CattleSense: Ein Referenzsystem entsteht

Im Rahmen der Tätigkeiten für das Experimentfeld Cattlehub wurde an der Professur für Schaltkreis- und Systementwurf der TU Chemnitz ein Referenzsystem entwickelt. Zu dieser Entwicklung gehören die Schritte:

1. 1. Definition des Referenzsystems,
   2. Anforderungsanalyse für die Hardware,
   3. Spezifikation des Datenaustauschformats,
   4. Spezifikation einer Android App,
   5. sowie ein robustes Einhausen.

Die fünf Schritte und die Ergebnisse der Inbetriebnahme werden im Folgenden beschrieben.

Zunächst wurde im Projektverband über verschiedene Verhaltensweisen von Milchkühen ein Austausch initiiert. Die technischen Projektpartner konnten so durch die in der Landwirtschaft ausgebildeten Partner Einblicke in die Verhaltensweisen und Gesundheitszustände der Kühe erhalten. Die Verhaltensweisen der Kühe sind mal mehr mal weniger stark nach außen sichtbar. So erkennt ein Laie z. B. nicht direkt, ob eine Kuh wiederkäut oder nicht. Wird jedoch ein Mikrofon am Tier angebracht lassen sich Muster im Körperschall erkennen, die darauf hindeuten, dass das Tier gerade wiederkaut. Eine weitere  wichtige Verhaltensweise von Kühen ist das Liege- und Stehverhalten, welches zur Interpretation des Gesundheitszustandes des Tieres herangezogen wird. Dieses Verhalten wird durch verschiedene Assistenzsysteme beobachtet und daher sollte für dieses Verhalten ein Referenzsystem entwickelt werden.

Abbildung 1 An einem Kuhhalsband stabil eingehauste Elektronik mit Powerbank (Bild Bonn)

Abbildung 2 CattleSense an Kuh angebracht (Bild Bonn)

Verschiedene Sensoren wurden daraufhin analysiert und ein Luftdrucksensor (DPS310 von Infineon) als geeignet ausfindig gemacht. Mit seiner Auflösung von 0,002 hPa, die als eine Höhendifferenz von 2cm interpretiert wird, ist dieser Sensor nach seinem Datenblatt sensitiv genug um die Höhendifferenz zwischen Stehen und Liegen, welche mit ca. 70 cm angenommen worden ist, zu detektieren.

Neben dem Luftdrucksensor wurde auch ein Beschleunigungssensor und ein Bluetooth-Adapter sowie die Möglichkeit die gewonnen Sensordaten auf einer SD-Karte abzuspeichern in die Anforderungsanalyse mit aufgenommen. Neben den reinen Daten und der Granularität ihrer Auflösung wurde auch die Aufnahmefrequenz besprochen. Dazu wurde sich an wissenschaftlichen Veröffentlichungen orientiert.

Die so ermittelte Hardware wurde auf einer Arduino DUE Mutterplatine durch Aufsteckmodule untergebracht. Die programmiertechnische Umsetzung erfolgte in C++. Bei der Programmierung der Speicherfunktion wurde zunächst durch das Cattlehub Team ein Datenaustauschformat spezifiziert. Dadurch kann z.B. sichergestellt werden, dass die Daten ohne größeren Aufwand in die Auswertungsprogramme portiert werden können.

Anschließend wurde die Elektronik in ein stabiles Gehäuse eingebaut und an einem Kuhhalsband angebracht, siehe Abbildung 1. Der Aufbau wurde anschließend testweise an einer Kuh angebracht um Sitz und Praktikabilität zu testen, siehe Abbildung 2.
Um bei der Datenerhebung das Verhalten der Kühe gleich mit aufzunehmen, wurde eine App entwickelt. Ihr zugrunde liegt ein Ethogramm, welches von den tierwissenschaftlichen Projektpartnern erstellt wurde. Eine in der App ausgewählte Verhaltensweise wird per Bluetooth an den CattleSense gesendet und in Echtzeit als Event zu aufgenommenen Daten hinzugespeichert.

Abbildung 3 Ansicht der App. Wird das Verhalten Liegen selektiert (links) öffnet sich ein Auswahlfenster (rechts) mit dem ein vordefinierter Text an den CattleSense samt Zeitstempel gesendet wird. (Bild Chemnitz)

Abbildung 4 Verlauf des Luftdrucks beim auf und absteigen einer Treppe mit einer Stufenhöhe von ca. 17 cm. (Bild Bonn)

Die App wurde mittels dem „MIT App inventor“ hergestellt. Das ist ein grafisches Web-Programm zum Erstellen von Android Apps. Durch Drag and Drop können verschiedene Blöcke miteinander verknüpft und die Programmidee umgesetzt werden. Ein Blick auf die App gewähren die Bilder in Abbildung 3

Das so umgesetzte System wurde im Labor und in Büroumgebung auf seine Funktion getestet. Neben einer grundsätzlichen Zuverlässigkeit des Systems konnte auch die Leistungsfähigkeit der Sensoren und der App getestet werden.

Als Test im Büroumfeld wurden Stufen mit einem Höhenunterschied von ca. 17 cm vom Luftdrucksensor aufgenommen. In der Abbildung 4 ist der Verlauf zu sehen. Die Stufen sind deutlich erkennbar. Der Höhenunterschied zwischen Liegen und Stehen sollte demnach problemlos vom Sensor erkannt werden.

Der Bau des Referenzsystems wurde maßgeblich durch den engen Kontakt zwischen den landwirtschaftlichen und technischen Projektpartnern ermöglicht. Ohne die erarbeiteten Spezifikationen und durchgeführten Absprachen ist der Bau eines Referenzsystems nicht möglich und führt unweigerlich dazu, dass es nicht eingesetzt werden kann.