구제역 예방을 위한 축우의 실시간 체온 모니터링 방법 및 사례
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구제역 예방을 위한 축우의 실시간 체온 모니터링 방법 및 사례 연구 김희진*, 오세은**, 안세혁*, 최병주*** Real-time Monitoring Method of Cattle’s Temperature for FMD Prevention and Its Case Studies Heejin Kim*, Seeun Oh**, Sehyeok Ahn*, and Byoungju Choi***
![142 구제역 예방을 위한 축우의 실시간 체온 모니터링 방법 및 사례 연구
Ⅰ. 서 론
구제역(Foot-and-Mouth Disease, FMD)은 소, 돼지,
양, 사슴 등 발굽이 둘로 갈라진 동물에 감염되는
질병으로 전염성이 매우 강하다. 소의 경우 발병 초
기 39.4℃~40.6℃의 고열 증상을 보이며 입술, 혀,
유두, 발굽 등에 수포가 생긴다. 구강에 생긴 수포
로 인해 침을 심하게 흘리고 사료 섭취를 기피하므
로 식욕 저하, 체중 감소가 동반된다. 임신우의 경
우 유산을 일으킬 수 있으며 젖소는 착유량이 50%
정도 감소한다. 성우의 경우 이환율은 높고 폐사율
은 낮은 편이지만, 6개월 미만의 송아지는 별다른
증상 없이 심근염에 의해 폐사에 이르기도 한다. 세
계동물보건기구(OIE)는 구제역을 중요 가축 전염병
으로 지정하여 발병 시 동물 및 축산물의 국제 교
역을 제한하고 있다[1][2].
최근 2017년 2월, 충북 보은, 전북 정읍, 경기 연
천 등 국내에서 구제역 확진 판정이 나와 한 달간
예방적 살처분을 포함하여 21개 농장의 소 1,425마
리가 살처분 되었다. 우리나라는 1933년 최초로 구
제역이 발병하였고 2000년, 2002년에 이어 발생하였
다. 그 이후 2010년 1월 소에서 6건이 발생하였고,
같은 해 11월부터 이듬해 4월까지 전라도와 제주도
를 제외한 전국에 창궐하여 우제류 347만 9962마리
가 살처분 되는 등 역대 최악의 피해를 내었다.
2014년 7월과 12월에 잇따른 발생으로 각각 돼지
2009마리, 우제류 17만 2798마리가 살처분 되었으며
2016년 1월 21개 농장에서 재발하여 3만 3073마리
의 돼지가 살처분 되었다. 이와 같은 구제역 발생에
따른 살처분 보상금, 방역 비용, 매몰지 관리 비용
등의 경제적 피해뿐만 아니라, 축산물의 수출 중단
및 국내 소비 감소로 인한 피해까지 동반되어 막대
한 경제적 손실을 가져왔다[1].
구제역은 현재까지 개발된 치료법이 없고 단 한
번의 발생으로 막대한 피해를 입히므로 백신 상시
접종으로 구제역을 예방하고 발병 시 구제역 확산
방지를 위해 외부 출입 차단 방역, 이동 제한 등으
로 그 피해를 줄이는데 노력하고 있다. 그러나 구제
역 백신은 혈청형 간에 교차 방어가 되지 않고 접
종 후에도 면역 유지기간이 짧아 주기적으로 백신
을 접종해야 하는 어려움이 있으며, 접종 이후 항체
형성 과정에서 고열이 발생하는 경우가 있어 일부
축산 농가에서는 백신 접종 자체를 기피하는 실정
이다. 이에 백신 부작용의 피해 절감과 질병의 조기
발견을 위해 효율적으로 가축을 모니터링하는 IT
융합 기술의 활용이 축산 업계에서 관심을 받고
있다.
가축의 체온은 전반적인 건강 상태와 신체 대사
수준을 반영하는 신뢰도 높은 생물학적 지표이다.
축우는 24시간을 주기로 규칙적인 패턴에 따라 체
온이 변화하는데, 질병, 발정, 분만 등과 같은 상황
에 따라 체온 변화를 보인다[3]. 구제역의 경우 체
내에 침입한 바이러스가 축우의 인두에 증식하는
과정에서 약 40℃의 고열이 발생하므로 체온 변화
를 실시간으로 모니터링 하는 것은 구제역 대응을
위한 효과적인 예방책이 될 수 있다.
따라서 본 논문에서는 축우의 실시간 체온 모니
터링 방법으로 경구 투여용 센서를 활용한 방법을
제안한다. 또한 이를 적용한 실증 사례들을 분석함
으로써 제안하는 방법이 구제역 예방에 효과적임을
입증한다. 제안하는 방법을 활용해 수집한 실시간
체온 데이터는 축우 건강 상태 이상 발생 시, 실시
간으로 사용자에게 공유되어 조기 질병 발견과 신
속한 대응을 가능하게 한다. 이로써 구제역 확산을
방지하고 치료비용 절감 및 폐사율 감소 등의 효과
를 가져 올 수 있다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 관련
연구에 대해 살펴보고, 3장에서는 구제역 예방을 위
한 실시간 체온 모니터링 방법에 대해 설명한다. 4
장에서는 실증 사례 및 사례 분석에 대해 기술하고,
마지막으로 5장에서는 결론 및 향후 연구에 대해
기술한다.
