CN103271727A - 实现动物发情判断和健康状况分类的柔性传感设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感技术应用领域，具体涉及实时监测动物生理行为信号的传感设备，及对动物发情、健康状况进行判断和分类方法。该设备包括佩戴在动物身上的柔性传感组件、无线网络传输系统及在监控中心的上位机，柔性传感组件是测量动物运动量、体温、血压、心电的微型传感功能模块，各传感功能模块采集的信号经转换、处理送入微型存储器，再经无线网络传输系统上传到监控中心上位机中。微型传感功能模块、微型供电模块、微控制器、微存储器及微无线传感器均设置在带状柔性衬底上，并有薄膜层覆盖。整个系统体积小，柔软灵活，使用方便，适用于对动物日常活动和健康状况进行长期实时监测，可准确判断动物发情行为和生理状态，有利于监督畜禽整个生产和流通过程。

Description

实现动物发情判断和健康状况分类的柔性传感设备和方法

技术领域

本发明涉及传感技术应用领域，具体涉及一种实时监测动物生理行为信号的传感设备，并对动物个体发情行为和健康状况进行判断和分类的方法。

背景技术

家畜、家禽生产是人类食物供应链的重要来源之一。为了达到健康养殖、有效控制各类疫病的目的，对畜禽实行全程质量监管是非常必要的。由于先进传感和信息网络技术的不断发展，使得对畜禽实时全程数字化安全监控成为可能。目前，美国、日本和法国等发达国家均有相关产品投入商用中，例如植入式生理信号检测系统，即将用于检测畜禽生理信号的植入体置于动物体内，能实时检测动物的心电、脑电、体温和血压等生理参数。这种装置能长期对无束缚畜禽进行测量，其得到的各项生理参数比较准确，但该植入芯片的成本较高，而且在植入时会对动物本体构成创伤面，引发潜在危险。此外，也有在畜禽体外进行某种单一指标测量的装置，例如，测量运动量的计步器。现在许多发达国家的农场给奶牛装上这种计步器，测量奶牛行走的距离、频率以及速度等，然后根据其检测参数确定它们是否发情，从而判断配种时间，有利于奶牛的及时受孕。虽然这种计步器能够发现奶牛的一些异常行为，但仅对运动量统计并做出发情判断往往会出现较大误差，因为动物的行为具有较强的随机性和较大的偶然性。

近年来，国内多所高校公开了多种穿戴式动物生理信号的监测系统。例如,华南农业大学信息学院研制的奶牛行为特征监测系统，该系统通过多个无线传感器网络节点收集奶牛体温、脉搏、呼吸频率、运动加速度等信息，利用有线网络将数据发送至Sink网关，并通过GPRS网络将数据传送到监测中心，由监测中心作出数据分析和判断。其中所用传感器模块分别为：使用K型热电偶测量呼吸频率和体温、使用压电薄膜测量脉搏、使用ADXL330三维加速度传感器获取奶牛三轴加速度消息。其具体方法是将所述传感器集成安装于奶牛脖子上。江南大学在2011年11月24日公开的发明专利（CN101894220A）中也公开一种实时畜禽健康状况数据采集系统，该系统由可视化辨识平台、健康信息数据库和传感器网络组成，其传感器网络由分布在养殖环境中的多个传感器节点及相关通信电路组成，包括计步器节点、多角度摄像机、声音传感器节点和环境传感器节点及相关通信电路组成。所述计步器节点的无线脚环安装于畜禽腿部，负责采集畜禽的活动量信息，为畜禽健康状况的综合判定提供依据。上述两种文献中的监测系统所用传感器都是由硬性质材料构成的较大尺寸的刚性结构，不仅存在着与动物身体接触不充分而影响检测精度的缺点，而且会让动物产生生理负荷和心理负担，影响其正常的行动和生理状态；此外，有时也会因动物相互间的摩擦和磕碰而使传感器工作失常。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种用于监测动物多种生理行为信号的柔性传感设备以及对动物个体的发情行为和健康状况进行判断和分类的方法，能对动物运动量、体温、血压、心电和肌电等同时进行准确无创监测，从而规范并有效监督畜禽整个生产和流通过程。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

