DE10045469C2 - Elektronische Überwachung einer Tierherde - Google Patents

Description

In landwirtschaftlichen Betrieben die sich in großem Umfang mit Weidetierhaltung befassen, ist in vielen Ländern der Welt auch heute noch Viehdiebstahl bzw. die Raubschlachtung an Ort und Stelle ein ernstes Problem. Interesse besteht deshalb an einem Überwachungsverfahren, das eine große Tierherde, von beispielsweise mehreren hundert Tieren, mit wohlfeilen technischen Mitteln gegen die genannten Eigentumsdelikte schützen kann, oder diese doch wenigstens sofort an eine Überwachungszentrale signalisiert, so daß ein Eingreifkommando auf den Weg gebracht werden kann. Da gleichzeitig eine Vielzahl von Tieren überwacht werden soll, muß sich der Aufwand für das einzelne Tier in seinem Wert angemessenen Grenzen halten. Der Aufwand in der Überwachungszentrale muß im Vergleich zum Wert der Gesamtherde in einem vertretbaren Rahmen bleiben.

In der DE 197 57 919 A1 wird ein Verfahren zum Überwachen der Verhaltens- und Bewegungsabläufe sowie Lebensgewohnheiten von Weidetieren beschrieben, bei dem jedem Tier ein Mikrochip implantiert wird, der über eine Relaisstation mit einer Bodenstation in Funkverbindung steht und von dort Befehle erhält und an das Tier weiterleitet, welche beim Tier eine gewünschte Verhaltensweise auslösen. Nähert sich das Tier beispielsweise der Grenze des Weidegebiets, so wird durch den implantierten Chip entweder eine an der Weidegrenze installierte Alarmeinrichtung oder bei dem Tier selbst eine Furcht- oder Gefahrenreaktion ausgelöst, welche das Tier vom Überschreiten der Weidegrenze abhält. Darüber hinaus kann der Mikrochip als Sender über die gleiche Funkverbindung Signale an die Bodenstation schicken, welche den Standort des Tieres und/oder sein Wohlbefinden anzeigen. Die Relaisstation kann dabei erdgebunden oder als Satellit ausgebildet sein. Jedem Tier ist ein individueller Code zugeordnet.

Zur gesteuerten Kraftfutterzuleitung an die einzelnen freilaufenden Tiere in Großställen und zur automatischen Gesundheitsüberwachung dieser Tiere sieht die DE 199 01 124 A1 eine bei jedem Tier in den Pansen eingebrachte Meßsonde zum Messen und Übertragen von Stoffwechselparametern des Nutztieres vor, welche von einer Steuerzentrale drahtlos abgefragt werden, sobald sich das Tier einer Melk- oder Futterstation nähert. Die Sonde mißt beispielsweise Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, pH-Wert, Geräusch, Ammoniak-Gehalt, Beschleunigung (Stillstand oder Bewegung des Tieres), Bodenabstand (liegend oder stehend). Entsprechend den an die Steuerzentrale übertragenen Meßdaten und den in der Zentrale gespeicherte Kenndaten des betreffenden Tieres wird die Kraftfuttermenge und -Zusammensetzung sowie die etwaige Beigabe von gesundheitsfördernden Stoffen in der Zentrale berechnet und in Form von Steuersignalen an die Dosiervorrichtung der Futterstelle weitergeleitet. In jeder Sonde ist ein dem betreffenden Tier zugeordneter Code gespeichert, welcher bei der Meßdatenübertragung das gerade abgefragte Tier identifiziert.

Aus der Verhaltensforschung ist es bekannt, einzelne Tiere in freier Wildbahn mit einem Minisender zu versehen, der in regelmäßigen Zeitabständen kurze Signale abstrahlt. Diese können mit einer mobilen Peilantenne empfangen werden, wodurch sich die Richtung zum Minisender feststellen läßt. Die Entfernung zum Wildtier wird anhand der Empfangsfeldstärke abgeschätzt.