Ⅱ. 관련 연구
2.1 기존 구제역 예방 및 방역 조치
구제역 바이러스는 공기 전파를 통해 감염지역으
로부터 수십 km의 외부 반경까지 확산될 수 있으
므로 이를 방지하기 위해 발생 초기 대량의 가축을
살처분한다. 가축전염병 예방법에 따라 구제역으로](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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- 1. Journal of KIIT. Vol. 15, No. 5, pp. 141-150, May 31, 2017. pISSN 1598-8619, eISSN 2093-7571 141 * 주식회사 유라이크코리아 ** 이화여자대학교 컴퓨터공학과 *** 이화여자대학교 컴퓨터공학과 교수(교신저자) 접 수 일: 2017년 04월 04일 수정완료일: 2017년 05월 17일 게재확정일: 2017년 05월 20일 ž Received: Apr. 04, 2017, Revised: May 17, 2017, Accepted: May 20, 2017 ‧ Corresponding Author: Byoungju Choi Dept. of Computer Science and Eng., Ewha Womans University 52, Ewhayeodae-gil, Seodaemun-gu, Seoul, Korea Tel.: +82-2-3277-2593, Email: bjchoi@ewha.ac.kr 구제역 예방을 위한 축우의 실시간 체온 모니터링 방법 및 사례 연구 김희진*, 오세은**, 안세혁*, 최병주*** Real-time Monitoring Method of Cattle’s Temperature for FMD Prevention and Its Case Studies Heejin Kim*, Seeun Oh**, Sehyeok Ahn*, and Byoungju Choi*** 요 약 급성 바이러스성 전염병인 구제역은 넓은 숙주 범위와 빠른 전파 속도로 인해 단 한 번의 발생으로 농가와 지역 경제에 막대한 피해를 입힌다. 구제역 예방 및 확산 방지를 위해 백신 상시 접종, 외부 출입 차단 방역 등을 시행하고 있지만, 현재까지 별다른 치료법이 없는 현실이다. 본 논문에서는 구제역 예방을 위해 경구 투 여용 센서를 활용한 실시간 체온 모니터링 방법을 제안한다. 경구 투여용 센서는 축우의 경구를 통해 반추위 내에 안착되어 외부 환경의 간섭 없이 정확한 축우의 심부 체온을 측정하여 수집하는 것을 가능하게 해준다. 수집된 실시간 체온 데이터를 기반으로 축우의 건강 상태를 확인하고 관리하는 것은 구제역 예방을 위한 효과 적인 예방책이 될 수 있으며, 이상이 생겼을 경우 빠른 조치로 피해를 절감할 수 있다. 또한 실증 사례 연구를 통해 제안하는 방법이 구제역 예방에 도움을 줄 수 있음을 확인할 수 있었다. Abstract Foot-and-mouth disease(FMD), an acute viral epidemic, causes massive damage to farms and local economies with only one outbreak due to its wide host range and rapid propagation rate. In order to prevent widespread FMD, vaccination is carried out at all times, and external access is blocked. However, there is no cure until now. In this paper, we propose a real-time monitoring method of cattle’s temperature using an oral administrated type sensor for prevention of FMD. An oral injected sensor is placed in the ruminant stomach and enables to measure and collect the core body temperature without external environment interference. Checking and managing the health status of the cattle based on the collected real-time body temperature data can be an effective precaution for preventing FMD. In addition, the empirical case studies show that the proposed method can help prevent FMD. Keywords FMD prevention, real-time monitoring, cattle’s temperature, IoT sensor http://dx.doi.org/10.14801/jkiit.2017.15.5.141
