Sensors for Fertility Monitoring
of Cows
Michal Borecki, Jan Szmidt, Maria Bebłowska, Jerzy Kalenik
Institute of Microelectronics and Optoelectronics
Warsaw University of Technology
Warsaw, Poland
Michael L. Korwin-Pawlowski
Deacute;partement drsquo;informatique et drsquo;ingeacute;nierie
Universiteacute; du Queacute;bec en Outaouais
Gatineau, Queacute;bec, Canada
Maciej Szmidt, Kaja Urbanska, Tomasz Niemiec
Warsaw University of Life Sciences
Warsaw, Poland.
Introduction
1. The functional state of fertility is determined by:
bull; optimum fertility,
bull; health of the vaginal duct.
2. Nowadays, the oestrous cycles of cows are often resynchronized. Cows with high milk production have:
bull; shorter duration of oestrus,
bull; lower intensity signs of oestrus periods,than lower producing cows measured at the same conditions.
3. An important problem of cow reproduction is keeping the health of the vaginal duct.
bull; when the vaginal changes are visible the illness is usually seriously advanced,
bull; the bacterial vaginitis can be in its initial and hidden state invisible.
4. Usual medical techniques, like
bull; the hormone test in urine or milk and
bull; the liquid based cytology,are not automated are not ideal when farm environment is considered.
5. Sensing of cow functional state of fertility is important for the cattle and diary industries. There is a need to develop improved and new methods.
6. The method presented in this paper is based on fiber optic capillaries techniques using neural network analysis. We have investigated the vaginal fluids of healthy cows and of those suffering from vaginits and have proved that the method allows establishing the oestrous state and distinguishing between healthy and sick animals.
Cows oestrus
Cows with high milk production (ge;40 kg/day) have:
bull; shorter duration of oestrus (6.2plusmn;0.5h versus 10.9plusmn;0.7h),
bull; less total mounts per cow (6.3plusmn;0.4 versus 8.8plusmn;0.6)
bull; shorter duration of total time standing to be mounted
(21.7plusmn;1.9h versus 28.2plusmn;1.9h)
than lower producing cows measured at the same conditions.
Cows oestrus determination techniques
1. Visual observation
bull; Cow stands to be mounted
bull; Cow mounts other cows
bull; Increased walking
bull; Restlessness
bull; Chin pressing
bull; Swelling of vulva amp; mucus discharge
2. Wearable collar systems
3. Health (temperature) monitoring pill
4. Hands-on veterinary
bull; In-situ examinations (Vaginal duct examination)
bull; In-lab examinations (Sensor of milk or urine progesterone, cytology)
The simplest devices - tail painting detectors
Adhesive tail head patches of detectors are glued onto the top of the cows tail (sacrum, tail head).
1. Kamar detectors are pressure sensitive devices activated by pressure from the brisket of a mounting animal. When the cow is mounted the applied pressure changes the colour of the chemical detector from white to red.
2. EstroTect Patches detectors use rubbing surfaces similar to “lottery ticket”. When the cow is mounted the surface is peeled off,leaving the bright, easily detectable fluorescent color behind.
Automatic devices - construction of collar sensors systems for cattle monitoring
The most important issue of collars is reduction of device power consumption while the data have to be continuously collected when cattle is on the pasture.
The reduction of power consumption is realized by adaptative sensing and wireless transmission of data between collars on cattle necks and base station when a cattle are in the paddock.
Automatic devices - collar sensor systems
Fertility determination of cows
– Temperature-sensor: temperature cycles
– Pedometer: number of step is specific oestrus behavior
– Acceleration sensor: restlessness of the cow
State of health determination of cattle:
– Cattle basic diagnostic data, such as temperature of body, respiration rate, blood oxygen saturation and pulse rate are continuously monitored and locally stored. If rapid changes happen, the alarm signal is transmitted to the base.
Virtual fencing technology - monitoring of cattle location and movements:
– If a cow approaches a virtual fence the collar emits a warning sound, and if it continues past the fence line the cow receives a tactile stimulus. In trials cattle quickly learn to react to the audio warning and stop before the virtual fence.
-Activity of cattle monitoring
Cattle behavior control as ruminating,sleeping and grazing is possible using an accelerometer, a pedometer and a GPS.
Disadvantages of present collar sensors systems for oestrus detection
1. Temperature sensors have not worked very well because of animal body temperature variations.
bull; Cows allow their temperature to rise and fall with environmental conditions,
bull; The temperature in the stomach can quickly change when a cow drinks.
2. Pedometer data of cattle have to be corrected with:
bull; Movement of animals from barn to different fields.
