CN113556936B - 确定家畜生物体的至少一个状态变量的方法、设备和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定至少一个家畜(2)的生物体的至少一个状态变量的方法,其中在家畜(2)的胃肠道(3)中布置有至少一个用于测量至少一个物理参数的探针设备(1),并且在家畜(2)的胃肠道(3)之外布置有至少一个分析单元(12),其特征在于下列步骤:a)通过探针设备(1)确定至少一个第一物理参数;b)在探针设备(1)的探针控制单元(6)中,将第一物理参数转换成家畜(2)的生物体的第一状态变量;c)从探针设备(1)向分析单元(12)传送第一状态变量;d)在分析单元(12)中,将第一状态变量转换成第二状态变量。本发明进一步涉及一种用于测量家畜的家畜(2)的生物体的至少一个状态变量的探针设备(1),以及涉及一种具有至少一个这样的探针设备(1)和分析单元(12)的系统(100)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定至少一个家畜的生物体的至少一个状态变量的方法,其中在家畜的胃肠道中布置有至少一个用于测量至少一个物理参数的探针设备,并且在家畜的胃肠道之外布置有至少一个分析单元。此外,本发明涉及一种用于测量家畜的生物体的至少一个状态变量的探针设备,其中所述探针设备可布置在家畜的胃肠道中。除此以外,本发明还涉及一种具有至少一个分析单元和至少一个这样的探针设备的系统。
背景技术
在世界范围内,农庄日益朝大型企业方向发展。在此,例如对于畜牧业中的农场主而言,畜牧管理变得越来越困难,特别是在单个动物健康监控方面或者在按效率要求的饲料配比方面的畜牧管理变得越来越困难。除了如例如棚圈中的空气中的温度、氧含量或者空气湿度之类的外部状态信息以外,对于各个动物的康乐(Wohlbefinden)和饲料需求起作用的参数也包括生理参数、如例如胃液的pH值、体温或者另外的参数。
随着企业规模增大,由于有大量参数,个体化的饲料剂量(Futtergabe)几乎不再可能;在各个动物情况下的疾病症状常常也不能及时被识别出。为了仍然能够实现适合物种的饲养和经济生产,对于农场主而言有巨大意义的是,知道有关对于动物的康乐起作用的参数的情况。
为此,增加地借助于电子管理辅助装置。例如,DE 199 01 124 A1描述了一种胶块状探针,所述探针可以测量用于测量如压力、温度、传导性、pH值或者氨含量之类的各种生理状态变量的传感器,并且被引入到牛的胃肠道中。本申请人的AT 509 255 B1描述了一种类似的探针单元,其中可以无线地传输测量数据,其中测量传感机构为了防止机械损坏而在耐酸的壳体之内至少部分地被圆柱形的保护设备包围。探针单元在此可以向分布在棚圈中的基站发出无线电数据信号,并且经由所述基站由控制设备操作或读出该探针单元。
在这样的设备中,尤其是要考虑的是,需要与家畜的寿命或使用期限相对应的长期作用,并且同时数据的读出由于布置在家畜体内而要求一定的发送功率。
因而,也日益寄希望于纯物理测量方法,所述纯物理测量方法允诺延长这样的设备的运行时间。
例如,WO 2017/103239 A1描述了一种设备,在所述设备中尤其是检测家畜的胃压力、胃温度和胃动力。为此,使用压力传感器,所述压力传感器可以通过具有可弹性变形的壁部的气密区域来检测胃的运动(亦即胃动力),并且可以获得超过至少60天的测量值。除此以外,描述了使用温度传感器和运动传感器来确定动物的整体运动,其中可以经由遥测装置向接收器寄送所确定的数据。
对此不利的尤其是,以大能量开销进行数据记录和数据发送,并且只可能在有限的时段期间使用。
DE 299 11 803 U1也描述了一种可引入到家畜的胃中的用于确定胃动力的设备,胃动力亦即胃运动的强度和频率。为此,设置有一种压电传感器,所述压电传感器记下家畜的胃中的压力变化并且在复原之后可经由计算机接口读出或者在运行期间向接收站传输所述压电传感器的数据。不同于加速度传感器,这样要直接测量“在胃中的能动性或其对食物的作用”。对此不利的尤其是时间上受限的可使用性和测量的由于所使用的技术得出的不精确性。
WO 2016/036303 A1建议了一种解决方案,其中加速度传感器固定在家畜的脖颈处,以便测量颌骨在反刍时的咀嚼运动并且由此确定反刍时间。由于传感器并不布置在家畜体内,所以这样可以确保良好的数据传输,此外能量供给单元可以不复杂地被更换。然而,不利的尤其是,由于外部布置在脖颈处而一起测量运动信号,所述运动信号不允许关于家畜的健康直接发表见解。此外,如果家畜用加速度传感器撞障碍物或者另外的动物或者家畜试图蹭掉加速度传感器,则可能发生损坏。
发明内容
因而,本发明的任务是,消除上面所提到的缺点,并且提供一种方法或一种探针设备和一种包含所述探针设备的系统,利用所述方法、所述系统或所述探针设备,可以以简单的和可靠的方式在长的时段期间征收(erhoben)家畜的与健康相关的状态变量。
通过开头所提及的方法,根据本发明通过下列步骤来解决所述任务:
a)通过探针设备确定至少一个第一物理参数;
b)在探针设备的探针控制单元中,将第一物理参数转换成家畜的生物体的第一状态变量;
c)从探针设备向分析单元传送第一状态变量;
d)在分析单元中,将第一状态变量转换成第二状态变量。
通过将根据物理参数生成关于家畜的信息的步骤分到探针设备和分析单元上,节能的、传输友好的行为方式是可能的,所述行为方式能够实现具有长的使用期限的快速运行。
有利地,第一状态变量是如下状态变量:在步骤c)中,以比第一物理参数和/或第二状态变量更低的数据传输速率可传送所述状态变量。由此,通过转换减小了所需的带宽和传输持续时间,这导致在探针设备侧的电流消耗减小和传输介质的负载尽可能小,这尤其是在农业公司中实际使用无数探针设备的情况下是重要因素。在本发明的变型方案中,第一状态变量在步骤c)中的传输之前可能经受压缩方法,以便进一步减小要传输的数据速率并且这样提高在电流消耗和带宽方面的优点。