Für unbelebte, sehr teure Objekte, z. B. LKW oder Baumaschinen, ist eine elektronische Diebstahlsicherung bekannt, bei der eine robust versiegelte Elektronikeinheit fest mit dem zu schützenden Objekt verbunden ist und einen GPS-Empfänger umfaßt, mit dem sie jederzeit den eigenen Standort feststellen kann. Außerdem steht sie über Satellitenfunk ständig mit einer Überwachungszentrale in Verbindung, von der sie in regelmäßigen Zeitabständen, z. B. alle 5 Minuten, abgefragt wird. Gemeldet werden jeweils der aktuelle Standort sowie der Betriebszustand. Da die Funkverbindung in beiden Richtungen wirksam ist, kann die Zentrale im Sinne einer Fernsteuerung auf das Objekt einwirken, beispielsweise den Zündstromkreis eines Motors unterbrechen oder einen lokalen akustischen und/oder optischen Alarm auslösen. Wegen des hohen elektronischen Aufwands am Objekt und der Übertragungskosten per Satellit ist dieses Verfahren für die eingangs genannten Zwecke zu teuer.

Ausgehend von dem aus der DE 197 57 919 A1 bekannten Stand der Technik schafft die vorliegende, im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung ein den eingangs genannten Bedingungen genügendes Verfahren zur Überwachung von Weidetierherden, welches geringe Anschaffungskosten erfordert und zugleich eine lange Betriebsdauer der implantierten Funkbaken ermöglicht. Es sieht vor, daß jede Funkbake entweder in eigenbestimmten zeitlichen Abständen oder auf Funkanforderung von der Zentrale her ein kurzes Funksignal absendet, welches als Information zumindest eine Ja-Nein- Aussage über wenigstens eine elementare Lebensfunktion des Tieres enthält. Das Funksignal ist dabei so beschaffen, daß der Langzeitstromverbrauch der Funkbake möglichst gering ist und die Funkbake von der Überwachungszentrale aus geortet werden kann. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Funkbake, d. h. eine miniaturisierte Sende- oder Sende-/Empfangseinrichtung für elektromagnetische Wellen, steht ständig oder auf Funkanforderung von der Zentrale her in Funkkontakt mit der Zentrale. Wenn sie, gegebenenfalls neben ihrem Identifikationscode, zumindest eine Ja-Nein-Aussage über wenigstens eine elementare Lebensfunktion des Tieres an die Zentrale überträgt, erkennt die Zentrale, ob das Tier noch lebt. Außerdem ermöglicht das Funksignal der Funkbake eine Ortung des Tieres. Man kann also feststellen, ob das Tier aus einem vorgegebenen Weidegebiet entlaufen ist oder gestohlen wurde. In beiden Fällen wird in der Zentrale ein Alarm ausgelöst. Dabei wird in der Zentrale zugleich der dort gespeicherte letzte Standort des Tieres angezeigt. Ein Alarm erfolgt auch dann, wenn verursacht wird, die Funkbake vom Tier zu entfernen, sie zu zerstören oder wenn sie aus anderen Gründen defekt wird. Ein geringer Langzeitstromverbrauch ist insbesondere dann von Vorteil, wenn zur Energieversorgung der Funkbake Batterien eingesetzt werden. Deren Ladekapazität reicht dann leicht für den Betrieb der Funkbake über mehrere Monate oder eine ganze Weidesaison aus. Da sich Weidetiere im Freien aufhalten, bietet sich eine Stromversorgung der Funkbake aus Solarzellen an, sofern deren Kosten zu verkraften sind. Auch eine Energiegewinnung aus der Körperwärme des Tieres über einen thermoelektrischen Umformer (Peltiereffekt) ist denkbar. In diesem Falle würde sich ein besonderer Sensor für eine elementare Lebensfunktion des Tieres erübrigen. Wenn das Tier tot ist, versagt die Energieversorgung, die Funkbake sendet nicht mehr, in der Zentrale wird Alarm ausgelöst.

