Pastor Virtual de Caprinos

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Universidade de Aveiro Departamento deElectrónica, Telecomunica¸cões e Informática, 2019

Dinis Martins

Falc˜

ao

Pastor Virtual para Caprinos

Virtual Shepherd for Goats

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Universidade de Aveiro Departamento deElectrónica, Telecomunica¸cões e Informática, 2019

Dinis Martins

Falc˜

ao

Pastor Virtual de Caprinos

Virtual Shepherd for Goats

Disserta¸cão apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos re-quisitos necessários à obten¸cão do grau de Mestre em Engenharia Eletrónica e Telecomunica¸cões, realizada sob a orienta¸cão cient´ıfica de Doutor António Manuel Duarte Nogueira, Professor Auxiliar do Departamento de Eletrónica, Telecomunica¸cões e Informática da Universidade de Aveiro, e do Doutor Pe-dro Alexandre de Sousa Gon¸calves, Professor Adjunto da Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Águeda e com a colabora¸cão de Lu´ıs Miguel Tomé Nóbrega, aluno do Programa Doutoral MAP-i nas Universidade do Minho, Aveiro e Porto.

Este trabalho é financiado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regio-nal (FEDER), através do Programa Operacional Competitividade e Interna-cionaliza¸cão(COMPETE2020) do Portugal 2020. [Projeto SHEEPIT com no 017640(POCI-01-0247-FEDER-017640)]

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o j´uri / the jury

presidente / president Professor Doutor Ant´onio Jos´e Ribeiro Neves Professor Auxiliar, Universidade de Aveiro

vogais / examiners committee Professor Doutor Pedro Alexandre de Sousa Gon¸calves Professor Adjunto, Universidade de Aveiro (Coorientador)

Professor Doutor Rui Pedro Sanches de Castro Lopes

Professor Coordenador da Escola Superior de Tecnologia e Gest˜ao do Instituto Polit´ecnico de Bragan¸ca (Arguente Principal)

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agradecimentos / acknowledgements

´

E com muito gosto que aproveito esta oportunidade para agradecer a to-dos os que me ajudaram ao longo do percurso académico, cheio de altos e baixos. Agrade¸co ao professor António Nogueira que me ajudou durante a elabora¸cão deste documento; um agradecimento especial a toda a equipa do projeto SheepIT, em especial ao professor Pedro Gon¸calves pelo apoio, dedica¸cão e ajuda no desenvolvimento deste trabalho, mas também por contribuir para a minha evolu¸cão profissional. Ao professor Paulo Pedreiras pelo apoio dado tendo em vista o objetivos tra¸cados no decorrer deste pro-jeto, e por todos os ensinamentos que me transmitiu. Um grande abra¸co ao Lu´ıs Miguel Nóbrega que se disponibilizou para ler este documento e me ajudou a melhorá-lo e que, em conjunto com o José Pereira, responderam a todas as minhas dúvidas com muita paciência. Abra¸co ao Maykol San-tos pela sua ajuda nos momenSan-tos em que trabalhamos junSan-tos e pela sua amizade. Um abra¸co também para o Rui Guedes que, apesar de estar a realizar a sua disserta¸cão, nunca se negou a ajudar-me. Agrade¸co também ao Rui Morais pelas muitas vezes que me permitiu que o incomodasse após os dias de trabalho. Gostaria de agradecer à minha fam´ılia, os meus pais, `

a minha irm˜a, cunhado e o(a) futuro(a) sobrinho(a) pelo infinito apoio que me deram durante estes anos. Um especial obrigado `a Daniela Fonseca por ser uma pessoa maravilhosa, por me ter sempre motivado a continuar e por ter aguentado os meus desesperos.

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Palavras Chave Redes sem Fios, Internet das Coisas, Monitoriza¸c˜ao Animal, Alarmes

Resumo O projeto SheepIT consistiu no desenvolvimento de um sistema para a uti-liza¸cão de ovinos para a remo¸cão de espécies infestantes, garantindo a se-guran¸ca de frutos e folhas. Para controlar o rebanho, foram desenvolvidas coleiras compostas por sensores e atuadores que monitorizam o comporta-mento animal e o condicionam. Através da análise dos dados dos sensores presentes nas coleiras, caso o animal esteja a alimentar-se das videiras, ´

e-lhe aplicado um estimulo, inicialmente sonoro, mas que, em caso de per-sistência, passa a um est´ımulo elétrico. As coleiras comunicam periodica-mente com nós fixos de uma rede e estes com uma gateway. A informa¸cão, após processada pela gateway, é enviada para uma plataforma computaci-onal residente na Cloud de forma a poder ser tratada e disponibilizada ao utilizador na forma de um website. No âmbito desta disserta¸cão é proposto um sistema de gera¸cão de alarmes através da análise do comportamento dos animais em Tempo-Real. O sistema desenvolvido permite reduzir o es-for¸co necessário para vigiar os animais durante o pastoreio, notificando o responsável pelo rebanho através de uma plataforma web local, via Email e SMS. Os alarmes implementados permitem ao utilizador endere¸car as se-guintes situa¸cões: pânico dos animais, bateria baixa nas coleiras ou nos faróis, detetar ausência de comunica¸cões por parte das coleiras, identificar se os animais cometeram um elevado número de infra¸cões, averiguar se um animal ficou sem coleira e possibilitar a dete¸cão de poss´ıveis problemas no hardware equipamento.

