Implementation and Characterization of In-to-out Body Radio Transmissions for a Ruminal Bolus

Abstract

Actualment, els nodes de sensors sense fils que resideixen a la cambra reticle-ruminal dels animals remugants per recol·lectar i transmetre dades bioclimàtics vitals estan guanyant un reconeixement mundial en el maneig del bestiar. Els beneficis d'aquests dispositius, generalment coneguts com bols ruminals (de detecció), inclouen la supervisió en temps real de l'estabilitat del rumen, la prevenció de pèrdues i la millora del benestar animal. Europa, amb la major exportació de productes lactis del món, ha estat pionera en la investigació i el desenvolupament de bols ruminals, la majoria dels quals treballen a la banda de freqüència d'ús obert i sense llicència dins de les àrees científica i industrial de 433,05 MHz --- 434,79 MHz. D'altra banda, la creixent necessitat d'aplicar bols ruminals adequats al monitoratge de la salut dels petits remugants, com són les ovelles i les cabres, presenta nous reptes per als investigadors. Tenint en compte que la mida corporal d'aquests remugants és molt més petit en comparació amb les vaques, és indispensable reduir la mida del bol ruminal. Això afecta no només l'eficiència de la transmissió ràdio, sinó també a la vida útil del petit bol ruminal, com a resultat de les limitacions d'espai tant per al seu component de radiofreqüència com per a la unitat de potència. Així doncs, per als dispositius utilitzats en xarxes sense fil d'àrea corporal, el consum d'energia sol estar estretament relacionat amb que les configuracions del sistema donat que la transmissió sense fil, no només els elements de transmissió, sinó també influeixen les característiques de transmissió de radiofreqüència en el canal. Desafortunadament, s'han dedicat molt pocs esforços d'investigació al canal sense fil de bols ruminals per a petits remugants. Aquesta tesi doctoral s'ha centrat en la recerca d'una solució de radiofreqüència per bols ruminals destinats a petits remugants, que equilibrar les restriccions en la dimensió i el rendiment del dispositiu. Aquesta solució de radiofreqüència va consistir en la implementació d'una petita antena que pot ajustar-se a un petit bol ruminal que funciona a 433 MHz i la caracterització de la cadena de transmissió de radiofreqüència des de dins del cos amb un petit bol ruminal cap a fora del cos amb un receptor extern. El treball de recerca va començar amb el disseny d'una antena en espiral, amb una estructura geomètrica simple i personalitzada per a l'entorn de propagació de radiofreqüència desitjat. Per investigar l'enllaç de radiofreqüència entre l'antena espiral i un receptor de referència, es van desenvolupar models teòrics de pèrdua de trajectòria, mitjançant mesuraments de laboratori amb líquids de simulació de teixits i anàlisi numèrica amb eines electromagnètiques computacionals tridimensionals. La viabilitat de l'enllaç es va verificar a nivell de sistema mitjançant l'anàlisi de l'estimació de l'enllaç, utilitzant els models teòrics de pèrdua de trajectòria. Més enllà dels estudis de canals teòrics, el canal de transmissió de radiofreqüència real també presenta característiques que varien amb el temps, algunes de les quals estan alineades amb els comportaments biològics dels animals remugants. Per tant, els estudis in situ es van dur a terme amb un animal amb el rumen fisulat situat en un estable. Es van organitzar sèries de mesurament in vivo per investigar els comportaments de la cadena de radiofreqüència en els escenaris reals. Es va desenvolupar un patró de pèrdua de la trajectòria diürna a través d'observacions contínues basades en un prototip d'un petit bol ruminal i un receptor extern al cos. Es van demostrar les variacions en la pèrdua de la trajectòria al canal de radiofreqüència al llarg del dia i es van associar amb els estats digestius ruminals. A partir d’aquests resultats s’ha proposat un pla de reducció de potència combinant el patró de pèrdua de la trajectòria diürna amb el perfil de potència existent del petit bol ruminal.

