CN106455521B - 用于监测动物的数据网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数据网络，该数据网络用于自动监测动物群中各个动物的自发行为。该动物群中的各个动物(1)各自具有该数据网络的一个节点(3)。另一节点(8)被附接在动物(1)在有待监测的行为过程中优选地靠近的位置处。如果该动物(1)接近该节点(8)，则这些通信节点(3，8)之间发生通信，在该通信中，一个节点被另一节点所标识，并且中央数据处理系统被通知这两个节点(3，8)已经产生了接触。这两个节点(3，8)之间的通信通过在闭合电气交流电路中传递电信号而发生，该电信号此外还经过作为电导体的动物(1)的身体。

Description

用于监测动物的数据网络

本发明涉及一种数据网络，该数据网络用于自动监测动物群中的各个动物的自发行为。

如果家畜(如牛或种猪)被饲养在相对较大的畜群中，具体地，自动监控动物的一些行为并基于来自所述监测的知识来推导动作。示例是：监测并评估雌性牛或猪的运动行为以检测发情。监测饲喂点被访问的频率，以便能够得出关于健康的结论并优化饲喂的量和成分。当奶牛访问挤奶室时自动地记录频率，以便能找出各自动物提供了多少牛奶，以便进一步从中导出需要的动作。

WO 2014/019791 A1描述了一种用于自动检测奶牛何时例如处于发情期的方法。关于移动活动和离其他动物的接近度来自动地监测这些动物，并且同时伴随着离其他动物的接近程度增加的移动活动增加自动被视为动物在发情期的指示。该系统可能生成输出。伴随以并行方式运行的自动图像处理的连续摄影以及光学模式识别被提出作为监测手段，具体地，与使用基于无线电的标识和传感器技术(如RFID应答器和RFID阅读器)一样。

DE 37 02 465 A1在1988年已经提出了为奶牛提供标识装置并在挤奶区域入口处提供传感器的实践，当奶牛靠近时，该传感器可读取该标识装置。对传感器结果进行评估的数据处理系统基于可调整的规范决定是否允许奶牛在给定时间进入挤奶室，并相应地打开或不打开可控门。不再更加详细地描述该标识装置和该传感器；现在，在此类应用的情况下，RFID应答器主要被视为奶牛的标识特征，并且RFID阅读器被视为挤奶区域入口处的传感器。

US 2012234245 A1提出了通过无线电定位的方式识别一系列挤奶室的个别畜栏中的奶牛的实践。为此目的，这些奶牛中的每一头奶牛都佩戴无线电定位系统的节点，该节点在系统中也具有唯一标识符。多个节点被固定地安装在靠近挤奶室的已知位置。从具有已知固定位置的节点与奶牛身上的可移动节点之间交换的信号的可测量的传播时间或传播时间之间的可测量的差中计算可移动节点的位置，并且因此推断出佩戴着该可移动节点的奶牛所位于的这一系列挤奶室的畜栏。

WO 2013/188895描述了一种用于记录关于对动物的医学治疗的数据的方法，如一般地注射给药。动物和治疗装置(注射设备)都分别配备有传输装置，通过标识符将该动物或该治疗装置的身份记录在该传输装置中。当实施治疗时启动一系列数据传输，这些数据传输用于将这些标识符与治疗在给定时间已经发生的通知一起传达给中央数据处理系统。由于各个传输装置之间的第一数据传输，还以所限定的方式确定了它们在一般治疗中相互作用。当治疗设备与动物直接接触时启动相关数据传输，动物的身体被用作传输路径。

对于在其过程中在表明信息的电信号同样通过生物的身体被传输的这种数据传输，术语“耦合身体的通信”(缩写为“BCC”)用于一些地方并进而还用于本文件中。术语“体域网”(缩写为“BAN”)也经常类似地使用。一个显著特征是，发射器、人或动物的身体、和接收器串联连接在闭合电气交流电路中，发射器和接收器各自具有两极，并且，在这两个设备中的至少一个中，一极是电容连接(即，电容器)，其第二连接是地，即环境、和发射器或接收器的第二连接或者直接地(即电学地连接)或者通过另一电容存在与人或动物身体上。交流电路的基本频率通常为10kHz至1MHz的数量级。