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Keywords Wireless Sensor Networks, Internet of Things, Animal Monitoring, Alarms

Abstract The SheepIT project consisted in the development of a system to deploy sheep to remove weeds while ensuring the safety of fruits and leaves. In order to control the flock, collars composed of sensors and actuators were developed. These collars monitor and condition the behaviour of the sheep. Through the analysis of the data in the collars’ sensors, and should the animal be feeding of the vines, a stimulus is applied. Initially, this stimulus is auditory but if they persist in this behaviour, an electric stimulus is ap-plied. The collars periodically communicate with fixed nodes of a network, and these nodes then communicate with a gateway. The information, after being processed by the gateway, is sent to a computing platform, lodged in the Cloud, which allows it to be treated and made available to the user through a website.

In the scope of this thesis, a system to generate alarms is proposed through the analysis of the animal’s behaviour in Real-time. The developed system allows the reduction of the effort necessary to keep watch over the animals during the pasturing season since the flock’ shepherd is notified through a local web platform, email and SMS. The alarms which were implemen-ted allow the user to address the following situations: animals’ panic, low battery in the collars or beacons, absence of communications from the col-lars, identification of animals who committed a high number of infractions, discerning if an animal is collarless and allowing the detection of possible hardware malfunctions.

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Conte´

udo

Conte´udo i

Lista de Figuras iii

Lista de Tabelas v

Gloss´ario vii

1 Introdu¸cão 1 1.1 Motiva¸cão . . . 1 1.2 Objetivos . . . 2 1.3 Estrutura da Disserta¸cão . . . 3 2 Projeto SheepIT 5 2.1 Arquitetura geral . . . 5 2.1.1 Coleiras . . . 6 2.1.2 Faróis . . . 10 2.1.3 Gateway . . . 10 2.2 Rede de Sensores . . . 13 2.3 Plataforma Computacional . . . 15 2.4 Alarmes . . . 16

3 Solu¸c˜oes de Monitoriza¸c˜ao Animal 17 3.1 Projetos Cient´ıficos . . . 17

3.2 Solu¸c˜oes Comerciais . . . 25

3.3 Discuss˜ao . . . 27

4 Arquitetura e Implementa¸c˜ao 29 4.1 Arquitetura geral do sistema de alarmes . . . 29

4.2 Taxonomia . . . 30

4.2.1 Alarmes associados aos dispositivos . . . 31

4.2.2 Alarmes associados aos animais . . . 32

4.2.3 Alarmes associados aos animais e/ou dispositivos . . . 33

4.3 Implementa¸c˜ao . . . 34

4.3.1 Alarmes associados aos dispositivos . . . 35

4.3.2 Alarmes associados aos animais . . . 38

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5 An´alise de Resultados 45

5.1 Cen´ario de Testes . . . 45

5.2 An´alise Temporal . . . 47

5.3 Medi¸c˜ao e compara¸c˜ao de recursos . . . 50

5.4 Escalabilidade . . . 51

5.5 An´alise da Dete¸c˜ao . . . 54

6 Conclus˜oes 57

(15)

Lista de Figuras

2.1 Arquitetura Geral do SheepIT [7] . . . 6

2.2 Coleira do SheepIT . . . 7

2.3 Diagrama de blocos das coleiras [5] . . . 7

2.4 Distˆancia do pesco¸co ao ch˜ao [5] . . . 8

2.5 Angulos tri-dimensionais . . . .ˆ 9 2.6 Farol . . . 10

2.7 Diagrama geral da Gateway [7] . . . 11

2.8 Prot´otipo da Gateway . . . 12

2.9 M´odulos internos da Gateway . . . 13

2.10 Estrutura de Macro-Ciclo [2] . . . 14 2.11 Estrutura micro-ciclo [2] . . . 15 2.12 Arquitetura CCP . . . 16 3.1 Fluxograma do sistema [29] . . . 18 3.2 Coleira do aritgo [25] . . . 18 3.3 Metodologia proposta em [25] . . . 19 3.4 Coleiras propostas em [24] . . . 20 3.5 Fluxograma da solu¸cão [30] . . . 21 3.6 Arquitetura da solu¸cão [26] . . . 21 3.7 Sensores na solu¸cão [20] . . . 23 3.8 Arquitetura da solu¸cão [20] . . . 23 3.9 Algoritmo de decisão [20] . . . 24

3.10 Simula¸c˜ao do algoritmo de decis˜ao [20] . . . 24

3.11 Coleiras . . . 25

3.12 M´etodos de notifica¸c˜ao ao utilizador . . . 26

4.1 Posicionamento do sistema de alarmes na Gateway . . . 29

4.2 Esquema simplificado dos m´odulos do sistema de alarme . . . 30

4.3 Taxonomia do Sistema de Alarmes . . . 31

4.4 Diagrama de sequˆencia para alarmes de ausˆencia . . . 34

4.5 Fluxograma do algoritmo dos alarmes . . . 35

5.1 Posicionamento dos tempos a analisar no Fluxograma . . . 48

5.2 An´alise dos tempos . . . 49

5.3 Tempo cumulativo dos alarmes . . . 49

5.4 Exemplo da informa¸c˜ao fornecida pelo comando top . . . 50

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5.6 Percentagem de CPU utilizado pela raspberry . . . 53

5.7 Tempo cumulativo . . . 54

5.8 Alarme plataforma web . . . 54

5.9 Email do alarme ausˆencia . . . 55

(17)