本发明的实现动物发情判断和健康状况分类的柔性传感设备，它包括有佩戴在动物身上的柔性传感组件、无线网络传输系统以及设置在监控中心的上位机，其特征在于，所述柔性传感组件是测量动物运动量、体温、血压、心电的微型传感功能模块，各微型传感功能模块分别与同一个微控制器接通，该微控制器将采集到的信号经转换、处理后送入微型存储器中，该存储器与无线网络传输系统中的无线传感器通信连接，使信号通过无线网络传输系统上传到监控中心的上位机中，由上位机对动物的发情行为和健康状态作出判断和分类，其中传感功能模块、微型控制器、微型存储器及微型无线传感器由微型供电模块提供动力；所述微型传感功能模块、微型供电模块、微控制器、微存储器及微无线传感器均设置在由柔性材料构成的带状柔性衬底上，并有用于保护的薄膜层覆盖，在带状柔性衬底两端部设有用于捆绑动物四肢或颈部的连接装置，例如搭扣等。

所述带状柔性衬底由聚二甲基硅氧烷（PDMS）或室温硫化硅橡胶（RTV）等可液体成型的硅基有机聚合物构成，该硅基有机聚合物中，液态主剂和固化剂的质量比为（8-12）：1；其具体制作过程如下：按使用要求选择合适质量比（即液态主剂和固化剂的质量比）的硅基有机聚合物液体，对其超声搅拌20-40分钟；将搅拌后的液体倒入预制的模具中，该模具大小按所用动物个体使用位置的尺寸制作，模具上还设置有与各功能模块尺寸相同的凸起（阳模）；加热已置有硅基有机聚合物液体的模具，加热温度80-100℃，保温50-70分钟，使其中液体完全固化；将模具与固化后的硅基有机聚合物分离，得到带状柔性衬底，在该衬底上有与各传感模块尺寸相配合的凹坑；将各微型功能模块和微型供电模块、微控制器、微型存储器放置到相应的凹坑中，并在其上表面旋涂聚酰亚胺薄膜层用作保护，薄膜层厚度为15-20μm；最后在衬底两端部设置用于捆绑动物四肢或颈部的连接装置，即得到能佩戴在动物身上的柔性传感组件。

所述的微型血压测量模块是由气囊、压力传感器、放气阀和充气阀构成，利用示波测量技术采集收缩压和舒张压，气囊在减压过程中，压力震荡波的振幅变化包络线来判定血压，其中，收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，而舒张压对应于第二个拐点，并由微控制器对气囊进行充气和放气，将压力传感器输出的信号分别经过滤波放大后送入微控制器中，按预编程序对采集的数据进行数字滤波后分析，分别计算出血压的舒张压和收缩压两个关键量。

所述的测量动物运动量模块是微型三维加速度传感器，例如梳状电容结构型三维加速度传感器，用于检测动物在向前、向上和侧向三个方向运动时的加速度变化。

所述的体温测量模块包括有一个体温传感器，例如铂丝热电阻传感器等，能够检测到动物的瞬时体温。

所述的心电测量模块包括一个心电传感器，例如可直接采用心电测量的芯片等，用于测量动物个体的瞬时心电数据。

使用上述实现动物发情判断和健康状况分类的柔性传感设备的方法，包括首先在上位机中设定用于预警的各生理信号的阈值参数，以及基于模糊信息融合理论的发情和健康状况判断方法，然后将所述柔性传感设备套于动物四肢上，开启各微型传感功能模块，其特征在于，后续应用过程是：

（1）将各微型传感模块采集到的三维加速度、体温、血压、心电信号，分别经放大滤波、A/D转换通道后送入微控制器，其中，所述的血压测量传感模块、体温传感模块、心电传感模块每隔2-4小时采集数据一次，三维加速度模块则根据预设采样频率（一般为20-50Hz）持续输出x，y和z三轴的加速度数据；

