축산업이 대형화 되면서 빠른 성장을 보이고 있다. 하지만 한 농가당 사육두수의 증가로 인한 위생관리부실로 경제적 손실이 전체 총 생산액의 20%인 약 2조원에 육박하고 있고, 이러한 경제적 손실을 막기 위해 축산업에 무선 센서 네트워크 기술 적용이 전 세계에서 연구되고 있다. 본 연구에서는 체온, 호흡수와 더불어 건강의 중요한 지표인 맥박의 지속적인 모니터링을 위한 측정 위치와 방법을 제안한다. 젖소의 중미동맥과 좌측 흉벽에서 맥박을 측정 할 수 있었으며, 측정 방법은 비 침습적이며 탈부착과 관리가 용이한 광 혈류측정 (Photoplethysmography, PPG) 센서를 사용하여 중미동맥과 좌측흉벽에 본 연구에서 제안한 하네스를 이용하여 측정하였다.
축산업이 대형화 되면서 빠른 성장을 보이고 있다. 하지만 한 농가당 사육두수의 증가로 인한 위생관리부실로 경제적 손실이 전체 총 생산액의 20%인 약 2조원에 육박하고 있고, 이러한 경제적 손실을 막기 위해 축산업에 무선 센서 네트워크 기술 적용이 전 세계에서 연구되고 있다. 본 연구에서는 체온, 호흡수와 더불어 건강의 중요한 지표인 맥박의 지속적인 모니터링을 위한 측정 위치와 방법을 제안한다. 젖소의 중미동맥과 좌측 흉벽에서 맥박을 측정 할 수 있었으며, 측정 방법은 비 침습적이며 탈부착과 관리가 용이한 광 혈류측정 (Photoplethysmography, PPG) 센서를 사용하여 중미동맥과 좌측흉벽에 본 연구에서 제안한 하네스를 이용하여 측정하였다.
Today, livestock industry grows faster and bigger. The number of livestock numbers per farm also grows rapidly. The bigger farms need more sophisticated control of livestock to prevent from all possible diseases, especially contagious diseases. In Korea, diseases cause serious economic loss of 2 tri...
Today, livestock industry grows faster and bigger. The number of livestock numbers per farm also grows rapidly. The bigger farms need more sophisticated control of livestock to prevent from all possible diseases, especially contagious diseases. In Korea, diseases cause serious economic loss of 2 trillion won every year, which is about 20% of the total production output. Researches on the wireless bio-signal monitoring technology for livestock are of great importance in the world. In this paper, as a way to predict the possible diseases, we propose a measurement method of the pulse of dairy cows for the continuous health monitoring. It is possible to measure a pulse from central artery and the left chest-wall of the cow. The pulse from central artery is measured by the sensor attached at the tail winding. The pulse at the left chest-wall can also be measured with our newly designed harness.
Today, livestock industry grows faster and bigger. The number of livestock numbers per farm also grows rapidly. The bigger farms need more sophisticated control of livestock to prevent from all possible diseases, especially contagious diseases. In Korea, diseases cause serious economic loss of 2 trillion won every year, which is about 20% of the total production output. Researches on the wireless bio-signal monitoring technology for livestock are of great importance in the world. In this paper, as a way to predict the possible diseases, we propose a measurement method of the pulse of dairy cows for the continuous health monitoring. It is possible to measure a pulse from central artery and the left chest-wall of the cow. The pulse from central artery is measured by the sensor attached at the tail winding. The pulse at the left chest-wall can also be measured with our newly designed harness.
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문제 정의
정확한 젖소의 맥박 측정을 위해서는 측정으로 인해 발생하는 스트레스 요인이 없어야 한다. 따라서 본 연구에서는 사람이 없는 상황에서 비 침습적으로 젖소의 생활을 방해하지 않으면서, 젖소의 맥박을 지속적으로 측정하기 위한 측정위치와 방법을 제안한다.