Lista de Tabelas

2.1 Estados da postura dos animais . . . 8

2.2 Especifica¸c˜oes da coleira do SheepIT . . . 9

2.3 Tipos de micro-ciclos atualmente definidos [13] . . . 14

3.1 N´ıveis de alarmes do sistema descrito no artigo [20] . . . 23

3.2 Resumo das carater´ısticas das Solu¸c˜oes Comerciais . . . 27

4.1 Valores Limares Bateria . . . 37

4.2 Valores Limares Alarme de Infra¸c˜oes . . . 40

4.3 Valores Limares Ausˆencia . . . 42

5.1 Valores para o alarme de bateria . . . 46

5.2 Valores para o alarme de coleiras perdidas . . . 46

5.3 Valores para o alarme de infra¸c˜oes . . . 46

5.4 Valores para o alarme de pˆanico . . . 47

5.5 Valores para o alarme de ausˆencias . . . 47

5.6 Tempos da rece¸c˜ao de mensagens . . . 48

5.7 Tempos da rece¸c˜ao de mensagens . . . 52

5.8 Número de valores de acelera¸cão dinâmica . . . 52

(18)

(19)

Gloss´

ario

AHMS Animal Health Monitoring System. AMQP Advanced Message Queuing Protocol. B2B Beacn To Beacon.

BS Beacon Synchro. C2B Collar To Beacon.

CCP Cloud Computational Plataform. CDC Central Data Center.

CSMA Carrier Sense Multiple Access. CTMP Continuous Time Markov Processes. FIFO First In, First Out.

GB GigaByte.

GPRS General Packet Radio Service. GPS Global Positioning System.

GSM Global System for Mobile Comunications. IoT Internet of Things.

MAC Medium Acess Layer. MC Macro-ciclo.

mG miliGauss.

NIC Network Interface Card. PR Pairing Request.

RAM Random Access Memory.

RSSI Received Signal Strength Indicator. SMS Short Message Service.

(20)

SW Synchronization Window. TAW Turn Around Window.

TCP Transmission Control Protocol. TDMA Time Division Multiple Access. uC Micro-ciclo.

VTW Variable Traffic-type Window. WSN Wireless Sensor Network. WSS Wireless Sensor System.

(21)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

Esta disserta¸cão foi desenvolvida no âmbito do projeto SheepIT [1], cujo objetivo é o controlo e remo¸cão de infestantes em áreas agr´ıcolas, recorrendo ao uso de animais, sendo estes monitorizados e condicionados por um sistema baseado em tecnologias de Internet das Coisas (IoT).

1.1 Motiva¸

c˜

ao

O controlo de infestantes nas vinhas tem vindo a tornar-se cada vez mais dispendioso. A utiliza¸cão de herbicidas no controlo de infestantes não só traz consequências negativas a n´ıvel ambiental, como também é um processo que necessita de ser repetido várias vezes ao longo do ano e com recurso a alfaias agr´ıcolas. O recurso a animais, essencialmente ovinos e caprinos, para a remo¸cão e controlo de espécies infestantes nas culturas agr´ıcolas, especialmente nas vinhas e no tojo das matas, é uma prática antiga que ainda hoje é eficaz. Assim, o pastoreio evita o custo da limpeza, acrescenta benef´ıcios associados ao setor agropecuário, aumenta a fertilidade dos solos pela incorpora¸cão de matéria orgânica natural e ainda melhora a estrutura do solo, devido à redu¸cão do impacto no mesmo pela utiliza¸cão de máquinas.

Porém, a prática do pastoreio, outrora muito utilizada, é atualmente um processo caro, exigente e com escassez de mão de obra, tornando-se assim impraticável. Da mesma forma, é inviável a remo¸cão das infestantes por processos manuais com recurso a utens´ılios agr´ıcolas em espa¸cos que não podem ser mecanizados, tanto pela inacessibilidade das máquinas como pelo acentuado declive dos terrenos.

O abandono do pastoreio levou à intensifica¸cão do uso de herbicidas que trazem con-sequências negativas, tanto para o ambiente como para a saúde humana. Como consequência desta utiliza¸cão, pode ser referido o aumento da erosão dos solos, devido à remo¸cão da co-bertura vegetal, a destrui¸cão da estrutura do solo, a contamina¸cão dos cursos de água com consequências sobre a fauna e flora, a contamina¸cão dos len¸cóis freáticos devido à penetra¸cão de res´ıduos em profundidade e o aumento de res´ıduos nos alimentos com repercussões nefastas para os seres humanos.

O grande desenvolvimento tecnológico levou ao aparecimento de novas solu¸cões, em todos os sectores da sociedade, capazes de serem aplicadas também na agricultura. Cada vez mais os conceitos Internet das coisas (IoT) e Rede de Sensores (WSN) se incorporam na área agr´ıcola, contribuindo para solu¸cões mais eficazes na ajuda aos produtores. Neste âmbito, existem já variadas solu¸cões com diferentes caracter´ısticas e funcionalidades. O projeto SheepIT [1] é

(22)

um exemplo prático de uma solu¸cão inovadora nesta área.