- 2. 142 구제역 예방을 위한 축우의 실시간 체온 모니터링 방법 및 사례 연구 Ⅰ. 서 론 구제역(Foot-and-Mouth Disease, FMD)은 소, 돼지, 양, 사슴 등 발굽이 둘로 갈라진 동물에 감염되는 질병으로 전염성이 매우 강하다. 소의 경우 발병 초 기 39.4℃~40.6℃의 고열 증상을 보이며 입술, 혀, 유두, 발굽 등에 수포가 생긴다. 구강에 생긴 수포 로 인해 침을 심하게 흘리고 사료 섭취를 기피하므 로 식욕 저하, 체중 감소가 동반된다. 임신우의 경 우 유산을 일으킬 수 있으며 젖소는 착유량이 50% 정도 감소한다. 성우의 경우 이환율은 높고 폐사율 은 낮은 편이지만, 6개월 미만의 송아지는 별다른 증상 없이 심근염에 의해 폐사에 이르기도 한다. 세 계동물보건기구(OIE)는 구제역을 중요 가축 전염병 으로 지정하여 발병 시 동물 및 축산물의 국제 교 역을 제한하고 있다[1][2]. 최근 2017년 2월, 충북 보은, 전북 정읍, 경기 연 천 등 국내에서 구제역 확진 판정이 나와 한 달간 예방적 살처분을 포함하여 21개 농장의 소 1,425마 리가 살처분 되었다. 우리나라는 1933년 최초로 구 제역이 발병하였고 2000년, 2002년에 이어 발생하였 다. 그 이후 2010년 1월 소에서 6건이 발생하였고, 같은 해 11월부터 이듬해 4월까지 전라도와 제주도 를 제외한 전국에 창궐하여 우제류 347만 9962마리 가 살처분 되는 등 역대 최악의 피해를 내었다. 2014년 7월과 12월에 잇따른 발생으로 각각 돼지 2009마리, 우제류 17만 2798마리가 살처분 되었으며 2016년 1월 21개 농장에서 재발하여 3만 3073마리 의 돼지가 살처분 되었다. 이와 같은 구제역 발생에 따른 살처분 보상금, 방역 비용, 매몰지 관리 비용 등의 경제적 피해뿐만 아니라, 축산물의 수출 중단 및 국내 소비 감소로 인한 피해까지 동반되어 막대 한 경제적 손실을 가져왔다[1]. 구제역은 현재까지 개발된 치료법이 없고 단 한 번의 발생으로 막대한 피해를 입히므로 백신 상시 접종으로 구제역을 예방하고 발병 시 구제역 확산 방지를 위해 외부 출입 차단 방역, 이동 제한 등으 로 그 피해를 줄이는데 노력하고 있다. 그러나 구제 역 백신은 혈청형 간에 교차 방어가 되지 않고 접 종 후에도 면역 유지기간이 짧아 주기적으로 백신 을 접종해야 하는 어려움이 있으며, 접종 이후 항체 형성 과정에서 고열이 발생하는 경우가 있어 일부 축산 농가에서는 백신 접종 자체를 기피하는 실정 이다. 이에 백신 부작용의 피해 절감과 질병의 조기 발견을 위해 효율적으로 가축을 모니터링하는 IT 융합 기술의 활용이 축산 업계에서 관심을 받고 있다. 가축의 체온은 전반적인 건강 상태와 신체 대사 수준을 반영하는 신뢰도 높은 생물학적 지표이다. 축우는 24시간을 주기로 규칙적인 패턴에 따라 체 온이 변화하는데, 질병, 발정, 분만 등과 같은 상황 에 따라 체온 변화를 보인다[3]. 구제역의 경우 체 내에 침입한 바이러스가 축우의 인두에 증식하는 과정에서 약 40℃의 고열이 발생하므로 체온 변화 를 실시간으로 모니터링 하는 것은 구제역 대응을 위한 효과적인 예방책이 될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 축우의 실시간 체온 모니 터링 방법으로 경구 투여용 센서를 활용한 방법을 제안한다. 또한 이를 적용한 실증 사례들을 분석함 으로써 제안하는 방법이 구제역 예방에 효과적임을 입증한다. 제안하는 방법을 활용해 수집한 실시간 체온 데이터는 축우 건강 상태 이상 발생 시, 실시 간으로 사용자에게 공유되어 조기 질병 발견과 신 속한 대응을 가능하게 한다. 이로써 구제역 확산을 방지하고 치료비용 절감 및 폐사율 감소 등의 효과 를 가져 올 수 있다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 관련 연구에 대해 살펴보고, 3장에서는 구제역 예방을 위 한 실시간 체온 모니터링 방법에 대해 설명한다. 4 장에서는 실증 사례 및 사례 분석에 대해 기술하고, 마지막으로 5장에서는 결론 및 향후 연구에 대해 기술한다. Ⅱ. 관련 연구 2.1 기존 구제역 예방 및 방역 조치 구제역 바이러스는 공기 전파를 통해 감염지역으 로부터 수십 km의 외부 반경까지 확산될 수 있으 므로 이를 방지하기 위해 발생 초기 대량의 가축을 살처분한다. 가축전염병 예방법에 따라 구제역으로
- 3. Journal of KIIT. Vol. 15, No. 5, pp. 141-150, May 31, 2017. pISSN 1598-8619, eISSN 2093-7571 143 인해 조성된 매립지는 3년간 발굴이 금지된다. 그러 나 이후에도 사체가 완전히 분해되지 않아 매립지 에서 핏물 섞인 침출수가 흘러나오거나 자연재해로 인해 매립지가 붕괴되어 지하수와 상수도원이 오염 되는 등 2차 환경 피해가 발생하고 있다. 뿐만 아니 라 살처분 작업에 동원된 축산 농가 인력, 군인, 공 무원은 무력감과 공포 등의 정서적 외상을 경험하 였으며 외상 후 스트레스 장애와 우울증으로 고통 받았다[4]. 구제역 발병 시 발생 농장을 중심으로 반경 3km 이내 지역을 보호지역으로 설정해 우제류 가축의 이동을 금지하고 차량 통행과 농장 방문을 일부 제 한한다[1]. 국가동물방역통합시스템(KAHIS)은 의심 가축 신고가 접수된 농장의 도축 출하 정보, 방문 기록 등을 수집하고 농장 방문 차량의 GPS 정보를 파악하여 역학조사를 실시한다[5]. 그러나 이동 통 제 및 역학조사는 발병 후 실시하는 사후 조치로 사전 예방 측면에는 한계가 있다. 