（2）微控制器中的处理器将采集数据进行分析处理，并提取处理后的动物运动量、血压、体温、脉搏和心电等信息送入微存储器中，该存储器与无线传感器通信连接，通过无线传感器将数据传输到监控中心的无线网关后，直接送入上位机；

（3）将传输至上位机的数据与其预设的阈值参数（活动量参数值，体温参数值，血压参数值）进行分析比较，出现异常情况（即超过所设阈值）及时报警，同时根据预设算法对动物的健康状态做出分类，或对动物是否发情作出判断；其中，所述体温传感器、血压传感器和心电传感器用于对动物的健康状态分类，所述的三维加速度传感器和体温传感器用于对动物的发情判断。

在所述测量动物运动量模块中，预设置有步伐分析单元：首先根据所使用的动物设定其步伐频率范围（例如0.5-5Hz）；始终选取加速度变化最大的方向作为纵向，以纵向加速度的一个向上增大和向下增大的周期标定其步伐数，对于所采集的步伐数据中，如在设定频率范围外的要进行滤波处理。基于三维加速度传感器采集得到的x,y和z轴的加速度数据，由步伐分析单元中的预设程序可计算得到总加速度值；在某一特定时间段内，以总加速度减去重力加速度（自由落体加速度）后超出某一阈值的时间总和，作为衡量其活动量的标准。

本发明的用于监测动物生理行为信号的柔性传感装置，整个系统体积小，柔软灵活，使用方便，可方便地套于动物四肢进行多种生理行为信号的采集，对动物生理负荷和心理负担低，适用于对多类动物日常活动和健康状况进行长期实时地监测，可大大减少人力和物力；由于能同时测得多个生理信号，因此可以更为准确地判断动物的发情行为和生理状态，有利于监督畜禽整个生产和流通过程。

下面通过实施例和附图作进一步描述。

附图说明

图1为本发明所述柔性传感装置整体的结构示意图。

图2为本发明的整个控制系统示意图。

图3为本发明中判断发情行为的多传感器信息融合原理图。

图4为本发明中判断健康状态的多传感器信息融合原理图。

具体实施方式

实施例1制备所述柔性传感组件

参见图1，柔性衬底1整体呈带状结构，在其两端有刚环3和用于与刚环3配合捆绑动物四肢的尼龙搭扣4，血压测量模块5、步伐模块6、体温模块7、心电模块8、微控制器10、无线传感器11以及为各功能模块供电的供电模块9均镶嵌在柔性衬底1的凹型槽中，在所述的5、6、7、8、9、10和11的上面紧密覆盖有聚酰亚胺薄膜层2，用作固定并保护各刚性的功能模块不受外界因素破坏。整个控制系统的线路可参见图2，由图2 可以看出，传感功能模块、微型控制器、微型存储器及微型无线传感器均由微型供电电池提供动力。

其具体制作过程如下：

（1）按使用要求选择合适质量比（即液态主剂和固化剂的质量比）的硅基有机聚合物液体，对其超声搅拌40分钟，本实施例制作两件，其中一件的质量比选为9:1，另一件的质量比为11:1；

（2）将搅拌后的液体分别倒入两个预制的模具中，模具大小按所用动物个体使用位置的尺寸制作，其中一件按牛腿尺寸模具上制作，另一件按照牛脖子尺寸制作。两模具上分别设置有与各功能模块尺寸相同的凸起；

（3）加热已置有硅基有机聚合物液体的两个模具，加热温度100℃，保温60分钟，使其中混合液体完全固化；

（4）将两个模具分别与固化后的硅基有机聚合物分离，得到带状柔性衬底，在该衬底上有与各传感模块尺寸相配合的凹坑；将各微型功能模块和微型供电模块、微控制器、微型存储器放置到相应的凹坑中；

