樣的無線感測器，把它們灑在敵軍的區域進行蒐集資料的任務。感測器蒐集到的資料立即透過無線網路傳回小飛機上，然後帶回基地細加分析。根據這目標，當時研究人員就已利用微機電的技術開發出一種體積與阿斯匹靈藥錠大小的感測器，稱為智慧灰塵。
在無線感測網路的架構下，感測器的設計以省電、價格低廉、體積小且具有感應環境裝置為目標。感測器本身就像是一台小型電腦，並配備了簡單的感測裝置、運算裝置、無線傳輸裝置，感測裝置可以偵測環境中我們感興趣的事物（如溫度、移動等），並把所蒐集的資料先簡單運算處理後，再透過無線傳輸裝置回傳給資料蒐集器。
無線型牛隻發情偵測器
運用發情母牛會出現的行為模式，畜產試驗所新竹分所利用三軸加速度動能偵測器開發了牛隻發情偵測器，應用於偵測牛隻的各項行為模式，據以判定牛隻躺臥、駕乘、站立、步伐數變化等狀態。為能了解G值變化對應的行為模式，偵測器初期會利用全天24小時的動態錄影，比對牛隻在各種行為狀態下的G值反應，經過長時間比對後建立G值變化對應的行為模式資料庫。
當牛隻發情徵兆開始出現時，部分牛群會因出現明顯的駕乘行為而被系統判定為發情警示，未有明顯駕乘的牛群則依照累積的步伐數變化作為判定發情的依據。牛隻發情偵測系統可準確地讀取出牛隻駕乘時的G值狀態，並於系統後端設定G值臨界點，當G值超過臨界點時，系統會判定有發情駕乘的狀態出現，就自動把這訊息以簡訊方式通知管理者進一步處理。
牛隻發情會以發情站立，也就是被騎乘而站立不動，或找其他發情牛進行騎乘動作以表現發情。發情站立行為過後，就是發情終了牛，其適當授精配種時間約於10小時後排卵時。
無線型牛隻發情偵測系統包括牛隻發情偵測器、訊號接收器主機及牛隻發情偵測系統軟體。其中，牛隻發情偵測器由包含32位元的中央處理器、64K以上的記憶體、三軸加速度動能偵測器等原件所組成。以上原件封裝於發情偵測器內，偵測器外觀是一長立方體（長、寬、高分別是9 × 6 × 3 cm），以尼龍帶做為繫上腳帶，再以扣榫固定於牛隻前肢。使用的無線傳輸頻率是2.4G（IEEE 802. 15. 4），無線傳輸距離100公尺以上。
牛隻發情偵測器電源以1,000毫安的鋰電池做為主要電力來源，當電力耗盡時，可更換電池或再次充電後回收重複使用。訊號接收器主機的主要功能是暫存牛隻發情偵測器的訊號，並把資料繼續傳輸至系統主機。牛隻發情偵測系統軟體可把發情偵測器的三軸（前後、左右、上下）動能象限轉換成圖表顯示，當牛隻發情駕乘時，代表體位高低的G值超過設定的臨界值，這時系統會自動擷取牛號、時間等狀態做為警戒，並即時以簡訊通知管理者。
以往牛隻發情觀察主要依賴人為肉眼判定，這是一項繁瑣且勞力成本高的工作。畜產試驗所新竹分所開發的乳牛發情偵測器，內建震動感測器封裝成腳環型式，固定於空胎牛隻前腳，24小時自動記錄牛隻步伐震動數與體位的變化，並精準找出牛隻發情的時間點，再經由電腦即時簡訊通知管理者發情的牛隻號碼與騎乘狀況的發生時間等，進而決定其配種時間，可以便利管理者全天了解牛隻發情的狀況。
這套乳牛發情偵測系統已應用於3家乳牛場進行田間測試，結果指出牛隻（n＝70）發情偵測器的準確度平均介於87.5～95％，可見應用這系統確可減少人力去觀察牛隻發情的心力，並提高發情判斷的準確度，進而提升乳牛場整體的經營效率。