A solu¸cão desenvolvida no âmbito do projeto permite controlar a postura dos animais, limitando a sua capacidade de aceder a ramos ou frutos nas videiras, tendo sido também desenvolvidas ferramentas de apoio ao maneio dos animais, como uma rede de sensores e uma plataforma web para consulta de informa¸cão relativa aos animais e equipamentos. Desta forma, é então poss´ıvel o uso de rebanhos para controlar o crescimento de infestantes nas vinhas. Para além dos inerentes ganhos ambientais, económicos e produtivos, a solu¸cão apresenta diversas caracter´ısticas vantajosas, nomeadamente:

• Flexibilidade - o sistema pode ser movido facilmente entre diferentes terrenos; • Autonomia elevada - os dispositivos transportados pelas ovelhas apresentam um

au-tonomia elevada, permitindo evitar constantes carregamentos;

• Monitoriza¸cão da saúde animal - o sistema permite a obten¸cão de taxas de mobi-lidade que permitem monitorar o comportamento animal, com potencial interesse do ponto de vista da saúde do rebanho.

No âmbito do projeto foram já desenvolvidos, testados e documentados diferentes módulos inerentes às necessidades da solu¸cão. Entre eles, destacam-se o sistema de monitoriza¸cão e controlo de postura animal [5, 9, 11, 12], o sistema de comunica¸cão [2, 6, 7, 8] e o sistema de localiza¸cão de baixo consumo [4, 10]. O desenvolvimento do sistema de alarmes vem complementar a solu¸cão, contribuindo para um mais acess´ıvel maneio animal. Um sistema de alarmes permite ao agricultor ser rapidamente notificado aquando da existência de situa¸cões anómalas relacionadas, não só com o comportamento animal mas também com o estado dos dispositivos envolvidos.

1.2 Objetivos

O principal objetivo do presente trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema de alarmes e sua integra¸cão no sistema de monitoriza¸cão do SheepIT. Este sistema, baseado nos dados recolhidos pelos diferentes dispositivos, deverá permitir notificar o utilizador através de um website, e-mail e/ou SMS acerca das seguintes situa¸cões:

• Animais ausentes;

• Situa¸cões de pânico animal; • Número elevado de infra¸cões; • Coleiras perdidas;

• Poss´ıveis problemas de hardware; • Dispositivos com bateria baixa.

Assim a disserta¸c˜ao assenta nas seguintes tarefas que se encontram associadas aos objetivos da mesma:

(23)

• Apresenta¸cão e análise da arquitetura da solu¸cão SheepIT por forma a possibilitar a incorpora¸cão do sistema de alarmes;

• Desenvolvimento do sistema de alarmes; • Integra¸c˜ao e testes do sistema;

• Valida¸c˜ao em contexto real.

1.3 Estrutura da Disserta¸

c˜

ao

Após o presente cap´ıtulo introdutório, o restante documento está organizado da seguinte forma:

• Cap´ıtulo 2: Apresenta um breve introdu¸c˜ao ao projeto SheepIT, nomeadamente no que diz respeito `a sua arquitetura;

• Cap´ıtulo 3: Neste cap´ıtulo é realizada uma revisão bibliográfica de sistemas de alarmes existentes, tanto a n´ıvel comercial, como a n´ıvel de investiga¸cão;

• Cap´ıtulo 4: A arquitetura do sistema de alarmes é apresenta e discutida, desde a sua taxonomia até à sua implementa¸cão e respetiva integra¸cão no sistema já desenvolvido. • Cap´ıtulo 5: Neste capitulo são apresentados e analisados os resultados dos testes

realizados ao sistema de alarmes.

• Cap´ıtulo 6: Os resultados s˜ao discutidos, as conclus˜oes apresentadas e o trabalho futuro detalhado.

(24)

(25)

Cap´ıtulo 2

Projeto SheepIT

Neste capitulo é realizada uma introdu¸cão ao projeto SheepIT, à sua arquitetura, dispo-sitivos constituintes e respetiva intera¸cão.

2.1 Arquitetura geral

O sistema desenvolvido no ˆambito do projecto SheepIT, tem como grande objetivo aju-dar os produtores viticulas no controlo das infestantes. Este sistema tem como principais carater´ısticas:

• Delimita¸cão área geográfica: facilidade para os utilizadores na defini¸cão da área de pastoreio;

• Peso, tamanho e autonomia: as ovelhas são animais relativamente pequenos, pelo que os dispositivos eletrónicos têm um tamanho e peso reduzidos, não causando des-conforto às ovelhas;

• Dete¸cão de postura: a postura dos animais deve ser monitorizada. E necess´´ ario monitorizar em particular a posi¸cão da cabe¸ca, no sentido de analisar se o animal se está a alimentar de ervas (comportamento pretendido), ou se está a alimentar-se de frutos ou ramos da videira (comportamento indesejado).

• Est´ımulos: Os animais devem ser avisados quando adoptam comportamentos indese-jados.

• Processamento local: a postura e posi¸c˜ao do animais deve ser obtida constantemente, para que lhe possa, caso necess´ario, ser aplicado o est´ımulo correto;

• Recolha de dados: O sistema deve recolher dados de cada um dos animais, sendo os mesmos processados e guardados, para permitir obter a informa¸c˜ao individual de cada ovelha, tal como a informa¸c˜ao do rebanho;

• Infraestrutura de comunica¸c˜ao: esta infraestrutura deve suportar a presen¸ca de milhares de animais num espa¸co reduzido, isto ´e, de poucos hectares;

• Personaliza¸cão e expansibilidade: o sistema deve permitir, caso necessário, a inte-gra¸cão adicional de sensores.

