CC BY
61
УДК 636:612.365:636.082.456:681.7.055
Ю.Г. ИВАНОВ, М.С. СИДОРЕНКО
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева
В.А. ГОЛУБЯТНИКОВ
Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»
ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА СИгНАлОВ КОРОВ
Важным резервом повышения эффективности производства молока является оперативный контроль физиологического состояния и здоровья каждого животного.
В РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева на кафедрах «Автоматизация и механизация животноводства» и «Морфология и ветеринария» проводятся исследования по созданию микропроцессорной системы дистанционного мониторинга сигналов коров в режиме реального времени, на основе регистрации пространственного положения хвоста животного.
Система дистанционного мониторинга сигналов коров обеспечивает автоматический дистанционный контроль и оповещение персонала о проявлениях диспепсии новорожденных телят, вызываемой проблемами пищеварительной системы в адаптационный период, о моменте начала родов коров, для оказания своевременной помощи, о нарушениях дефекации и уринации, вызываемых переходом с одного типа кормления на другой или низким качеством кормов и стрессами, об активизации укусов самок слепней и оводов.
В работе представлены результаты теоретических, лабораторных и натурных исследований микропроцессорной системы.
Разработаны метод и математическая модель для дистанционного мониторинга сигналов коров по пространственному положению хвоста для определения начала и продолжительности родов, частоты и продолжительности дефекации и уринации.
Разработанный и апробированный датчик системы дистанционного мониторинга показал достаточную чувствительность, стабильность параметров и адекватность данных, получаемых от тензо-чувствительного элемента, необходимых для практического использования.
Применение микропроцессорной системы дистанционного мониторинга сигналов коров на основе контроля пространственного положения хвоста животного, разработанные математические модели и алгоритмы обработки данных, поступающих от датчика мышечного тонуса хвоста животного, позволяют выделить различные варианты актуальных явлений: начало родов, дефекации и уринации, отпугивание насекомых и т.п.
Ключевые слова: система дистанционного мониторинга, сигналы коров, пространственное положение хвоста животного, микроконтроллеры в животноводстве.
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ АПК
Важным резервом повышения эффективности производства молока является оперативный контроль физиологического состояния и здоровья каждого животного.
В РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева на кафедрах «Автоматизация и механизация животноводства» и «Морфология и ветеринария» проводятся исследования по созданию микропроцессорной
системы дистанционного мониторинга (СДМ) сигналов коров в режиме реального времени, на основе регистрации пространственного положения хвоста [1...5].
СДМ обеспечивает автоматический дистанционный контроль и оповещение персонала о проявлениях диспепсии новорожденных телят, вызываемой проблемами пищеварительной системы в адаптационный период, о моменте начала родов коров, для оказания своевременной помощи, о нарушениях дефекации и уринации, вызываемых переходом с одного типа кормления на другой или низким качеством кормов и стрессами, об активизации укусов самок слепней и оводов.
СДМ включает в себя: датчик, устройство сопряжения, ПЭВМ и программное обеспечение для интерпретации полученных данных (рис. 1). Датчик состоит из следующих модулей: тензочувстви-тельный элемент (ТЧЭ); микроконтроллер (МК); и нтерфейс передачи данных. СДМ может быть интегрирована с системами сотовой связи для передачи фермеру 8М8-сообщений о критических событиях, происходящих с коровами в режиме реального времени.
Манжетаиз нерастяжимого материала (нейлон)
Рабочий элемент ТЧЭ из a резины ЭР-4-2
RrH3(d) b
Рис. 2. конструкция ТЧЭ
Электрическое сопротивление ТЧЭ равно (вывод выражения опущен):
RТЧЭ (d)
р р
V
■ (п • d)2
(1)
где ррезины - удельное сопротивление (const); V0 -объём электропроводящей резины (const); d - диаметр хвоста животного в плоскости крепления ТЧЭ.
Схема включения ТЧЭ представлена на рисунке 3.
d Гтчэ (d)
Ueux(d)
Рис. 3. Схема включения рабочего элемента ТЧЭ Напряжение на выходе ТЧЭ (иВьа) равно:
ивьМ = 1о ■ Ктчэ(Л) . (2)
Подставив (1) в (2) получим выражение UBbx от d для ТЧЭ:
U вы* (d) =
Л, ■р
о у резины
V
-■ d2.
(3)
В ыражение (3) можно записать так:
UBux{d) = к ■ d = к •d0 + к •Ad = U0 + к •Ad, (4)
где
к =-
h
V
- чувствительность ТЧЭ, ве-
Рис. 1. Структурная схема СДМ
ТЧЭ является первичным преобразователем сокращения мышц корня хвоста в электрический сигнал. Принцип действия ТЧЭ основан на изменении электрического сопротивления электропроводящей резины в зависимости от её растяжения. Конструкция ТЧЭ представлена на рисунке 2.
