Разработка цифровой системы для оценки физиологического состояния крупного рогатого скота
Эффективное управление фермой с большим количеством поголовья является главной задачей, стоящей перед отраслью. Решение ее достигается развитием интеллектуальных цифровых систем управления производством, так называемой биотехнической системой «человек — машина — животное» (или умное животноводство). Умное животноводство — отрасль сельского хозяйства, занимающаяся разведением сельскохозяйственных животных, особенность которой — внедрение систем и технологий нового поколения для автоматизации ухода за животными с целью увеличения продуктивности животного и уменьшения затрат. Разработку такой системы можно отнести к очередному этапу научно-технической революции.
На сегодняшний день на территории РФ до сих пор используются устаревшие технологические методы контроля за животными. Несвоевременное выявление проблем у животного может привести к непредвиденным расходам, которые можно было предотвратить автоматическими системами мониторинга здоровья животного. Исходя из данных Министерства сельского хозяйства РФ, несвоевременное выявление мастита у каждого животного влечет убыток порядка 14 тыс. рублей, а тепловой стресс — 23 тыс. рублей. Ежегодный падеж отечественного дойного стада составляет 2%.
Для выявления предстоящего отела и половой охоты в животноводческих предприятиях с большим количеством поголовья всё больше полагаются на автоматизированные системы, использующие датчики (например, акселерометр, шагомер, датчик давления) для сбора и интерпретации данных о животных.
В нескольких исследованиях изучалось использование датчиков для выявления предстоящего отела и половой охоты у дойных коров. Например, использовалcя акселерометр, прикрепленный к задней ноге коровы (IceTag 3D, IceRobotics, Эдинбург, Шотландия), чтобы регистрировать изменения количества актов лежания и общей активности перед отелом. Мальц и Антлер в своем исследовании пришли к выводу, что 10 из 12 случаев отела были успешно обнаружены в течение 24 часов до наступления данного события на основе алгоритма, связывающего время лежания, количество шагов и их отношение к моменту отела.
Ширманн и соавторы (2013) подтвердили, что коровы тратят в среднем на 66 минут меньше времени на кормление за 24 часа до наступления отела. Время жвачки (руминации) и кормления продолжало уменьшаться после отела в среднем на 133 минуты и 82 минуты, соответственно, по сравнению с исходным уровнем.
Аналогичным образом в нескольких исследованиях использовались различные датчики (для измерения двигательной активности, температуры, концентрации прогестерона в молоке) для выявления половой охоты.
Подострый ацидоз рубца (ПАР) — широко распространенная проблема у высокопродуктивных молочных коров. Он возникает, когда высокоэнергетический корм контактирует со средой рубца, которая не приспособлена к такому рациону. Как показали измерения рН рубца, ацидоз возникает преимущественно на выпасе молочного стада. Употребление большого количества корма животным также может предрасполагать рубец к ПАР, поскольку секреция слюнной железы может не компенсировать дополнительное образование кислоты. Ранние признаки ацидоза обычно не оцениваются с помощью клинических наблюдений, поэтому цифровые системы могут быть полезны для ранней диагностики ПАР.
Однако большинство доступных в настоящее время систем, такие как ошейники с транспондером, педометры и ушные бирки, имеют ограниченный функционал (например, для выявления половой охоты) с использованием одного датчика. Поэтому фермеры вынуждены покупать и интегрировать различные системы от разных поставщиков на ферме в зависимости от цели.
Разработка автономных зондов для мониторинга двигательной активности, pH и температуры содержимого рубца с электронными элементами, которые выполняют преобразование и передачу данных in vivo с высоким временным разрешением, является основным направлением этого исследования.
В работе представлены результаты разработки многофункциональной цифровой системы для оценки физиологического состояния КРС, способной одновременно измерять три показателя и отправлять полученные данные на приемопередатчик для просмотра в режиме реального времени.
Материалы и методы исследования
На первом этапе система была погружена в среду, имитирующую рубцовую жидкость. Второй этап — введение системы в рубец фистулированной коровы.
Другими элементами, входящими в устройство, являются микроконтроллер STM32L431KC фирмы STMicroelectronics (Женева, Швейцария) и терморезистор Heraeus Nexensos 32207615 PT1000 (Кляйностхайм, Германия) с выходным напряжением, линейно пропорциональным температуре (°C). Терморезистор не требует какой-либо внешней калибровки или подстройки для обеспечения точности ± 0,25 °C при комнатной температуре и ± 0,75 °C во всем диапазоне температур от -55 до 150 °C (рис. 1). Для определения рН внутри рубца использовали комбинированный рН-электрод HI 73127 HANNA Instruments (США), заключенный в пластиковый корпус. Этот электрод имеет диапазон измерения pH 0–14. Диапазон рабочих температур — 0–100 °C, диаметр — 10 мм, длина — 150 мм (рис. 1).