已知的示例性实施例涉及装配至这种效果的汽车车门的锁定，这种锁定可以由人触碰汽车来触发，此人携带作为钥匙的电子设备，该电子设备通过此人的身体发射标识。

EP 109184 A2已经在1984年(优先权1982年)公布了使用BCC(见上文对意义的解释)进行对设备的访问控制的建议。为此目的，一个人佩戴着启用BCC的发射设备。一旦此人触碰到访问被控制并包括启用BCC的接收器的设备，标识码被发送至接收器。代码被检查，并且如果代码表明可允许的钥匙的话则启用该设备。有待佩戴在此人的身体上的该发射设备可以是专门配备的腕表，例如。所述腕表的接触件靠在佩戴着它的人的皮肤上。第二扩展接触区域位于表带之外；它形成了电容器的一个电极，其第二电极接地，其相关联的电介质是环境空气。接收设备的一个电极连接至地。第二电极是必须被正出于访问控制的目的而寻求对该设备的访问的这个人触碰的区域。只要此人触碰这个电极，其中串联连接着发射器、所述电容器、地、接收器和此人的身体的电路闭合，并且检查身份所需的通过被编码电流的数据传输可以开始。

DE 696 23 115 T2(优先权1995年)将从EP 109184 A2已知的BCC的原理改进成以下效果：发射器和接收器都不需要与是电路的一部分的人或动物的身体的电流导电性电连接，而是相关电连接还可以是电容性电阻器，也就是说，所述身体是电容器的电极，其第二电极电连接至发射器或接收器(或其一部分)。为了建立连接，因此电位移电流在距离区域内流动即可，也就是说，一方面，在发射器或接收器之间的电介质中，并且另一方面，在人或动物的身体上；基于电荷载子的电流不一定需要流动。

本发明所基于的目的是使得可以通过与之前对所描述的严格符合经济的方法可能的相比更准确且更可靠的方式自动地监测和记录动物群中动物的自发行为。

为了达到这个目的，提出了使用一种具有多个节点和一个数据处理系统的电子通信网络，

-可以是具有唯一标识签名发射器和/或接收器的各个节点，

-节点被装配至有待监测的动物，

-另一节点被装配至在有待监测的自发行为过程中该动物触碰和/或靠近的一个或多个其他主体，

-这两个节点被设计成用于：一旦动物紧密靠近第二节点，经由作为电路的一部分的有待监测的动物的身体通过BCC彼此通信，

-这两个节点之一，在彼此通信的情况下，将标识签名传输给另一节点，

-第二节点将两个标识签名都传输至数据处理系统。

可以以非常具有成本效益的方式提供启用BCC的节点。使用BCC意味着可以通过非常可靠、清楚、和无干扰的方式确定配备有启用BCC的节点的动物出现在同样配备有启用BCC的主体的另一主体。第二主体可以是设备，例如饲料槽、自动喂食器、门或挤奶机器人、或另外另一动物。

使用草图对本发明进行进一步解释：

图1：使用奶牛示例作为有待监测的动物示出了根据本发明的数据网络的一部分的等效电路图。

在根据图1的等效电路图中(在原理上如同每个等效电路图中)，一些复杂的实际电路元件被理想电路元件(即理想电容和理想欧姆电阻器)替代，这些理想电路元件虽然是与现实相比的简化，但允许且方便理解功能所必需的知识。

使用根据图1的示例，奶牛1处于在电路的意义上被符号化成地2的环境中。奶牛1佩带耳标3，该耳标是根据本发明的数据网络中的节点，并且在此处所描述的示例中可以是发射器和接收器。在本示例中，数据网络的另一节点8以静止的方式被固定地安装在环境中，例如奶牛1的饲料槽上。

耳标3具有两个连接电极。第一连接电极存在于奶牛1上，并构成奶牛1的身体与耳标3中电路之间的直接电连接。奶牛1与耳朵标签3之间的接触点处的阻抗在等效电路图中被表示为电容4的具有欧姆电阻器5的并联电路。另一个欧姆电阻器6象征奶牛1的身体朝奶牛1面向第二节点8的表面区域内的线路电阻奶牛1的表面与节点8的这两个连接电极之一在电路的意义上是电容7的电极，针对该电容，奶牛1与节点8之间的空气基本上形成电介质。节点8的第二电极连接至地2。