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Figura 2.1: Arquitetura Geral do SheepIT [7]

Para permitir dar resposta aos requisitos enumerados, a arquitetura da solu¸cão (Fi-gura 2.1) assenta na integra¸cão de diferentes módulos, nomeadamente:

• A rede de sensores, constitu´ıda por um conjunto de dispositivos (coleiras, faróis e ga-teway), permite a comunica¸cão entre os nós da rede, sendo que cada nó tem uma fun¸cão espec´ıfica:

- As coleiras, colocadas nos animais, recolhem dados sensoriais e aplicam est´ımulos; - Os faróis, que se encontram nas zonas de pastagem, permitem comunica¸cão entre as coleiras e a gateway assim como permitem a localiza¸cão do rebanho na área de pastoreio;

- A gateway é o elemento agregador de informa¸cão, interagindo com a plataforma computacional através da Internet.

• A plataforma computacional, que pode residir na Cloud, e tem por fun¸c˜ao receber, analisar e guardar os dados recebidos;

• A interface com o utilizador (acess´ıvel via telemóvel, tablet e computador), permite a comunica¸cão com o utilizador do estado dos animais, a sua localiza¸cão e a poss´ıvel dete¸cão de situa¸cões anómalas.

2.1.1 Coleiras

As coleiras, cuja caixa é ilustrada na Figura 2.2a e cujo hardware é ilustrado na Fi-gura 2.2b, são nós móveis transportados pelos ovinos ou caprinos que têm como objetivo detetar e condicionar a postura do animal. O sistema da Coleira implementado é constitu´ıdo por 4 blocos fundamentais, como é ilustrado na Figura 2.3. O bloco de processamento é o módulo central do sistema que comunica com os sensores, atuadores e o módulo de comu-nica¸cões, capaz de recolher dados dos sensores, por forma a que seja poss´ıvel determinar a postura do animal e ativar ou desativar est´ımulos. Assim, as coleiras são compostas por um rádio, um micro controlador, sensores, atuadores e uma bateria.

As coleiras possuem um conjunto de vantagens e caracter´ısticas que s˜ao imprescind´ıveis para a viabilidade da solu¸c˜ao, nomeadamente:

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• Eficiência Energética: as coleiras têm um baixo consumo energético, devido à es-colha minuciosa a n´ıvel de hardware, na sua constru¸cão e implementa¸cão, métodos de comunica¸cão, localiza¸cão, sensores e atuadores.

• Eficácia: estes dispositivos são eficazes uma vez que, não só analisam e condicionam o comportamento dos animais, como também comunicam regularmente à rede o seu estado em tempo real;

• Tamanho e peso: as coleiras, desde o seu peso, tamanho, forma e a maneira como s˜ao fixadas, n˜ao interferem na mobilidade, postura e bem-estar do animal.

(a) Interior das Coleiras

(b) Exterior das Coleiras

Figura 2.2: Coleira do SheepIT

Figura 2.3: Diagrama de blocos das coleiras [5]

Como mencionado anteriormente o método de localiza¸cão é um dos fatores que contribui para o consumo energético e, no sentido de reduzir o consumo, o método utilizado consiste no Received Signal Strength Indicator (RSSI). Inicialmente considerou-se a utiliza¸cão do GPS. No entanto, este sistema tem um consumo energético elevado, e uma vez que o sistema rádio já era necessário para a comunica¸cão entre os dispositivos, a sua utiliza¸cão para inferir uma estimativa da localiza¸cão animal traz vantagens significativas em termos de consumo energético e custo da solu¸cão [4].

No que se refere ao condicionamento da postura animal, este ´e efetuado em duas fases. Numa primeira fase, obtˆem-se os valores medidos pelos sensores da coleira, nomeadamente um

(28)

transdutor de ultrassons e um acelerómetro. Estes dados são processados, recorrendo a um algoritmo de monitoriza¸cão animal. É poss´ıvel distinguir os estados dos animais enumerados e descritos na Tabela 2.1). A segunda fase consiste em aplicar est´ımulos aos animais caso uma infra¸cão seja detetada. Os est´ımulos podem ser sonoros ou elétricos, sendo que inicialmente é emitido um aviso sonoro e caso o animal persista em infra¸cão, é então aplicado um esti-mulo eletrostático. A conjuga¸cão do mecanismo de monitoriza¸cão (leitura dos sensores) e do mecanismo de condicionamento (aplica¸cão de est´ımulos) estabelece o algoritmo de controlo, elemento central da solu¸cão.

Estados S´ımbolo Defini¸c˜ao Standing S O animal est´a parado

Eating E O animal está a comer do chão Moving M O animal está em movimento lento Running R O animal está a correr Infracting I O animal está a cometer infra¸cões

Tabela 2.1: Estados da postura dos animais

Ultrassons

Um dos sensores incorporado na coleira é um transdutor de ultrassons. Este permite medir a distância do pesco¸co do animal ao chão e representa um dado importante para a análise do comportamento e postura dos animais. Tal como se pode observar na Figura 2.4, a distância até ao chão, medida pelo transdutor de ultrassons, varia consoante a posi¸cão da cabe¸ca e, consequentemente, consoante a atividade do animal. A da esquerda: o animal está numa posi¸cão de descanso, o que tipicamente corresponde a uma situa¸cão em que o pesco¸co está à altura do dorso do animal. Na situa¸cão do meio, o animal está a alimentar-se do chão, e portanto, a distância é muito menor do que no caso anterior. Por fim, no caso mais à direita, o animal está a alimentar-se de videiras, e portanto a distância ao chão é mais elevada do que nas posi¸cões anteriores.

