人に優しくスマートな放牧管理を実現する
無線生体管理システムの研究開発（112310005）
九州大学 （大学院農学研究院)
富士通株式会社 (事業企画本部 ﾈｯﾄﾜｰｸｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝｾﾝﾀｰ ﾃｸﾉﾛｼﾞﾌﾛﾝﾃｨｱ室)

平成２4年7月13日
1九州大学：大学牧場

Kyushu University
Kuju Agricultural Research Center
久住山 (1787 m)

福岡
○

大分県
○ Kuju Town

Ku agricultural Research Center2

背 景 １
低炭素社会
自然共生
地球規模での環境調和
物質循環

異常気象
世界規模での 温暖化
環境汚染
これまで均一規格、見た目の美しさ、安定供給、大量生産

もっとも環境に近い産業

農業

方向性を誤ると……..

一方….

環境にもっとも 負荷を与える
現実は環境汚染の原因

現実は次世代の農業システムは、農業のビジネスとしての側面
農産物の質と生産力の向上
世界規模での新しいシステム
農産物や環境産業のグローバライゼーションの創造と構築が望まれる。
新しい次世代型農業システムの創造と構築
農業の次の世代を担う“元気のある若手農業従事者”が誇りをもつことのできる、儲かる農業システムの構築が必要

背 景 ２
食料生産のしくみ変革がもとめられている。
東日本大震災

福島県東京電力第一原発事故☑ 平和、災害、ヒトの絆、経済、および政治等
ライフスタイルにおける価値観の変革

4

背 景 ３
これからの農業をどのように構築していくか？
スローフード型✓安心・安全な食量生産✓環境にやさしい農業✓農薬、化学肥料を使わない
方向✓昔ながらの農業
✓労力増大
✓低生産量

どちらがよいか？
ＴＰＰ対応は？

日本の先端技術を農業へ結集

第３型：日本アジア型農業の開発と構築

プラント型✓安心・安全な食量生産。
✓人工的に環境制御⇒ 要エネルギー⇒ コスト大✓農薬、化学肥料を使わない
方向 ⇒ 閉鎖的合理的システム✓工場的生産システム⇒ 生物としての多面的機能？
✓低生産量。

✓農業の仕組みの変革： 地球規模での物質循環を基準とした生産システム構築へ✓農業における情報の高度センシング：✓ 効率化による生産性の増大、品質向上✓ 労力の低減、化学肥料や農薬使用の低減
先端技術を活用して自然共生する ✓ 農業における多面的機能を維持⇒ 景観保全、生物の多様性の維持等

5背 景 ４
脂肪生産（霜降り牛肉、皮下脂肪等の廃棄される体脂肪）

現在の和牛の生産
輸入穀物飼料
給与飼料90%以上
・飼料価格の高騰
・輸入飼料の安全性→食の安全性
脂肪交雑度の高い霜降り肉⇒ 硬直したマーケット

・環境負荷：排泄物(４t /頭以上)
廃棄脂肪(約300㎏/頭)食の安全：BSE
伝染病：口蹄疫
動物福祉の問題

粗飼料を主体とした肥育：牛が本来持つ物質循環機能を有効活用
本来、微生物によるルーメン
分解
微生物

ヒトが活用できない
植物資源（セルロース、ヘミセルロース等）

良質タンパク生産
資源循環
自然共生
環境調和機能糞尿
植物

課題：粗飼料（植物資源）肥育の技術が確立されておらず、肉質や産肉性が低い 6

物質循環における牛の役割

牛肉

１０％以下

筋肉
微生物が植物繊維成分を分解

草食動物特有の胃
９０％以上
糞尿

草資源から牛肉（タンパク質）をつくる
7

九州大学 高原農業実験実習場の戦略
草食動物の物質循環機能と先端技術を高度活用した
日本独自の環境保全的で持続的な生産システムの構築：
日本型フードチェーン・システムの構築
草での飼養に適した牛をつくる

生物と環境

新しい飼養技術：ウシの体質制御、代謝生理的インプリンティング

放牧管理

国内草資源のフル活用：
耕作放棄地の活用
日本型フード・チェーン

NatureNew technology

国内の粗飼料と穀物飼料

牛肉生産

excrement(fertilization)