3. Acceleration data of cattle have to be corrected with:
bull; presence of bugs as mosquitos, flies and horse-flies,
bull; high ambient temperatures causing heat stress result in physical lethargy and reduced oestrus detection efficiency in cows,
bull; housing, floor surface, yield, lameness and number of herd mates in oestrus simultaneously There is a potential of data mining of individual cow and multiparametric data to determine reproductive heat cycle time. For this purpose the data of pedometer,temperature and position (GPS) can be analyzed together.
Sensors for detecting functional state of c
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关于奶牛生育监测传感器
Michal Borecki，Jan Szmidt，MariaBebłowska，Jerzy Kalenik
微电子与光电子研究所
华沙理工大学
华沙，波兰
Michael L. Korwin-Pawlowski
Deacute;partementdinformatiqueetdingeacute;nierie
Universiteacute;duQueacute;becenOutaouais
加拿大魁北克省加蒂诺
Maciej Szmidt，Kaja Urbanska，Tomasz Niemiec
华沙生命科学大学
华沙，波兰。
引言
1.生育功能状态由下列因素决定：
bull;最佳生育能力，
bull;阴道的健康。
2.如今，奶牛的发情周期经常重新同步。 产奶量高的奶牛有：
bull;发情时间较短，
bull;在相同条件下测量的较低产奶牛的发情期强度较低。
3.母牛繁殖的一个重要问题是保持阴道的健康。
bull;当阴道变化可见时，疾病通常会严重发生，
bull;细菌性阴道炎可以在其初始和隐藏状态下隐形。
4.通常的医疗技术，如
bull;尿液或牛奶中的激素试验
bull;考虑到农场环境时，基于液体的细胞学检查不是自动化的。
5.感知牛的生育功能状态对牛和日记工业很重要。 需要开发改进的新方法。
6.本文提出的方法是基于使用神经网络分析的光纤毛细管技术。 我们已经研究了健康奶牛和患有阴道的人的阴道液，并且已经证明该方法允许建立发情状态并区分健康和患病的动物。
奶牛发情
产奶量高（ge;40公斤/天）的奶牛有：
bull;发情持续时间较短（6.2plusmn;0.5h对10.9plusmn;0.7h），
bull;每头牛的总安装量减少（6.3plusmn;0.4对8.8plusmn;0.6）
bull;更短的总安装时间
（21.7plusmn;1.9h对28.2plusmn;1.9h）比在相同条件下测量的低产奶牛。
奶牛发情测定技术
1.目视观察
bull;牛站立
bull;奶牛坐骑其他奶牛
bull;增加步行
bull;不安
bull;下巴紧迫
bull;外阴和粘液分泌物肿胀
2.可穿戴领系统
3.健康（温度）监测药丸
4.动手兽医
bull;现场检查（阴道检查）
bull;实验室检查（牛奶或尿液孕酮传感器，细胞学检查）
最简单的设备 - 尾部喷漆探测器
检测器的粘性尾头贴片粘在奶牛尾部（骶骨，尾部头部）的顶部。
1. Kamar探测器是由来自安装动物的胸部的压力激活的压力敏感装置。 当安装奶牛时，施加的压力将化学检测器的颜色从白色变为红色。
2. EstroTect Patches探测器使用类似于“彩票”的摩擦表面。 当安装牛时，表面被剥离，留下明亮，易于检测的荧光颜色。
自动装置 - 用于牛监测的套环传感器系统的构造
项圈最重要的问题是减少设备功耗，而当牛在牧场上时必须不断收集数据。
当牛在围场中时，通过牛颈和基站上的项圈之间的数据的自适应感测和无线传输来实现功耗的降低。