耳标3(或更精确地“耳标3中所包含的电路”)的第二电极位于耳标3的背向奶牛1并尽量延伸的那一侧。它形成的电容9的处于耳标3和地2之间的电极。这个电容的电介质再一次基本上是空气。

按照节点3、8之一所期望地被引入奶牛1的身体的电流将不幸地不完全经过对应的另一电极8、3流至地，而是电流的相当大一部分还经过线路支路流经对应的第二节点。这条线路支路由欧姆电阻器10、12和电容11代表。在这种情况下，电阻器10表明奶牛1的身体内电流流动过程中的欧姆电阻器。电容11和欧姆电阻器12代表奶牛1与地2之间的区域内的阻抗。

在等效电路图的进一步改进水平中，还可以假定欧姆电阻器与电容7并联，当奶牛1直接触碰节点8上的电极时，该欧姆电阻器代表接触电阻。

根据本发明的实际操作可以根据以下示例发生：

示例1(饮水监测)：

节点8被装配至槽。它在网络中是发射器。作为发射器，它不断地在其两电极间以短重复间隔施加交流电压信号，例如对于0.01秒每0.1秒。交流电压的频率是对通过BCC进行的数据传输预期的频率，例如20kHz；电压的最大幅度是0.5V，例如。在各情况下，在0.1秒中，电压的幅度根据二进制代码而波动，并因此重复地用信号通知构成节点8的标识签名的特征数。

耳标3被切换至在针对BCC预期的频率范围内接收。因此，它是测量电压信号是否到达相关频带的电压传感器，这些电压信号的幅度在预定义的阈值(例如，2μV)以上。

只要奶牛1不在节点8附近，耳标3就不能检测到适当强度的电压信号。奶牛1被视为远离节点8。

只要奶牛1接近节点8，电容7增大，其结果是电流被越来越多地注入奶牛1的身体内，其结果是耳标3处有待测量的电压增大。一旦奶牛1和节点8之间的距离小于例如10cm，则耳标3处有待测量的电压增加至超过所述阈值的程度。耳标3切换至对用电压传输的二进制信号进行解码，并识别节点8的标识签名。(如果奶牛1直接触碰节点8上的接触件，电容器7被桥接并且电流仅被从节点8非常强地注入奶牛的身体。)

只要耳标3能够定期地在没有中断的情况下对节点8的标识签名进行解码，耳标3建立与属于数据网络的中央数据处理系统的无线电连接并将其自身的标识签名和节点8的标识签名都发送至数据处理系统。

因此，中央数据处理系统记录的是，在给定时间，佩戴着耳标3的奶牛1在节点8所位于的那个饲料槽处。

只要奶牛1在具有节点8的饲料槽处，就以规定的时间间隔重复从耳标3到中央数据处理系统的传输，其结果是数据处理系统还记录了奶牛1在相关饲料槽处多少时间。

随着时间的推移，数据处理系统创建关于奶牛1在饲料槽8处多久一次和多长时间的统计数字。在使用数据技术存储的规则的基础上，如果奶牛1在某个时间段内太多或太少在饲料槽附近，数据处理系统则输出消息，因为这可以被解释为对奶牛的健康状态忧虑的原因。如果牧场内的多个饲料槽各自配备有数据网络的各个节点，还可以检测奶牛1在各个槽之间怎样徘徊以及更喜欢或避免哪些饲料槽。

耳标3与中央数据处理系统之间的所述无线电连接不需要在BCC的频率生效，并且完全不需要通过BCC生效。可以使用常规的无线电标准，例如。这是适当的，特别是，当耳标同样无论如何被设计为除了在此讨论的那些功能之外的功能，并且还被设计成用于通过无线电与中央数据处理系统通信。耳标的这些其他功能中典型的一种是作为无线定位系统中的节点，该节点用于能够在任何时间确定奶牛1在牧场内的位置。