Figura 2.4: Distˆancia do pesco¸co ao ch˜ao [5]

O módulo de ultrassons escolhido para coleira tem a referência K-14WP1e, sendo que as principais caracter´ısticas podem ser encontradas em [36]. Destas é importante mencionar que a frequência central é de 40 kHz, a sensibilidade do eco é superior a 100 mV e o tempo de decaimento é inferior a 1.3 ms. A valida¸cão deste sensor para efeitos de utiliza¸cão não é apresentada na disserta¸cão de Morais [12]. Em suma, a sua gama de funcionamento é [25:90]

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cm, permitindo, portanto, medir as distˆancias expect´aveis.

Aceler´ometro

Para monitorizar a posi¸cão e o movimento das ovelhas, é utilizado um acelerómetro de três eixos ortogonais. Este permite medir as acelera¸cões estáticas e dinâmicas, em miliGauss (mG),do pesco¸co, e, consequentemente do animal.

Os ângulos tri-dimensionais (Pitch, Roll e Heading) são obtidos através das componentes da acelera¸cão estática, medidos pelo acelerómetro, permitindo definir o posicionamento e orienta¸cão do pesco¸co das ovelhas e os seus cálculos podem ser encontradas na Seçcão 4.2.4 do trabalho em [5]. Na Figura 2.5 pode-se observar o movimento realizado por cada um dos ˆ

angulos e os eixos que os afetam. O ângulo Pitch, rota¸cão no eixo do X, permite estimar a inclina¸cão do pesco¸co. O ângulo Roll, rota¸cão no eixo do Z, indica o movimento circular à medida que o animal se move. O ângulo Heading, rota¸cão no eixo Y, indica a movimenta¸cão lateral do pesco¸co do animal.

Figura 2.5: ˆAngulos tri-dimensionais do posicionamento dos animais [12]

Em suma, a lista dos perif´ericos principais utilizados pela coleira, assim como algumas das suas caracter´ısticas s˜ao sumariadas na tabela 2.2.

Microcontrolador PIC32MX170F256D [32] da Microship

ROM Microcontrolador 256 kB

SRAM Microcontrolador 64 kB

Flash Auxiliar Microcontrolador 3 kB

Comunica¸c˜ao Radio Frequˆencia (RFM22B) [31]

Frequˆencia RF 868 MHz

Peso 270 g

Dimens˜oes 80 x 80 x 50 mm

Acelerometro ADXL345 [38]

Transdutor de Ultrassons K-14WP10 [36]

Est´ımulos Sonoros Transdutor ABT-414-RC da PRO-SIGNAL [39] Est´ımulos El´etricos M´odulo TW-DC-DP da Tianwang

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2.1.2 Far´ois

Os faróis (Figura 2.6) são dispositivos fixos que são instalados estrategicamente nas áreas de pastoreio de forma a que todas as coleiras estejam ao alcance de pelo menos um farol. Os faróis recebem os dados das coleiras e encaminham estes dados para a gateway. Os faróis têm também a fun¸cão de assegurar a sincroniza¸cão de toda a rede assim como permitem a implementa¸cão de um mecanismo de localiza¸cão baseado em RSSI.

As coleiras, por norma, movem-se nas zonas de cobertura de um ou mais faróis, que são constitu´ıdos por um rádio, um micro controlador e um GPS, sendo que este último permite obter a localiza¸cão absoluta dos faróis. Apesar de os faróis serem estáticos, foram desenhados de forma a poderem ser mudados facilmente de local, caso o pastor pretenda mudar a área de pastoreio. O hardware que constitui os faróis é igual ao das coleiras, com exce¸cão dos sensores e atuadores que não são montados no hardware dos faróis.

Figura 2.6: Farol

2.1.3 Gateway

A gateway, cuja arquitetura é descrita no artigo [7], desempenhando um papel importante no controlo do acesso à rede, permitindo o relay de informa¸cão presente na rede de sensores para a plataforma computacional e interface do utilizador. Ao observar-se a Figura 2.1 pode-se verificar que a gateway funciona como um componente de intera¸cão entre a rede de sensores, a plataforma computacional e o utilizador.

Na maioria dos casos existe apenas um dispositivo gateway. Estes dispositivos, não são movidos frequentemente, e por norma encontram-se em lugares de fácil acessibilidade. Então, pode-se assumir que as gateways não estão sujeitas às mesma restri¸cões de tamanho e con-sumo energético que os faróis, e particularmente que as coleiras. Logo, as gateways podem usar melhor hardware, tanto em termos de processamento como em termos de capacidade de armazenamento, o que é essencial para habilitar a realiza¸cão dos servi¸cos acima mencionados. Considerando a complexidade dos servi¸cos suportados, foi implementada numa plataforma embutida a correr em Linux. Como se pode observar na Figura 2.7, a gateway permite a intera¸cão com o utilizador através do WIFI/Bluetooth, disponibilizados através de placas de interface à rede. A gateway também contém um modulo do farol, interligado com o

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microcon-trolador embutido através de uma interface série. O módulo do farol assegura a conformidade com o esquema de comunica¸cões da rede de sensores. O bloco Network Interface Card (NIC) permite conetar a gateway com a plataforma computacional.