更有利地,与将第一物理参数转换成第二状态变量相比,和/或与将第一状态变量转换成第二状态变量相比,第一物理参数以更小的计算开销可转换成第一状态变量。经此,资源耗费的和由此能量耗费的过程可以被移动到分析单元上,而探针设备关于这一点得到保护。
在本发明的变型方案中,在步骤a)中确定第一物理参数以下列方式中的至少一种方式来进行:连续地;每隔一定时间;一旦由探针设备所测量到的物理参数(尤其是第一物理参数)已超过阈值,就连续地;一旦由探针设备所测量到的物理参数(尤其是第一物理参数)已超过阈值,就每隔一定时间;一旦由探针设备所测量到的物理参数(尤其是第一物理参数)超过阈值,就在预先限定的时段中连续地或者每隔一定时间。必要时,要么预先限定地将阈值寄存在探针设备上,要么由分析单元与动机有关地(anlassbezogen)向探针设备传送阈值,要么阈值由基本阈值和如下动态值构成:所述动态值根据第一物理参数的表现(Verhalten)是可适配的、被加和到基本阈值或者从基本阈值中被减去。由此,附加地可以节约探针设备的能量。
更有利地,在步骤a)中的第一物理参数是加速度,尤其是在笛卡尔坐标系的所有三个空间方向上的加速度。
更有利地,在步骤b)中的第一状态变量是能动性,尤其是能动性的持续时间和/或周期性和/或频率。从能动性中可以获得关于家畜的状态的各种各样的信息。
为了将测量值置于整个上下文中或为了能够实现时间上的精度,在步骤b)中,利用在探针设备中设置的时钟发生器的实时信号和/或在探针设备中设置的温度传感器的温度信号,验证第一状态变量。
如果步骤d)中的第二状态变量是家畜的生物体的下列状态变量之一,那么得出该方法的高实际使用:反刍(Rumination)、心跳、喂食时间(既可以包含喂食的开始和/或结束,又可以包含喂食的持续时间)。换言之,作为第二状态变量,尤其是可以顾及涉及消化道/消化过程的状态和进展的变量,例如可以依据能动性的收缩的持续时间和/或其周期性和/或频率而顾及反刍或反刍活动。
在该方法的变型方案中,步骤a)划分成下列子步骤:
a1)确定探针设备在笛卡尔坐标系的一个或者多个空间方向上的加速度;
a2)通过执行下列步骤中的至少一个步骤来确定第一物理参数:对在步骤a1)中所确定的加速度值的绝对值求和,对在步骤a1)中所确定的加速度值的平方求和,对在步骤a1)中所确定的加速度值的平方之和求平方根,对在步骤a1)中所确定的针对笛卡尔坐标系的y轴和z轴的加速度值求反正切,对在步骤a1)中所确定的加速度值的平方之和的平方根和笛卡尔坐标系的x轴求反正切。
在其他变型方案中,在步骤c)中,将第一状态变量作为二进制矩形信号向分析单元进行传送。更有利地,在步骤b)中,为了确定第一状态变量,值“1” 被分配给第一物理参数的大于或者等于阈值的测量值,并且值“0” 被分配给第一物理参数的小于阈值的测量值。经此,可以强烈地减小待传输的数据量。
更有利地,直接在探针设备的探针控制单元中的步骤c)之前和/或在分析单元中执行步骤d)之前,执行确认步骤,以便检验家畜的生物体的第一状态变量的值的可信性(Plausibilitaet)。换言之,要么在探针设备的探针控制单元中、在分析单元中,要么在这两者中,利用确认步骤来检验,生物体的第一状态变量的值是否是可信的。“可信的”这里意思是,这些值在容许的或期望的或在应用中出现的范围中,如这些值尤其是被寄存在探针控制单元或者分析单元中或者这两者中那样。对于可信的值,执行步骤c),亦即向分析单元传送和/或在分析单元上转换成第二状态变量。针对其他方法不顾及不可信的值,亦即并不或者以通过错误码替换的方式向分析单元传送不可信的值,和/或并不针对在分析单元中的分析顾及不可信的值。由此,可以阻止,例如可能由于严苛的环境条件造成的错误测量不利地影响结果的精度。
此外,通过开头所提及的探针设备,根据本发明通过如下方式来解决本发明的任务:探针设备可布置在家畜的胃肠道中,并且具有至少下列布置在壳体中的部件:
- 至少一个传感器元件,用于测量在家畜的胃肠道中的至少一个物理参数,
- 至少一个发送装置,所述至少一个发送装置优选地具有至少一个天线,用于无线地传输和接收信息,和
- 至少一个探针控制单元,所述至少一个探针控制单元设立用于执行上面所提到的方法的步骤a)至c)。
更有利地,在探针设备中设置有下列传感器元件中的至少一个传感器元件:加速度传感器、用于测量在笛卡尔坐标系的所有三个空间方向上的加速度的加速度传感器、温度传感器、pH传感器、时钟发生器、实时时钟、摄像机元件。也可以使用另外的传感器类型。
多种用于使用根据本发明的探针设备的可能性那么在如下情况下得出:设置有至少一个与探针控制单元连接的存储元件,尤其是设置有至少一个RAM存储元件和/或至少一个ROM存储元件。如果不可能向分析单元直接传输或者期望不向分析单元直接传输,则经此可以存储物理参数或状态变量。
此外,通过开头所提及的系统来解决本发明的任务,所述系统具有至少一个分析单元和至少一个上面所描述的探针设备,其中利用该系统可执行上面所描述的方法。经此,能够实现对较大的家畜群的全面监控。
附图说明
随后,依据在附图中示出的非限制性的实施例,更详细地阐述本发明。这些附图仅仅用于图解说明目的,并且因此绝不限制本发明。其中,
图1示出了作为示例性的家畜的母牛和探针单元在该母牛的胃肠道中的布置;
图2示出了处于关闭状态中的根据本发明的探针设备的侧视图;
图3示出了根据本发明的探针设备及其部件的示意图;
图4示出了具有分析单元和多个探针设备的根据本发明的系统的示意图;
图5示出了根据本发明的方法的第一变型方案的流程图;
图6示出了来自图5中的方法流程的第一物理参数的测量结果;
图7示出了针对家畜的生物体的来自图5中的方法流程的第一状态变量的结果;
图8示出了根据本发明的方法的第二变型方案的流程图;
