АГРОБИО ТЕХНИКА - растениевъдство, животновъдство, биоенергетикагодина VII, брой 3, 2019

IoT в животновъдството

Част 1: Хранене и движение

IoT в животновъдството

Високите технологии навлизат и в по-традиционни отрасли на икономиката като селското стопанство. Интернет на нещата (IoT) е най-познат вече като технология за изграждане на интелигентни домове, но тя се разпространява все повече в различни производствени сектори, като се разработват различни сензори, предаватели и алгоритми за анализ на получените данни, приспособени към особеностите на различните дейности и операции, извършвани в различните отрасли. По отношение на животновъдството основната движеща сила на модернизацията е свързана със стремежа към максимална ефективност, а от друга страна с ограничените ресурси и обществения натиск за екологичност, хуманно отношение към животните и високо качество.
При животновъдството интернет на нещата се развива по отношение на постигане на оптималното хранене на добитъка, следене на движението и поведението му, на различни жизнени показатели, за да могат на ранен етап да се забележат здравословни проблеми, както и на изграждане на цялостна система, чрез която животинските продукти да могат да бъдат проследявани до стопанството, в което са отглеждани животните.


Пазарът на животински продукти по света се характеризира от една страна с увеличаване на търсенето в развиващите се държави, което се дължи на нарастване на населението, повишаване на доходите и урбанизация, а от друга страна с намаляване на търсенето или стагнация в развитите държави в следствие на разпространението на определени идеи относно екологията и етиката, като тези тенденции водят също и до повишаване на ефикасността и устойчивостта на тези производства. В бъдеще те ще бъдат засегнати от конкуренцията за ресурси и законодателството, свързано с въглеродните емисии и хуманното отношение към животните, но също и от притеснения за човешкото здраве.

Конкуренцията за обработваеми земи за паша или отглеждане на фураж е свързана не само с производството на растителни култури за храна, а и с разрастващото се производство на биогорива, но още не може да се предвиди как ще се развие растениевъдството във връзка с тези тенденции. Водата също е ресурс, сериозно засегнат от разрастването и развитието на животновъдството, защото тя се използва за напояване на посевите за фураж, поене на животните и грижа за тях, затова оптимизирането на употребата й е изключително важно. За повишаване на ефикасността на производствата и оптималното използване на ресурси ще допринесе напредъкът на науката и технологиите, засягащи развъждането, храненето и опазването на здравето на животните. Не се очаква глобален недостиг на ресурси заради разрастването на животновъдството, но в следващите години и десетилетия се вероятно да възникне регионален недостиг на определени места, тъй като свободната земя и водата често не са лесно достъпни, разположени са далеч от мястото, където са необходими, или не могат да бъдат използвани по други причини, като например замърсяване.

Селскостопанското производство е свързано с постоянно нарастване на потреблението на суровини и на изкопаеми горива поради интензификацията и механизацията на производствените технологии. Енергийната ефективност е един от ключовите показатели за развитието на по-устойчиви земеделски практики. В зависимост от местонахождението (климата), сезона и използваните съоръжения е необходима енергия за контрол на температурата на средата (охлаждане, отопление или вентилация) и за събиране и третиране на животински отпадъци. Във фермите за млекопроизводство се използва енергия за доене, охлаждане на млякото, загряване и изпомпване на вода, осветление, вентилация, отопление, електрически огради, обработка на тор, осигуряване на добра работна среда на персонала. Изкопаемите горива са основен източник на енергия в животновъдството и са използвани не само за дейности, директно свързани с грижата за животните, но и за производство, транспорт, съхранение и преработка на фуражи. Съществуват големи различия по отношение на потреблението на енергия между различните страни или в зависимост от видовете отглеждани животни и типовете производствени системи.

Прецизното животновъдство е от ключово значение за задоволяване на нарастващото световно търсене на качествени животински продукти в комбинация с отговорното отношение към природата по отношение на потреблението на ресурси и замърсяването. Интелигентното животновъдство се основава на използването на информационни и комуникационни технологии, съчетани с инструменти, които подпомагат вземането на решения и подобряват ефективността, производителността и рентабилността на дейността на селскостопанските производители. Прилагането на интелигентни устройства позволява подобряването на традиционно използваните методи и инструменти, като в реално време се предоставя подробна информация за средата и състоянието на животните. От същото значение е и автоматизирането на изпълнението на различни задачи или предоставянето на възможност да се извършват от разстояние.