또한 역학조사의 기점이 되는 가축 차량 GPS 정보와 농장 출입 기 록에 대한 감독이 허술하여 구제역 발병 중에도 GPS 미등록 차량이 방역 대상 농장에 버젓이 출입 하고 있는 실정이다. 사전 질병 대비를 위한 예방책으로 가축에 구제 역 백신을 접종한다. 국내에서는 지난 2011년부터 축우와 양돈에 대해 구제역 백신 의무접종 정책을 시행해왔다. 축우 50마리 이상 사육 농가는 수의사 가 아닌 농장주가 직접 백신을 접종해야 하지만 백 신 관리 및 접종 방법에 대한 교육이 부족하여 접 종 소홀로 이어지고 있다. 구제역 백신은 7종의 바이러스 혈청형 간 교차 방어가 되지 않고 접종 후에도 면역 유지기간이 짧 아 4~7개월 간격으로 반복적인 접종이 필요하다[1]. 그러나 일부 농가에서는 백신 부작용을 우려하여 접종을 기피하고 있다. 접종 이후 항체 형성 과정에 서 고열이 발생하고 임신우의 경우 유산 혹은 사산 하기도 한다. 또한 두드러기, 발진, 피부염과 같은 병변을 보이며 신체 일부에 수포가 생기기도 한다. 뿐만 아니라 식욕 감퇴로 체중이 줄고 젖소의 경우 착유량이 감소하는 등 생산성 저하가 나타난다 [1][6]. 그림 1. 구제역 백신 부작용 보상 농가 수 Fig. 1. The number of farms compensated for FMD vaccine’s side effect 그림 1은 구제역 백신 부작용으로 인해 보상을 받은 농가를 나타낸 것으로, 2012년부터 보상을 받 은 총 농가 수가 243곳에 이르며 최근 3년간 그 수 가 매년 증가하고 있다. 2017년 2월 발생한 구제역 으로 축우에 백신을 접종한 이후, 울산지역 소 4마 리가 폐사하고 12마리가 유산하여 원인 조사가 이 루어지기도 했다. 접종이 올바르게 이루어진 후에도 모든 개체에 항체가 형성되는 것은 아니다. 구제역이 발생했던 지역의 감수성 동물에 대해 백신항체 유지 수준을 조사한 결과 소의 경우 76.6%, 돼지의 경우 44.9% 의 양성률로 두 축종 모두 가축전염병 예방법에서 명시하는 항체 형성률 기준에 미치지 못하는 것으 로 나타났다[7]. 백신을 접종한 개체일지라도 감염 축에서 배출되는 바이러스가 많을 경우 구제역에 감염되어 증상을 나타낼 수 있다[1]. 2.2 기존 가축 체온 모니터링 연구 기존 방역조치의 한계를 극복하기 위해서는 사전 가축 예찰을 통해 구제역을 조기에 발견하고 예방 하는 것이 무엇보다 중요하다. 가축의 건강과 질병 을 예찰하기 위해 체온을 모니터링하기 위한 방법 및 시스템에 관한 많은 연구들이 수행되었다. 부착형 센서를 활용한 연구에서는 NTC를 적용한 체온 센서 모듈을 소의 좌측 흉부에 부착하여 체온 을 측정하였다. 가축 체외에 센서를 단독으로 부착
- 4. 144 구제역 예방을 위한 축우의 실시간 체온 모니터링 방법 및 사례 연구 시키는 것은 어렵기 때문에 조끼형 하네스를 제작 하여 센서 모듈과 함께 장착시킨다[8]. 부착형 센서 는 측정 대상과 열평형을 이루는 시간이 필요하며 열에너지 손실과 내부 증폭 회로로 인한 전력 소모 가 발생한다[9]. 하네스는 가축에 불편함을 유발할 수 있으며 주기적인 유지보수가 요구된다. 비접촉식 적외선 센서를 사용한 연구에서는 MLX90247과 MLX90614의 두 가지 센서를 이용하 여 센서 노드를 개발하였다[9]. 개발한 센서를 사용 해 수집한 체온 데이터는 가축의 정상 체온과 5℃ 정도의 편차를 보여 후보정 처리가 필요했다. 또한 센서 노드를 목에 장착하여 가축의 움직임이나 외 부 환경으로 인해 데이터의 신뢰도가 떨어지고 1시 간 단위로 체온을 측정하는 경우 5개월마다 배터리 를 교체해야 하는 한계점이 있다. 열화상 카메라를 사용한 연구에서는 소의 발굽 온도를 측정해 구제역의 발병 여부를 판단한다[10]. 열화상 카메라는 다수의 가축을 한 번에 판별하기 에는 유리하지만 제한적인 촬영 범위로 소규모 농 장에 적용 가능하며 어느 소가 구제역에 걸렸는지 판별할 수 없다는 한계가 있다[11]. 촬영한 이미지 에서 소 발굽을 검출하는 알고리즘을 개발하고 이 를 실험한 결과, 소가 좌우측으로 돌아선 경우에는 90% 이상 온도 검출이 확인되었으나 전후방에서의 온도 검출은 어려운 것으로 나타났다. 따라서 기존 가축 체온 모니터링의 한계를 극복 하기 위해 본 연구에서는 경구 투여용 센서를 활용 한 축우의 실시간 체온 모니터링 방법을 제안하고 자 한다. Ⅲ. 구제역 예방을 위한 실시간 모니터링 방법 3.1 제안하는 방법 본 연구에서 제안하는 구제역 예방 방법은 경구 투여용 센서를 활용해 실시간으로 축우의 생체정보 를 수집 및 분석하여 모니터링 하고, 정상 체온 범 위를 벗어나는 개체가 감지되면 그 즉시 가축관리 자 및 수의사, 가축질병 관리센터 등에 알람 메시지 를 전달하여 즉각적인 대응이 가능하게 한다. 일반적으로 축산 농가에서는 육안 관찰이나 촉진 을 통해 축우의 이상 여부를 판단하는데, 이러한 방 식은 오류가 발생하기 쉽고 눈에 띄는 임상증상이 발현되기까지 질병이 진행되므로 회복률이 낮다. 직 장 내 체온을 측정하는 경우 분뇨로 인한 오염과 축우의 몸부림으로 인해 반복적인 체온 측정이 어 렵고 측정자가 다칠 위험도 있다[12]. 