Development of Internet of Things-Based Rumen Health Monitoring Prototype with Fuzzy Logic Controllers for Cattle

Abstract

In this study, a prototype based on fuzzy logic (FL) controller and internet of things (IoT) was developed to monitor rumen health parameters in cattle. In the system build as a prototype, the monitoring process related to the parameters is followed through three different applications developed on the Android operating system, the Thingspeak service and the WEB environment. The first application, which is an Android-based program, warns the user in case of any abnormality related to the rumen health. The other two applications allow monitoring and analyzing rumen health parameters in real time. The system implements a process that measures at varying time intervals to display the values of rumen health parameters, pH and temperature. The management of this process is carried out by the FL controller depending on the pH and temperature changes. This measurement, which is made at varying time intervals, is the most important feature that distinguishes our study from studies in the literature. Because in the studies reported in the literature, measurements are made at fixed time intervals. The relevant feature brings with it two important contributions for the system we propose. The first is to accelerate the precautions to be taken regarding animal health by enabling the system to measure at more frequent intervals in cases of deterioration in the pH level of rumen. The second is to reduce the energy consumed by the parameter measuring device from the battery by allowing the system to measure at longer intervals when the pH level of rumen is in balance.

Keywords

• Internet of things
• Wireless networks
• Fuzzy logic controller
• Rumen health
• pH measurement

Büyükbaş Hayvanlar için Bulanık Mantık Denetleyiciler ile Nesnelerin İnterneti Temelli Bir İşkembe Sağlığı İzleme Prototipinin Geliştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada büyükbaş hayvanların işkembe sağlık parametrelerini izleme amaçlı bulanık mantık (BM) denetleyiciler ile nesnelerin interneti (Nİ) temelli bir işkembe sağlığı izleme prototipi geliştirilmiştir. Geliştirilen prototipte android sistemi, thingspeak servisi ve WEB arayüzü olmak üzere 3 farklı izleme ve görüntüleme ortamı kullanılmıştır. Bu amaçla geliştirilen uygulamalardan android temelli uygulama işkembe sağlığı ile ilgili bir anormalik oluşması durumunda kullanıcıyı ikaz eder. Diğer iki ortam için geliştirilen uygulamalar ise işkembe sağlığı verilerini izlemeye ve analiz etmeye olanak sağlar. Geliştirilen prototipi literatürde önerilen çalışmalardan ayıran en önemli özelliği; bu çalışmalarda sabit aralıklarla ile ölçülen pH ve sıcaklık değerlerinin aksine ölçümlerin bizim çalışmamızda pH ve sıcaklık indislerinin dengede olup olmadığı duruma bağlı olarak değişen zaman aralıkları ile yapılmış olmasıdır. İşkembe içerisinde ölçümlerin ne kadar zaman aralıkları ile yapılacağına bu amaç için tasarlanan BM denetleyici karar verir. Bu özellik bir yandan pH dengesizliğinin olduğu durumlarda işkembeden daha sık ölçümler alınması yoluyla hayvanın sağlığı ile ilgili alınması gereken önlemleri hızlandırırken, diğer taraftan işkembenin dengeli pH seviyesine sahip olduğu durumlarda daha aralıklı ölçümler alınması yolu ile işkembe içerisinde bulunan ölçüm cihazının pil üzerinden tükettiği enerjiyi azaltır.

Keywords

• Nesnelerin interneti
• Kablosuz ağlar
• Bulanık mantık
• İşkembe sağlığı
• pH ölçümü.

References

1. G. Levent and M. Bozuklu, "Nesnelerin interneti: Yapılan çalışmalar ve ülkemizdeki mevcut durum," Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi, vol.13, pp. 47-68, 2016.
2. E. Tuncay and M. Kutay, "Endüstride nesnelerin interneti (IoT) uygulamaları," Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, vol. 16, no. 3, pp. 599-607, 2016, doi: 10.5578/fmbd.43411.
3. A. Vahid, and O. Dağdeviren, "Nesnelerin interneti için gerçek zamanlı tasarsız veri toplama platform," Bilişim Teknolojileri Dergisi, vol. 13, no. 4, pp. 451-462, 2020, doi: 10.17671/gazibtd.745598.
4. S. K. Supreeth, "IoT – Wildlife monitoring, virtual fencing with deforestation notifications," International Research Journal of Engineering and Technology, vol. 06, no. 02, pp. 1837-1840, Feb 2019.
5. G. Songtao, Q. Min, L. Xiaorui, X. Pengfei, H. Gang, Y. Xiaoyan, X. Luo, J. Xuelin, S. Jianbin, C. Xiaojiang, F. Dingyi, L. Baoguo, "The application of the internet of things to animal ecology," Integrative zoology, vol. 10, no. 6, pp. 572-578, 2015, doi: 10.1111/1749-4877.12162.
6. P. Dulari, A. Bhushan, B. Bhushan and V. C. Chandel, "Internet of things (IoT) to study the wild life: a review," Journal of Biological and chemical Chronicles, vol. 6, no. 2, pp. 11-15, 2020.
7. M. A. H. Faysal, M. R. Ahmed, M. M. Rahaman and F. Ahmed, "A Review of groundbreaking changes in the poultry industry in Bangladesh using the internet of things (IoT) and computer vision Technology," 2021 International Conference on Automation, Control and Mechatronics for Industry 4.0 (ACMI), 2021, pp. 1-6, doi: 10.1109/ACMI53878.2021.9528235.
8. M. Singh, R. Kumar, D. Tandon, P. Sood and M. Sharma, "Artificial intelligence and IoT based monitoring of poultry health: a review," 2020 IEEE International Conference on Communication, Networks and Satellite (Comnetsat), 2020, pp. 50-54, doi: 10.1109/Comnetsat50391.2020.9328930.