图9示出了来自图8中的方法流程的第一物理参数的测量结果;和
图10示出了针对家畜的生物体的来自图8中的方法流程的第一状态变量的结果。
出于清楚性原因,相同要素在不同的图中配备有同一附图标记。
具体实施方式
图1示出了母牛2的剖面图,其中母牛2这里仅被称为家畜(尤其是进行反刍的家畜)的可能的实例,在所述家畜的胃肠道3中可以引入根据本发明的实施例的探针设备1。另外的合适的进行反刍的家畜例如可能是绵羊、山羊,或者也可能是如马鹿之类的野生反刍动物。
母牛2摄入的和嚼烂的饲料到达该母牛2的胃肠道3中,例如到达瘤胃或者蜂巢胃(“Reticulum”)中。从蜂巢胃中,一方面将所摄入的饲料进一步输送到瘤胃中,另一方面为了反刍而向回输送到母牛2的嘴中。根据对母牛2的生物体的状态变量或胃肠道3的所含之物的测量,可以确定对动物的健康状态的可能的后果或推断。在pH值过小的情况下,例如可能发生危险的瘤胃酸中毒,心率的改变、瘤胃能动性、反刍活动和运动活动例如容许推断出产乳热的存在。探针设备1因而被布置在动物的胃肠道3中,以便经由物理参数的确定可确定家畜的生物体的状态变量。尤其是,如果探针设备1持久地处于蜂巢胃中的端部位置中,则可以实现良好的结果。
图2示意性地示出了探针设备1的侧视图,而在图3中示出了探针设备1的实施例的示意性的部分透明的视图:在具有第一锁紧件41和第二锁紧件42的壳体4之内,布置有第一传感器元件51和第二传感器元件52。第一传感器元件51可以是加速度传感器,第二传感器元件52可以实施为温度传感器。附加地或作为替代,也可以使用另外的传感器,例如使用用于测量温度、pH值、密度、压力、传导性、声音、光学特性或者用于测量氧气、CO2、氨、葡萄糖、挥发性脂肪酸、醋酸盐、丙酸盐、丁酸盐和乳酸盐的这种传感器。此外,在探针设备1中设置有时钟发生器53,例如设置有RTC(“实时时钟(Real Time Clock)”)。时钟发生器53可以如所描述的那样实施为RTC,并且输出绝对时间值。在变型方案中,时钟发生器53也可以输出相对时间值,例如输出自激活传感器设备1起过去的时间或时钟数目。确定绝对时间值接着可以置于下游地进行,例如在分析单元12上进行(参见进一步在下面的图4和所属的描述)。
传感器元件51、52和时钟发生器53与探针控制单元6处于连接,所述探针控制单元6用于控制探针设备1。探针控制单元6例如实施为相对应地编程的微处理器。探针控制单元6控制和处理传感器元件51、52的数据。为了存储这些数据,可以设置有存储元件7、例如存储芯片或者SD卡。存储元件7既存储传感器元件51、52的测量值,又存储探针设备1的运行参数、如无线电频率(用于与分析单元12的通信)、发送通道、系统时间,但是也存储配置参数、如例如加速度传感器的采样率、转换成第一状态变量的采样率和另外的参数。
经由具有天线9的发送装置8,例如向分析单元12,传输数据,所述分析单元12布置在家畜2的环境中(参见图4)。更有利地,发送装置8实施为发送接收装置,所述发送接收装置既可以发送数据,又可以接收数据。
探针设备1的能量供给例如经由能量供给设备10进行,所述能量供给设备10例如可以实施为电池、蓄电池或者电容器(有利地薄膜电容器或者超级电容器)。通过“能量收集(Energy-Harvesting)”或者另外的方法再充电也是可能的。
在所示出的实施例中,所描述的部件根据开头所提及的AT 509 255 B1在壳体4之内被空心的、至少围绕能量供给设备10的保护设备11包围,所述保护设备11防止机械影响。由此阻止了,如果探针设备1在反刍的过程中被返回噎到嘴中,则家畜咬碎探针设备1并且尤其是咬碎布置在其中的部件、特别是能量供给设备10。保护设备11在此可以由任意的有抵抗力的材料制成,例如可以由塑料或者金属制成。
图4示出了系统100的实施例,所述系统100具有多个所描述的探针设备1和分析单元12,出于清楚性原因,未示出家畜,在所述家畜的胃肠道中布置有探针设备1,所述探针设备1无线地与分析单元12进行通信。为了提高有效范围,或为了减小所需的发送功率,在所示的实施例中,在分析单元12与探针设备1之间设置有多个发送/接收单元13,所述发送/接收单元13充当继电器,但是不一定必须存在。经此,可以实现用于应用LoRa网络协议(或“LoRaWAN”-“Long Range Wide Area Network(远程广域网)”)的星形架构,其中探针设备1是终端设备,而发送/接收单元13作为网关向分析单元12(例如网络服务器)发送数据包。分析单元12因此例如可以是移动计算机或固定计算机,在所述移动计算机或固定计算机上运行相对应的分析例程,或可以经由互联网存在至相对应的服务器的连接。
在所描述的探针设备1中,尤其是注意,能够实现持续尽可能长的运行。这一方面可以通过使用功率强的能量供给设备10来实现,另一方面可以通过特别经济的运行来实现。这有利地可以通过如下方式来实现:在探针设备1中或在该探针设备1的探针控制单元6中,尽可能仅运行计算密集少的过程,但是复杂计算被移置到分析单元12中,所述分析单元12布置在家畜的胃肠道3之外并且因而可以更容易地例如在顾及电流网的情况下运行。附加地注意,从探针设备1被传输到分析单元12的数据量在最大信息内容的情况下保持得尽可能小。
在所描述的方法中,因而在步骤a)中,通过探针设备1或该探针设备1的传感器设备51、52来确定第一物理参数。在这种情况下,如下参数被理解为物理参数:所述参数表征家畜的胃肠道3中的物理条件、例如温度、pH值、加速度值、图像信息和这一类的。在本实施例中,顾及加速度、尤其是在探针设备1所处的笛卡尔坐标系的所有三个空间方向上的加速度,所述加速度利用第一传感器元件51、即加速度传感器来确定。
为了特别节约能量地确定第一物理参数,所述确定以下列方式中的至少一种方式进行:
•连续地,探针设备1因此始终是激活的;
•每隔一定时间,探针设备1因此在确定的时间点被激活用于测量,在此期间但是保持禁用或者至少部分地在节约能量的状态中;