Internet of Food & Farm 2020 (IoF2020) е проект на Европейския съюз, който има за цел да произведе максимално въздействие върху селскостопанските практики, което да има своите положителни последици в дългосрочен план, да сближи и интегрира технологиите на интернет на нещата в селскостопанския и хранително-вкусовия сектор. IoF2020 включва повече от 110 партньора от 22 страни и се ръководи от Wageningen University & Research, като началото му е свързано с програмата FIWARE на ЕС и проекти като SmartAgriFood, Flspace, Flnish и Fractals. За да достигне хранително-вкусовата промишленост до следващо ниво на прецизност, ефикасност и устойчивост, ще бъде разработен мащабен пилотен проект за интернет на нещата. Наличната вече система се подобрява и развива чрез привличането на нови партньори, по-специално крайни потребители и техни организации, а също така значителен брой селскостопански производители участват като крайни потребители и изпробват новите технологии като част от кооперативи.

Храненето на животните
Комбинирането на данни от сензори в реално време, събрани от яки с GPS, технологии за машинно обучение и облачно базирани услуги, ще доведе до извличането на много по-голяма полза при извършване на различни операции в отделните сегменти от веригата от производител до потребител в млекопроизводството. Основната цел на въвеждането на интелигентни технологии и интернет на нещата за следене на храненето на животните е разработване на по-точен и индивидуален подход при определяне на дажбите от фураж или минерални хранителни добавки. В допълнение към това данните за моделите на хранене при добитъка, особено при кравите, ще предоставят информация за откриване на здравословни проблеми още в ранен етап.

Освен с поддържане на животните в най-добро състояние при влагане на най-малко средства, анализирането на данни от различни сензори за следене на храненето на животните е насочено също към пестенето на ресурси по екологични причини. Съществуват няколко посоки на действие за подобряване ефикасността на усвояването и запазването на водните ресурси в световен мащаб, като едно от тях е свързано с използване като фураж на вторични продукти от растителни култури, управление на разпределението на фуражните ресурси във времето и пространството по начин, който да отговаря по-точно на нуждите. Прецизното хранене може да бъде високоефективен подход за намаляване на приема на фураж от едно животно, като същевременно се достигнат максималните индивидуални темпове на растеж. То дава възможност за осигуряване на правилното количество храна, в правилния състав на хранителните вещества, в точното време и за всяко животно поотделно.

Храненето, преживянето и почивката са основните дейности на преживните животни. Благодарение на тяхното наблюдение, животновъдите могат да вземат по-добри решения по отношение на организирането на пашата, дажбите от различни фуражи или дозите от хранителните добавки, от които животните могат да имат нужда. Една от приложените системи за мониторинг на приема на фураж от кравите се основава на съчетаване на устройства за измерване на количеството фураж и сензори за близост, носени от всяко животно. С тази система е възможно да се определи точното количество храна, погълната от всяко животно. Въпреки че тази система е сравнително точна и ефективна, тя е подходяща само за интензивно животновъдство. Други видове системи са необходими за измерване на приема на фураж в стопанства, занимаващи се с екстензивно животновъдство. При настоящото ниво на развитие на технологиите, най-разпространената тенденция е използването на микрофони за откриване на акустични сигнали и класифицирането им като дъвчене, преживяне или отхапване.

За ранно откриване на инфекции могат да се използват нови системи за мониторинг на данните за поглъщането на фуражи и вода. Други посоки на развитие включват наблюдение и измерване на растежа на животните в стадото в реално време, което е важно, за да могат да се постигнат оптимални темпове на растеж на базата на тези данни и обратната връзка в отговор на различни подходи. Трудно е да се измери качеството на фуражите, но чрез използване на болус (цилиндрична капсула, в този случай съдържаща сензор), който се поглъща от кравата и остава е нейния стомах, рН може да бъде точно проследено и фуражите да бъдат коригирани, ако е необходимо. Също така има разработен софтуер, който дава възможност на земеделските производители да изберат най-подходящите за своя бизнес хранителни дажби. Взети са под внимание няколко цели, които да бъдат постигнати с това прецизно хранене, включително намаляване на разходите и подобряване на здравето на животните. Софтуерът дава възможност да се създадат календари за хранене на животните и да се проверят съответните запаси от храна.

