Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Sledování pohybové aktivity hospodářských zvířat

Iveta Novotná, Petr Smolík, Luboš Smutný

 
Měření pohybové aktivity hospodářských zvířat poskytuje důležité informace nejen ke zjišťování říje, ale i ke sledování zdravotního stavu. Určení říje je důležité pro stanovení vhodné doby inseminace, což přispívá k optimalizaci nákladů na připouštění. Měřením bylo zjištěno, že během říje dvojnásobně až trojnásobně vzroste pohybová aktivita oproti běžnému stavu. Tento článek popisuje vlastnosti pedometrů a jejich detekčních prvků, zpracování údajů a následný přenos dat do počítače. Zabývá se rovněž popisem nových funkcí, jako je sledování přežvykování a lokalizace. Porovnává výsledky pedometru umístěného na noze nebo na krku zvířete.
 

Úvod

Chovatelé se začali vážně zabývat sledováním pohybové aktivity zvířat ve chvíli, kdy bylo třeba sledovat velká, volně ustájená stáda krav a vyhledávat zvířata v říji. U plemenic (krav určených k reprodukci) lze pozorovat různé symptomy říje, které ale nejsou okem rozeznatelné. Mezi tyto symptomy patří menší příjem krmiva, dočasný pokles užitkovosti, změny ve složení mléka, zkrácení doby odpočinku, a tudíž i doby přežvykování. Naopak ale vzrůstá pohybová aktivita. Při velké koncentraci zvířat je průběh říje narušován různými vlivy. V takových provozech je také obtížné sledovat plemenice vizuálně. Ke sledování pohybové aktivity a její charakteristiky jsou vyvíjena zařízení nazývaná krokoměry neboli pedometry. Z počátku šlo o čistě mechanické přístroje a jednoduchá počítadla. Lidé objevili krokoměry v polovině 60. let minulého století, kdy japonský výzkumník prohlašoval, že průměrný člověk denně udělá 3 500 až 5 000 kroků, ale pro zlepšení zdraví by mělo číslo narůst na 10 000. Současné přístroje využívají MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), mají vnitřní senzory a software k detekci a zaznamenávání počtu kroků. Přístroj může být upevněn na různých místech (na opasku, v batohu, v kapse, na hodinkovém řemínku). K monitorování pohybové aktivity zvířat jsou však tyto krokoměry nepoužitelné.
 
První elektronické pedometry pro zvířata byly testovány v roce 1977. Začaly se používat ke zlepšení reprodukčního ukazatele, který lze do jisté míry ovlivnit účinnou detekcí říje plemenic a určením optimální doby inseminace. Přístroje zaznamenávají zvýšenou pohybovou aktivitu v době říje nebo naopak sníženou při různých onemocněních. Jalovice mají oproti kravám obvykle kratší říji s výraznějšími příznaky. U krav se občas vyskytuje tichá říje (pohlavní cyklus probíhá, bez zjevných příznaků). Podle literatury [3] probíhá u dojnic periodicky estrální cyklus v intervalu 21 dnů, který je dělen na čtyři fáze:
1. proestrus – období před říjí (20. až 21. den cyklu),
2. estrus – říje (1. až 2. den cyklu),
3. metestrus – období po říji (2. až 5. den cyklu),
4. diestrus – období mezi říjemi (6. až 19. den cyklu).
 
V době 12 až 18 h před říjí je plemenice neklidná, pokouší se naskakovat na jiné krávy a denní produkce mléka je občas nižší. V této době pedometry ukazují zvýšený pohyb, tudíž čas připravit se na inseminaci. Říje trvá osm až 16 h a říjící se plemenice při naskočení jiné krávy drží. To je optimální doba k inseminaci. Poté plemenice při naskočení jiné krávy již nestojí a postupně se začíná chovat normálně. Zařízení ke sledování zvířat nabízí v současnosti několik firem. Jednotlivé pedometry se liší dosahem, životností, cenou a kvalitou zpracovaní dat.
 

Provoz a umístění pedometrů

Pedometry na rozdíl od identifikačních známek jsou vždy aktivní, a k vlastní činnosti tedy potřebují zdroj elektrické energie (baterie). Tento faktor je pro uživatele do značné míry limitující. Doba provozu zařízení různých výrobců je odlišná a pohybuje se od tří do deseti let. Baterii většinou nelze vyměnit, protože pedometr je vyplněn nerozebíratelnou hmotou. Po vybití baterie je nutné koupit nové zařízení. Je-li pedometr vybaven i identifikační známkou, je možné jej používat k identifikaci v dojírně i poté, co se baterie vybije.
 