личина постоянная;
- d0 - диаметр хвоста животного при отсутствии сокращения мышц, величина постоянная;
- ио = к^0 - электрическое напряжение на выходе ТЧЭ при отсутствии сокращения мышц, величина постоянная.
Таким образом, сигнал на выходе ТЧЭ, соответствующий сокращению мышц хвоста, составит:
AUBblx(Ad) = к ■ Ad.
(5)
Сокращение мышц вызывает увеличение диаметра хвоста в плоскости крепления ТЧЭ, что приводит к увеличению длины ТЧЭ. Расслабление мышц вызывает уменьшение диаметра хвоста в плоскости крепления ТЧЭ, при этом уменьшается и длина ТЧЭ. Электрическое сопротивление ТЧЭ возрастает пропорционально увеличению его длины. В результате изменяется напряжение на выходе ТЧЭ, что соответствует сокращениям мышц корня
2
П
2
Р
•71
хвоста, а это, а свою очередь, приводит к изменению его пространственного расположения.
Сигнал с ТЧЭ, пропорциональный сокращению мышц корня хвоста животного, поступает на вход АЦП (аналого-цифровой преобразователь) МК, преобразующий с заданной частотой аналоговый сигнал в цифровой поток данных, который через интерфейс и устройство сопряжения поступает в программу интерпретации показаний датчика, установленной на ПЭВМ.
Критерии идентификации сигналов коров методом регистрации пространственного положения хвоста формируются на основе контроля параметров: 1д - продолжительность рабочего сигнала (импульса) от датчика, возникающего при поднятии хвоста, обычно до горизонтального состояния, с; N - количество импульсов, шт.; 1и - контролируемый временной интервал, мин.
Сигнал - начало родов. Критерии идентификации:
гд > 600 с N = 1
(6)
Сигнал - дефекация или уринация. Критерии идентификации:
60 с> tд > 5с N = 1
(7)
Сигнал - стресс, возникающий, например, во время доения, кормления, взвешивания или сортировки коров. Критерии идентификации:
(д > 5 с Iи > 60 мин. N > 3
(8)
Сигнал - угроза насекомых, например, слепней или оводов. Критерии идентификации:
гд = 1...5с I > 10 мин.
и
N = 3.10
(9)
Выражения 1-5 и 6-9 представляют собой математическую модель регистрации сигналов коров микропроцессорной системой.
Программа интерпретирует поток данных с датчика и с учётом математических моделей физиологических явлений, заложенных в неё, информирует оператора о состоянии здоровья животного.
При проведении исследований в качестве типовых явлений, происходящих с хвостом животного, были выбраны явления, связанные с уринацией и дефекацией, так как они присутствуют у всех животных вне зависимости от пола и возраста; их периодичность несопоставимо более высокая, чем у явлений, происходящих с хвостом больного или беременного животного; они просты для наблюдения, регистрации и интерпретации.
С целью проверки возможности реализации микропроцессорной системы дистанционного мониторинга сигналов коров методом регистрации положения хвоста разработаны и изготовлены опытный образец системы; модель хвоста коровы; стенды для проведения исследования характеристик ТЧЭ.
Методика получения статической характеристики ТЧЭ основана на применении разработанной модели хвоста коровы. Она представляет собой резиновую камеру, расширение которой под давлением воздуха из компрессора происходит в узкой области, на которой закреплён датчик (рис. 4, слева). Диаметр камеры соответствует усреднённому диаметру хвоста взрослого животного. Имитация сокращения мышц корня хвоста производится путем изменения избыточного давления воздуха в камере, что приводит к изменению диаметра камеры и реакции ТЧЭ.
Результаты экспериментальных исследований адекватно соответствуют математической модели. Получена статическая характеристика ТЧЭ при радиальном воздействии силы растяжения (рис. 5) и установлен рабочий диапазон ТЧЭ. Чувствительность исследованного ТЧЭ составляет: кч = 67 %/кгс/см2.
Уменьшение показаний датчика на начальном участке (диапазон: 0,05...0,075 кгс/см2) вызвано су-
Рис. 4. Модель хвоста коровы с закреплённым датчиком (слева). Стенд для проведения исследования датчика на модели хвоста коровы (справа)
I = со
и
Рис. 5. Статические показания ТЧЭ датчика (на выходе АЦП), нормированные на максимальное значение избыточного давления в камере (0,2 кгс/см2) при радиальном воздействии силы растяжения на модели хвоста коровы
хим трением манжеты о поверхность камеры и исчезает после усадки манжеты.