본 연구는 젖소 맥박의 지속적인 모니터링이 가능하다는 가능성의 확인과 측정된 맥박 데이터의 유효성을 검증하였다. 본 연구는 젖소의 맥박 모니터링을 통하여 젖소의 건강관리 및 젖소의 스트레스관리와 관련된 연구진행에 도움이 될 것이라 기대한다.
국내에서도 IT 기술을 접목한 모니터링 시스템이 관한 연구들이 적지만 진행되고 있다[12]. 본 연구는 젖소의 맥박 상태를 모니터링 하는 시스템을 개발하였다. 선행 연구 조사결과 대부분의 연구들이 건강상태의 기본정보인 젖소의 체온 모니터링, 젖소의 번식장애와 부제병의 판단을 위한 운동 상태 모니터링과 위장장애 연구를 위한 반추위 모니터링을 위한 연구로 진행되고 있음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 센서의 부착이 용이하며, 비 침습적이며, 부착 이후에 사후관리가 용이하면서 맥박의 지속적인 모니터링이 가능한 센서 모듈을 개발하고자 한다. 센서 모듈은 시술이나 사용을 위한 선처리가 필요 없도록, 삽입형이 아닌 외부 부착형으로 연구 방향을 설정하였다.
제안 방법
측정한 데이터는 Zigbee 모듈을 거쳐 중계기에 전송된다. 데이터 수집을 장시간하기 위해서, 저전력소모를 고려하여 회로를 설계하였다.
데이터를 수집하여서 데이터가 젖소의 정상 맥박 범위인 분당 60회∼80회 사이인지 확인하여 데이터의 유효성을 검증한다.
데이터를 수집하여서 데이터가 젖소의 정상 맥박 범위인 분당 60회∼80회 사이인지 확인하여 데이터의 유효성을 검증한다. 또, 본 시스템을 사용하여 사람의 유무에 따른 젖소의 스트레스 정도를 맥박의 변화로 확인하였다.
맥박 파형의 주기를 구하기 위해서 Threshold를 설정하여 peak값을 샘플링 하였다. 분 당 맥박의 계산은 파형의 주기를 구하여 n회 측정한 평균한 값으로 분 당 맥박수를 유추하는 방식으로 하였다.
아래 [그림 18]은 목걸이형 모듈을 부착한 사진이다. 목걸이 모듈은 송아지와 성우의 크기를 감안하여 성우용과 송아지용 각각 따로 제작하였다. 무게는 성우용 350g, 송아지용 250g이다.
본 연구에서 중미동맥과 좌측 흉벽에서 PPG 센서를 이용하여 맥박을 측정하였다. 본 연구에서 제안한 위치와 방법은 젖소의 생활에 지장을 주지 않으면서 무인 상황에서 지속적으로 맥박을 측정 할 수 있다.
센서 모듈은 소에게 스트레스를 주지 않으면서, 파손의 위험이 없고, 지속적으로 부착이 가능한 위치와 방법으로 부착해야 한다. 본 연구에서 제작한 센서 모듈은 센서부를 분리하여 제작하였다. 센서부를 분리함으로 센서부는 작고 얇은 형태의 외형으로 설계하여 측정부위에 따른 제약을 덜 받고 부착이 가능하도록 하였다.
본 연구에서 중미동맥과 좌측 흉벽에서 PPG 센서를 이용하여 맥박을 측정하였다. 본 연구에서 제안한 위치와 방법은 젖소의 생활에 지장을 주지 않으면서 무인 상황에서 지속적으로 맥박을 측정 할 수 있다.
안면동맥의 경우 센서 모듈을 머리에 부착해야하기 때문에 부착의 어려움이 있어서 실험에서 제외하였다. 본 연구에서는 중미동맥과 좌측흉벽에서 맥박 측정을 시도하였다.