•一旦由探针设备1所测量到的物理参数(尤其是第一物理参数)已超过阈值,就连续地;
•一旦由探针设备1所测量到的物理参数(尤其是第一物理参数)已超过阈值,就每隔一定时间;
•一旦由探针设备1所测量到的物理参数(尤其是第一物理参数)超过阈值,就在预先限定的时段中连续地或者每隔一定时间。
所提到过的阈值要么预先限定地被寄存在探针设备1上,要么由分析单元12与动机有关地向探针设备1进行传送,要么由基本阈值和如下动态值构成:所述动态值根据第一物理参数的表现是可适配的,被加和到基本阈值或者从基本阈值中被减去。动态值可以例如被计算为第一物理参数的测量结果在一定的时段期间的平均值。基本阈值也可以被置为等于零,使得通过动态值形成阈值。
在步骤b)中,作为第一物理参数的加速度或第一物理参数的测量值在探针控制单元6中被转换成家畜2的生物体的第一状态变量。除了探针设备1的与阈值有关的运行之外,也可以选择性地运行探针控制单元6。所述探针控制单元6例如在如下情况下被激活,存在传感器设备51、52的至少一个传感器设备的确定数目的测量值(例如32个测量值),并且用中断向探针控制单元6进行告知,所述探针控制单元6例如实施为微控制器。激活探针控制单元6的其他原因例如可以是达到所限定的测量间隔(测量温度、pH值等等)或者是预先给定的发送间隔,在那里开始所测量的数据的传输尝试。这样的间隔借助定时器/计数器(例如实施为RTC的时钟发生器53)来实现,这里同样用中断来激活探针控制单元6。
换言之,在本发明的变型方案中,探针控制单元6按标准处于空闲模式中,并且根据最小数目的测量值的存在和/或根据预先给定的测量值的达到,将探针控制单元6从空闲模式激活,而且接着在探针控制单元6中将第一物理参数转换成第一状态变量,(参见进一步在上面的步骤b))。空闲模式这里被理解为完全禁用探针控制单元6或者探针控制单元6的节能模式。
附加地或者作为替代,探针控制单元6也可以在向分析单元12传送第一状态变量(进一步在上面的步骤c))方面处于空闲模式中,直至达到了一定的预先给定的发送间隔,亦即直至传送数据的时间点。
在所描述的实施例中,能动性、亦即瘤胃活动或胃活动被顾及作为家畜2的生物体的状态变量。能动性基本上是家畜2的胃肠道3的肠运动,所述肠运动通过相对应的收缩显示出。换言之,在本公开的范围内,能动性表明胃肠道3的收缩,所述收缩呈加速力的形式对探针设备1产生影响。作为第一状态变量的能动性因而表达为加速力,所述加速力由于胃肠道3的运动通过探针设备1的加速度传感器是可测量的,所述运动尤其通过胃所含之物传播。作为第一状态变量,可以直接顾及能动性,但是也可以顾及能动性的收缩的持续时间和/或其周期性或频率。
因此,从在母牛2的胃肠道3之内的加速度数据中,确定能动性。在此,干扰信号、如例如重力加速度可以从加速度数据中被滤出,例如通过稳态分量抑制被滤出。在没有滤出重力加速度的情况下,例如也可以确定方位信息,亦即家畜的站立和躺卧时间。
通过使用时钟发生器53或RTC,第一状态变量的信号(这里亦即能动性信号)被时间编码或实时地被均衡。通常,在此,在RTC上存储有UTC(“通用协调时间(universalcoordinated time)”)。在本发明的变型方案中,RTC或时钟发生器53集成到探针控制单元6中,所述探针控制单元6因此实施为具有集成的RTC的微控制器。在其他变型方案中,可以由分析单元12向探针设备1传送绝对时间信息,所述探针设备1将所述绝对时间信息与自己的相对时间信息(时钟或者“Ticks”的数目)相组合。如进一步在上面已经描述的那样,传感器单元1的时钟发生器53也可以确定相对时间值,所述相对时间值在分析单元12上被转换成绝对时间值。
附加地,可以顾及温度传感器52的信号,以便辨认出第一状态变量的信号的偏差值,所述偏差值例如在家畜饮水时得出:如果能动性被用作第一状态变量,则胃肠道3中的通过在饮水时摄入的介质得出的运动的确可能会被错误解释为收缩。通过考虑温度信号,可以阻止该情况。该温度信号在此也可以在分析单元12中被考虑。为此,除了传送第一状态变量之外,可以向分析单元12传送温度、时间和别的状态细节的信息。
在步骤c)中,向分析单元12传送第一状态变量(或状态变量的值)。尤其是,用无线电利用相对应地适当的协议(例如LoRa、ZigBee、RFiD、WLAN或者另外的协议)进行无线传送在这里得以采用,其中优选地使用合适的频率范围、例如300MHz直至450MHz,在所述频率范围的情况下,无线电波在动物处的渗透性特别高。
传送可以连续地发生,但是实际上传送并不始终是可能的或者是期望的,因为母牛2不是处于分析单元12的接收范围中,或者因为出于节能原因要仅以包方式寄送数据。出于该原因,设置有实施为RAM和/或ROM的存储元件7。例如,第一状态变量的值在测量间隔期间可以被存储在直接访问存储器(“RAM”)中,其中这些值此后由临时的存储器被传输到EEPROM(亦即只读存储器)中。在接下来到分析单元12的传输是可能的之前,为了能够存储足够的数据量,具有EEPROM的中间步骤尤其是有利的。
根据本发明,第一状态变量是如下状态变量:以比第一物理参数和/或第二状态变量更低的数据传输速率可传送所述状态变量。经此得出如下优点:可以以尽可能低的电流消耗和尽可能低的带宽进行向分析单元12传送数据,这强烈地提高了探针设备1或其能量供给设备10的寿命。
附加地,第一状态变量在传输之前可能经受压缩方法,以便进一步减小要传输的数据量。为此,不同的方法是可能的,例如用于平滑信号的中值滤波、消除抖动或者可信性检查(如果测量值不在一定范围中,则传输1系列序列(1er-Folge)或错误码)。