Методика исследований реакции ТЧЭ на мышечные сокращения. Целью исследований является установление закономерностей реакции ТЧЭ при различной скорости мышечных сокращений и расслаблений. ТЧЭ закрепляется на руке человека, имитирующей мышечные сокращения корня хвоста животного, и включается в электрическую цепь по схеме рисунка 3. Через ТЧЭ пропускается постоянный ток I0 = 0,1 мА. К контактам a и b, для регистрации данных, подключается запоминающий осциллограф. Для повышения качества лабораторного исследования параллельно с ТЧЭ подключается конденсатор ёмкостью 1 мкФ, подавляющий высокочастотные помехи и наводки от близкорасположенного электрооборудования.
Результаты исследований реакции ТЧЭ на различные воздействия представлены на рисунке 6. При отсутствии воздействия сопротивление материала ТЧЭ (RT433(d)) не изменяется (остаётся равным RT43(d) = 7 кОм, при I0 = 0,1 мА и d = const),
отсутствуют какие-либо флуктуации и возмущения - характеристики материала ТЧЭ стабильны.
На рисунке 6 приведена реакция ТЧЭ на базовые воздействия: 1 - напряжение мышц; 2 - расслабление мышц. Как следует из рисунков, при напряжении мышц происходит резкое увеличение сопротивления материала ТЧЭ (RT43(d) = 18 кОм, при I0 = 0,1 мА) превышающее почти в 2,5 раза сопротивление ТЧЭ при отсутствии воздействия.
Напряжённое состояние мышц характеризуется сигналом, имеющим следующие параметры: max(RT43(d)) = 14 кОм, min(RT43(d)) = 11 кОм, при I0 = 0,1 мА и d = const. Полученные результаты свидетельствуют о том, что материал ТЧЭ имеет свойство релаксации после воздействия. Фактор релаксации (абсолютное падение сопротивления рабочего тела ТЧЭ после напряжения и удержания мышц в напряжённом состоянии) составляет: kp = 484 Ом/с.
При расслаблении мышц также происходит резкое увеличение сопротивления материала ТЧЭ, но величина эта, относительно напряжённого состояния, гораздо меньше (RT43(d) = 6 кОм при I0 = 0,1 мА). После резкого расслабления мышц материал ТЧЭ релаксирует со скоростью kp до значения, равного 7 кОм (состояние отсутствия воздействия на ТЧЭ).
На рисунке 7 приведена реакция ТЧЭ на серию воздействий напряжения и расслабления мышц. Как следует из представленной зависимости, форма реакций на воздействия подобна, а различие заключается в крутизне и амплитуде фронта.
Величина фронта (1) (размах от «подошвы», предшествующей моменту напряжения мышц, до «пика», связанного с окончанием процесса напряжения мышц) пропорциональна напряжению мышц. «Полка сигнала» (2) отражает величину напряжения мышц. При расслаблении мышц, после всплеска, возникающего в момент расслабления, происходит спад сигнала с одинаковой крутизной (3). Это говорит об одинаковом (полном) расслаблении мышц в каждом акте серии.
Рис. 6. Реакция ТЧЭ на воздействия: слева - напряжение мышц предплечья, имитирующие сокращение мышц корня хвоста животного; справа - расслабление мышц предплечья, имитирующее расслабление мышц корня хвоста животного
Рис. 7. Реакция ТЧЭ на серию воздействий напряжения и расслабления мышц
Из полученных результатов следует: явления напряжения и расслабления мышц характеризуются соответствующими неизменными формами сигнала, получаемого с ТЧЭ, что позволяет детектировать физиологические явления, происходящие с хвостом животного.
Методика исследований датчика на хвосте коровы. При проведении экспериментальных исследований на молочной ферме РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева осуществлялась видеозапись, синхронизированная с сигналом ТЧЭ. С помощью специального приспособления на хвосте исследуемого животного закреплялся датчик, регистрирующий мышечные сокращения корня хвоста в реальном масштабе времени и передающий актуальные данные в ПЭВМ.
Запись видеопотока и потока данных осуществлялась с незначительными задержками, вызванными реакцией оборудования, записывающего информацию.
Датчик эксплуатировался в двух режимах, отличающихся частотой измерения проводимости ТЧЭ: 8 Гц и 16 Гц. В режиме 8 Гц было зафиксировано по одному явлению дефекации и уринации, в режиме 16 Гц было зафиксировано два явления уринации. Сопоставление видеозаписи и данных, полученных с датчика, показало полную адекватность фиксируемых явлений.