Поскольку интегральная схема TL084 является элементом, используемым в каждом модуле каскада преобразования аналогового сигнала зондирующего сигнала, в лаборатории для подачи напряжения ±5 В использовался источник постоянного тока с несколькими выходами. Однако при введении прототипа в рубец коровы необходим источник энергии, позволяющий системе работать автономно. Учитывая характеристики процесса, в системе используется литий-тионилхлоридная батарея (Li-SOCl2) без выводов Minamoto ER17505 (AA) 3.6V (КНР) емкостью 3400 мАч и напряжением 3,6 В (рис. 2). Эта батарея будет питать всю цепь.
Рубцовый болюс имеет длину 13,2 см и диаметр 3,5 см с массой нетто 218 г (рис. 3). Разработка модуля болюс имеет ряд специфических особенностей. Данные особенности заключаются в том, что на этапе разработки изделия невозможно учесть влияние некоторых факторов, например количество теряемой мощности при прохождении сигнала через животное, поведение материала корпуса при длительном нахождении в агрессивной среде желудка, возможность корректной работы ряда датчиков без дополнительной подстройки калибровочных коэффициентов. Учитывая специфические особенности, при разработке изделия было принято решение провести макетирование модуля болюса в преддверии выпуска серии с целью экспериментального определения влияния неизвестных факторов на корректность работы изделия.
При выборе материала корпуса необходимо учитывать, что он должен обеспечивать надежную защиту изделия от попадания различных веществ, находящихся в агрессивной среде желудка коровы, внутрь корпуса. Помимо защитной функции, материал корпуса не должен принести вред животному, поскольку это повлечет за собой неблагоприятные последствия. Наиболее подходящими материалами, выполняющими данные функции, являются материалы из семейства поликарбонатов. В качестве материала корпуса для макетов модулей болюс были выбраны четыре различных поликарбоната. В процессе разработки макетов болюсов было принято решение изготовить их корпуса из всех четырех видов поликарбоната и по результатам исследовательских испытаний определить материал, наиболее подходящий для применения. Отличие поликарбонатов связано в основном с различным уровнем механической прочности и способности нахождения в агрессивных средах. Также имеются различия по стоимости данных материалов, что в преддверии серии имеет высокую степень экономической целесообразности.
Антенна, используемая в модуле болюс, вносит весомый вклад в бюджет канала связи, что, в свою очередь, влияет на потребление устройства и максимальную дальность действия связи. Антенна должна иметь всенаправленную диаграмму, поскольку ориентация устройства в момент нахождения внутри животного имеет вероятностный характер. Важным параметром антенны применительно к данной задаче являются ее габаритные размеры, поскольку размеры всего устройства ограничены диаметром пищевода коровы. Учитывая приведенные факторы, было принято решение разработать несколько типовых вариантов исполнения антенн и по результатам исследовательских испытаний определить наилучший вариант. (Более подробно о разрабатываемых антеннах написано в разделе моделирование антенны.)
Важное значение имеет выбор несущей частоты сигнала, скорости передачи данных, которая непосредственно зависит от ширины полосы сигнала и объема передаваемых пакетов. Объем передаваемых пакетов зависит от периодичности опроса датчиков и типа получаемой информации от каждого датчика. Зависимость периодичности опроса датчиков от качественных показателей комплекса в целом представлена в разделе «Разработка математических моделей для выявления половой охоты, предстоящего отела, мониторинга уровня кормления и потребления воды».
Важно отметить взаимосвязь между скоростью передачи данных с качественными показателями комплекса в целом, что, по сути, влияет на энергетический потенциал устройства, то есть качественные показатели комплекса выше с ростом частоты опроса датчиков. Чем выше частота опроса датчиков, тем больше информации должно быть передано с болюса на базовую станцию, что обусловливает большее потребление энергии болюсом. Поскольку модуль болюс работает от батарейки, очень важно найти компромисс между возможностью реализации такого устройства с технической точки зрения и качественными показателями комплекса в целом, что влияет на вероятность определения половой охоты, наличия заболеваний и так далее.
Немаловажным вопросом является влияние комбинаций выбранных вариантов исполнения модулей болюс на комплексную функциональность изделий в целом. Опираясь на опыт разработчиков и анализ результатов исследовательских испытаний, будут выработаны наилучшие решения для создания высококлассного продукта, способного составить конкуренцию мировым аналогам.
Статистический анализ был выполнен GLM (ANOVA, StatgraphicPlus 5.1, Плейнс, Вирджиния, США). Данные считались достоверными со статистической точки зрения при р < 0,05.
Результаты и обсуждение
Сенсорная система физиологического мониторинга была проверена с помощью инкубатора с регулируемой температурой (Isotemp 228, Fisher Scientific®) (25–100 °C). Системы помещали в пятилитровый сосуд, содержащий 4 л воды и корм (зеленая масса, полученная в день испытаний). Температуру в инкубаторе измеряли стеклянным жидкостным термометром (1/300 °С). Измерительную систему помещали внутрь инкубатора на 30 минут после смешивания моделируемой среды рубца (рис. 4).