Q beef

ＩＴ技術を活用した
高度放牧管理システム

Return or Recycle
還元とリサイクル
安全性と品質管理
新しい肉質評価とマーケットの創出

8

目 的 １9

共同研究．人に優しくスマートな放牧管理を実現する
無線生体管理システムの研究開発

九州大学知的財産本部 プロジェクト支援グループ

10◆Ｈ２３～２４年度：総務省ＳＣＯＰＥ 地域ＩＣＴ振興型研究開発として研究開始
外部との通信に関して研究

1頭のウシを事故や病気で死亡させると40－200万円の損失！
牛の位置管理
外部接続用
無線モジュール

牛の管理画面例（集中管理）

ＩＴ実験牧場

バイタルセンサー（埋め込み）
インプラント

ワイヤレス通信の可能性を検証（体内通信）

牛の個体管理九州大学知的財産本部 プロジェクト支援グループ

目 的 ３11

測位システムの有効性

放牧経営の問題点
 放牧時の事故の発生
 放牧経営の負荷大 子牛生産の効率化の実現
 放牧地の確保

放牧地における遠隔管理
 遠隔測位による放牧時の事故の未然防止
 遠隔監視による牧場経営負荷の低減
 生体情報管理による家畜の状態把握
 耕作放棄地などの土地の有効活用

スマートな放牧管理システムによる効果
事故の予防 状態管理

頭数管理

→遠隔放牧管理システムの実現可能

位置管理
12

測位システム
測位計算エンジン
電波強度から位置を算出

位置情報DB
個体情報DB インターネット
 ローカルエリアネットワーク

データ集約

屋外での管理

自宅での管理

電波強度測定タブレットなど、モバイル端末での表示

測位システム
GPS測位

受信電波強度による測位

GPS電波を受信する必要あり⇒GPS電波を受信できないところは測位が不可能

センサーネットワーク設備のみで測位可能⇒電波状態悪いところは無線機を増設することで対応可能無線機とGPSモジュールを到着する必要あり

データ疎通用無線機のみで測位が可能

消費電力の増加バッテリー重量の増加⇒牛への負担増加⇒メンテ負荷の増加

低消費電力化の実現⇒牛への負担軽減⇒メンテ負荷の軽減

測位用の設備投資不要。データ通信の「ついで」に測位が可能。
設備投資の削減

低消費電力化の実現

放牧規模に合わせたシステム構築

無線機の仕様■無線インターフェース仕様
無線規格：
ARIB STD-T67
空中線電力：10mW
通信方式：
単信または単向
無線区間通信速度： 4.8kbps
数帯：
430MHz帯
最大中継数：10ホップ■環境条件
サイズ： 縦150㎜×横10㎜×奥行70㎜（アンテナ含まず）
使用温度：－20℃～＋65℃
湿度：10％～90％
その他： GPSモジュール搭載

15電界強度3辺測位法
 RSSIが距離のα乗に比例して減衰する電波の性質と、固定局の位置を用いて3辺測位を行う方法

固定局2

移動局

固定局116実験現場の概要
移動局位置
固定局位置

ID=13ID=1B

ID=12ID=16ID=17

面積：約77.5Ha高低差：約150m
平均高度：約950m

ID=1C
ID=11ID=1A

ID=15ID=14ID=19ID=18500m

一定の電波強度を持つカバレッジを確保できる環境で測位アルゴリズムの実験を行った。
17測位実験結果
 電界強度3辺測位法による測位実験を実施
1Mobile Node(Estimation)
Mobile Node(Truth)
Fixed Node

600

0.9
0.8

400

0.7
0.6Y(m)CDF

200

0Proximity
Random
Proposed

0.5
0.4
0.3

-200
0.2-400

0.1-600

-400

-200

0

200
X(m)

400

600

800

1000

電界強度3辺測位法による測位結果

00

100

200120m

300

400
500
600
Localization Error (m)

700

800

900

1000

測位誤差の比較

CDF=50%値で 電界強度3辺測位法：約120m程度の推定誤差
18今後の予定
 測位精度の向上による利用シーンの拡大

誤差130m

複数の放牧地において、どこの放牧地にいるか？

誤差50m以下

放牧地内のどこにいるか？
⇒耕作放棄地への適用⇒群の管理・はぐれ牛の管理⇒迷い牛の探索精度向上

 測位アルゴリズムのブラッシュアップによる精度向上
 地形など、現場の状況を更に考慮したRSSIと距離の相関関係の確立
 様々な環境での実証および実データの更なる収集