Prinzipiell sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Systeme denkbar: Die passive und die aktive Abfrage der Funkbaken.

Im einfachsten Falle (passive Abfrage) sendet die Funkbake in mehr oder weniger regel­ mäßigen Zeitabständen (z. B. jede Minute) ein Signal, das der Zentrale unter Angabe eines individuellen Kennzeichens anzeigt, dass das Tier noch lebt. Über eine Ortung von der Zentrale aus wird festgestellt, ob sich das Tier noch auf dem Weidegrund befindet. Sind die Informationen affirmativ, so wird dieser OK-Zustand bis zum nächsten Signal als zutreffend angenommen. Fehlt eine der Positivnachrichten, so wird Alarm ausgelöst mit der Position des letzten vollständigen Signals.

Diese Methode hat den Nachteil, das die von den einzelnen Funkbaken unkoordiniert ausge­ sendeten Signale kollidieren können, was in einem Informationsverlust resultiert. Geht man von einer Herde von 500 Tieren und einem zu übertragenden Informationsvolumen (einschließlich einer gewissen Redundanz zur Datensicherung) von 20 Bit aus und nimmt man mit Blick auf existierende Hardware z. B. im Bereich des CB-Bandes 433 MHz an, dass diese in 2 [ms] übertragen werden können und dass die Wiederholungsperiode 1 [min] beträgt so liefert ein einfache statistische Abschätzung eine Kollisionswahrscheinlichkeit von ca. 1,65%, d. h. im Mittel wird jedes 60. Telegramm jeder Funkbake gestört. Eine Störung zweimal nacheinander wird im Mittel nur noch alle 5 Tage vorkommen, eine dreimalige etwa einmal im Jahr. Legt man die Alarmschwelle auf 5 Minuten so sind Falschalarme praktisch ausgeschlossen.

Die statistische Betrachtung des vorigen Abschnittes geht von der Voraussetzung aus, dass die Sendezeitpunkte statistisch gleichverteilt sind. Eine zu genaue und zu gleiche Periodizität ist daher zu vermeiden, um einer zeitweise Kollisionshäufung durch Clusterbildung aus dem Wege zu gehen. In diesem Sinne günstig ist eine Kopplung des Sendezeitpunktes mit dem Pulsschlag des betreffenden Tieres, da nicht anzunehmen ist, das der Pulsschlag einer Herde generell "in Phase" liegt. Gleichzeitig ist damit die Lebensüberwachung des Tieres gegeben, denn ohne Pulsschlag kein Sendesignal. Im Falle der rein technischen Darstellung der Sendeperiode sollte diese nicht quarzgesteuert erfolgen, sondern absichtlich stochastisch streuen, um die beschriebenen Clusterbildungen und die daraus resultierenden länger andauernden Kollisionen zu vermeiden.

Gänzlich vermeiden lassen sich Telegrammkollisionen, wenn die Meldung des einzelnen Tieres von der Zentrale zyklisch abgefragt wird. Durch Messung der Reaktionszeit erhält man zwanglos eine einfache Methode zur Bestimmung des Abstandes der Funkbake von der Zentrale. Dabei entspricht einer Genauigkeit der Zeitmessung auf 0,1 [µs], mit heutigen Standardbauteilen leicht erreichbar, einer Distanzgenauigkeit von 15 [m], was für den Überwachungszweck wohl ausreicht. (Auch die zehnfache Genauigkeit, also 1,5 [m] ist noch im Bereich des Möglichen.) Die Steuerung durch die Zentrale erfordert allerdings einen höheren Aufwand in der Funkbake, die dann auch einen Empfänger enthalten muss, der zudem ständig empfangsbereit zu sein hat. Dies muss als ein Nachteil der Methode der aktiven, zyklischen Abfrage angesehen werden.