在分析单元12中进行的步骤d)中,将第一状态变量转换成第二状态变量。换言之,从第一状态变量的值中确定第二状态变量的值。第二状态变量例如是反刍、心跳、喂食时间和饮水时间或涉及消化道/消化过程的状态和进展的变量,例如也是能动性的收缩的持续时间和/或其周期性或频率,只要这些变量未曾作为第一状态变量已经在探针单元1上被确定就如此。附加地,作为第二状态变量,可以传输呈如站立、缓慢/快速运动和躺卧之类的活动的形式的其他表现信息。
反刍在本公开的范围中表明家畜的反刍活动,尤其是表明该反刍活动的强度、持续时间和周期性或频率。
通过选择加速度作为第一物理参数或选择能动性和反刍作为状态变量,可以在探针设备1上实现低的电流消耗,因为与将第一物理参数转换成第二状态变量相比和/或将第一状态变量转换成第二状态变量相比,第一物理参数以更低的计算开销可转换成第一状态变量。计算密集的、能量耗费的转换因此在分析单元12上进行。
依据图5中的流程图,详细描述了根据本发明的方法的第一实施例。在开始时,探针设备1被引入到家畜2的胃肠道3中,在所示的实施例中被引入到母牛的蜂巢胃中。为了该目的,以高密度和适配的外部尺寸来实施探针设备1,使得探针设备1在供应之后留在蜂巢胃中,或在开始在瘤胃中短时间之后到蜂巢胃中并且留在那里。
20:借助针对笛卡尔坐标系的三个轴(x轴、y轴和z轴)的三轴加速度传感器,作为第一物理参数确定在母牛2的胃肠道3之内的原始加速度数据。亦即,存在针对x轴、y轴和z轴的加速度值。
例如可以以100Hz的采样率进行所述确定,其中例如以1比特=15mg或者更好地来分辨该信号。加速度在本公开中被说明为重力加速度的平均值的数倍或者部分,所述重力加速度利用字母“g”表明,并且所述重力加速度四舍五入为大约9.81m/s-2。
通过加速度传感器的测量在此要么连续地要么受事件控制地进行,其中(尤其是针对加速度的)阈值可以针对激活或测量开始而预先限定。这里因此涉及测量开始阈值。向探针控制单元6传送加速度,在所述探针控制单元6中,随后针对第一物理参数的测量值被转换成能动性信号作为针对家畜的生物体的第一状态变量。
30:在预处理中,形成三个轴的加速度的绝对值(随后称为“abs”)。由于在各个轴上可能出现正的和负的加速度值,所以使用绝对值。该步骤是可选的—视在随后的步骤中选择何种行为方式而定,也可以停止形成所述绝对值。
40:加速度的所形成的绝对值被求和。适用:
加速度和=abs(x轴)+abs(y轴)+abs(z轴)。
在图6中的测量结果曲线图中,关于时间轴示出了针对第一物理参数的测量值的最终得到的和信号S1。在此,示例性地选出在2017年7月7日从9点09分直至9点11分的时段。在y轴上示出了单位为mg的加速度(“acc”)。
在预处理阶段中,通过使用时钟发生器53或RTC的实时信息,根据加速度的和值来生成等距离散信号。时钟发生器53在此例如也可以输出相对时间信息,如输出自最后传输(在执行在图5中所示的流程之后进行或在之前所描述的步骤c)中进行)起或者自激活探针单元1起的时间或单位时间的数目。换言之,为了执行所描述的方法的步骤,也可以考虑相对时间信息,所述相对时间信息通过时钟发生器53来预先给定。在此,可以在探针设备1中单独地设置时钟发生器,或者作为探针控制单元6的部分设置时钟发生器。
40a:由于加速度信号不仅包含能动性而且包含另外的加速度(家畜的运动、重力加速度、上面所描述的由食物摄入引起的影响),所以接着是滤波,以便改进能动性的可探测性。在此,可以采用不同的滤波方法,例如卷积滤波器(Convolution-Filter)(从数据点和它的确定数目的相邻数据点的加速度值中计算平均值,将该平均值分派到该数据点上)、“运动平均”滤波器(“Moving-Average”-Filter)(针对包含确定数目的数据点的窗口,计算平均值,该窗口在此叠加地或迭代地推移,也就是说来自所观测的窗口/部段的第一数据点被删去,在该窗口/部段之后添加第一数据点,并且计算新平均值。为了计算平均值,紧接着可以任意地给在窗口中出现的数据点进行加权)或者离散低通滤波器,所述离散低通滤波器让在一定的边界阈(这里亦即加速度值)之下的值在实践中不受减弱地通过。重力加速度例如可以在硬件侧、亦即直接在这里所使用的三轴加速度传感器处被滤出。
在所示的实例中,采用离散低通滤波器,该离散低通滤波器因此根据40对加速度和进行低通滤波。在图7中,示出了图6中的和信号S1的经过低通滤波的和信号S2。
在这里未示出的变型方案中,在形成加速度和之前,滤波也可以直接被应用于x轴、y轴和z轴的在步骤20中所确定的加速度值。
50:为了将第一物理参数的测量值转换成家畜2的生物体的第一状态变量,需要参数阈值。在此,要么可以顾及固定的参数阈值S0,该固定的参数阈值S0是静态的并且经由对探针设备1进行配置或探针设备1的配置或经由探针设备1的发送装置8是可设定的。在变型方案中,可以使用自适应参数阈值,所述自适应参数阈值由所提到过的固定的参数阈值S0构成,所述固定的参数阈值S0通过动态阈值来补充,所述动态阈值与家畜在一定时段期间的相应的活动有关。为此,从根据40和40a的经过低通滤波的和信号中,可以确定在一定时段期间的滑动平均值,这在50a中示出。该动态阈值要么可以在探针控制单元6中被确定,要么可以在分析单元12中被确定,所述分析单元12接着经由恰当的传输路径录入所述值。在变型方案中,也可以设置固定的参数阈值S0=0,并且纯粹地通过动态阈值形成所述阈值。
60:在峰值检测(Peak-Detection)中,第一物理参数的测量值被转换成第一状态变量。在此,来自40或40a的经过低通滤波的和信号及来自50或50a的参数阈值用作输入变量。
如果和信号的数据点大于参数阈值,则给该数据点分派二进制“1”,给所有另外的数据点分派“0”。视对探针设备1进行配置或探针设备1的配置而定,可以给与参考阈值相等的数据点分派“1”或者“0”。
第一状态变量(在本实施例中为能动性)由此作为二进制矩形信号S3得出,所述二进制矩形信号S3的变化过程通过图7中的虚线示出。带有“1”的数据点对应于胃肠道的收缩,在“0”处不存在胃运动。尤其是,如果探针设备1布置在蜂巢胃(“Reticulum”或者也称之为第二胃)中,则确定该蜂巢胃的收缩,不测量胃肠道3的另外的区域(尤其是瘤胃背囊、心房、瘤胃腹囊)的收缩。
