要打造一款每天都必須經(jīng)受踩踏、浸泡甚至吞咽的嵌入式設(shè)備，你會(huì)如何著手設(shè)計(jì)呢？這就是研發(fā)“聯(lián)網(wǎng)奶牛”系統(tǒng)的工程師們面臨的現(xiàn)實(shí)。無(wú)論是外部還是內(nèi)部傳感器，都在將牲畜轉(zhuǎn)變?yōu)榛铙w數(shù)據(jù)樞紐。

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傳統(tǒng)奶牛養(yǎng)殖面臨著多重挑戰(zhàn)。養(yǎng)殖戶需要耗費(fèi)大量時(shí)間，以人工方式檢查患病或應(yīng)激的動(dòng)物。這一過(guò)程不僅效率低下，更因勞動(dòng)力短缺和成本上升，而日益不可持續(xù)。加之牛舍擁擠、飲水供應(yīng)不穩(wěn)定、飼喂效率低下等老問(wèn)題，也就不難理解為何傳統(tǒng)養(yǎng)牛模式越來(lái)越難以保障牛群的健康與生產(chǎn)力。

這正是電子設(shè)計(jì)工程師可以介入的地方。聯(lián)網(wǎng)奶牛的概念為重塑農(nóng)業(yè)支柱提供了契機(jī)。本文將探討物聯(lián)網(wǎng)（IoT）如何革新奶牛和畜牧業(yè)、工程師面臨的獨(dú)特挑戰(zhàn)，以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)如何提升奶牛和養(yǎng)殖戶的生產(chǎn)效率。

畜牧業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

與使用健身追蹤器監(jiān)測(cè)單個(gè)個(gè)體不同，為牲畜設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要對(duì)整個(gè)畜群進(jìn)行儀器化改造，每一頭個(gè)體都配備一套專屬的堅(jiān)固耐用傳感器。這些設(shè)備不僅能追蹤步數(shù)或心率等指標(biāo)，還能持續(xù)采集多種生理數(shù)據(jù)，包括體溫、反芻狀態(tài)、活動(dòng)水平乃至生殖周期，同時(shí)記錄濕度、空氣質(zhì)量和牧場(chǎng)狀況等環(huán)境參數(shù)。

這項(xiàng)挑戰(zhàn)遠(yuǎn)不止于捕捉動(dòng)物個(gè)體的某個(gè)瞬間。這項(xiàng)突破性技術(shù)能夠持續(xù)數(shù)月收集、傳輸和整合數(shù)據(jù)流，而非僅限于瞬時(shí)數(shù)據(jù)，從而使養(yǎng)殖戶能夠發(fā)現(xiàn)整個(gè)牛群中細(xì)微的健康問(wèn)題或正在形成的趨勢(shì)。這需要一套強(qiáng)大、可擴(kuò)展且節(jié)能的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，能夠?qū)⒃紨?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作的洞察，同時(shí)避免耗盡電池電量或造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。

牛舍中的多層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

邊緣-霧端-云端組成的三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（表1）既是技術(shù)選擇，也是應(yīng)對(duì)現(xiàn)代奶牛養(yǎng)殖需求的一種實(shí)用方案。養(yǎng)殖戶需要及時(shí)、可操作的洞察，這需要一套能夠?qū)崟r(shí)收集和處理海量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，在健康問(wèn)題或異常行為演變成重大問(wèn)題之前就發(fā)出預(yù)警。通過(guò)將智能分散部署到邊緣、霧端和云端，系統(tǒng)能夠在本地生成關(guān)鍵預(yù)警并采取行動(dòng)，同時(shí)由云端處理長(zhǎng)期趨勢(shì)和分析。這種方法有助于養(yǎng)殖戶更快、更準(zhǔn)確地做出決策，而單層系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

表1：牛舍中的多層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

用于養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境的通信協(xié)議

選擇設(shè)備間通信的合適方法也是至關(guān)重要的。養(yǎng)殖場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須在開(kāi)闊的草場(chǎng)、厚實(shí)的牛舍墻壁以及信號(hào)覆蓋不穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)可靠地傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)盡可能減少電池消耗。所選的協(xié)議（表2）將會(huì)影響到方方面面，從預(yù)警傳遞給養(yǎng)殖戶的速度，到設(shè)備所需的維護(hù)頻率。對(duì)于草場(chǎng)監(jiān)測(cè)，需要用到長(zhǎng)距離、低功耗的連接；而在牛舍內(nèi)部，短距離、高帶寬的連接則是更合適的選擇。其關(guān)鍵就在于讓技術(shù)與工作需求相匹配。