9. M. H. Memon, W. Kumar, A. Memon, B. S. Chowdhry, M. Aamir and P. Kumar, "Internet of things (IoT) enabled smart animal farm," 2016 3rd International Conference on Computing for Sustainable Global Development (INDIACom), 2016, pp. 2067-2072.
10. A. Patil, C. Pawar, N. Patil and R. Tambe, "Smart health monitoring system for animals," 2015 International Conference on Green Computing and Internet of Things (ICGCIoT), 2015, pp. 1560-1564, doi: 10.1109/ICGCIoT.2015.7380715.
11. K. A. Gündüz and E. T Akyüz, "Nesnelerin interneti ve hayvancılık alanındaki uygulamalar," Selçuk Üniversitesi Sosyal Ve Teknik Araştırmalar Dergisi, vol. 14, pp. 232-246, 2017.
12. C. H. Huang, P. Y. Shen and Y. C. Huang, "IoT-based physiological and environmental monitoring system in animal shelter," 2015 Seventh International Conference on Ubiquitous and Future Networks, 2015, pp. 317-322, doi: 0.1109/ICUFN.2015.182557.
13. Faruq, I. Syarif, A. S. Ahsan, M. U. H. Al Rasyid and Y. P. Pratama, "Health monitoring and early diseases detection on dairy cow based on internet of things and intelligent system," 2019 International Electronics Symposium (IES), 2019, pp. 183-188, doi: 10.1109/ELECSYM.2019.8901527.
14. A. A. Chaudhry, R. Mumtaz, S. M. Hassan Zaidi, M. A. Tahir and S. H. Muzammil School, "Internet of things (IoT) and machine learning (ML) enabled livestock monitoring," 2020 IEEE 17th International Conference on Smart Communities: Improving Quality of Life Using ICT, IoT and AI (HONET), 2020, pp. 151-155, doi: 10.1109/HONET50430. 2020.9322666.
15. S. Muthumanickam, B. Keertana, L. Lavanya, S. Madhumitha and P. Sathvikaa, "Hardware implementation of health monitoring of domestic animals using RFID," 2021 International Conference on System, Computation, Automation and Networking (ICSCAN), 2021, pp. 1-6, doi: 10.1109/ICSCAN53069.2021.9526431.
16. A. Zaitov, "Internet of things for monitoring grazing cattles," PhD Thesis, School of Information and Communication Technology, KTH Royal Institute of Technology Stockholm, 2016.
17. T. Xia et al., "Research and application of cow estrus detection based on the internet of things," 2017 IEEE International Conference on Computational Science and Engineering (CSE) and IEEE International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing (EUC), 2017, pp. 665-667, doi: 10.1109/CSE-EUC.2017.125.
18. D. Gurusamy, T. K. Elemo, E. Emare and S. A. Kamaru, “Internet of things and wireless sensor network a technological marvel in better monitoring of cows,” International Journal Of Information and Computing Science, vol. 6, no. 4, pp. 53-58, 2019.
19. J. Park and E. Park, "Monitoring method of movement of grazing cows using cloud-based system," ECTI Transactıons On Computer and Informatıon Technology, vol. 15, no. 1, pp. 24-33, 2021.
20. C. Yoon, M. Huh, S. -G. Kang, J. Park and C. Lee, "Implement smart farm with IoT technology," 2018 20th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT), 2018, pp. 749-752, doi: 10.23919/ICACT.2018. 8323908.
21. A. Easwaran,, P. Arvindan, E. Dhanyasree, R. Surya and S. Selvakumar, "Internet of things enabled smart animal farm prototype," In Journal of Physics Conference Series, vol. 2070, No. 1, 2021, pp. 1-10, doi:10.1088/1742-6596/2070/1/012115.
22. E. Kandemir, "Tak-Üret modunda tek dönüştürücülü maksimum verimde çalışan şebeke bağımlı PV panel sistemi tasarımı," YL tezi, Akdeniz Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Antalya, Türkiye, 2015.
23. J. Vedashree, S. Abinaya and M. H. Kishor. "Fire monitoring system using RF modüle," International Journal of Advance Research, Ideas and Innovations in Technolog, vol. 5, no. 2, pp. 579-581, 2019.
24. "Arduino ile RF 433 MHz kablosuz iletişim modülü kullanımı, " www.kodlakafa.com, [Online]. Available:http://www.kodlakafa.com/arduino/arduino-ile-rf-433-mhz-kablosuz-iletisim-modulu-kullanimi/ [Accessed: March 28, 2019].
25. "RF alıcı ve verici modül teknik özellikleri, " www.robotiksistem.com, [Online]. Available: http://www.robotiksistem.com/rf_alici_verici modul html, [Accessed: March 25, 2019].
26. A. Karacı, "Akıllı şehir hava takip sistemi ve astım hastaları için PM2.5 konsantrasyonu ölçüm aracının geliştirilmesi," Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, vol. 6, no. 3, pp. 418-425, 2018.
27. E. Çağatay and Ö. Z. Ali. "İş sağlığı ve güvenliği için IoT tabanlı gömülü sistem tasarımı ve uygulaması," Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, vol. 18, pp. 494-504, doi: 10.31590/ejosat.692616.
28. F. Gürcan, "Büyükbaş hayvanlarda işkembe sağlık durumu izleme sistemi prototipinin geliştirilmesi," YL Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Türkiye, 2019.