在峰值检测中,绝对加速度值的经过低通滤波的和信号由此被转换成如下二进制矩形信号:所述二进制矩形信号对应于作为家畜的生物体的第一状态变量的能动性。以比加速度的和信号更低的数据传输速率可传送作为“0”和“1”的序列的矩形信号。经此,可以明显地减小在向分析单元12传输第一状态变量的测量值时的电流消耗。但是,在本发明的这里未进一步讨论的变型方案中,能动性的收缩的持续时间和/或其周期性也可以借助对矩形信号的相对应的分析而被顾及作为第一状态变量。
70:为了进一步减小要传输的数据量,矩形信号在后处理(Postprocessing)中被降采样(“downsampled”)。在加速度传感器的所描述的采样率为100Hz的情况下,在峰值检测60之后得出同样具有100Hz的矩形信号。
在后处理中,对其应用降采样,例如降采样了因子50,使得仅仅必须向分析单元12传送2Hz矩形信号。在此,在所假定的采样因子50的情况下,收集来自峰值检测60的矩形信号的分别50个数据点—如果多于一半的数据点是“1”,则作为整体输出假定“1”,在“0”的情况下与此对应地假定“0”。所选出的数量的数据点的占主导的二进制值由此确定其总值。
在未示出的实施例中,所提到过的后处理或降采样也已经可以在所描述的方法的较早的时间点进行,例如在步骤20中确定测量值之后或者在步骤40a中的滤波之后进行。
要传输的数据量的进一步减小可以通过压缩数据量来实现,例如通过行程编码(“run-length encoding”或“RLE”;仅标记二进制值在其处改变的那些部位)或者传送矩形信号的仅仅二进制值为“1”的那些范围的信息来实现。
在图5中离开块70的箭头意思是:向分析单元12传输峰值检测60或后处理70的结果,其中在此期间可以进行在探针设备1的存储元件7中的存储,以便捆绑式地传输第一状态变量的测量值。
最终得到的二进制值因此首先被存储在RAM上的中间存储器中,在测量间隔结束之后,临时的中间存储器被转移到作为只读存储器的EEPROM上。在接下来的向分析单元12进行传输之前,需要该步骤,以便针对第一状态变量的测量值确保足够大的存储可能性。要不然,在第一状态变量的测量值中可能发生数据间隙。
在向分析单元12传送第一状态变量的二进制矩形信号之后,第一状态变量在分析单元上被转换成第二状态变量。
从作为第一状态变量的能动性出发,第二状态变量可以是收缩的脉宽和由此持续时间和/或可以是收缩的周期性(亦即在两个相继的收缩阶段之间过去的时间)和/或收缩的频率,并且由此可以是反刍或反刍时间。
将作为第一状态变量的能动性转换成作为第二状态变量的反刍例如通过对二进制矩形信号的范围的辨认来进行,在所述范围中,能动性的脉宽首先增加,并且接着保持恒定,直至所述脉宽又改变。这样的范围被辨认为反刍活动。辨认优选地在应用合适的算法(例如机器学习算法)的情况下进行。针对这样的算法的计算开销比较高,因而有利的是,在分析单元12中执行从第一状态变量中确定第二状态变量,而在探针控制单元6中执行相对节约资源的将第一物理参数转换成第二状态变量。
经此,尤其是也得出了如下优点:可以在没有大开销的情况下改变或适配对于将第一状态变量转换成第二状态变量所使用的算法—如果在探针设备1中可能会进行转换,则该算法的改变会必须经由更新进行,所述更新引起对探针设备1可用的传输容量的限制,这对于探针设备1在生产运行中的按规定的使用是不利的。
图8示出了根据本发明的方法的第二实施例,在所述方法的开始时像在根据图5的第一实施例中一样将探针设备1引入到家畜2的胃肠道3中。
20:借助加速度传感器,又确定针对笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴的加速度值。
接着的步骤在两个并行路径中被执行。在图5中所示的步骤30在图8中未示出,因为该步骤30是可选的而并不一定必须被执行。在确定作为第一状态变量的能动性时,在图8中的上部路径P1中,根据加速度值执行能动性收缩的位置识别、亦即进行收缩的时间点;在图8中的下部路径P2中,尤其是也在使用上部路径P1的结果的情况下,确定收缩宽度、亦即收缩的持续时间。
40a:在该滤波步骤中,针对两个路径P1、P2进行如在第一实施例中所描述的轴选择性的滤波。“轴选择性的”这里意思是,x轴、y轴和z轴的加速度值单独地被滤波,例如通过应用带通滤波器来滤波。经此,可以特别好地去除噪声和干扰,例如去除家畜的如下运动活动:所述运动活动可能不利地影响根据本发明的方法的随后的流程。
40:x轴、y轴和z轴的经过滤波的信号在聚合步骤中被组合成和信号,所述和信号被顾及用于随后的步骤。在此,不同的流程是可能的。结合图5,曾已经描述了下列行为方式:
加速度和=abs(x轴)+abs(y轴)+abs(z轴)。
但是,也可以应用下列变型方案:
加速度和=x轴∧2+y轴∧2+z轴∧2;或者
加速度和=sqrt(x轴∧2+y轴∧2+z轴∧2)。
缩写“sqrt”在此代表“平方根”,亦即square root;符号“∧2”按常见方式标明平方函数。在两个路径P1、P2处可以采用这些变型方案。尤其是在下部路径P2中,为了确定收缩宽度,附加地可以使用变型方案、如例如:
加速度和=arctan(y轴,z轴),
其中这里选出y轴和z轴,因为要考虑探针单元1中的加速度传感器的位置和探针单元1基本上是圆柱形的这一事实。在使用r=sqrt(x轴∧2+y轴∧2+z轴∧2)的情况下,也可以使用下列解:
加速度和=arctan(r,x轴)。
原则上要说的是,也可以不同地选择滤波步骤和聚合步骤的顺序,使得在滤波之前进行聚合,或者在聚合之前进行第一滤波步骤并且第二滤波步骤接在聚合之后。尤其是,可以尤其是也在这些步骤的数目和顺序方面不同地实施这两个路径P1、P2。在图8中的块40a和40的定位因此仅仅是多种可能性中的一种可能性。