（5）分别在其各传感模块上表面旋涂聚酰亚胺薄膜层用作保护，薄膜层厚度为15-20μm；

（6）分别在两个衬底的两端部设置用于捆绑动物四肢或颈部的连接装置，即得到两个能佩戴在动物身上的柔性传感组件。

实施例2将实施例1所制备的柔性传感装置安装在奶牛腿上进行实际测量

将实施例1所制备的柔性传感装置安装在奶牛腿上，然后开启各个微型功能模块，并启动无线网络传输系统以及上位机。

启动微控制器预设程序，将血压测量传感器、体温传感器、心电传感器按每三小时采集数据一次，而三维加速度传感器采用持续测量模式，所采集到的信号放大滤波后经A/D转换通道后送入微控制器。

以一天（24小时）为一个测量周期，完成一个周期的数据采集后，开启控制器中的步伐分析单元，分析上一个周期（一天）的步伐数和活动量，并将一天之内每三个小时记录得到的血压、体温和心电信号作平均处理，送入内部存储器中，所述微控制器的内部存储器与无线传感器通信连接，通过无线传感器将处理后的数据传输到监控中心的无线网关后，直接送入上位机。

将传输至上位机的数据与其预设的阈值参数（活动量参数值，体温参数值，血压参数值）进行分析比较，出现异常情况（即超过所设阈值）及时报警，同时根据预设的算法对动物的健康状态做出分类，或对动物是否发情作出判断；其中，所述体温传感器、血压传感器和心电传感器用于对动物的健康状态分类，所述的三维加速度传感器和体温传感器用于对动物的发情判断。

所述算法可以是简单的对比法，也可以用如下的基于模糊信息融合的算法：

以发情判断为例，参见图3，传感器得到的数据为{x₁，x₂}，x₁和x₂分别是上述提取后的三维加速度传感器和体温传感器的特征值，而系统的决策为{y₁，y₂}，其中y₁和y₂是柔性设备得到决策分别为发情期和正常期的概率。根据三维加速度传感器和体温传感器在一天时间内得到的特征值，按预设程序分别得到三维加速度传感器对动物发情状态的判断结果为：[u₁₁，u₁₂]，体温传感器对动物状态的判断为：[u₂₁，u₂₂]，u_ij为第i个单个传感器推断为决策j的可能程度，即u₁₁为三维加速度传感器给出决策为发情的可能程度，u₁₂为三维加速度传感器给出决策为正常的可能程度，u₂₁为体温传感器给出决策为发情的可能程度，u₂₂为体温传感器给出决策为正常的可能程度，0≤u_ij≤1，即可得到关系矩阵：

$R=\left[\begin{array}{cc}{u}_{11}& u_{12}\\ u_{21}& u_{22}\end{array}\right]$

采用权函数表示两个传感器的可靠性，即X={x₁,x₂}，0≤x₁,x₂≤1，且x₁+x₂=1，例如，x₁和x₂可为0.6和0.4，本项中则模糊变换计算得到：

$Y=X\·R=[x_1,x_2]\·\left[\begin{array}{cc}{u}_{11}& u_{12}\\ u_{21}& u_{22}\end{array}\right]$

对于Y中计算得到的动物属于发情或正常状态的可能性，在下一步的发情状态决策时，我们将采用最大隶属度和隶属度值阈值的原则进行发情判断，例如判断动物属于发情期的条件:y₁>y₂,且y₁大于某一阈值（0.5）。

参见图4，对动物的健康状态决策与上述发情行为决策类似，同样先确定体温传感器、血压传感器和心电传感器三个传感器对健康状态判断的隶属度函数，用权函数表示传感器的可能性，再根据模糊计算得到判断动物健康分类的可能性，对动物的健康状态的决策结果分为三级，即健康、一般和较差。进行决策时也基于最大隶属度和隶属度值阈值的原则。

Claims (5)

