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Animals：养猪场里的高科技——智能行为监测工具

来源：萌宠菠菠乐园时间：2024-10-25 16:39

文章导读

养猪场的经济效益取决于猪的健康情况和福利状况[1]。目前，人们普遍通过在猪场进行数次人工监测，来直观的筛查猪是否存在例如嗜睡、跛行和咳嗽等明显的疾病迹象[2]。农场管理员通过人工监测，还可以了解猪的精神状况和身体健康程度。然而，人为观测带有主观性，且全天候持续监测对于农场管理员来说更是一项巨大的挑战。针对这种情况，来自美国爱荷华州立大学电气与计算机工程系的 Santosh Pandey 博士及其团队成员开发了一种传感器板，可以将其安装在猪的耳朵上，收集动物活动、发声和温度的数据；采集的数据还可用于开发机器学习模型，实现测试期间根据每只动物相关的行为特征进行分类。本研究旨在提供一套全面的指标来对猪的行为进行客观评估，相关的研究成果也已发表在 Animals 期刊。

图1. 养猪场中行为健康监测的总体思路。

研究过程与结果

在本研究中，一组传感器 (焊接在定制的印刷电路板 (Printed circuit boards, PCB) 上) 被连接到猪的耳朵标签上，用来记录诸如外部温度、头部倾斜、运动和发声等参数。电子传感器板上焊接了一个蓝牙专用集成电路 (Application-specific integrated circuit, ASIC) 芯片，用于将原始数据无线传输到位于笔内或附近的计算设备。图 2 显示了电子传感器板的 CAD 图、加工好的 PCB 板以及它与样品耳标的封装结构。电子传感器板的物理尺寸为 3.05 cm × 3.05 cm × 1.27 cm (L × W × H)，重量为 5 g。同时由一个 3.3 V、230 mAh 的纽扣电池 (CR 2032) 为 PCB 板上的传感器和蓝牙低功耗模块供电。电子传感器板在放入耳标之前被密封在聚合物涂层 (例如，SU-8、PDMS) 中。

图2. 原型设计和组装。

电子传感器板具有以下设备及功能：

1、一个温度传感器 (MLX90614)，实现非接触式红外测温，用于测量养猪场的环境温度和猪的外部体温；

2、一个 3 轴加速度计 (ADXL345) 和陀螺仪 (ADXRS300)，用于记录与攻击性、嗜睡、跛行或神经系统疾病相关的头部倾斜数据和运动数据；

3、一个声音传感器 (MAX9814)，用于捕捉发声，以识别和分类呼叫类型或攻击性行为；

4、一个 BLE 模块 (NRF51822 SoC)，以预选速率 (例如，每秒 5 个样本) 从上述传感器接收数据。

注：此 BLE 模块包含芯片天线、32 位 ARM Cortex M0 CPU、256 kB 闪存/16 kB RAM 和 32 GPIO。BLE 模块支持第三方 I2C、SI、UART 和 PWM 接口，适用于 2.4 GHz 的超低功耗无线通信。

实验发现，通过延长采样率和睡眠时间，电池续航时间可增加到 3 天以上。通过结合自适应采样和电源管理方案，可以进一步延长电池寿命。此外，动物试验证实 (图 3 和图 4)，从传感器板上采集的远程数据几乎是实时的，在 15.25-18.3 米的距离内是完全自动化的。

图3. 动物测试。

图4. 使用电子传感器板从动物实验中记录的时间序列数据。

基于收集到的数据，本研究讨论了可能的机器学习或其他机器智能方法，来识别猪的正常和异常行为属性，并定义了猪健康信息的行为指标。数据收集需要持续进行，其目的是生成足够大的数据集，进而将原始传感器的数据映射为可预测的动物行为特征，如图 5 所述。

图5. 衡量指标、行为结果和健康状况不佳指标的流程图。

图 6 显示了一种用于处理来自不同电子传感器原始数据的建议方案。

图6. 机器智能过程中的流程涉及数据采集、预处理、特征集提取、监督或非监督学习、类定义、性能指标和决策支持。

表 1 列出了本研究中的耳标传感器板为养猪户提供的硬件和软件特性以及潜在优势。

表1. 猪农耳标传感器板的属性和优势。

研究总结

本研究展示了一种电子传感器板的概念和相关验证性工作，该板可以连接到被测猪的耳标上，用来记录身体活动。除了本研究电路板中所使用的组件外，还有其他几种现成的传感器和通信模块可以用来构建系统，读者可以根据实际的功能、特性、兼容性、物理尺寸和价格等需求自行购买和测试。然而在将这种设备作为猪的一种可靠的行为评估工具之前，还存在诸多障碍导致其无法被用户完全接受。主要障碍体现在如何收集和分析大量现场数据，并由农场管理人员进行交叉验证。这个问题对于整个可穿戴设备行业来说都是一个挑战，因此需要从养猪生产者到猪肉消费者等所有利益相关者的共同努力。

参考文献

[1] Benjamin, M.; Yik, S. Precision livestock farming in swine welfare: A review for swine practitioners. Animals2019, 9, 133.

[2] Lekagul, A.; Tangcharoensathien, V.; Liverani, M.; Mills, A.; Rushton, J.; Yeung, S. Understanding antibiotic use for pig farming in Thailand: A qualitative study. Antimicrob. Resist. Infect. Control2021, 10, 1–11.

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