60:在根据图8的所示的实施例中,与图5中的实施方案不同地进行对第一物理参数的测量值的转换。这里,路径P1、P2又被合并。
60a:在用于进行位置确定的上部路径P1中,通过应用峰值检测算法,确定能动性收缩的时间位置。在此,作为输入顾及下列参数,所述参数要么被寄存在探针单元1中、动态地被确定,要么经由分析单元12被录入:
- 阈值、尤其是自适应阈值,所述阈值类似于图5中的如在那里示出的步骤50、50a的参数阈值(出于清楚性原因,这些步骤未在图8中示出)经由滑动平均值或者“滚动均方根(rolling root mean square)”而被确定;
- 最小收缩间距,表明在蜂巢胃的两次收缩之间的最小的容许的时间间距;
- 加速度和;加速度传感器的经过滤波的并且被聚合的原始信号,如上面所描述的那样。
收缩的时间上的位置现在被确定为使得,给加速度和的大于阈值的所有值分配值“1”,对于其余的值适用值“0”。加速度和的给其分配值“1”的值随后被称作“峰值(peaks)”。
“峰值”现在还如下被选择,所述峰值与上面限定的最小收缩间距相比是否彼此更靠近。在其彼此间的间距在最小收缩间距之下的两个“峰值”中,清除其加速度和较小的那个“峰值”。较大的“峰值”保持不变。清除“峰值”,一直到在留下的“峰值”之间的时间间距大于所限定的最小收缩间距。图9现在示出了将所述方法应用于图6中的和信号S1,其中所辨认出的和留下的“峰值”利用具有双线的圆圈表征。
60b:在用于确定收缩的持续时间或宽度的下部路径P2中,除了用于辨认出“峰值”的阈值之外,限定在“峰值”之间的最小间距(最小峰值间距)的参数被应用于加速度和。经此,与最小峰值间距相比彼此更近的“峰值”联合成一个共同的“峰值”。如在图10中可看出的那样,经此得出如下序列:所述序列有具有值“0”(没有“峰值”)的区域和具有值“1”(所联合的“峰值”)的区域,所述所联合的“峰值”在应用该参数之前与所限定的最小峰值间距相比已彼此更近。在上部路径P1中的60a的结果现在还被应用于其上。在步骤60a中未曾辨认为收缩的位置的那些所联合的“峰值”被清除—在图10中的“峰值”因而被删去。
作为在图8中具有子步骤60a和60b的步骤60的结果,因此又得出矩形信号,所述路径P1、P2又合并。
在根据图8的方法中,也可以采用后处理,如结合图5已描述的那样。然而,后处理可以在一个或者多个不同的部位处进行,并且因而出于清楚性的原因未绘出。
在图8中示出的第二实施例具有如下优点:可以更精确地确定能动性信号,这使其他方法变得容易,尤其是使确定第二状态变量、例如周期性、亦即在两次收缩之间的时间变得容易。此外,可以清除并不要作为能动性信号来观测的信号。
在将第一物理参数的测量值转换成第一状态变量之后,还可以进行确认步骤80。要么可以在探针单元1上在向分析单元12传送之前(亦即作为步骤b)的子步骤)或在执行根据本发明的方法的步骤c)之前进行确认步骤80,要么可以首先在分析单元12上作为根据本发明的方法的步骤d)的部分进行确认步骤80。出于该原因,图8中的确认步骤80作为虚线框既紧接着步骤60示出,又示为属于分析单元12。原则上也可能的会是,这样的确认进行两次,亦即实施两个画虚线的步骤80。
确认步骤80尤其是因此是必需的,因为由于数据获取的复杂环境(家畜的运动、环境条件的影响、不期望的事件)而不能排除有错误的测量数据。在从加速度值中确定能动性时,由于家畜的高运动活动或者当探针单元1从蜂巢胃中运动离开时,可能发生错误测量。
在所示的实施例中,确认步骤80例如可以进行为使得,确认呈能动性信号的形式的第一状态变量。在能动性确认时检查,脉宽(基本上亦即如下收缩的持续时间:在所述收缩的情况下,矩形信号的值为“1” )和/或在步骤60中应用的的确部分自适应地改变的阈值是否是可信的。如果脉宽众所周知地必须在5秒到15秒之间,则所确定的大于30秒的脉宽可被识别为有错误的。视哪个值被顾及作为第一状态变量而定,在确认步骤80中也可以检验,最终得到的周期性是否是可信的和/或产生影响的加速度在收缩期间是否是可信的。相对应的可信度值寄存在探针单元1和/或分析单元12上或在他们之间被交换,尤其是如下被交换:由分析单元12向探针单元1传送相对应的值。
更有利地,在探针单元1上执行确认步骤80,因为经此可以阻止,有错误的数据的传输有损于能量和带宽地进行。未通过确认步骤80的数据仅仅作为错误信号被传送。那么,在分析单元12上不考虑这样的数据。
自然,可以也首先在分析单元12上进行确认步骤80,在分析单元12处那么仅仅进一步处理可信的数据。
在实施例中所描述的计算机辅助的用于确定至少一个家畜2的生物体的至少一个状态变量的方法中,因此在探针设备1上确定第一物理参数,例如借助三轴加速度传感器确定加速度值,并且在探针控制单元6中将该第一物理参数转换成能动性,所述能动性作为家畜2的生物体的第一状态变量并且呈二进制矩形信号的形式,从所述二进制矩形信号中一如既往地可确定关于家畜的生物体的信息。该过程仅需要低的计算容量,并且引起数据量的减小。此外,通过比较简单的编程,减小了在源代码中的错误的风险。
经由合适的传输方法、尤其是无线方法,向分析单元12传输第一状态变量。要传输的数据的数量比较低,这减小了传输时间、与之联系的在探针设备1上的电流消耗和所需的带宽。在分析单元12中,在比较耗费较高的方法中,第一状态变量被转换成第二状态变量、即反刍或反刍活动。该转换可以毫无问题地以资源密集的方式来设计,因为分析单元12(通常为计算机或服务器)拥有足够的计算容量并且作为固定的单元可以简单地被供给有能量。
由此,在与分析单元12有尽可能好的信息交换的情况下,可以确保探针设备1的长期的按规定的使用。
Claims (16)