맥박 파형의 주기를 구하기 위해서 Threshold를 설정하여 peak값을 샘플링 하였다. 분 당 맥박의 계산은 파형의 주기를 구하여 n회 측정한 평균한 값으로 분 당 맥박수를 유추하는 방식으로 하였다. n회 측정한 맥박의 주기 평균은 실시간으로 평균값을 누적하기 위해서 프로그램에서 처리가 용이한 재귀형 평균 필터를 사용하였다.
아래 [그림 21]과 [그림 22]의 그래프는 사람의 유무에 따른 젖소의 스트레스 상태를 비교한 것이다. 사람이 젖소 근처에 있을 경우 4마리와 사람이 젖소 근처에 없을 경우 4마리 각 30분씩 젖소의 중미동맥에서 분당 맥박 값을 측정하여 평균을 내었다.
본 연구에서는 센서의 부착이 용이하며, 비 침습적이며, 부착 이후에 사후관리가 용이하면서 맥박의 지속적인 모니터링이 가능한 센서 모듈을 개발하고자 한다. 센서 모듈은 시술이나 사용을 위한 선처리가 필요 없도록, 삽입형이 아닌 외부 부착형으로 연구 방향을 설정하였다. 외부 부착 방식으로는 전극방식과 PPG 방식 중에서 부착이 용이하며, 지속적인 모니터링이 가능한 반사형PPG 센서를 사용하기로 하였다.
본 연구에서 개발한 센서 시스템은 소에게 부착되어 데이터를 측정하는 맥박 센서 모듈과 센서 모듈로 부터의 신호를 받아 변환하여 서버로 전송하는 중계기로 크게 나눌 수 있다. 센서 모듈은 측정부위에 부착이 용이하도록 PPG 센서 부분을 독립시켜 소형화하였다. 아래 [그림 7]은 시스템의 개요이다.
센서 모듈을 좌측 흉벽에 부착하는 경우에는 좌측 흉벽에 모듈이 밀접하게 부착되어야 하기 때문에 좌측 흉벽 부분에 부착할 수 있는 조끼형 하네스(Harness)를 제작하였다. [그림 15]는 송아지의 좌측흉벽에 맥박센서를 부착하는 사진이다.
맥박 센서를 중미동맥에 부착하는 경우, 꼬리의 지름이 꼬리 끝단으로 갈수록 좁아지기 때문에 센서의 탈락 가능성이 높다. 센서 탈락을 막기 위해서 승마용품에서 사용하는 네오프렌(Neoprene)을 사용하여 부착성을 높이고, 마차용 하네스(Harness)의 형태를 참고하여 센서모듈을 엉덩이 위쪽에서 당겨주도록 하였다. [그림 14]는 성우의 꼬리에 부착한 센서 모듈이다.
본 연구에서 제작한 센서 모듈은 센서부를 분리하여 제작하였다. 센서부를 분리함으로 센서부는 작고 얇은 형태의 외형으로 설계하여 측정부위에 따른 제약을 덜 받고 부착이 가능하도록 하였다. 센서부의 표면은 글루로 코팅을 하여 마찰력을 높혀 부착성을 높였다.
모든 부품은 소비전력이 작은 부품들을 선택하였고, 가능한 부품의 개수를 줄일 수 있도록 하였다. 소비 전력이 큰 Zigbee 모듈과 PPG 센서는 Sleep기능을 사용하여 필요하지 않을 시에는 전력 소모를 최소화 할 수 있도록 하였으며, 동작 주파수는 최소화하도록 가급적 칩 내부 클럭을 사용하였다. 아래 [그림 8]은 센서 모듈의 구조 블록도이고, [그림 9]는 개발한 회로 보드이다.
송아지의 경우 조끼형 하네스를 장착하여 좌측흉벽에서 맥박 값을 확인 하였다. [그림 20]은 좌측흉벽에서 맥박 값을 확인한 그래프이다.