自动装置 - 套环传感器系统
奶牛的生育能力测定
- 温度传感器：温度循环
- 计步器：步数是特定的发情行为
- 加速度传感器：奶牛的不安
牛的健康状况测定：
- 连续监测牛的基本诊断数据，如身体温度，呼吸率，血氧饱和度和脉搏率，并进行本地存储。 如果发生快速变化，则将警报信号传输到基座。
虚拟围栏技术 - 监测牛的位置和运动：
- 如果母牛接近虚拟围栏，则颈圈会发出警告声，如果它继续越过围栏线，则母牛会接受触觉刺激。 在试验中，牛很快学会对音频警告做出反应并在虚拟围栏前停下来。
- 牛监测活动
使用加速度计，计步器和GPS可以实现牛的行为控制，如反刍，睡眠和放牧。
用于发情检测的现有衣领传感器系统的缺点
1.由于动物体温变化，温度传感器效果不佳。
bull;奶牛允许温度在环境条件下上升和下降，
bull;当奶牛饮用时，胃中的温度会迅速变化。
2.必须纠正牛的计步器数据：
bull;动物从谷仓移动到不同的领域。
3.必须通过以下方式纠正牛的加速数据：
bull;蚊子，苍蝇和马蝇等虫子的存在，
bull;高环境温度导致热应激导致母牛身体嗜睡和发情检测效率降低，
bull;住房，地板表面，产量，跛足和同时发情的牧群配偶数量有可能对个体奶牛和多参数数据进行数据挖掘，以确定生殖热循环时间。 为此，可以一起分析计步器，温度和位置（GPS）的数据。
用于检测奶牛功能状态的传感器
1.传感器位于鼻子里。
bull;呼吸传感器使用6个Si集成气体传感器，包括食品/烟雾，空气质量，氨气，碳氢化合物，酒精，两个独立的温度和湿度传感器。 用人工神经网络（ANN）处理的信息。 根据血液样本判断奶牛的健康状况。 样本的识别率是76％。
2.传感器位于胃部。
bull;使用心率（声学传感器）和温度传感器。 异常的温度和心率可能与疯牛病有关。
必须以不同方式监测选择用于授精的母牛的功能状态。
最简单的兽医检查 - 阴道液目视检查
1.流体通常是透明的。 其清晰度取决于生育周期的阶段，感染的存在，某些药物，遗传因素和饮食。
2.可以存在阴道分泌物：
（1）在排卵期，排卵前几天 - 阴道液是透明和韧性的，
（2）有时处于完全循环 - 阴道液浑浊，乳白色，体积很低lt;50ml，
（3）当奶牛患有阴道炎时全周期 - 阴道液是透明的，
（4）当奶牛有子宫化脓物质时全周期 - 阴道液浑浊，发黄或发绿，发臭，
（5）在某些性传播疾病中 - 阴道液的稠度，质地和颜色可能不同。
因此，阴道液目视检查不足以进行生育期或阴道炎的诊断。
最简单的兽医检测 - 阴道液pH值
1.牛阴道液包括吡啶，角鲨烯，尿素，乙酸，乳酸，脂肪酸，复合醇，二醇（包括丙二醇）酮和醛。
2.阴道脂肪酸来自常驻细菌的代谢过程，包括乳酸杆菌。
3.阴道液的正常pH值在3.8到4.5之间。 （阴道液呈微酸性）。 阴道液可变得更酸：
（1）当牛有阴道炎时
（2）当奶牛有某些性病时
（3）当母牛处于车辙时 - 对于所有哺乳动物而言，酸含量随着月经周期而变化，从月经后的第一天开始上升，在排卵前的中期达到峰值。
因此，pH值不足以用于生育期或阴道炎的诊断。
我们的目标
1.研究和开发一种传感器，该传感器可以提供生育功能状态的信息，可用于以比现有结构更高的灵敏度和特异性决定奶牛的授精。
2.开发一种也可以在农场环境中运行的传感器，而不仅仅是在实验室环境中。
3.开发一种易于自动化，小型化和低成本的方法。
阴道分泌物参数与生育能力有关
我们的假设
1.用光电方法检查与阴道管的生育能力和健康有关的阴道液参数。
2.由于阴道液结构，需要多参数传感。 功能性生育能力的检测可能需要对收集的样本产生额外的影响：
bull;机械的，
bull;光学，
bull;热量。
3.阴道液样本量有限，检查10mm3 = 10ml。
bull;光学毛细管将用作一次性阴道液容器和传感器光电极。
收集奶牛的阴道液
1.我们分析了波兰典型牛的荷斯坦 - 弗里斯兰和泽西牛品种的阴道分泌物。
2.从10至100只动物的畜群中随机选择奶牛。
3.我们检查了15头健康的奶牛样本。 在发情和后发情绪状态下收集阴道液。
4.还收集了2只母牛的阴道液，这些母牛在发情期并且由农场的兽医诊断出阴道炎，并通过微生物分析确认。
阴道液也是从发情期的母牛身上采集的，没有排卵。
毛细管头的示意性结构
1.所提出的传感器的工作原理是监视在动态强制测量循环中发生的光强度变化
2.传感器使用光纤毛细管，当局部加热迫使填充液的相位局部变为气体，同时监测光穿过毛细管的传播，
3.传感器同时检查许多液体参数，然后在人工神经网络中处理。毛细血管的低成本使得它们的残疾几乎成为可能。