Im Falle der passiven Zentrale, also bei individuell autarker Telegrammabsendung, baut die Ortung auf Methoden der Richtungsfindung auf, also letztlich auf eine Bestimmung der Laufzeitunterschiede der Empfangssignale mehrerer räumlich getrennter Antennen. Aus den Richtungswerten jeweils zweier räumlich getrennter Peilsysteme kann in bekanntere Weise der Ort des Senders, also der Funkbake, bestimmt werden (Kreuzpeilung). Um für die Kreuzpeilung eine ausreichende Ortungsgenauigkeit zu erzielen, müssen die beiden Richtungsfindungssysteme in gehörigem Abstand so angeordnet werden, dass der Kreuzungswinkel nicht zu klein (optimal bei 90°) wird. Im Falle der aktiven Zentrale kann die Punktortung auch auf Richtungspeilung verzichten und statt dessen ausschließlich auf der Messung der Laufzeit der Antwortsignale zu zwei räumlich getrennten Antennen basieren. In diesem Falle sollte die Verbindungslinie der Antennen das Weideareal nicht kreuzen, um Mehrdeutigkeiten und Ungenauigkeiten zu vermeiden.

Die Bestimmung der Laufzeitunterschiede kann unterstützt werden durch ein zweckmäßig gestaltetes Signal der Funkbake, wie in Patentanspruch 10 beschrieben. Durch die mit dem Telegramm verbundene lineare Frequenzmodulation ergeben sich an den einzelnen Empfangsantennen zum gleichen Zeitpunkt wegen des Laufzeitunterschiedes unterschiedliche Momentanfrequenzen. Mischt man die Empfangsfrequenzen zweier Antennen und filtert die Differenzfrequenz aus, so liefert diese ein Maß für den Laufzeitunterschied.

Eine besondere Art der Abstandsbestimmung für die Methode der passiven Abfrage ergibt sich nach Anspruch 12. Die Phasenfront eines ankommenden Hochfrequenzsignals ist mehr oder weniger gekrümmt je nach dem Abstand des Senders vom Empfänger. Der Grad der Krümmung der Phasenfront kann durch Phasenvergleich der Empfangssignale dreier z. B. auf einer Geraden angeordneten Antennen bestimmt werden. Diese Methode erfordert allerdings eine sehr hohe Genauigkeit des Phasenvergleiches und damit einen hohen Aufwand.

Die beiden grundsätzlich verschiedenen Methoden der Abfrage (passiv und aktiv) lassen sich auch mit Vorteil verknüpfen, wobei die Nachteile partiell vermieden werden können. So kann die Zentrale unmittelbar nach Empfang des im Eigenrhythmus autark abgesetzten Telegramms einen Abfrageimpuls absetzen, der von der gerade meldenden Funkbake sofort beantwortet wird. Zwar ist in diesem Falle in der Funkbake ebenfalls ein Empfängermodul erforderlich, das jedoch sehr einfach sein kann und nur kurzzeitig betriebsbereit sein muss und daher nicht den Stromverbrauch in die Höhe treibt. Die Ortungsgenauigkeit entspricht der der rein aktiven Abfrage und ist daher besser als im passiven System.

Es ist naheliegend, dass Diebe versuchen werden, die Elektronik ausser Funktion zu setzen. Das bewirkt jedoch, dass die spätestens nach einer Minute fällige Meldung unterbleibt und daher Alarm ausgelöst wird. Noch fataler wäre es, wenn die Funkbake von dem Tier getrennt wird, aber weiter sendet. Mindestens das Lebenssignal muss dann ausfallen und sollte nicht simuliert werden können. In diesem Sinne ist die Sensierung des Pulsschlages des Tieres sicherer als das Abfühlen der Körpertemperatur.

Die Auswertung der Empfangssignale in der Zentrale erfolgt zweckmässigerweise in einem Computer (PC). Damit können in einfacher Weise Plausibilitätsprüfungen vorgenommen sowie individuelle Betriebsparameter (z. B. Anzahl der Tiere) gesetzt werden.