이에 비해 경구 투여용 센서는 축우의 경구를 통 해 삽입되어 반추위에 안정적으로 안착되며, 축우의 되새김질에도 고정되도록 설계되었다[12]. 피부 부 착형 센서에 비해 파손 및 이탈 위험이 적고 외부 환경의 간섭을 받지 않으므로 신뢰도 높은 체온 데 이터를 얻을 수 있다. 센서는 무독성 재질의 캡슐에 장착되어 축우 체내의 위액과 압력으로부터 보호되 며 배터리 수명은 최대 6년으로 단 한 번의 투여를 통해 도축 전까지 안정적이고 반복적인 체온 측정 이 가능하다. 센서 투여로 인한 문제점 및 부작용은 없으나 경구 투여용 센서를 축우에 투여하는 방법 에 대한 사용자 교육이 제공 되어야 한다. 그림 2는 축우의 반추위 내에 안착되는 경구 투 여용 센서를 나타낸 것이다. 측정된 체온 데이터는 센서 고유번호와 함께 데이터 취합 장비에 의해 취 합된다. 해당 장비는 100m 범위 내의 센서를 인식 하여 데이터를 수집하고 센서 고유번호에 따라 데 이터를 개체별로 구분한다. 수집된 데이터를 실시간 분석하여 질병을 모니터링 하며, 허용 범위 이외의 데이터가 발견되면, 해당 내용을 사용자에게 전달하 여 조치하도록 한다. 그림 2. 축우 반추위 내에 안착되는 경구 투여용 센서 Fig. 2. Oral administrated type sensor placed in ruminant stomach
- 5. Journal of KIIT. Vol. 15, No. 5, pp. 141-150, May 31, 2017. pISSN 1598-8619, eISSN 2093-7571 145 3.2 시나리오 그림 3은 본 논문에서 제안하는 방법을 기반으로 축우의 실시간 심부 체온을 모니터링 하는 시나리 오이다. 경구 투여용 센서는 축우의 반추위 내에 안 착되어 외부 환경의 간섭 없이 실시간 심부 체온을 센싱하며, 해당 센서와 센서를 투약한 축우의 정보 는 사용자에 의해 스마트 장치에 등록된다. 데이터 취합 장비는 센서가 측정한 데이터를 수집하여 클 라우드 서버로 취합 데이터를 전송하고, 클라우드 서버는 수신한 데이터를 데이터베이스에 저장한다. 데이터베이스는 실시간 체온 데이터를 바탕으로 축 우 건강과 관련된 다양한 통계 자료를 사용자 스마 트 장치에 제공하고, 서버는 데이터 취합 장비로부 터 전송 받은 실시간 체온 데이터를 분석하여 허용 범위 이외의 데이터가 발견되면 사용자 스마트 장 치에 해당 내용에 관한 알람을 전송한다. 사용자 스 마트 장치는 경고 메시지를 통해 축우의 체온 상승 혹은 하락 증상을 사용자에게 알린다. 축우 건강에 이상 발생 시 알람을 통해 질병의 조기 발견이 가능하며, 빠른 조치를 취해 축우의 건 강을 회복시키고 그 피해를 최소화 할 수 있다. 구 제역의 경우에도 동일하게 적용 가능하며, 실시간 모니터링을 통해 발병 초기 축우의 고열 증상을 발 견하고 이후 전문가의 신속하고 정확한 진단을 거 쳐 빠르게 대응할 수 있다. Ⅳ. 실증 사례 연구 4.1 현장 적용 및 실험 방법 본 논문에서 제안하는 경구 투여용 센서 및 축우 모니터링 시스템을 실제 농가에 적용하여 실험을 진행하였다. 그림 4는 실험을 위한 시스템의 구조이 다. 본 시스템은 축우의 경구 투여용 센서, 실시간 으로 센서로부터 생체정보를 감지하여 수집하는 데 이터 취합 장치, 수집된 데이터를 저장하고 관리하 는 클라우드 서버, 정보 알람 제공을 위한 사용자 스마트 장치로 구성된다[12]. 축사 서버 데이터 취합 장비 경구투여용 센서 사용자 스마트 장치 경구투여용 센서 경구투여용 센서 그림 4. 실험을 위한 시스템 구조 Fig. 4. Test system architecture 그림 3. 실시간 체온 모니터링 시나리오 Fig. 3. Scenario of real-time temperature monitoring
- 6. 146 구제역 예방을 위한 축우의 실시간 체온 모니터링 방법 및 사례 연구 표 1. 실험대상 정보 Table 1. Test group Group Korean native cattle Dairy cattle Sex Female Female Pregnant 3 3 Not Pregnant 2 2 Total 10 Group Entity Pregnancy Status Age (month) Expected Calving Date Korean native cattle K1 Pregnant 32 2017-09-29 K2 37 2017-09-29 K3 41 2017-05-10 K4 Not Pregnant 31 - K5 40 - Dairy cattle D1 Pregnant 39 2017-10-10 D2 35 2017-11-04 D3 28 2017-11-08 D4 Not Pregnant 44 - D5 36 - 표 2. 실험 개체 상세 정보 Table 2. Detailed test entity 본 실험을 위해 충청남도 보령시 소재의 한우 농 가와 충청남도 예산 시 소재의 젖소 농가를 선정하 여 한우와 젖소 각 5마리 총 10마리를 대상으로 실 험하였다. 표 1은 실험 대상 정보이다. 실험 대상은 송아지가 아닌 월령 7개월 이상의 한우와 젖소를 선정하였다. 한우는 임신 우 3마리와 미 임신 우 2 마리로 총 5마리의 한우 암소로 구성하였고, 젖소는 임신 우 3마리와 미 임신 우 2마리로 총 5마리의 젖소 암소로 구성하였다. 