Při použití baterie 2 500 mA·h a požadavku na dobu provozu deset let (87 600 h) je nutné, aby průměrná spotřeba zařízení nepřesáhla 30 μA.
 
Z názvu zařízení je patrné, že z počátku byly pedometry připevňovány na nohu zvířete. Krabička, ve které je obsažena elektronika, se páskem přitáhla na nohu. Pásek však býval poměrně značně znečištěn zvířecími výkaly, které se stávaly zdrojem infekce. I to byl důvod, proč bylo od umísťování pedometru na nohu upuštěno a začal se upevňovat na obojek kolem krku (obr. 1).
 
Při upevnění pedometru na krku je třeba použít mnohem složitější detekční algoritmus než při upevnění na noze. Na krku je detekována celá škála pohybů (žraní, přežvykování, chůze atd.). Tyto pohyby je nutné detekovat a do výsledného měření zahrnout pouze pohyb chůze. Přestože již nejde o klasický pedometr, ale spíše o pohyboměr, je většinou název pedometr používán i pro tato zařízení.
 

Detekční prvky pedometrů

Při výběru prvků k detekci pohybu hraje důležitou roli jejich spotřeba energie. S vývojem elektroniky její spotřeba klesá a jednotlivé senzory jsou stále dostupnější. Z počátku nebylo možné použít jiné senzory než pasivní. Masivní rozvoj mobilní techniky však nyní dovoluje měřit pohyb trojrozměrnými (3D) senzory.
 
Detekční prvek prvních pedometrů byl založen na rtuťovém senzoru, který snímal pohyb pouze ve vertikálním směru. Při každém otřesu senzoru nad stanovenou hladinu jsou generovány impulzy odpovídající intenzitě otřesů. Tyto impulzy jsou zpracovávány pomocí mikroprocesoru. Pedometr s tímto senzorem je upevňován pouze na nohu. Zaznamenaný počet impulzů je načítán s použitím antén umístěných v dojírně. Při každém průchodu zvířete dojírnou je načten počet impulzů.

Z času předchozího průchodu je vypočítán počet impulzů (kroků) za dané časové období. Algoritmus detekce odchylky těchto pedometrů porovnává aktuální hodnotu s průměrnou hodnotou za poslední dva dny. Jestliže odchylka přesáhne stanovenou mez (např. 100 % – zvíře zdvojnásobilo svou pohybovou aktivitu), je zvíře s tímto pedometrem zobrazeno na signální sestavě pro inseminaci. Nevýhodou těchto pedometrů je, že jsou impulzy načítány v dojírně, a tudíž ho nelze použít u jalovic.
 
Pedometry další generace byly opatřeny senzorem, který se používal v prvních kardiostimulátorech. Šlo o zcela pasivní 3D senzor, který se skládal z cívky a magnetické kuličky. Kostra cívky měla uprostřed kulový prostor, do kterého byla umístěna kulička. Při otřesech se kulička pohybovala v kulovém prostoru a vytvářela tak elektrické napětí na cívce, které bylo následně zesilováno a snímáno mikroprocesorem. Nevýhodou tohoto senzoru je, že citlivost není ve všech směrech stejná a není možné rozpoznat směr pohybu. Díky všesměrovému snímání je ho možné použít k detekci pohybu na krku i na noze.
 
Některé pedometry byly založeny na optických měřicích metodách. Pomocí infračervené diody a fototranzistoru byl určován úhel lomu světla. Tato metoda není všesměrová a senzory jsou aktivní.
 
V současně době většina výrobců používá k detekci pohybu akcelerometry. Ty během posledních pěti let prošly velkým vývojem, protože jsou používány v mobilních telefonech. Jsou to součástky snímající zrychlení ve třech osách. Nejsou pasivní – k vlastní činnosti potřebují napájení. Jejich spotřeba při snímkovací frekvenci okolo 10 Hz je přibližně 6 μA, což je vyhovující pro požadovanou dobu životnosti.
 

Přenos dat z pedometrů

Údaje získané ze senzoru k detekci pohybu je nutné přenést do počítače k jejich následnému vyhodnocení. Před vlastním přenosem mikroprocesor pedometru data částečně zpracuje tak, aby byly do počítače bezdrátově přenášeny pouze relevantní informace (např. počet pohybů za danou periodu).
 
Data jsou většinou přenášena jednosměrně v pásmu UHF na frekvenci 868 MHz nebo 2,4 GHz. Pedometr v dané periodě (např. jednou za 15 min, 1 h) odešle do počítače předzpracované údaje. Obousměrná komunikace se v současnosti nepoužívá pro velkou energetickou náročnost přijímače.
 