在实际现实中，数据网络将不仅包括两个节点，而是具有耳标的许多奶牛将是数据网络的一部分，并且饲料槽、饲喂点、挤奶室、门等处将存在多个静止的节点，其结果是监测到许多动物的许多行为。如果可以发生除了奶牛本身所佩戴的作为耳标3的节点之外奶牛1还与不止单个的另外节点产生接触并进入其附近的情形，需要提供措施以便能够在不同节点之间进行区分。

例如，可以证实的是，这些节点通过BCC以不同频率进行传输，并且接收节点以频率选择性方式进行接收并解码，其结果是，可以同时地确定与多个不同节点的接触并且可以标识其他节点。

然而，还可以在接收节点上规定和编程的是，当通过BCC同时从多个传输节点接收时，敏感度降低，即所接收到的信号的增益在解码之前减小，直到只有更多的信号被单个节点解码，即该节点接收最高信号强度。因此，至少根据明确的规则得到了明确的结果。

然而，还可以在应用于所有节点的时序时钟内指定各个时间窗(例如)给网络中的每个节点，在该时间窗内，只有这一个节点对应地传输，其结果是，因此避免下述情形的开始：其中，多个节点同时进行传输，并且因此可以接收不能被解码的信号序列。因此，还可以实现一些情形：其中，节点可以确定与其他节点的同时接触并且可以标识其他节点。

考虑到应用于所有节点的时序时钟，最后提到的方法提供的附加优点是，当第二节点从第一节点接收信号时，则可以通过将接收时间与从公共时钟已知的信号发射时间进行比较来确定信号传输的传播时间。因此，可以检测例如动物用来接近节点的身体区域是动物的头部还是动物的后部。此外，因此，如果多个动物在群体中彼此接触并且这些动物之一进入静止节点的附近，还可以检测一连串动物。

示例2(挤奶监测)：

根据图1的节点8被装配至挤奶机器人的奶杯。在这种情况下，基于BCC的传输功率被设定为如此之低，以至于只有当配备节点8的奶杯实际上搁置在奶牛1的乳头上时，才在耳标3处检测到与节点8的连接存在。

以这种方式，可以非常清楚并且非常直接地自动监测何时哪一头奶牛被哪一个挤奶机器人或通过挤奶机器人的哪个奶杯挤奶多久。可以基于这些数据自动地检测对不同的进一步动作的要求。

例如，挤奶机器人可以在奶头上进行短时间的预挤奶，可以然后对挤出的奶进行检查(例如，在光学上关于着色或白点)并且然后可以决定牛奶是否包含紊乱指示，并且在此基础上可以或者进行挤奶或者不可以进行挤奶并且可以发布消息，该消息还包括起作用的奶杯的身份以及保护牛奶样本的通知。

示例3(对挤奶室的访问控制)：

节点8被装配至形成挤奶室的入口的可控门。如果奶牛1希望进入挤奶室，它如此近地接近节点8以至于(如使用示例1已经描述的)节点8被奶牛1的耳标3检测到并且将此通知给中央数据处理系统。基于关于奶牛的已经被编程在数据处理系统中并且在其中已经可获的规范和数据的基础上，该中央数据处理系统将门打开并且因此启用挤奶或保持门关闭并因此拒绝挤奶(并且通过相关措施可能地鼓励或催促奶牛离开门区域)。

与使用被装配至门等上并对应于动物身上的RFID标签的RFID传感器进行标识相比，由于更加可靠得多的正确检查结果，这种访问控制方法成本效益更加好得多。

示例4(发情检测)：

畜群中的所有的牛都配备有耳标3，这些耳标是数据网络的各节点并且既是根据BCC原理的发射器又是接收器，并且以不同频率(这些频率相对于彼此不具有任何整数比)在发射状态与准备好接收状态之间来回切换。奶牛与另一奶牛进行身体接触，例如借助其下巴区域摩擦所述另一奶牛的背部。根据示例1中所描述的序列，通过目前准备好进行接收的这两头奶牛之一的耳标检测这个接触(及其持续时间)，并且由中央数据处理系统记录数据网络中构成这两头奶牛的两个耳标的那两个节点的接触。这些奶牛之间的接触频率因此在数据处理系统中被记录并且可以被监测。在这种情况下，数据处理系统可以针对每个单位时间记录统计接触频率并且可以追踪其进度。因此可以快速地检测到奶牛与其他牛之间的身体群接触；它们是奶牛处于发情期这一事实的强烈指示。因此可以对奶牛进行监测，以便及时地注意授精的最佳时间。如果合适的话，数据处理系统可以下发消息，或奶牛可以(在根据本发明被数据处理系统监测的可控门处)接收对其中处于发情期并且要被授精的奶牛聚集的区域访问。