Для достижения аналогичных условий pH рубца (кислотность и щелочность) использовали буферные растворы (HCl, NaOH). Для определения pH в диапазоне от 5 до 7,5 использовали потенциометр (HANNA Instruments, США). Колебания регистрировались каждые 5 минут. Температуру инкубации поддерживали между 34 и 44 °C на протяжении всего исследования. На рисунке 5(А, Б) показаны результаты линейной регрессии данных. Значения экспериментальных данных (наблюдаемых) были сопоставлены с оценками датчика. Полученные результаты показывают достоверную связь (p < 0,05) температуры (r = 0,98) и pH (r = 0,97).
После того как система была откалибрована в среде, похожей на рубец коровы, эксперимент проведен на корове с фистулой рубца. Поскольку диаметр свища составлял 5 см, дизайн пищевого комка был доведен до диаметра 3,5 см, длины 13,2 см и массы 0,218 кг. Электроника разработана для работы с питанием от батареи, состоящей из трех элементов литий-тионилхлоридного типа (рис. 2).
Устройство вводили в рубец корове и в течение семи часов (каждые 30 минут) получали по 10 измеренных значений, чтобы оценить изменения. Поскольку измерения проводились в режиме реального времени, получили график изменения температуры в процессе ферментации и рН рубца с течением времени. Изменения температуры и рН наблюдались с момента начала кормления животного в период добровольного потребления (рис. 5).
В отчетах других исследователей оценивалась производительность экспериментального устройства при непрерывном измерении pH и температуры, были обнаружены важные различия в экспериментальных данных из-за явления сопротивления, которое очень распространено в приборах. Однако прототип смог показать умеренную корреляцию между ручными и непрерывными формами измерения pH и температуры, аналогичную той, что была обнаружена в исследовании авторов. В других конструкциях устройств изучали взаимосвязь между pH и температурой рубцовой жидкости для определения циркадных изменений индуцированного рубцового ацидоза, оценивая оба параметра с 10-минутными интервалами. Были обнаружены значительные изменения (р < 0,05) рН рубца, который достигал 4 через 16 часов. Напротив, температура рубца имела противоположное поведение, значительно повышаясь (p < 0,01) между 8 и 14 часами позже. Это позволяет предположить, что активная ферментация и последующее производство летучих жирных кислот (ЛЖК) вызвали эти модификации. Предлагаемое оборудование способно передавать это состояние в течение не менее 24 часов непрерывной работы.
В другой работе в предварительном исследовании на КРС в течение 10-дневного периода использовался рН-зонд для непрерывного измерения рН в рубце. Зонды были запрограммированы на измерение pH каждые 30 секунд, и сообщалось об ошибках отбора проб в 0,08 единицы pH, как и в результатах авторов. Было отмечено, что прототип этих характеристик должен иметь возможность измерять диапазоны pH от 6,8 до 5,4 (±0,1) для использования в программах по предотвращению риска ацидоза рубца. По мере того как рН пищи в рубце приближается к 5,0, амплитуда и частота сокращений рубца прогрессивно уменьшаются с возможным застоем. Исследуемое оборудование удовлетворяет этому условию. Результаты, полученные с помощью данного устройства, используемого для измерения рН и температуры рубца у экспериментальной тропической коровы КРС, позволят разработать новые устройства с использованием микро- и нанотехнологий, которые обеспечивают доступ, постоянство, временную работу и отправку информации из рубца.
Выводы
Прототип, предназначенный для непрерывной передачи значений pH и температуры рубца, соответствует зоотехническим нормам. Он может работать в желаемых физиологических диапазонах для клинических и продуктивных экспериментов, а корреляция наблюдаемых данных с оценками совпадает с предыдущими исследованиями с аналогичными прототипами, что также связано с возможностью передачи данных в течение не менее 24 часов. Наконец, в качестве будущей работы предполагается спроектировать и изготовить прототип технологии интегральных схем, который, учитывая его размеры, объединяет все модули электронной платформы, воспринимающей физиологические параметры, а также передающей данные по беспроводной связи в режиме реального времени, что позволяет неинвазивное тестирование.
Об авторах
Фёдор Евгеньевич Владимиров, научный сотрудник,
fvladimirov21@gmail.com; https://orcid.org/0000-0003-3058-2446
Савр Олегович Базаев, кандидат сельскохозяйственных наук, научный сотрудник,
sbazaeff@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-2511-7526
Артём Рустамович Хакимов, младший научный сотрудник,
arty.hv@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-4332-9274
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 1-й Институтский проезд, 5, Москва, 109428, Россия
УДК 619:616-008.64+636.2.034 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-375-10-73-78
Просмотров: 1 085