Na stáj je umístěna anténa, která sbírá data z jednotlivých pedometrů. Jedna anténa dokáže pokrýt prostor o poloměru přibližně 50 až 70 m ve stáji a až 200 m na volném prostranství. V případě potřeby je možné instalovat více antén. Kdyby anténa nezachytila vysílanou informaci (jde o jednosměrnou komunikaci), chybějící informace se nahradí údajem z předchozího období. Jednotlivé pedometry mohou uchovávat odlišný počet historických dat; může to být až 24 hodnot.
 

Detekce pohybové aktivity na základě akcelerometrů

Informace o zrychlení v jednotlivých osách je přečtena procesorem. Ten na základě detekčního algoritmu rozhodne, o jaký druh pohybu zvířete jde. Na obr. 2 je ukázán průběh zrychlení v jednotlivých osách.
 
Program pro vyhodnocování dat rozezná a eliminuje rotaci pedometru na obojku. Ze všech tří aktuálních hodnot zrychlení je získáván vektor zrychlení, který je porovnáván vždy s předchozím vektorem zrychlení. Přesáhne-li zjištěná odchylka zrychlení určenou hodnotu, znamená to, že se zvíře v této době pohybovalo. Součet jednotlivých dílčích pohybů za určité období představuje informaci o tom, jak zvíře chodilo. Tato informace je poté přenesena do počítače.
 

Detekce přežvykování

V současné době mohou být pedometry vybavovány senzory k detekci přežvykování. Doba přežvykování zvířete představuje důležitou informaci pro chovatele. Nejenže je ukazatelem zdravotního stavu, ale může z ní být také detekována říje. Během říje vzrůstá pohybová aktivita a zkracuje se doba přežvykování.
 
Podle literatury [4] přežvykování začíná nejdříve za 15 a nejdéle za 70 min od ukončení přijmu krmiva a začíná vyvrhnutím obsahu předžaludků do dutiny ústní (rejekce). Na přežvýkání jednoho sousta o hmotnosti 100 až 120 g vykoná kráva 20 až 90 žvýkacích pohybů. Za 1 min vykoná asi 55 pohybů. Po důkladném přežvýkání sousto spolkne a za dalších 3 až 5 s nastává další rejekce. Po přežvykování 50 až 70 soust (za 40 až 50 min) nastupuje období klidu, které je vystřídáno další periodou přežvykování. Poprvé zvíře začíná přežvykovat ve věku čtrnácti až 21 dnů. Plnohodnotné přežvykování nastává až od věku čtyř až čtyř a půl měsíce. První pedometry využívaly k detekování přežvykování mikrofon. Ten snímal frekvenci desítek hertzů a následně vyhodnocoval přežvykování. V tomto pásmu totiž vznikají frekvence na krku, které jsou spojeny s pohybem čelisti.
 
Při analyzování údajů z akcelerometrů bylo zjištěno, že při přežvykování jsou akcelerometrem, je-li pedometr umístěn pod krkem, detekovány specifické pohyby. Na obr. 3 jsou zobrazeny údaje, které byly zjištěny při vzorkování při frekvenci 12 Hz. Na ose y je znázorněna doba klidu, která se střídá s pohybem v tříhodinovém časovém úseku (osa x).
 

Lokalizace

Další funkce, která začíná být přidávána do pedometrů, je lokalizace zvířat ve stáji nebo na pastvě. Tato funkce hodně usnadňuje práci chovatelům, neboť vzhledem k růstu koncentrace zvířat je vyhledávání zvířete ve stádě časově velmi náročné. Všeobecně známý systém lokalizace GPS není možné z důvodu velké spotřeby a nutnosti přímé viditelnosti ze satelitů použít.
 
Jedinou možností, jak tuto úlohu vyřešit, je vytvořit vlastní lokalizační systém. Ten je založen na měření doby letu rádiové vlny od vysílače po přijímač – podobně, jako je tomu u radaru. K detekci musí být přitom použity minimálně tři přijímací antény, aby bylo možné triangulací vypočíst pozice vysílače (zvířete).
 
V současnosti jsou vyvíjeny lokalizační systémy, které pracují na frekvenci okolo 2,4 GHz. Ty se začínají uplatňovat nejen v zemědělství (např. systém OpenRTLS), ale i v automobilovém průmyslu, ve sportu atd. Nevýhodou uvedených frekvencí je velký útlum v budovách, jako jsou zemědělské stavby. Proto je nutné použít větší počet přijímacích antén, což celý systém prodražuje.
 