Результаты исследований. Анализ пиков, провалов, углов наклона графика, построенного на основании полученных данных и представленных в виде временной зависимости, позволяет однозначно, с несущественной задержкой, вызванной временем реакции оборудования и математической обработкой данных, определить момент времени начала и окончания процесса дефекации и ури-нации.
На рисунке 8 (выделено синим) представлена временная диаграмма с зафиксированным явлением дефекации животного. По оси абсцисс отложены номера выборок, по оси ординат отложены значения данных, нормированные на максимальное значение. Явление дефекации чётко различимо. Результат применения одного из возможных вариантов математической модели автоматического обнаружения явлений дефекации выделен красным. Результаты экспериментальных исследований подтверждают адекватность разработанной математической модели и параметров датчика. Хорошо видно, что датчик и математическая модель надёжно и своевременно обеспечивают детектирование явление
950
1774
Рис. 8. Временная диаграмма потока данных с датчика регистрации мышечных сокращений корня хвоста (режим - 8 Гц) (синий цвет), поступающих на вход математической модели автоматического обнаружения явлений дефекации и уринации, и временная диаграмма данных на выходе математической модели
(красный цвет)
дефекации и могут идентифицировать другие явления: например, начало отела, размахивание хвостом и т.п.
Выводы
1. Разработаны метод и математическая модель для дистанционного мониторинга сигналов коров по пространственному положению хвоста для определения начала и продолжительности родов, частоты и продолжительности дефекации и ури-нации.
2. Разработанный и апробированный датчик системы дистанционного мониторинга показал достаточную чувствительность, стабильность параметров и адекватность данных, получаемых от ТЧЭ, необходимых для практического применения.
3. Применение микропроцессорной системы дистанционного мониторинга сигналов коров на основе контроля пространственного положения хвоста животного, разработанные математические модели и алгоритмы обработки данных, поступающих от датчика мышечного тонуса хвоста животного, позволяют выделить различные варианты актуальных явлений: начало родов, дефекации и уринации, отпугивание насекомых и т.п.
Библиографический список
1. Иванов Ю.Г. Системы дистанционного контроля сигналов коров / Ю.Г. Иванов и др. // Зоотехния. 2014. № 12. С. 6-8.
2. Иванов Ю.Г. Исследование микропроцессорной системы контроля функциональной деятельности органов промежности коровы / Ю.Г. Иванов и др. // Техника в сельском хозяйстве. 2014. № 6. С. 11-13.
3. Патент 134782 Российская Федерация, МПК Л61Б 17/00. Система определения на начала отёла / Ю.Г. Иванов, В.А. Голубятников, Г.П. Дюльгер, М.С. Сидоренко; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. № 2013125623/13 заявл. 04.06.2013; опубл. 27.11.2013. Бюл. № 33.
4. Голубятников В.А., Иванов Ю.Г., Сидоренко М.С. Первичные электронно-технические средства для определения родового акта коровы // Материалы Всероссийской конференции студентов, аспирантов и ученых с международным участием 13 декабря 2012 г. «Основные направления развития техники и технологии в АПК, легкой и пищевой промышленности», г. Княгинино, НГИЭИ, 2013. С. 188-193.
5. Голубятников В.А. Микропроцессорная система контроля функциональной деятельности органов промежности коровы / В.А. Голубятников и др. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2014. № 4. С. 16-19.
6. Гулсен Я. Сигналы коров / Я. Гулсен. Нидерланды, 2010. 98 с.
7. Корову атакуют оводы и слепни // Хозяйство. Газета. [Электронный ресурс] -http://hozvo.ru/news/ master_s_veterinarian/Koшvuatakuyutovodyпslepni-статья в интернете.
Иванов Юрий Григорьевич - доктор технических наук, заведующий кафедрой автоматизации и механизации животноводства, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева; 127550, Москва, Лиственничная аллея, 4 а, уч. корп. 1, ком. 216; раб. тел.: + 7-499-976-43-97, моб. тел.: + 7-910-469-52-90; e-mail: iy.electro@ timacad.ru.
Голубятников Вадим Александрович - ведущий электроник кафедры электроники и наноэлектро-ники, Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (МИЭМ НИУ ВШЭ); 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3; раб. тел.: 8-499-235-88-84, моб. тел.: +7-926-763-22-33; e-mail: [email protected].
Сидоренко Михаил Сергеевич - аспирант кафедры автоматизации и механизации животноводства РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева; 127550, Москва, Лиственничная аллея, 4 а, уч. корп. 1, ком. 216; раб. тел.: + 7-499-976-43-97, моб. тел.: 8-915-232-39-02; e-mail: [email protected].