Използването на технологии, свързани с глобалните навигационни сателитни системи, позволява марките на кравите да предоставят информация за проследяване на движението, а с това и за поведението на животните. Това е важно и за следенето и контролирането на гъстотата, на която са разположени животните, както и интензивността на използване на пасищата, така че те да бъдат поддържани, а не унищожавани, а на добитъка да бъдат предоставени в благоприятни условия за паша и движение.

Остатъците от селскостопански култури и агроиндустриалните вторични продукти като трици и меласи представляват близо 30% от приема на фураж от добитъка. Те ще се произвеждат в по-големи количества, тъй като населението расте и консумира все повече обработени храни и това може да се превърне в екологично бреме. Животновъдството играе решаваща роля в извличането на полза от тези продукти, а също и допринася за общото производство на храни, като увеличава производителността на културите чрез предоставяне на оборски тор. Общото количество налични хранителни вещества от животинския тор надхвърля хранителните вещества от синтетичните торове. В световен мащаб обаче този тор доставя само около 13% от брутното количество на влагания азот.

Хранителните нужди на селскостопанските животни по отношение на енергията, протеините, минералите и витамините отдавна са известни и установяването на точните им параметри се прецизира през последните десетилетия. В различните страни съществуват различни системи за определяне на изискванията за преживни и не-преживни животни, които първоначално са били предназначени за оценка на хранителните и производствените последици от различните храни, след като вече е било възможно да бъде установено точно приетото количество. Има обаче значителен обем изследвания и анализи на данни, които тепърва да бъдат извършени, свързан с динамиката на храносмилането – приемът на фураж и производителността на животните могат да се предскажат при много видове добитък с висока точност, но все още има много работа, която да се свърши, за да бъдат усъвършенствани тези прогнози. Тя би могла да допринесе за подобряване на ефективността на животновъдството и за удовлетворяване на очакванията на потребителите и на изискванията на регулаторните органи.

Тъй като 80-90% от икономическите загуби, дължащи се на здравословни проблеми при млечните крави, се появяват в критичния преходен период от 2-3 седмици преди и до около 100 дни след отелването, правилното и адекватно приемане на хранителни добавки през този период е от основно значение за предотвратяването на проблеми, причинени от разширяването на използването на общо смесени дажби или други стандартизирани системи за хранене, и също така би подобрило производителността. Проект, който е част от IoF2020, включва прецизно планиране на хранителните добавки, давани на млечните крави, като се използват усъвършенствани машини, облачно базирани услуги и интеграция на данни, съчетана с идентифицирането на крави чрез електронни ушни марки - като по този начин се дава възможност за индивидуално определяне на дажбите от минерални хранителни добавки.

Движение и местоположение на животните
Съществуват някои специфични предизвикателства при оборудването на добитъка със сензори. По-конкретно, доста трудно е да бъдат поставени яките, които често се използват за следене на местоположението на животните. Алтернативен вариант е да се използва предаващ безжично данни болус в стомаха на кравата, който може да комуникира чрез Bluetooth към чип на ухото. Друго потенциално предизвикателство, с което се сблъскват фермерите при въвеждането на устройства, свързани с интернет на нещата, е изборът на безжична технология с достатъчна мощност на батерията, за да стигне за цялата продължителност на живота на индивида. Други практически съображения, които следва да бъдат взети предвид при използване и проектиране на безжични сензорни мрежи за животновъдни стопанства, засягат сензорите за движение, използвани при мониторинга на положението на животните. Те са обект на непрекъснати промени в позицията на животните, така че сензорите трябва да са адаптирани спрямо тези особености. В много случаи животните са в стада и собствените им тела, особено при кравите, могат да причинят значително отслабване на сигнала, който сензорите изпращат. Капацитетът за съхранение на данни на много сензори, които се срещат на пазара, е ограничен, така че трябва да се компенсира с използването на протоколи, които позволяват предаването на информацията, събрана от сензорите, към други устройства, с които за свързани безжично. Животът на батерията също е един от основните ограничителни фактори за работата на различни системи за наблюдение на добитъка. Тъй като замяната на батериите в различните сензори, особено на тези, които се поставят в самите животни, е скъп процес, оптимизирането на живота на батерията е от решаващо значение, като трябва да се работи по посока на намаляване на консумираната енергия при предаването на данни.