表2：用于養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境的通信協(xié)議

可穿戴傳感器的電源管理策略

電源管理無(wú)疑是牲畜物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，而養(yǎng)殖戶們對(duì)此深有體會(huì)。工程師必須權(quán)衡電池類型、能量收集和低功耗協(xié)議（表3）。與每天都可以充電的消費(fèi)級(jí)可穿戴設(shè)備不同，牛用傳感器預(yù)計(jì)需要在好幾年不更換電池的情況下持續(xù)工作。設(shè)備失效不僅意味著數(shù)據(jù)丟失，更意味著錯(cuò)失健康預(yù)警、增加人工成本，以及對(duì)技術(shù)的信任度下降。這些設(shè)備的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)真正“安裝后無(wú)需打理”的運(yùn)行模式，也就意味著要從硬件、固件和通信間隔中榨取每一滴效率，甚至探索能量收集技術(shù)。

表3：可穿戴傳感器的電源管理策略

數(shù)據(jù)分析與AI

所有傳感器讀數(shù)如果無(wú)法分析的話，都毫無(wú)意義。這就是數(shù)據(jù)分析和人工智能（AI）可以發(fā)揮作用的地方。在邊緣端，低功耗微控制器可實(shí)時(shí)過(guò)濾噪聲、壓縮數(shù)據(jù)并標(biāo)記緊急問(wèn)題，從而節(jié)省帶寬和電池電量。更高級(jí)的分析，如疾病預(yù)測(cè)或趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，則在云端通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）實(shí)現(xiàn)。其工程挑戰(zhàn)在于構(gòu)建能夠高效安全處理和傳輸數(shù)據(jù)的硬件與網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)養(yǎng)殖場(chǎng)管理平臺(tái)將各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)從畜欄到儀表盤(pán)的信息流暢傳遞。

牲畜物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

為牲畜設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備，遠(yuǎn)不止于設(shè)計(jì)精巧的電路。為適應(yīng)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境的物理特性，設(shè)備需要采用超低功耗設(shè)計(jì)、可靠的通信系統(tǒng)以及能夠抵御泥土、灰塵、潮濕和日常磨損的材料。這些設(shè)備往往要依靠單塊電池持續(xù)運(yùn)行好幾年，因此平衡電池的體積、功能特性與維護(hù)周期至關(guān)重要，尤其對(duì)處于偏遠(yuǎn)地區(qū)的傳感器而言更是如此。

另一個(gè)問(wèn)題是可擴(kuò)展性。養(yǎng)殖場(chǎng)可能需要在廣闊的區(qū)域部署數(shù)千個(gè)傳感器，因此網(wǎng)絡(luò)必須在不超出功耗預(yù)算或增加額外維護(hù)負(fù)擔(dān)的前提下，同時(shí)應(yīng)對(duì)高設(shè)備密度和長(zhǎng)距離連接需求。

該類系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性是不可妥協(xié)的。這些傳感器必須在畜欄中經(jīng)受各種污染物和污垢的考驗(yàn)，因而設(shè)計(jì)人員必需精選選擇合適的材料、采用堅(jiān)固的外殼，并運(yùn)用傳感器加固技術(shù)。

此外，設(shè)計(jì)人員還要重視安全和隱私問(wèn)題。從安全啟動(dòng)流程，到數(shù)據(jù)加密，再到匿名化記錄，這些防護(hù)措施對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，既能維護(hù)信任關(guān)系，又能保障動(dòng)物福利[1]。新型傳感器必須與現(xiàn)有的養(yǎng)殖場(chǎng)場(chǎng)管理和獸醫(yī)系統(tǒng)無(wú)縫集成，通常還需要支持多種協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。

此外，成本也始終是設(shè)計(jì)的考量因素之一。工程師必須權(quán)衡硬件和基礎(chǔ)設(shè)施的初期投資與長(zhǎng)期價(jià)值，例如效率提升、早期健康洞察以及減少損失。理想的解決方案既要足夠堅(jiān)固，以適應(yīng)養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境，又要足夠靈活，以便擴(kuò)展規(guī)模，同時(shí)還要滿足各種規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)承受能力。