Claims (17)

1. Verfahren zur Überwachung von Weidetieren und deren Sicherung gegen Abwandern vom Weidegrund, Diebstahl oder Raubschlachtung, unter Verwendung einer am Tier angebrachten oder implantierten Funkbake, die mit einer Überwachungszentrale in Funkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß jede Funkbake entweder in eigenbestimmten zeitlichen Abständen oder auf Funkanforderung von der Zentrale her ein kurzes Funksignal absendet, das als Information zumindest eine Ja-Nein-Aussage über wenigstens eine elementare Lebensfunktion des betreffenden Tieres enthält, und wobei das Funksignal so gestaltet ist, daß der Langzeitstromverbrauch der Funkbake möglichst gering ist und die Funkbake von der Überwachungszentrale geortet werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontrolle der Lebensfunktion des Tieres der Pulsschlag elektronisch überwacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der eigenbestimmten Aussendung der Funksignale an den Pulsschlag der Tiere gekoppelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontrolle der Lebensfunktion die Körpertemperatur des Tieres elektronisch gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das von der Funkbake abgegebene Signal zusätzlich zur Lebensinformation des Tieres einen individuellen Kennzeichnungscode enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Aussendung eines Funksignals durch die Funkbake aufgrund einer von der Zentrale abgestrahlten Funkanforderung erfolgt, gekennzeichnet durch einen jeweils nur einer Funkbake zugeordneten Code im Funkanforderungssignal, so daß nur die auf diesen individuellen Code ansprechende Funkbake antwortet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Antwortfunksignal der Funkbake jeweils um eine fest vorgegebene und hoch genau eingehaltene Zeitspanne verzögert nach dem Empfang des Funkanforderungssignal der Zentrale durch die Funkbake abgestrahlt wird, so daß die Zentrale aus dem Zeitverzug zwischen der Abstrahlung des Funkanforderungssignals und dem Empfang des Antwortsignals von der Funkbake den räumlichen Abstand zur Funkbake bestimmen kann.

8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Funkbake ihre Meldung zunächst autark absetzt, von der Zentrale nach Empfang der Meldung jedoch durch einen Abfrageimpuls zur Abgabe einer kurzen Antwort aufgefordert wird, wobei die Empfangsbereitschaft der Funkbake nur kurzzeitig nach Absetzung der Meldung besteht und der Abfrage- wie auch der Antwortimpuls unspezifisch, z. B. auch ohne Kennung, abgestrahlt werden können.

9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Antwortimpuls ohne Kennung ausgestrahlt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das von der Funkbake abgegebene Signal zusätzlich oder unterlegt ein mit einem linearen Sägezahn moduliertes FM-Signal enthält, das der Zentrale mit Hilfe zweier räumlich getrennter Antennen und Überlagerung der beiden Empfangssignale eine genaue Richtungsortung ermöglicht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrale mit zwei räumlich getrennten, jeweils zur Richtungsbestimmung befähigten, Antennensystemen arbeitet und die Entfernung zur Funkbake durch Triangulation bestimmt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsbestimmung zur Funkbake in der Zentrale mit drei räumlich getrennten Antennen durch Phasenvergleich der hochfrequenten Empfangsspannung erfolgt (Bestimmung der Krümmung der Phasenfront).

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Funkbake sich bei dem Versuch der unautorisierten Öffnung oder Entfernung vom Tier unkorrigierbar abschaltet bzw. sich selbst zerstört.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung der Funkbake durch Solarzellen erfolgt.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung der Funkbake durch Ausnützung der Körperwärme des Tieres über den Peltiereffekt erfolgt.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Funkbake in einem Horn des Tieres untergebracht oder implantiert wird.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Funksignale in der Zentrale und gegebenenfalls die zyklische Steuerung der Abfrage mit Hilfe eines Computers erfolgt.