С помощта на сензори за местоположение и GPS се намаляват усилията за лично инспектиране на стадата от страна на персонала при отглеждането и пашата на широка територия на едър рогат добитък или овце. Решенията за управление на добитъка, базирани на интернет на нещата, подпомагат проследяването на състоянието на стадото като цяло или на всеки отделен индивид. Те могат да направят наблюдението на добитъка по-лесно и достъпно от всякога. Обикновено сензорите, които се използват, се носят от животните не само за да следят местоположението и движението им, но и за да засичат сърдечната честота, кръвното налягане, температурата, скоростта на дишане и дори храносмилането. Събраните данни се изпращат до централен компютър за по-нататъшен анализ. Стопаните могат да установят местонахождението на отделно селскостопанско животно и дори да забележат болни такива, като проследяват моделите им на паша. Като знаят точното местоположение на болните животни, фермерите могат да реагират бързо и да предотвратят разпространението на заразата сред стадото. Средства за наблюдение се използват не само при животните, извеждани на паша. Устройства за наблюдение на пилета засичат тяхната активност, като тази информация показва възможно разпространение на болест или необходимост от намеса за балансиране на гъстотата на популацията.

Чрез наблюдение на положението на животните е възможно да се изследва поведението на отделните индивиди и на стадото като цяло. Тъй като може да се твърди, че сензорите дразнят животните и променят тяхното обичайно поведение, има изследвания, които отричат ползата от събраните данни. Сензорите, предназначени за животни, обикновено са под формата на яки, които използват GPS, но има и устройства, които използват други технологии като например протокола ZigBee. Проучванията, в които се наблюдава положението на едрия рогат добитък, се различават по своите цели, някои от които например се съсредоточават върху оценката на периодите на покой, хранене и активност на животните и други върху контролиране на времето за паша в определени части на полето. Тъй като интернет на нещата позволява на земеделските производители да наблюдават отдалечени места от едно централно място, те могат по-ефективно и с влагането на по-малко време и усилие от страна на персонала да следят по-голям брой животни и да научат повече подробности за всяко отделно животно, като използват събраните данни.

Ако животновъдите целят единствено проследяване на движението на едрия рогат добитък, не и други дани за неговото състояние и поведение, може да се използва евтин подход, като например радиочестотен идентификационен етикет (RFID), който да покаже дали животното се намира в определената му зона или я е напуснало. Най-новата технология включва RFID без батерия, като източник на необходимото захранване за функционирането на устройствата е електромагнитната енергия, излъчвана от безжичния RFID четец. Виртуалното заграждение използва местоположението на животно, основано на GNSS, в комбинация със звук или електрически стимул за ограничаване на стадото в предварително определена географска област без физически огради. IoF2020 включва и проект за наблюдение на кравите, проследяване на тяхното движение и установяване на времето, прекарано вътре и навън, на паша. Върху млекодобивния сектор на животновъдството се оказва натиск за осигуряване на по-голям достъп на млечните крави до пасищата. Това може да се използва като мярка за намаляване на амонячните емисии, докато въздействието върху благосъстоянието на кравите все още не е доказано. В същото време търсенето на по-ефективни производствени методи често води до по-малко време за паша на една крава.

Други примери за системи за проследяване, използвани при животновъдството, са свързани с транспортирането на животни. Съгласно регламент на ЕС в сила от 2005 относно защитата на животните по време на транспорт и свързаните с него операции се изисква всяко пътно превозно средство, което извършва дълги пътувания, превозващи добитък, да бъде оборудвано със сателитна система за проследяване.