표 2는 실험 대상의 상세정보인 개체의 임신 상 태, 월령, 분만 예정일을 나타낸 것이다. 경구 투여 용 센서는 실험 개체 10마리에 경구로 투약되어 실 험이 진행되는 두 달 동안 연속적으로 하루에 300 회 이상 심부 체온을 측정하였다. 4.2 실험 결과 및 분석 실험을 통해 얻은 체온 데이터는 개체마다 근소 한 체온 변화의 차이를 보였으나, 대부분 축우의 정 상 체온 범위인 38.5℃~39.5℃에 속하였다. 두 달간 의 실험에서 실험 개체에 경구 투여한 10개의 센서 는 축우의 되새김질, 배변 등으로 인한 파손 및 유 실 없이 반추위에 안정적으로 안착되어 심부 체온 을 측정하였다. 그림 5. 한우 품종 개체의 일평균 체온 데이터 그래프 Fig. 5. Daily average temperature data graph of Korean native cattle 그림 6. 젖소 품종 개체의 일평균 체온 데이터 그래프 Fig. 6. Daily average temperature data graph of dairy cattle
- 7. Journal of KIIT. Vol. 15, No. 5, pp. 141-150, May 31, 2017. pISSN 1598-8619, eISSN 2093-7571 147 그림 7. 실험 개체들의 구제역 백신 접종 전후 체온 그래프 Fig. 7. Temperature graph of entity before and after FMD vaccination (a) Entity K1 (b) Entity K2 (c) Entity K3 (d) Entity K4 (e) Entity K5 (f) Entity D1 (g) Entity D2 (h) Entity D3 (i) Entity D4 (j) Entity D5
- 8. 148 구제역 예방을 위한 축우의 실시간 체온 모니터링 방법 및 사례 연구 그림 5와 그림 6은 1월과 2월에 한우와 젖소 개 체들로부터 각각 수집한 체온 데이터를 하루 단위 의 평균으로 계산하여 체온 변화를 그래프로 나타 낸 것이다. 2월 초 구제역이 발병하였고, 전국 사육 가축에 대한 긴급백신 접종이 실시되었다. 두 품종 개체의 체온 데이터 그래프를 통해 접종 이후 일부 실험 개체에서 정상 범위를 벗어난 체온 상승이 나타남 을 볼 수 있었다. 표 3은 구제역 백신 접종 이후 개체의 체온 변화 추이에 대한 내용으로, 각 개체의 백신 접종 날짜, 개체별 체온 변화 여부, 최고 심부 온도를 나타내었 다. 한우 개체의 경우 2월 9일 16시 30분에 백신을 접종하여 K1, K2, K4 개체의 체온이 각각 40.8℃, 41.1℃, 40.5℃까지 상승하였다. 젖소 개체의 경우 2 월 6일 17시에 백신을 접종하여 D1, D2, D4, D5 개 체의 체온이 각각 42.3℃, 42.5℃, 40.7℃, 42.1℃까지 상승하였다. 체온이 상승한 개체에는 해열제를 처방 하여 고열이 지속되지 않도록 개체를 관리하였다. 표 3. 구제역 백신 접종 이후의 체온 데이터 Table 3. Temperature data after FMD vaccination Group Vaccination Date Entity Temper- ature Change Highest Temper- ature(℃) Korean native cattle 2017-02-09 16:30 K1 O (Increase) 40.8 K2 41.1 K4 40.5 K3 X - K5 - Dairy cattle 2017-02-06 17:00 D1 O (Increase) 42.3 D2 42.5 D4 40.7 D5 42.1 D3 X - 그림 7은 실험 개체의 구제역 백신 접종 전후 2 월 1일부터 14일까지의 2주간 상세 체온 변화를 나 타낸 그래프이다. 수집한 체온 데이터의 시간당 평 균값을 계산하여 나타낸 것으로 그림 5와 그림 6의 일평균 그래프에 비해 축우의 체온 변화를 뚜렷하 게 확인할 수 있다. 경구 투여용 센서로부터 얻은 체온 데이터는 하 루 단위로 비슷한 패턴의 체온 변화를 보인다. 이는 축우의 음수, 급이와 같은 생체 리듬에 따라 심부 체온이 변화하기 때문으로 일시적인 체온 변화를 보인 후 정상 체온으로 돌아오는 것을 알 수 있다. 그림 7의 한우 품종 개체에 대해 상세하게 살펴 보면, 2월 9일 16시 30분경 백신을 접종한 이후 총 3마리 개체의 체온이 상승하였다. 그림 7(a)의 K1 개체는 접종 후 체온이 상승하여 자연적으로 회복 되었으나 11일 자정부터 체온이 다시 올라 11일 16 시에 해열제를 처방하였고 정상으로 회복하였다. 그 림 7(b)의 K2 개체와 (d)의 K4 개체 역시 접종 이후 체온이 상승하였다. (b) 그래프를 보면 K2 개체에 10일 8시에 해열제를 주사한 이후 체온이 곧바로 하강하는 것을 확인할 수 있으며, (d) 그래프의 K4 개체의 경우 해열제 처방 없이 약 48시간 후 자연 적으로 체온이 회복되었다. 그림 7(c)의 K3 개체와 (e)의 K5 개체는 백신 접종 이후 별다른 체온 변화 를 보이지 않았다. 그림 7의 젖소 품종 개체에 대해 상세하게 살펴 보면, 2월 6일 17시경 백신을 접종하였고 총 4마리 개체의 체온이 상승하였다. 그림 7(f)의 D1 개체는 접종 후 체온이 상승하여 7일 9시에 해열제를 주사 하였고 이후 체온이 하락하였으나 다시 체온이 상 승하여 8일 15시 두 번째 해열제를 주사하였고 정 상 체온으로 회복하였다. 