Figura 2.7: Diagrama geral da Gateway [7]

Na Figura 2.8 pode ser observado o protótipo funcional da gateway já desenvolvido. Na Figura 2.9 podem ser observados os módulos que constituem a gateway, cujas fun¸cões são:

• Interface da Porta Serie - É uma interface que permite receber ou enviar dados para os faróis. Também permite que a informa¸cão seja convertida para ser disponibilizada para o bloco de processamento;

• Bloco de Processamento - Este bloco permite que os dados enviados pela interface da porta série sejam processados, criando-se o timestamp e disponibilizando os dados para o algoritmo de localiza¸cão e armazenando-os na memória partilhada;

• Algoritmo de Localiza¸cão - Este bloco permite localizar as coleiras, usando os valores de RSSI de pelo menos 3 faróis, que são enviados para os algoritmos de trilatera¸cão e após a sua valida¸cão é devolvida a estimativa da posi¸cão da coleira;

• Memória Partilhada - Memória que guarda informa¸cão para que seja acedida pela thread de rece¸cão e processamento de dados, display, Web Socket Local, thread do menu, de localiza¸cão e aquela que permite gerir os alarmes;

• FIFO- Os dados processados s˜ao colocados numa fila, FIFO, para serem publicados num servidor AMQP, neste caso RabbitMQ;

• RabbitMQ [34] - Armazena os dados enviados numa fila, de forma a que possam ser consumidos pela plataforma de processamento incorporada na plataforma computacio-nal (Apache Spark );

(32)

• Apache Spark [35] - ´e uma estrutura que permite receber, interpretar, persistir, vali-dar e criar um hist´orico de mensagens em tempo real;

• AMQP - Servidor que permite armazenar os dados processados provenientes da FIFO e os alarmes gerados pela thread que gere os alarmes;

• Menu - Permite que o utilizador possa enviar comandos para as coleiras, para que estas realizem opera¸c˜oes, como ativar ou desativar algoritmos;

• Web Socket Local - é uma tecnologia que permite a comunica¸cão bidirecional por canais full-duplex sobre um único socket Transmission Control Protocol (TCP); • Display - Permite ao operador verificar, localmente e sem recorrer à interface web, a

posi¸c˜ao dos far´ois e das coleiras.

Figura 2.8: Prot´otipo da Gateway

Como muitos locais de pasto se encontram em locais remotos, o acesso permanente à Internet pode não ser garantido, e além disso existem alguns servi¸cos em que o tempo de resposta deve ser baixo. A gateway deve ter a capacidade de suportar alguns desses servi¸cos, nomeadamente:

• Alarmes - O módulo desenvolvido no decorrer desta disserta¸cão. Caso ocorram si-tua¸cões anómalas, estes devem ser lan¸cados o mais depressa poss´ıvel. A gateway adquire dados de todos os animais, para que tenha uma visão global que permita correlacionar os dados recebidos, sendo então o local privilegiado para a dete¸cão de situa¸cões anómalas. Por exemplo, se uma ovelha desaparecer de todos os faróis, isso pode significar que esta tenha fugido; se as ovelhas demonstrarem um comportamento em que todas estão a correr, pode significar que o rebanho se encontra sob ataque. Estes são apenas al-guns exemplos de situa¸cões que devem resultar em alarmes que devem ser enviados ao utilizador para que possa intervir;

• Administra¸cão - a interface local da web, para permitir realizar tarefas de adminis-tra¸cão no site (por exemplo, definir até que altura os animais estão autorizados a se alimentar, se as restri¸cões estão ativas ou não), consultar histórico de dados e dados em tempo real. Esta interface permite ainda ativar interven¸cões técnicas, tais como ajustar

(33)

Figura 2.9: M´odulos internos da Gateway

os parâmetros de comunica¸cão aos critérios espec´ıficos encontrados no terreno (tipo de terreno, dimensão do rebanho, entre outros), assim como permitir o debug dos n´ıveis dos sistema através da rede.

2.2 Rede de Sensores

A intera¸cão entre as coleiras, faróis e gateway é poss´ıvel através de uma rede de sensores, cuja arquitetura e escalabilidade teórica da rede é proposta em [6]. Adicionalmente, e consi-derando que os requisitos desta solu¸cão poderão ser aplicados a outras solu¸cões, o trabalho de Temprilho et al. [8, 2], propõe a defini¸cão de uma arquitetura de comunica¸cões especialmente desenhada para este tipo de cenários.

As escolhas feitas a n´ıvel de hardware e protocolo de comunica¸cões foram realizadas com vista a que se cumpram os requisitos do projeto. De forma simplificada, as principais carac-ter´ısticas do protocolo de comunica¸cões implementado são:

• Toda a rede comunica na mesma banda de frequˆencia, 868 MHz;

• As comunica¸cões são maioritariamente baseadas em Time Division Multiple Access (TDMA), isto é, as coleiras e os faróis têm tempos de recep¸cão e transmissão definidos. Este esquema de comunica¸cão permite evitar colisões e evitar fenómenos de overhearing, contribuindo para significativas poupan¸cas a n´ıvel de consumo de energia;

• Para comunica¸c˜oes espor´adicas, tais como o registo de dispositivos na rede, o sistema utiliza um esquema baseado em Carrier Sense Multiple Access (CSMA);

• De acordo com os dados a transmitir e a pol´ıtica MAC (TDMA ou CSMA) associada, foram definidos frames temporais de comunica¸c˜ao denominadas de uC;

(34)

uC - Tipo Objetivo Politica MAC Pairing Request (PR) Emparelhamento de

Dispositivos CSMA

Collar-to-Beacon (C2B) Comunica¸c˜ao das coleiras

(n´os moveis) TDMA

Beacon-to-Beacon (B2B) Comunica¸c˜ao entre far´ois TDMA Tabela 2.3: Tipos de micro-ciclos atualmente definidos [13]

• Existem atualmente trˆes tipos de uCs (descritos na Tabela 2.3), podendo ser adicionados mais caso seja necess´ario;

• São permitidas sequências periódicas de uCs, formando um macro-ciclo (MC), que é repetido ao longo do tempo (Figura 2.10).