STUDY OF MICROPROCESSOR REMOTE MONITORING SYSTEM OF SIGNALS FROM COWS
Y. IVANOV, M. SIDORENKO
Russian State Agrarian University - MAA named after К.А. Timiryazev
V. GOLUBYATNIKOV
Moscow Institute of Electronics and Mathematics, National Research University «Higher School of Economics» (MIEM HSE)
Important reserve for increasing the efficiency of milk production is the operational control of the physiological state and health of each animal.
In Russian Timiryazev State Agrarian University the departments of «Automation and mechanization of livestock» and «Morphology and veterinary medicine» conducted research to develop a microprocessor system for remote monitoring of cows signals in real time, based on the registration of the spatial position of the tail of the animal.
Remote monitoring system of cows signals provides automatic remote monitoring and alert staff about the manifestations of dyspepsia of newborn calves caused by problems of the digestive system in the period of adaptation, since the start of cows delivery, to provide timely assistance, for identification of defecation and urination disorders caused by the transition from one type offeeding to the other, or low quality forages and stress from the revitalization bites of female by horseflies and gadflies.
The paper presents the results of theoretical, laboratory and field studies of microprocessor systems.
The methods and mathematical model for remote monitoring signals of cows according to the spatial position of the tail to determine the onset and duration of delivery, duration and frequency of defecation and urination.
Development and testing of sensor for remote monitoring system showed sufficient sensitivity, stability of parameters and value data from strain-gauge element necessary for practical application.
The use of microprocessor system of remote monitoring signals of cows on the basis of monitoring the spatial position of the tail of the animal, developed mathematical models and algorithms for processing data coming from the sensor of the muscle tone of the tail of the animal, allow distinguishing various options of actual events: the beginning of labour, defecation and urination, insect repellent, and so on.
Key words: remote monitoring system, the signals of cows, the spatial arrangement of the tail of the animal, microcontrollers in animal husbandry.
References
1. Ivanov Yu.G. System for the remote control signals of cows / G. Ivanov et al. // Husbandry. 2014. № 12. P. 6-8.
2. Ivanov Yu.G. Study of microprocessor control system the functional activity of the organs the crotch cow / G. Ivanov et al. // Technique in agriculture. 2014. № 6. P. 11-13.
3. Patent 134782 Russian Federation, IPC A61D 17/00. System definition at the beginning of the calving / G. Ivanov, V. Golubyatnikov, G.P. Dulger, M.S. Si-dorenko; applicant and patentee of fsbei HPE RSAU-MAA named after K. A. Timiryazev. № 2013125623/13 Appl. 04.06.2013; publ. 27.11.2013, bull. № 33.
4. Golubyatnikov V.A., Ivanov Yu., Sidorenko M.S. Primary electron technical means to define the act of
birth of the cow // Materials of all-Russian conference of students, postgraduates and scientists with international participation on December 13, 2012 «The Main directions of development of engineering and technology in agriculture, light and food industry», Knyaginin, NGII, 2013. P. 188-193.
5. Golubyatnikov V.A. Microprocessor control system the functional activity of the organs the crotch cow / V. A. Golubyatnikov et al. // Mechanization and electrification of agriculture. 2014. № 4. P. 16-19.
6. Gulsen Ya. From the cows / J. Golsen. Netherlands, 2010. 98 p.
7. The Newspaper «Economy». Cow attack botflies and horseflies. Electronic resource -http://hozvo.ru/ news/master_s_veterinarian/Korovuatakuyutovodyi-islepni - article in the Internet.
Ivanov Yuriy Grigorievich - Doctor of Engineering Sciences, Head of the Department of Automation and Mechanization of Livestock, Russian Timiryazev State Agrarian University; 127550, Moscow, Timiryazevskaya str., 49; tel.: + 7-499-976-43-97, + 7-910-469-52-90; e-mail: [email protected].
Golubyatnikov Vadim Aleksandrovich - leading specialist of the Department of Electronics and Nano-electronics, Moscow Institute of Electronics and Mathematics, National Research University «Higher School of Economics» (MIEM HSE); Tel.: 8-499-235-88-84, +7-926-763-22-33; e-mail: [email protected].
Sidorenko Mikhail Sergeevich - PhD-student of the Department of Automation and Mechanization of Livestock, Russian Timiryazev State Agrarian University; 127550, Moscow, Timiryazevskaya str., 49; tel.: + 7-499-976-43-97, 8-915-232-39-02; e-mail: [email protected].