通过对所有节点使用公共时序时钟的上述方法，可以改善对动物之间的接触是否可能与发情期有关系的检测。这是因为，然后还可以确定彼此接触的两个动物的耳标之间的信号传播时间。因此，一个动物的前部区域与另一个动物的后部区域之间的接触(正如典型的发情期)可以区别于两个动物之间的其他接触。

示例5(丸药作为节点)：

动物通过吞咽丸药将其咽进其体内。丸药是在彼此尽可能间隔开的两个位置处在其外侧分别具有连接电极的节点8。只要丸药在动物的身体内，这两个连接电极之间的交流电压在耳标3生成(十分衰弱的)的信号。一旦丸药被动物排泄，在耳标3处不能确定信号。这使得可以监测消化活动。丸药还可以包括各种传感器和数据存储装置。当从动物排泄之后，可以拾起丸药并且可以读取其数据。

示例6(仔猪指定给母猪)

在配备有启用了BCC的耳标的母猪产下仔猪之后，给它们配备启用了BCC并且具有位于身份签名的耳标。(否则，与需要使用更长时间的种母猪的耳标相比，仔猪的耳标可以具有更加经济、更加短期、更小且更简单的结构。)如根据上述示例4使用发情期检测所解释的，可以因此检测并记录仔猪与母猪的身体接触。因此，如果仔猪被从一头母猪身边带走并被转到与其自己的一窝仔猪一起被安排在不同箱中另一头母猪，还可以自动地创建文件。(这通常是以下情况，两头母猪几乎同时产仔非常不同大小的一窝仔猪，其结果是，一头母猪倾向超负荷并且第二头母猪更轻易地维持另外的仔猪)。

示例7(将母猪指定给产仔箱)

一旦可以预见到孕猪的产仔日期来临，这头母猪被移至专门为这个目的设置的产仔箱。该母猪配备有具有唯一身份签名的启用了BCC的耳标，并且具有唯一身份签名的一个或多个启用了BCC的节点也被适配在产仔箱中，一般在饲喂点。进行监测的中央数据处理系统可以因此自动地检测哪一头母猪在哪个产仔箱中，这使得非常容易找到需要照料的母猪。如果启用了BCC的节点被适配在箱中的多个位置，可以甚至更详细地自动推断母猪的行为，其结果是，可以自动地检测移动、躺下、进食的频率，并且因此可以轻易地检测生产过程。

除了提到的例子之外，当然还存在用于根据本发明的数据网络(即用于监测动物1的自发行为)的根据本发明的多种进一步应用。

重要的因素是，对于有待监测的动物行为，当时精确地存在动物特别优选地接近的位置，并且节点8被适配在这个位置，从而使得可以发生所描述的两个节点8、3之间的电子通信，在该电子通信过程中，动物的身体作为电导体同时被包括。

在出于从现有技术已知的目的而对在对动物进行医学治疗过程中动物与医学设备和/或与正在实施治疗并且配备有数据网络的节点的人的记录接触没有限制的情况下，还可以使用可根据本发明使用的数据网络。

在特别有利的又一种发展中，不仅关于佩戴着节点的动物与同样配备有节点的其他动物或装置的接近和接触的数据在数据网络中被测量和传输，而且加速度数据还被测量和传输。为了这个目的，耳标通常配备有加速度传感器(该加速度传感器以多维的形式理想地测量)，并且所测量的加速度数据通过无线电被传输到中央数据处理系统。