1.一种用于确定至少一个家畜(2)的生物体的至少一个状态变量的方法,其中在所述家畜(2)的胃肠道(3)中布置有至少一个用于测量至少一个物理参数的探针设备(1),并且在所述家畜(2)的所述胃肠道(3)之外布置有至少一个分析单元(12),其特征在于下列步骤:
a)通过所述探针设备(1),将在笛卡尔坐标系的所有三个空间方向上的加速度确定为第一物理参数;
b)在所述探针设备(1)的探针控制单元(6)中,将所述第一物理参数转换成作为所述家畜(2)的所述生物体的第一状态变量的能动性,其中值“1”被分配给所述第一物理参数的如下测量值:所述测量值大于或者等于阈值,并且值“0”被分配给所述第一物理参数的小于阈值的测量值;
c)从所述探针设备(1)向所述分析单元(12)传送所述第一状态变量作为二进制矩形信号;
d)在所述分析单元(12)中,将所述第一状态变量转换成第二状态变量。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一状态变量是如下状态变量:在步骤c)中,以比所述第一物理参数和/或所述第二状态变量更低的数据传输速率能传送所述状态变量。
3.根据权利要求1或者2所述的方法,其特征在于,与将所述第一物理参数转换成所述第二状态变量相比,和/或与将所述第一状态变量转换成所述第二状态变量相比,所述第一物理参数能以更低的计算开销转换成所述第一状态变量。
4.根据权利要求1或者2所述的方法,其特征在于,在步骤a)中确定所述第一物理参数以下列方式中的至少一种方式来进行:连续地;每隔一定时间;一旦由所述探针设备(1)所测量到的物理参数已超过阈值,就连续地;一旦由所述探针设备(1)所测量到的物理参数已超过阈值,就每隔一定时间;一旦由所述探针设备(1)所测量到的物理参数超过阈值,就在预先限定的时段中连续地或者每隔一定时间。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,在步骤a)中确定所述第一物理参数以下列方式中的至少一种方式来进行:连续地;每隔一定时间;一旦所述第一物理参数已超过阈值,就连续地;一旦所述第一物理参数已超过阈值,就每隔一定时间;一旦所述第一物理参数超过阈值,就在预先限定的时段中连续地或者每隔一定时间。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述阈值要么预先限定地被寄存在所述探针设备(1)上,要么由所述分析单元(12)与动机有关地向所述探针设备(1)传送所述阈值,要么所述阈值由基本阈值和如下动态值构成:所述动态值根据所述第一物理参数的表现是可适配的,被加和到所述基本阈值或者从所述基本阈值中被减去。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤b)中的所述第一状态变量是所述能动性的持续时间和/或周期性和/或频率。
8.根据权利要求1或者2所述的方法,其特征在于,在步骤b)中,利用在所述探针设备(1)中设置的时钟发生器(53)的实时信号和/或利用在所述探针设备(1)中设置的温度传感器(52)的温度信号,验证所述第一状态变量。
9.根据权利要求1或者2所述的方法,其特征在于,在步骤d)中的所述第二状态变量是所述家畜(2)的所述生物体的下列状态变量之一:反刍、心跳、喂食时间。
10.根据权利要求1或者2所述的方法,其特征在于,步骤a)划分成下列子步骤:
a1)确定所述探针设备(1)在笛卡尔坐标系的一个或者多个空间方向上的所述加速度;
a2)通过执行下列步骤中的至少一个步骤来确定所述第一物理参数:对在步骤a1)中所确定的加速度值的绝对值求和,对所述在步骤a1)中所确定的加速度值的平方求和,对所述在步骤a1)中所确定的加速度值的所述平方之和求平方根,对针对所述笛卡尔坐标系的y轴和z轴的所述在步骤a1)中确定的加速度值求反正切,对所述在步骤a1)中确定的加速度值的所述平方之和的平方根和所述笛卡尔坐标系的x轴求反正切。
11.根据权利要求1或者2所述的方法,其特征在于,直接在所述探针设备(1)的探针控制单元(6)中的步骤c)之前和/或在所述分析单元(12)中执行所述步骤d)之前,执行确认步骤(80),以便检验所述家畜(2)的所述生物体的所述第一状态变量的所述值的可信性。
12.一种用于测量家畜(2)的生物体的至少一个状态变量的探针设备(1),其中所述探针设备(1)能布置在所述家畜(2)的胃肠道(3)中,并且具有至少下列的布置在壳体(4)中的部件:
- 至少一个传感器元件(51,52),用于测量在所述家畜(2)的所述胃肠道(3)中的至少一个物理参数,
- 至少一个发送装置(8),所述至少一个发送装置(8)优选地具有至少一个天线(9),用于无线地传输和接收信息,和
- 至少一个探针控制单元(6),所述至少一个探针控制单元(6)设立用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法的步骤a)至c)。
13.根据权利要求12所述的探针设备(1),其特征在于,设置有下列传感器元件中的至少一个传感器元件:加速度传感器、用于测量在笛卡尔坐标系的所有三个空间方向上的加速度的加速度传感器、温度传感器、ph传感器、时钟发生器、实时时钟、摄像机元件。
14.根据权利要求12或者13所述的探针设备(1),其特征在于,设置有至少一个与所述探针控制单元(6)连接的存储元件(7)。
15.根据权利要求14所述的探针设备(1),其特征在于,设置有至少一个RAM存储元件和/或至少一个ROM存储元件。
16.一种系统(100),其具有至少一个分析单元(12)和至少一个根据权利要求12至15中任一项所述的探针设备(1),其中能够利用所述系统来执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
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