生育分类功能状态的ANN
ANN培训给出：
1.训练集中的0.986相关系数，
bull;负责健康状态相关系数为0.999的输出，
bull;负责发情相关系数为0.987的输出。
2.分析来自受监测奶牛但未包含在训练集中的病例时，输出的5％RMS误差。
对于网络输出的最坏情况测试。
1.我们测试未包括在训练组中的母牛的阴道液，并且在流产后首先发情。
bull;流产后的第三个发情状态通常被认为是肥沃的 - 因此，出现了一个提到牛健康和肥沃状态的问题。
2.大多数肥沃的国家的错误是21％
3.功能状态误差为15％
4.因此，生育力分类功能状态的5％输出容差似乎是合理的。
结论和未来的工作
1.我们已经证明，具有人工网络分析的光纤毛细管传感器可以提供关于母牛发情状态的信息，其灵敏度和特异性优于其他现有方法，并且还提供关于牛阴道炎存在的信息。
2. ANN训练的测量信号分析结果显示，发情期为0.987，可育期功能状态分类为0.986。
3.所提出的传感器自动引入了可能的阴道炎的精确信息，这可能具有实用价值。
bull;我们发现阴道炎的信息主要是通过确定阴道液中存在抗体来获得的。在标准情况下，这些抗体通常在可见光下是透明的。
bull;毛细管填充能力可以作为最发育的母牛发情状态的指标。
因此，我们得出结论，拟议的建设可能在将来商业市场工具的基础。
动物健康监测传感器技术
摘要 - 全球奶牛养殖规模发生了变化
近年来，主要由于市场压力，向更大，更密集，利润驱动的企业迈进。 这种变化导致对能够降低成本和劳动力投入同时提高农业生产率的技术的需求。 这主要通过使用农场自动化和先进技术来实现。
目前正在研究的农场自动化的一个重要方面是自动化动物健康监测领域。 在这项研究中，我们已经确定了乳制品中常见的特定疾病，这些疾病可以通过使用非侵入性，低成本的传感器技术来识别。 这些疾病已被映射到动物行为的特定方面，这些方面已被映射到三个传感器，这三个传感器对于识别这些疾病是最重要的。 所显示的传感器将在下一代奶牛健康监测系统的开发中发挥至关重要的作用。 这样的系统将允许自动识别动物健康事件，大大增加整体畜群健康和产量，同时减少动物健康检查和长期动物保健费用。
关键词：嵌入式系统，智能系统，设计，开发，传感器，动物健康监测，动物疾病，兽医，奶牛场，传感器盒，非侵入性，可穿戴动物健康监测系统。
一、导言
在过去的几十年里，农业质量发生了巨大的变化，小规模，集中劳动力的农场被更大的自治和工业化农场所取代。 随着这些变化的条件，动物福利成为一个越来越受关注。
传统上，经验丰富的牧民会照顾相对较少的牛并与他们直接接触，而在现代自动化农场，很少有人照顾大量的牛，因此减少了与它们的直接接触。 因此，这更加需要监测动物的健康状况。
在过去的二十年中，研究人员开发了多种传感器技术应用。 传感器技术领域中常见的研究领域是机器人技术，国防和军事，工业生产过程，娱乐等领域，这些领域比其他更大的全球性问题（如自然灾害，非可持续资源的确定，健康监测疾病控制等）相对紧迫。
动物传感器系统的开发受到限制，考虑到对它们使用传感器以及它们对我们生活的日常方面的影响程度。 在传感器技术的未来研究和发展议程中，应该更加重视这些主题。因此，从这个意义上说，本文将重点关注奶牛疾病的确定和绘图到相关的传感器。
二、 为什么在动物身上使用传感器
有许多类型的技术已经在实践中用于有效的健康监测，无论是对人类还是动物。传感器是一种测量单个奶牛的生理或行为参数（与健康或发情有关）的设备，可以自动检测与健康事件（如疾病）相关的这种状况的变化，并要求农民的行动（如治疗）。
A.附加传感器：
它们可以是安装在牛身体外侧的母牛传感器，或者是体内的母牛传感器（例如瘤胃丸剂或植入物）。
B.非附着传感器：
它们是奶牛传感器，牛经过，经过或经过测量。 两种不同形式的非连接传感器是在线和在线传感器。 在线传感器在奶牛的连续产品流中进行测量。 在线测量唯一可用的选项是牛奶生产线。 在线传感器自动采集传感器分析的样品（例如牛奶）。
自20世纪80年代以来，已经开发了许多工作来开发测量来自单个奶牛的几个参数的传感器。 最初的工作确认了一头奶牛，然后使用加速度计和计步器等传感器检测牛奶的电导率和活动测量。
传感器系统开发可以分4个级别描述：
（I）计算关于奶牛的某些东西的方法（例如，活动）;
（II）解释为了制造关于奶牛状态的信息（例如，发情期），减少传感器数据的变化（例如，增加的活动）;
（II
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