这使得，在被发情期激励的两头奶牛之间接触的情况下，可以检测这两头奶牛中的哪一个是更被动的动物以及哪一个是更主动的动物。与更加主动的动物的情况下相比，在更加被动的动物的情况下，所测量的加速度值在接触的时间范围内更低。因此，可以非常准确地检测对处于发情期的奶牛授精的最佳时间，因为，当奶牛在更主动阶段之后采取被动阶段并乐意被另一头牛触碰时，这是精确的。

Claims (12)

1.一种数据网络，所述数据网络用于自动监测动物群中各个动物的自发行为，所述数据网络具有多个节点(3，8)和一个中央数据处理系统，各个节点(3，8)是所述数据网络中的发射器和/或接收器并且具有唯一标识签名，节点(3)被装配至有待监测的动物(1)，另一节点(8)被装配到在有待监测的自发行为过程中所述动物(1)靠近或触碰的一个或多个其他主体，一旦所述动物进入所述另一节点(8)的附近，所述两个节点(3，8)之间就电子地发生通信，在所述两个节点(3，8)中的一个节点与另一个节点通信的情况下将所述标识签名从一个节点传输给另一个节点，已经接收到另一个节点的所述标识签名的那个节点将这两个节点(3，8)的标识签名均发送至所述数据处理系统，

其特征在于

所述两个节点(3，8)各自具有两个连接电极并且被设计成用于通过在闭合电气交流电路中交换电信号来彼此通信，所述闭合电气交流电路经过在每种情况下两个连接电极并经过作为电导体的所述动物(1)的身体，并且经过地(2)，并经过在所述节点(3)的连接电极与地(2)之间的电容(9)，并且所述节点(3)的第二连接电极在所述电路中形成与所述动物(1)的身体的接触，并且所述另一节点(8)的一个连接在所述电路中位于所述动物(1)这一侧并且所述另一节点(8)的第二连接至少间接地构成到地(2)的连接。

2.如权利要求1所述的数据网络，其特征在于，节点能够通过无线电与所述数据处理系统进行通信。

3.如权利要求1所述的数据网络，其特征在于，所有的节点(3，8)在公共时钟周期内是同步的，在所述公共时钟周期内，规定关于所述交流电路中同时包括动物身体的那些节点何时发射电信号的时间。

4.如权利要求1至3之一所述的数据网络，其特征在于，所述另一节点(8)被装配至饲养槽，并且在于，所述数据处理系统用于控制所述动物(1)的饮水行为和/或控制所述饲养槽的使用。

5.如权利要求1至3之一所述的数据网络，其特征在于，所述另一节点(8)被装配至喂饲站，并且在于，所述数据处理系统用于控制所述动物(1)的喂饲行为。

6.如权利要求1至3之一所述的数据网络，其特征在于，所述另一节点(8)被装配至挤奶室，并且在于，所述数据处理系统用于控制所述动物(1)的挤奶行为。

7.如权利要求1至3之一所述的数据网络，其特征在于，所述另一节点(8)被装配至挤奶机器人的奶杯，并且用于记录所述奶杯与有待挤奶的动物的各个乳头之间的接触。

8.如权利要求1至3之一所述的数据网络，其特征在于，所述另一节点(8)被装配至第二动物，并且在于，所述数据处理系统用于控制所述两个动物(1)的接触行为。

9.如权利要求8所述的数据网络，其特征在于，所述数据处理系统根据在一些时间与其他时间相比接触频率是否显著提高来控制所述动物之间的接触行为，并且在于，可能输出指示动物可能处于发情期的消息。

10.如权利要求9所述的数据网络，其特征在于，所述数据处理系统还处理在动物身上所测量的加速度数据，并且关于是否存在发情期和/或最佳授精时间的判断在这些数据的基础上同时受到影响。

11.如权利要求8所述的数据网络，其特征在于，一头母猪和多头仔猪各自配备有节点，并且在于，所述数据网络用来记录一头仔猪属于一头母猪。

12.如权利要求1至3之一所述的数据网络，其特征在于，所述节点(3)被装配至孕猪，并且在于，所述另一节点中的一个或多个被装配在产仔箱中，所述产仔箱旨在作为用于所述孕猪进行产仔的受保护位置。

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