그림 7(g)의 D2 개체 역시 체온 상승으로 7일 9시에 해열제를 주사하였으며 이후 체온이 하락하였다. 그림 7(i)와 (j)의 D4, D5 개체는 체온이 상승하였으나 자연적으로 회복되었 다. 그림 7(h)의 D3 개체는 접종 이후 별다른 체온 변화를 보이지 않았다. 실증 실험 결과, 제안하는 방법을 통해 축우의 생체 리듬에 따라 변화하는 심부 체온을 0.1℃ 단위 로 측정할 수 있음을 검증하였다. 귀, 머리, 목 등의 피부 체온을 측정하는 센서는 외부 온도의 영향을 받아 데이터의 일간 변동 폭이 크다고 알려져 있는 반면, 경구 투여용 센서는 축우의 반추위 내에 위치 하여 정확한 심부 체온을 측정하였다. 또한 축우를 구속하거나 추가적인 인력 소모 없이 하루 300회 이상 반복적으로 체온을 측정함으로써 기존의 체온 측정 방식에 비해 매우 효율적으로 축우의 건강 상 태를 모니터링 할 수 있었다[13][14].
- 9. Journal of KIIT. Vol. 15, No. 5, pp. 141-150, May 31, 2017. pISSN 1598-8619, eISSN 2093-7571 149 구제역 백신 접종 이후 총 7마리 개체에서 체온 상승을 확인하였고, 이 중 임신 우는 K1, K2, D1, D2 개체 4마리, 미 임신 우는 K4, D4, D5 개체 3마 리로 고열 증상은 임신 여부와 관계없이 나타났다. 7마리 개체 모두 40℃ 이상의 체온을 기록하였으며 특히 D1, D2, D5 개체와 같은 젖소 개체에서는 4 2℃ 이상의 높은 체온 상승을 보였다. 축우 체내에서 측정된 체온 데이터는 실시간으로 전송되어 개체의 체온 변화를 빠르게 인지 할 수 있었다. 열화상 카메라를 사용한 체온 측정 방식과 는 달리 개체별로 체온을 측정하고 데이터를 저장 하므로 체온이 변화한 개체를 구분하여 발견할 수 있었고, 이를 통해 고열이 발생하는 개체에 해열제 를 주사하여 백신의 부작용 피해를 절감하였다. Ⅴ. 결 론 구제역은 현재까지 별다른 치료법이 없어 감염동 물의 살처분, 가축의 이동 통제, 역학 조사, 백신 접 종 등의 방역 조치를 수행해왔다. 그러나 살처분 매 립지 오염, 백신 부작용과 같은 문제점이 제기되고 있으며 질병의 사전 예찰과 예방을 통해 보다 효과 적으로 구제역에 대응해야 하는 시점이다. 따라서 본 논문에서는 구제역 예방을 위한 축우 의 실시간 체온 모니터링 방법을 제안하였다. 경구 투여용 센서는 축우 반추위 내에 안착되어 0.1℃ 단 위의 미세한 체온 변화를 감지하며, 단 한 번의 경 구 투여로 안정적이고, 정확한 데이터 수집이 가능 하다. 체온 데이터는 데이터 취합 장비에 의해 클라 우드 서버로 전송되고, 서버는 이를 분석하여 축우 의 건강 상태를 모니터링 한다. 본 연구에서는 실제 축우 10마리에 경구 투여용 센서를 투약하고 두 달 동안 체온 데이터를 수집하 는 실험을 진행하였다. 사용된 10개의 경구 투여용 센서 모두 축우 반추위 내에 안착되어 파손이나 유 실 없이 안정적으로 데이터를 수집하였고, 가축의 실시간 심부 체온을 정확하게 측정하였다. 또한 실 험 기간 도중 발생한 구제역으로 실험 개체에 백신 을 접종하였고 이후 체온이 상승하는 축우를 실시 간으로 발견하여 빠르게 조치할 수 있었다. 경구 투여용 센서를 사용한 실시간 체온 모니터 링을 통해 구제역 발병 초기 축우의 고열 증상을 빠르게 발견하고 백신 접종 시 발생할 수 있는 부 작용에 대비할 수 있다. 구제역뿐만 아니라 가축 질 병에 대한 조기 발견과 철저한 예방으로 축산 농가 와 지역 경제의 손실을 최소화하고, 나아가 조기 질 병 퇴치를 통해 국가 방역 체계를 확고히 할 수 있 을 것으로 기대된다. 향후 연구로는 축우의 구제역 예방을 위한 체온 모니터링 알고리즘을 개선 및 발전시키기 위해 추 가 실험을 수행하여 다양한 생체 빅데이터를 수집 하고 분석하는 연구가 필요하다. 제안하는 방법을 적용한 시스템을 일반 축사에 구축하여 적용 중에 있으며, 타 지역 축사에도 확대할 예정이다. References [1] Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, http://www.mafra.go.kr/FMD-AI/main.jsp [Accessed: May. 16, 2017] [2] H. S. Yoo, "Foot and Mouth Disease : Etiology, Epidemiology and Control Measures", Infect Chemother, Vol. 43, No. 2, pp. 178-185, Apr. 2011. [3] G. Piccione, G. Caola, and R. Refinetti, "Daily and estrous rhythmicity of body temperature in domestic cattle", BMC physiology, Vol. 3, No. 1, pp. 7, Jul. 2003. [4] D. K. Kim, "What Is the Korean 2010-2011 Foot and Mouth Disease (FMD) Epidemic?", Democratic Society & Policy Studies, Vol. 20, pp. 13-40, Jun. 2011. [5] Korea Animal Health Integrated System, http://www. kahis.go.kr/home/common/index.do [Accessed: May. 16, 2017] [6] I. Yeruham, H. Yadin, M. Haymovich, and S. Perl, "Adverse reactions to FMD vaccine", Veterinary dermatology, Vol. 12, No. 4, pp. 197- 201, Jan. 2001. [7] J. H. Sohn, Y. S. Hwang, K. H. Sohn, S. H.