 利用シーンに即したシステムプロト開発
19測位システム
測位計算エンジン
電波強度から位置を算出

位置情報DB
個体情報DB インターネット
 ローカルエリアネットワーク

データ集約

屋外での管理

自宅での管理

電波強度測定タブレットなど、モバイル端末での表示

バイタルセンシング：一つの試み

無線機

家畜取り付けたセンサー・アクチュエータ

家畜に取り付けた
各種セン
サー・ア
クチュ
エータ

・ルーメン内にセンサーを埋め込み・血管内にセンサー埋め込み・その他体内及び体表にセンサー取り付け
これらにより体温、血中成分、ホルモン成分、肉質、脈拍、心拍、心電などのバイタ
ルデータを検出し、発情管理、分娩管理、健康管理、えさの管理などを行う。
体内に埋め込んだカプセルで自動的に治療薬などを投入
2121

インプラントへの試み １
目的：✓ 牛の発情を制御することは畜産農家にとって、有益な技術である。
✓ 未来の技術として、IT技術とインプラント技術を活用して、発情制御技術を模索することは重要と考えた。

発情：✓

ウシは21日周期で発情が回帰する。この発情は、マウンティング等の特異行動の観察により発見できる。しかしながら、個体によっては、その行動発現が弱い個体もみられる。また、この発見を逃すことで、最終的に収入が遅延することとなり、農家の経営を圧迫する。

✓一方で、週末や忙しい時に発情が発見され、人工授精することは農家のQOLにとっても、改善したいところである。

22

インプラントへの試み ２✓マイクロインフュージョンポンプを活用したシステムの実証試験を検討している。
（ミスズ工業株式会社、商品名 iPRECIO）✓ウシの発情を確認し、センシングする方向とは別に、ホルモン剤にて、ヒト側で発情を制御するしくみを検討している。
✓ミスズ工業（Primetech社）が開発している実験用のマイクロインフュージョン
ポンプをウシにインプラントして、発情を誘発するホルモン（プロスタグランディン）をプログラムにより時間を制御して体内で放出させ、発情を制御するシステムを検討中である。

23

インプラントへの試み ３

インプラント埋め込み部位
インプラント部位＊この部位の皮下に置いた。
底部は、腹膜と腹筋があり、外部からの圧迫にも衝撃が少ないと予想した。
24

インプラントへの試み ４

今回、インフュージョンポンプによるインプラント型発情制御はできなかった。
しかしながら、インプラント手術に対するウシの耐久性、あるいはインプラント位置等の検討ができた。
今後は、ホルモン制御だけでなく、体温センサー等のインプラントによるセンシング技術をＢＡＮ（Body area network）技術と組み合わせて開発したい。

術後 6日目25

ウシにおけるＭＥＭＳ血流センシング
発情センシングのための活用の可能性？

九州大学MEMS血流センサー
トリ用センサー

ヒト用センサー

90秒に１度、血流測定値の最小2msec毎に血流測定値を無線で値を無線で転送する。
転送する。
長期測定用で、血流全体の変化脈拍や脈波高さなどが波形で詳を捉えるためのもの。
細に捉えられる。
＊協力：澤田廉士 教授、九州大学大学院システム生命科学府
ナノマイクロ医工学研究室

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ウシにおけるＭＥＭＳ血流センシング
発情センシング

外陰部

剃毛して測定測定部位の検証

外陰部の下

尾の付け根

膣内部

大腿部
足首部

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ウシにおけるＭＥＭＳ血流センシング
屋外パドックでの連続測定実験
膣内挿入センサー

センサーの縫付け

バッテリーの大容量化

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ウシにおけるＭＥＭＳ血流センシング
血流データの分析方法（例）

心拍数，脈波高さ

LF・HF・LF/HFのデータ区間

・平均血流量 ・・・データ全体で平均・心拍数，脈波高さ・・・波形が比較的綺麗な40秒のデータを複数（最大で5箇所）とり、平均値を算出

・LF・HF・LF/HF ・・・300秒のデータで算出（交感神経機能の相対的影響）
・CVRR
・・・100心拍の心周期変動係数（心拍変動の乱れ度合い）
・1心拍あたりの血流量/脈波高さ・・・上記の値より計算＊その他、体温センシング等も他のデバイスで行っている。

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まとめ および 目標１：スマートな畜産
位置とバイタルセンシング
繁殖牛（母牛）の飼養
ＢＡＮ ＋ インプラント

牛肉生産

スマートフォン

発情、体温等30

まとめ および 目標 ２：スマートな畜産
ベース
低炭素社会
自然共生
地球規模での環境調和
物質循環
日本のみならず、世界の種々の地域の環境、および食や農業文化に調和した形で、先端センシング技術を活用した新しい畜産システムの構築

日本人の英知を持ってすればかならず世界の畜産を圧巻できる！
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