실험은 건강한 성우와 송아지에 각각 맥박 센서 모듈을 부착하여서 각 소마다 30분 동안 1분에 한번 씩 맥박값을 측정하였다. 데이터를 수집하여서 데이터가 젖소의 정상 맥박 범위인 분당 60회∼80회 사이인지 확인하여 데이터의 유효성을 검증한다.
센서 모듈은 시술이나 사용을 위한 선처리가 필요 없도록, 삽입형이 아닌 외부 부착형으로 연구 방향을 설정하였다. 외부 부착 방식으로는 전극방식과 PPG 방식 중에서 부착이 용이하며, 지속적인 모니터링이 가능한 반사형PPG 센서를 사용하기로 하였다. 하지만 기존의 PPG 센서를 사용한 선행 연구에서 측정위치와 부착방법이 지속적인 모니터링에 부적합함으로 측정위치와 부착방법에 대한 연구를 진행하였다.
젖소에게 적용한 연구 사례도 찾아볼 수 있다. 이 연구에서는 소의 귀에서 반사형 PPG 센서 으로 맥박을 측정하였다[6]. 하지만 이 연구에서 개발한 센서 모듈은 지속적인 측정에 적합한 형태를 하고 있지 않으며, 소의 귀는 손상에 우려가 크기 때문에 지속적인 측정에는 적합한 측정위치가 아니다.
데이터처리
분 당 맥박의 계산은 파형의 주기를 구하여 n회 측정한 평균한 값으로 분 당 맥박수를 유추하는 방식으로 하였다. n회 측정한 맥박의 주기 평균은 실시간으로 평균값을 누적하기 위해서 프로그램에서 처리가 용이한 재귀형 평균 필터를 사용하였다. 재귀형 평균 필터의 기본 공식은 다음과 같다.
성능/효과
1990∼2011년간 젖소 농가감소와 생산 규모 성장 추이를 보여준다. 그래프를 보면 사육 두수는 소폭 감소하여 큰 변화가 없으나, 농가 수는 대폭 감소하여 농가수당 사육수가 크게 증가함을 알 수 있다.
3V로 소자를 통일하였고, 레귤레이터는 동작 시간을 늘리기 위해 전압 드랍 폭이 작은 LDO 레귤레이터를 사용하였다. 모든 부품은 소비전력이 작은 부품들을 선택하였고, 가능한 부품의 개수를 줄일 수 있도록 하였다. 소비 전력이 큰 Zigbee 모듈과 PPG 센서는 Sleep기능을 사용하여 필요하지 않을 시에는 전력 소모를 최소화 할 수 있도록 하였으며, 동작 주파수는 최소화하도록 가급적 칩 내부 클럭을 사용하였다.
본 연구에서 개발한 센서 시스템은 소에게 부착되어 데이터를 측정하는 맥박 센서 모듈과 센서 모듈로 부터의 신호를 받아 변환하여 서버로 전송하는 중계기로 크게 나눌 수 있다. 센서 모듈은 측정부위에 부착이 용이하도록 PPG 센서 부분을 독립시켜 소형화하였다.
사람이 있을 경우의 맥박 값은 분당 약 80회로 사람이 없을 경우의 맥박 값인 분당 약 70회보다 약 10회 정도 높은 것을 확인할 수 있다. 이 결과로 사람이 측정하는 맥박은 측정자체로 발생하는 스트레스로 맥박 값의 신뢰성이 떨어짐을 확인할 수 있었다.
사람이 있을 경우의 맥박 값은 분당 약 80회로 사람이 없을 경우의 맥박 값인 분당 약 70회보다 약 10회 정도 높은 것을 확인할 수 있다. 이 결과로 사람이 측정하는 맥박은 측정자체로 발생하는 스트레스로 맥박 값의 신뢰성이 떨어짐을 확인할 수 있었다.