Actualmente, los nodos de sensores inalámbricos que residen en la cámara retículo-ruminal de los animales rumiantes para recolectar y transmitir datos bioclimáticos vitales están ganando un reconocimiento mundial en el manejo del ganado. Los beneficios de estos dispositivos, generalmente conocidos como bolos ruminales (de detección), incluyen la supervisión en tiempo real de la estabilidad del rumen, la prevención de pérdidas y la mejora del bienestar animal. Europa, con la mayor exportación de productos lácteos del mundo, ha sido pionera en la investigación y el desarrollo de bolos ruminales, la mayoría de los cuales trabajan en la banda de frecuencia de uso abierto y sin licencia dentro de las áreas científica e industrial de 433,05 MHz --- 434,79 MHz. Por otro lado, la creciente necesidad de aplicar bolos ruminales adecuados al monitoreo de la salud de los pequeños rumiantes, como son las ovejas y las cabras, presenta nuevos desafíos para los investigadores. Teniendo en cuenta que el tamaño corporal de estos rumiantes es mucho más pequeño en comparación con las vacas, es indispensable reducir el tamaño del bolo ruminal. Esto afecta no solo la eficiencia de la transmisión radio, sino también a la vida útil del pequeño bolo ruminal, como resultado de las limitaciones de espacio tanto para su componente de radiofrecuencia como para la unidad de potencia. Así pues, para los dispositivos utilizados en redes inalámbricas de área corporal, el consumo de energía suele estar estrechamente relacionado con las configuraciones del sistema dado que en el canal inalámbrico, no solo los elementos de transmisión, sino también influyen las características de transmisión de radiofrecuencia en el canal. Desafortunadamente, se han dedicado muy pocos esfuerzos de investigación al canal inalámbrico de bolos ruminales para pequeños rumiantes. Esta tesis doctoral se ha centrado en la búsqueda de una solución de radiofrecuencia para bolos ruminales destinados a pequeños rumiantes, que equilibrar las restricciones en la dimensión y el rendimiento del dispositivo. Dicha solución de radiofrecuencia ha consistido en la implementación de una pequeña antena que puede ajustarse a un pequeño bolo ruminal que funciona a 433 MHz y la caracterización del canal de transmisión de radiofrecuencia desde dentro del cuerpo con un pequeño bolo ruminal hacia fuera del cuerpo con un receptor externo. El trabajo de investigación comenzó con el diseño de una antena en espiral, con una estructura geométrica simple y personalizada para el entorno de propagación de radiofrecuencia deseado. Para investigar el enlace de radiofrecuencia entre la antena espiral y un receptor de referencia, se desarrollaron modelos teóricos de pérdida de trayectoria, mediante mediciones de laboratorio con líquidos de simulación de tejidos y análisis numérico con herramientas electromagnéticas computacionales tridimensionales. La viabilidad del enlace se verificó a nivel de sistema mediante el análisis de la estimación del enlace, utilizando los modelos teóricos de pérdida de trayectoria. Más allá de los estudios de canales teóricos, el canal de transmisión de radiofrecuencia real también presenta características que varían con el tiempo, algunas de las cuales están alineadas con los comportamientos biológicos de los animales rumiantes. Por lo tanto, los estudios in situ se llevaron a cabo con un animal con el rumen canulado situado en un establo. Se organizaron series de medición in vivo para investigar los comportamientos del canal de radiofrecuencia en los escenarios reales. Se desarrolló un patrón de pérdida de la trayectoria diurna a través de observaciones continuas basadas en un prototipo de un pequeño bolo ruminal y un receptor externo en el cuerpo. Se han demostrado las variaciones en la pérdida de la trayectoria en el canal de radiofrecuencia a lo largo del día y se han asociado con los estados digestivos ruminales. A partir de estos resultados, se ha propuesto un plan de reducción de potencia combinando el patrón de pérdida de la trayectoria diurna con el perfil de potencia existente del pequeño bolo ruminal.

In recent years, using indwelling wireless sensor nodes to collect and transmit essential bioclimatic data from the reticulo-ruminal chamber is gaining a global recognition in cattle management. Benefits of these devices, usually referred to as ruminal (sensing) boluses, include real-time supervisions of rumen stability, loss prevention, and improved animal welfare. As the major export party of global dairy products, Europe has been pioneering in the research and development of ruminal boluses, mostly working at the license-free industrial, scientific, and medical radio band of 433.05 MHz—434.79 MHz. Meanwhile, the increasing need to apply adequate ruminal boluses to monitor the health status of small ruminants, such as sheep and goats, is bringing new challenges to researchers. In consideration of the much smaller body size compared to cows, a notable downsizing of device form-factor is indispensable. However, this would affect not only the radiation efficiency but also the shelf life of the small ruminal boluses, since both the radio component and the power unit would benefit from abundant space. For devices used in wireless body area networks, power consumption is closely related to system configurations in view of the wireless channel: not only the radiation elements, but also the characteristics of the radio transmission channel. Unfortunately, very few research efforts have been dedicated to the wireless channel of ruminal boluses for small ruminants. This doctoral thesis focused on the search of a radio solution for ruminal boluses targeted on small ruminants, which could balance the restrictions in device dimension and performance. This radio solution consists of the implementation of a small antenna that could fit for a compact ruminal bolus working at 433 MHz, and the characterization of the in-to-out body radio transmission channel between a small ruminal bolus and an on-body receiver. A small spiral antenna was devised for integration into a ruminal bolus for small ruminants, taking into consideration of the other encapsulated components and mediums, as well as the in-body environment where the ruminal bolus resides. To investigate the radio link between the spiral antenna and a reference receiver, theoretical path loss models were developed, by means of both laboratory measurement in a tissue-simulating liquid and numerical analysis with 3-dimensional computational electromagnetic tools. Link viability was verified on a system level through link budget analysis, utilizing the theoretical path loss models. Beyond the theoretical channel studies, the actual radio transmission channel also exhibits time-varying features, some of which are aligned with biological behaviors of the ruminant animals. On-site studies were therefore carried out with a rumen-cannulated animal in a barn. Series of in vivo measurement campaigns were arranged to investigate the radio channel’s characteristics in the authentic scenarios. A diurnal path loss pattern was developed through continuous observations based on a prototype of the small bolus and an on-body receiver. Variances of path loss in the radio channel across the day were demonstrated and associated with ruminal digestive statuses. A power-reduction plan was then proposed combining the diurnal path loss pattern to the existing power profile of the small ruminal bolus.