- 10. 150 구제역 예방을 위한 축우의 실시간 체온 모니터링 방법 및 사례 연구 Shin, E. M. Lee, S. T. Kim, and M. J. Yun, "Survey of foot-and-mouth disease virus structural protein antibody titer in Yeongcheon", Korean Journal of Veterinary Service, Vol. 38, No. 1, pp. 13-17, Feb. 2015. [8] H. B. Jun, H. J. Lee, and J. O. Kim, "Real Time Body Temperature Monitoring System for Calves Health Care", Journal of KIIT, Vol. 12, No. 10, pp. 181-190, Oct. 2014. [9] S. J. Lee and D. H. Kim, "Development of Sensor Node for Temperature Monitoring of Livestock Based on IEEE 802.15.4", Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 17, No. 7, pp. 886-894, Jul. 2014. [10] C. J. Yu and J. J. Kim, "FMD response cow hooves and temperature detection algorithm using a thermal imaging camera", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 17, No. 9, pp. 292-301, Sep. 2016. [11] Y. T. Jeon and J. M. Lee, "A System to predict the probability of foot-and-mouth disease using thermography camera", Proceedings of Symposium of the Korean Institute of communications and Information Sciences, pp. 480-481, Nov. 2015. [12] H. J. Kim, S. E. Oh, S. H. Ahn, and B. J. Choi, "Study on the Prediction Method of Foot-and-Mouth Disease of Cattle using Oral Injection Sensor", Proceedings of the 2016 Korea Multimedia Society Fall Conference, Vol. 19, No. 2, pp. 1037-1038, Oct. 2016. [13] LiveCare, http://www.livecare.kr/ [Accessed: May 16, 2017] [14] A. Martinez, S. Schoenig, D. Andresen, and S. Warren, "Ingestible pill for heart rate and core temperature measurement in cattle", Proceedings of 28th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, pp. 3190-3193, Sep. 2006. 저자소개 김 희 진 (Heejin Kim) 2005년 2월 : 이화여자대학교 컴퓨터공학과(공학사) 2007년 2월 : 이화여자대학교 컴퓨터공학과(공학석사) 2017년 2월 : 이화여자대학교 컴퓨터공학과(공학박사) 2011년 ~ 현재 : ㈜유라이크코리아 대표이사 관심분야 : 소프트웨어 테스팅, Ag-Tech, IoT, 빅데이터 분석 오 세 은 (Seeun Oh) 2016년 2월 : 이화여자대학교 컴퓨터공학과(공학사) 2016년 3월 ~ 현재 : 이화여자 대학교 컴퓨터공학과 석사과정 관심분야 : 소프트웨어 공학, 소프트웨어 테스팅, IoT 안 세 혁 (Sehyeok Ahn) 2007년 2월 : 부산동서대학교 멀티미디어공학과(공학사) 2015년 11월 ~ 현재 : ㈜유라이크 코리아 기업부설연구소 책임연구원 관심분야 : 센서 네트워크, IoT, 빅데이터 분석 최 병 주 (Byoungju Choi) 1983년 2월 : 이화여자대학교 수학과(이학사) 1988년 10월 : 퍼듀대학교 전산학과(공학석사) 1990년 12월 : 퍼듀대학교 전산학과(공학박사) 1995년 3월 ~ 현재 : 이화여자 대학교 컴퓨터공학과 교수 관심분야 : 소프트웨어 공학, 소프트웨어 테스팅, IoT, 빅데이터 시스템 품질