측정 결과 정상 맥박 범위에서 맥박이 측정이 되는 것을 확인하였으며, 사람의 유무에 따른 맥박 데이터의 차이로 젖소의 스트레스 상황을 확인할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
추가로 안정적인 측정을 위한 부착방법에 대한 지속적인 연구도 필요하다. 더 나아가서는 젖소가 사람이 옆에 있을 때만 스트레스를 받는 것이 아니라 측정 장비 부착에 따른 스트레스도 발생 할 수 있기 때문에, 열화상 카메라 등을 이용하여서 혈류에 따른 온도 변화로부터 맥박을 유추하는 방법 등의 원격에서 맥박을 측정하는 방법에 대한 연구도 필요하다.
본 연구는 젖소 맥박의 지속적인 모니터링이 가능하다는 가능성의 확인과 측정된 맥박 데이터의 유효성을 검증하였다. 본 연구는 젖소의 맥박 모니터링을 통하여 젖소의 건강관리 및 젖소의 스트레스관리와 관련된 연구진행에 도움이 될 것이라 기대한다. 본 연구에서 개발한 측정 시스템의 신뢰성 확보를 위해 여러 개체의 정보를 장기간 수집을 통한 검증이 필요하다.
본 연구는 젖소의 맥박 모니터링을 통하여 젖소의 건강관리 및 젖소의 스트레스관리와 관련된 연구진행에 도움이 될 것이라 기대한다. 본 연구에서 개발한 측정 시스템의 신뢰성 확보를 위해 여러 개체의 정보를 장기간 수집을 통한 검증이 필요하다. 또 상태에 따른 알람 기능 구현을 위해 알고리듬 개발이 필요하며, 알고리듬 개발에는 기존의 사람 대상의 심박 모니터링 시스템의 기준을 적용할 수 있을 것으로 보인다[20].
또 상태에 따른 알람 기능 구현을 위해 알고리듬 개발이 필요하며, 알고리듬 개발에는 기존의 사람 대상의 심박 모니터링 시스템의 기준을 적용할 수 있을 것으로 보인다[20]. 추가로 안정적인 측정을 위한 부착방법에 대한 지속적인 연구도 필요하다. 더 나아가서는 젖소가 사람이 옆에 있을 때만 스트레스를 받는 것이 아니라 측정 장비 부착에 따른 스트레스도 발생 할 수 있기 때문에, 열화상 카메라 등을 이용하여서 혈류에 따른 온도 변화로부터 맥박을 유추하는 방법 등의 원격에서 맥박을 측정하는 방법에 대한 연구도 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
맥박은 무엇인가?
맥박은 내면적으로는 심박에 따르는 혈관 내압의 변동이며 외면적으로는 일종의 혈관 벽의 진동이다. 이처럼 맥박은 심박에 종속적이므로 맥박수와 심박수는 일치함을 확인할 수 있다[16].
심박을 측정할 때 사용되는 대표적인 전극의 종류는 무엇인가?
전극을 이용하여 측정하는 방법은 몸에서 발생하는 생체 전위의 차이를 측정하는 것으로 측정 위치에 민감하다. 사용되는 대표적인 전극의 종류는 표면전극(Surface Electrode), 바늘전극(Needle Electrode), 건식전극(Dry Electrode) 등이 있다. 표면전극은 피부 표면에 부착하여 미세한 전기신호를 잡아내는 방식으로 비 침습적이며, 비교적 정확한 신호 측정이 가능함으로 대중적으로 사용되는 방법이다.
지속적인 모니터링에서 바늘전극을 사용하기 어려운 이유는 무엇인가?
바늘전극은 피하에 바늘을 삽입하여 신호를 측정하는 방식으로 표면 전극을 부착할 수 없는 단시간 수술을 하는 동물이나 사람에게 사용하고 있지만, 지속적인 모니터링의 경우 부착하기 위한 시술의 문제와 삽입 부위에 2차 감염 등의 문제가 있기 때문에 사용이 어렵다. 건식전극의 경우에는 부착이 쉽고, 비 침습적인 방식이지만, 전극의 형태와 부착 방식이 지속적인 부착에는 적합하지 않다.
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