1.一种实现动物发情判断和健康状况分类的柔性传感设备，它包括有佩戴在动物身上的柔性传感组件、无线网络传输系统以及设置在监控中心的上位机，其特征在于，所述柔性传感组件是测量动物运动量、体温、血压、心电的微型传感功能模块，各微型传感功能模块分别与同一个微控制器接通，该微控制器将采集到的信号经转换、处理后送入微型存储器中，该存储器与无线网络传输系统中的无线传感器通信连接，使信号通过无线网络传输系统上传到监控中心的上位机中，由上位机对动物的发情行为和健康状态作出判断和分类，其中传感功能模块、微型控制器、微型存储器及微型无线传感器由微型供电模块提供动力；所述微型传感功能模块、微型供电模块、微控制器、微存储器及微无线传感器均设置在由柔性材料构成的带状柔性衬底上，并有用于保护的薄膜层覆盖，在带状柔性衬底两端部设有用于捆绑动物四肢或颈部的连接装置。

2.如权利要求1的实现动物发情判断和健康状况分类的柔性传感设备，其特征在于，所述带状柔性衬底由聚二甲基硅氧烷或室温硫化硅橡胶等可液体成型的硅基有机聚合物构成，该硅基有机聚合物中，液态主剂和固化剂的质量比为（8-12）：1。

3.如权利要求1的实现动物发情判断和健康状况分类的柔性传感设备，其特征在于，所述柔性传感组件的制备方法是：按使用要求选择合适质量比的硅基有机聚合物液体，对其超声搅拌20-40分钟；将搅拌后的液体倒入预制的模具中，该模具大小按所用动物个体使用位置的尺寸制作，模具上还设置有与各功能模块尺寸相同的凸起；加热已置有硅基有机聚合物液体的模具，加热温度80-100℃，保温50-70分钟，使其中液体完全固化；将模具与固化后的硅基有机聚合物分离，得到带状柔性衬底，在该衬底上有与各传感模块尺寸相配合的凹坑；将各微型功能模块和微型供电模块、微控制器、微型存储器放置到相应的凹坑中，并在其上表面旋涂聚酰亚胺薄膜层用作保护，薄膜层厚度为15-20μm；最后在衬底两端部设置用于捆绑动物四肢或颈部的连接装置，即得到能佩戴在动物身上的柔性传感组件。

4.使用如权利要求1的实现动物发情判断和健康状况分类的柔性传感设备的方法，包括首先在上位机中设定用于预警的各生理信号的阈值参数，以及基于模糊信息融合理论的发情和健康状况判断方法，然后将所述柔性传感设备套于动物四肢上，开启各微型传感功能模块，其特征在于，后续应用过程是：

（1）将各微型传感模块采集到的三维加速度、体温、血压、心电信号，分别经放大滤波、A/D转换通道后送入微控制器，其中，所述的血压测量传感模块、体温传感模块、心电传感模块每隔2-4小时采集数据一次，三维加速度模块则根据预设采样频率持续输出x，y和z三轴的加速度数据；

（2）微控制器中的处理器将采集数据进行分析处理，并提取处理后的动物运动量、血压、体温、脉搏和心电等信息送入微存储器中，该存储器与无线传感器通信连接，通过无线传感器将数据传输到监控中心的无线网关后，直接送入上位机；

（3）将传输至上位机的数据与其预设的阈值参数进行分析比较，出现异常情况及时报警，同时根据预设算法对动物的健康状态做出分类，或对动物是否发情作出判断。

5.如权利要求4的实现动物发情判断和健康状况分类的柔性传感设备的方法，其特征在于，在所述测量动物运动量模块中，预设置有步伐分析单元：首先根据所使用的动物设定其步伐频率范围；始终选取加速度变化最大的方向作为纵向，以纵向加速度的一个向上增大和向下增大的周期标定其步伐数，对于所采集的步伐数据中，如在设定频率范围外的要进行滤波处理；基于三维加速度传感器采集得到的x,y和z轴的加速度数据，由步伐分析单元中的预设程序计算得到总加速度值；在某一特定时间段内，以总加速度减去重力加速度后超出某一阈值的时间总和，作为衡量其活动量的标准。

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