瘤胃膠囊傳感器：牛腹中的工程設(shè)計(jì)

要真正理解這些挑戰(zhàn)的復(fù)雜性，我們不妨看看瘤胃膠囊傳感器的案例[2]。此類設(shè)備需要長(zhǎng)期駐留在牛的瘤胃內(nèi)，有時(shí)可長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。與可穿戴設(shè)備不同，這種可吞服設(shè)備必須在惡劣的酸性環(huán)境中持續(xù)工作，可靠地測(cè)量溫度、運(yùn)動(dòng)、反芻、飲水量，甚至心率。

其外形尺寸的設(shè)計(jì)需要精心地權(quán)衡取舍：傳感器必須足夠大，以容納電池和電子元器件，但同時(shí)又必需足夠小巧光滑，才能被吞咽下去并保持在所需的位置。這些傳感器大多采用不可充電的鋰電池（如D型鋰亞硫酰氯電池），此類電池能量密度高、電壓穩(wěn)定可靠，并且使用壽命可達(dá)六年。研究人員曾嘗試使用可充電電池和能量收集技術(shù)（如熱電、動(dòng)能），但在牛體內(nèi)充電并不現(xiàn)實(shí)，而且發(fā)電量也太低[3]。部分研究者甚至探索利用瘤胃細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的微生物燃料電池，但電極腐蝕和低輸出等問(wèn)題仍難以攻克[4]。

外殼設(shè)計(jì)是另一道難關(guān)。此類傳感器的外殼必須符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)，具備耐酸性（例如采用聚甲醛或特殊樹(shù)脂材質(zhì)），并且要完全密封，以阻隔消化液進(jìn)入[5]。

如何通信又是另一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閯?dòng)物組織會(huì)削弱無(wú)線電信號(hào)。采用低頻長(zhǎng)距離協(xié)議（如LoRaWAN），以及通過(guò)一定的策略來(lái)部署網(wǎng)關(guān)，有助于將數(shù)據(jù)從奶牛體內(nèi)傳輸至云端。

瘤胃膠囊傳感器的研發(fā)歷程，折射出工程師在這個(gè)領(lǐng)域面臨的多元挑戰(zhàn)，包括整合先進(jìn)電池技術(shù)、材料科學(xué)與無(wú)線通信技術(shù)等。

聯(lián)網(wǎng)畜牧業(yè)的未來(lái)趨勢(shì)

傳感器微型化和電池化學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，將催生壽命更長(zhǎng)、侵入性更小的設(shè)備。邊緣AI可以讓更多分析直接在動(dòng)物身上就可以進(jìn)行。能量收集技術(shù)（如動(dòng)能和熱能收集）最終可使傳感器實(shí)現(xiàn)自給自足，進(jìn)一步降低維護(hù)成本。數(shù)字孿生的發(fā)展，打造了由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)物和牛群虛擬模型，有望徹底改變預(yù)測(cè)性管理和規(guī)劃[6]。

這些技術(shù)進(jìn)步不僅適用于奶牛養(yǎng)殖。它們還可以擴(kuò)展到肉牛、家禽、生豬養(yǎng)殖等領(lǐng)域，并與更廣泛的農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈相銜接，實(shí)現(xiàn)端到端的可追溯性與可持續(xù)性。對(duì)于電子設(shè)計(jì)工程師而言，聯(lián)網(wǎng)奶牛不僅帶來(lái)了技術(shù)挑戰(zhàn)，更代表著可能重塑整個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新突破。

作者簡(jiǎn)介

Traci Browne是一位廣受認(rèn)可和推崇的記者兼作家，專注于制造業(yè)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，并且重點(diǎn)關(guān)注新興技術(shù)、工程、機(jī)器人技術(shù)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。她曾在《Robotics Business Review》、《NextBot》雜志、《Compoundings》雜志、《Plumbing & Mechanical Engineer》、《Intel IQ》、《Professional Mariner》和《Municipal Sewer and Water Magazine》等刊物上發(fā)表過(guò)文章。她還為知名的云平臺(tái)和服務(wù)提供商、機(jī)器人制造商、跨國(guó)運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、工程、土木工程和建筑施工公司以及跨國(guó)技術(shù)公司撰寫(xiě)過(guò)文章。