Naděje jsou vkládány i do systémů lokalizace na dlouhých vlnách, které na rozdíl od lokalizace v pásmu UHF netrpí útlumem v budovách. Pro ně je však nutné použít antény větších rozměrů, přičemž kapacita přenášeného pásma není velká.
 

Detekce druhů pohybů

Někteří chovatelé i nadále preferují systém měření pohybové aktivity na noze, nikoliv na krku. Měřič pohybů umístěný na noze byl rozšířen o detekci:
  • doby ležení,
  • doby stání,
  • doby chůze,
  • počtu kroků,
  • počtu vstání.
 
Tyto informace chovateli pomáhají v určování říje a zdravotního stavu. Oproti tomu systém měření pohybové aktivity umístěný na krku sice není schopen detekovat např. počet vstání, ale detekuje:
  • počet pohybů,
  • dobu strávenou přežvykováním.
 

Farmsoft

K vyhodnocení a řízení systému detekce pohybové aktivity skotu se používá program Farmsoft (obr. 5). Tento moderní ucelený prostředek usnadňuje každodenní práci zootechnika. Zpracovává technologické údaje, je využíván k evidenci různých informací o stádu (produkce, reprodukce, léčení, pastva, obrat, rodokmen) a také ke komunikaci s nadřazenými systémy. Mezi ty patří mj. systém plemenářských dat Plemdat, ústřední evidence skotu nebo systém Webskot pro kontrolu užitkovosti a inseminace skotu. Program zpracovává také koncové výstupy týkající se hospodaření farmy. Do programu vstupuje každý zadaný a zaznamenaný údaj jen jednou a je v něm zpracován. Program má svou síťovou a serverovou verzi a díky přístupu na dálku jsou potřebné údaje vždy dostupné prostřednictvím mobilních telefonů, notebooků, tabletů a PC. Takto mají informace k dispozici všichni, kdo se zvířaty pracují: majitel, ředitel, ekonom, hlavní a stájoví zootechnici, veterináři, plemenáři, inseminační technici a další. K dispozici jsou statistiky, údaje je možné zobrazit v podobě grafů a program umožňuje zadávat různé výběrové a třídicí podmínky. Program rovněž vede přehled o všech technologických procesech, jako je dojení, krmení, vážení, selekce atd.
 

Závěr

Systém měření pohybové aktivity ve spojení s programem Farmsoft nebo Fastos (pro sledování dojnic) byl již instalován na 49 farmách a pedometry tam bylo vybaveno přibližně 20 000 zvířat. Použitá detekční zařízení pomáhají chovatelům dosáhnout optimální plodnosti stáda a umožňují jim řešit včas problémy s reprodukcí a zdravotním stavem zvířat. Pravidelným vyhodnocováním výsledků se nejen výrazně spoří čas, ale jsou i snižovány finančních nákladů na provoz chovu.
 
Informace získané sledováním pohybové aktivity i doby přežvykování a také lokalizací zvířat přinášejí farmáři dokonalejší přehled o dění ve stádě a zefektivňují jeho práci. Při plošném využívání těchto zařízení je velkým přínosem zkrácení doby, po kterou obsluha chovu narušuje svou přítomností klid ve stádě. To přispívá k výraznému zlepšení pohody (welfare) zvířat.
 
Poděkování:
Tento článek vznikl za podpory Ministerstva zemědělství ČR v rámci projektu NAZV QJ1210144.
 
Literatura:
[1] A Guide To using IMU (Accelerometer and GyroscopeDevices) in EmbeddedApplications. STARLINO [on-line]. 2009 [cit. 2013-05-20].
[2] BREHME, U. et al.: ALT pedometer-new sensor-aidedmeasurement systém forimprovement in oestrusdetection. Comput. Electron. Agric., 2007.
[3] BURDYCH, V. – VŠETEČKA, J. et al.: Reprodukce ve stádech skotu. Chovservis, a. s., 2004.
[4] VOŘÍŠKOVÁ, J. et al.: Etologie hospodářských zvířat. Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Zemědělská fakulta, 2001, 168 s., ISBN 80-7040-513-9.
 
Ing. Iveta Novotná, Ing. Petr Smolík,
Ing. Luboš Smutný, Agrosoft Tábor, s. r. o.
 
Obr. 1. Upevnění pedometru na zvířeti: a) na krku, b) detail obojku, c) na noze
Obr. 2. Průběh zrychlení v jednotlivých osách při chůzi zvířete
Obr. 3. Graf četnosti doby klidu při přežvykování
Obr. 4. Lokalizační tag v systému OpenBreacon
Obr. 5. Obrazovka programu Farmsoft