Figura 2.10: Estrutura de Macro-Ciclo [2]

A Figura 2.11 representa o padrão de comunica¸cão de um uC, sendo que estes são compos-tos por uma Synchronization Window (SW), seguido de uma Turn Around Window (TAW) e de uma Variable Traffic-type Window. A SW tem como propósito a sincroniza¸cão da frame do uC. A TAW é reservada para a maior parte do processamento. Por fim, o objetivo da VTW é permitir a troca dos diferentes tipos de tráfego e na qual as comunica¸cões são realizadas através de TDMA ou CSMA.

Até ao momento foram já definidas uma série de mensagens que são trocadas entre os dispositivos do sistema. Algumas destas são comuns a todos os tipos de uC enquanto ou-tras estão diretamente associadas ao uC. Mais concretamente, estão definidas as seguintes mensagens:

• Beacon Synchro (BS): Estas mensagens são emitidas periodicamente por cada Farol durante a SW em todos os uCs.Estas transportam a sua identifica¸cão e informa¸cão relativa ao esquema do tipo de comunica¸cões que vai ocorrer. Os nós que recebem este tipo de mensagens, usam-nos para se sincronizarem com a rede;

• Collar To Beacon (C2B):

Estas mensagens são enviadas pelas Coleiras nos uC C2B e contém a sua identifica¸cão, assim como todos os dados dos sensores e outros parâmetros tais como o número de infra¸cões e a percentagem de bateria;

(35)

Figura 2.11: Estrutura micro-ciclo [2]

Estas mensagens s˜ao transmitidas entre far´ois durante os uC B2B. Sumariamente, es-tas mensagens permitem o encaminhamento dos dados recebidos das Coleiras para a Gateway.

2.3 Plataforma Computacional

A plataforma computacional permite uma centraliza¸cão dos dados recolhidos, assim como o desenvolvimento de aplica¸cões capazes de facilitar a intera¸cão entre o utilizador e os dispo-sitivos.

Esta plataforma computacional encontra-se acess´ıvel através da Internet podendo residir na Cloud ou em servidores locais. Permite também tratar, analisar e armazenar os dados reco-lhidos assim como permite aos diferentes intervenientes (pastores, agricultores, etc.) consultar os dados relativos ao seu rebanho. A plataforma implementa ainda ferramentas de aprendi-zagem automática, possibilitando a identifica¸cão de dados, como padrões de comportamento, antever situa¸cões de risco e doen¸cas.

A plataforma computacional, cuja arquitectura é descrita em [3], está ilustrada na na Figura 2.12. Esta permite receber, processar e guardar os dados obtidos pelas gateways e disponibiliza a informa¸cão de forma resumida ao utilizador. No sentido de garantir escalabi-lidade com o aumento do número de instala¸cões, animais e equipamentos, foi desenhado um protocolo de comunica¸cão Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) recebe e reencami-nha mensagens entre diferentes entidades. O broker RabbitMQ-based [34]), consiste numa fila de mensagens que ficam dispon´ıveis para serem processadas por ordem de chegada por uma ferramenta de processamento de dados, o Apache Spark [35]. Neste persiste o fluxo de dados em Tempo-Real no repositório de dados da plataforma. Além disso, a infraestrutura permite a incorpora¸cão de mecanismos de minera¸cão de dados e bibliotecas de aprendiza-gem automática [3], o que pode ser usado para prever certos eventos, tais como doen¸cas nos animais ou nas vinhas.

A estrutura de processamento é poss´ıvel através de um servidor de administra¸cão de regras, que também subscreve tópicos de fluxo do broker para implementar um sistema de alarme central, que pode ser usado como complemento ao módulo gerador de alarmes implementado no gateway.

Finalmente, a plataforma computacional também inclui uma RESTful API no sentido de permitir o acesso e comunica¸cão com a web e interfaces de utilizadores móveis.

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Figura 2.12: Arquitectura da Cloud Computational Plataform (CCP) [7]

2.4 Alarmes

O projeto SheepIT possui uma serie de módulos já implementados, mas peca pela falta de um sistema local de alarmes que auxilie o utilizador no dia a dia na dete¸cão e tratamento de situa¸cões anómalas. De facto, apesar de a arquitetura da gateway descrita na Seçcão 2.1.3, contemplar um sistema de alarmes, este nunca foi desenvolvido. Assim, de forma a corrigir esta lacuna, o presente trabalho propõe a implementa¸cão, valida¸cão e integra¸cão de um módulo de gera¸cão de alarmes. Este sistema permite gerar alarmes que são enviados ao utilizador, contendo informa¸cão adicional sobre o tipo de alarme, a data e a hora do alarme, a sua prioridade e o dispositivo onde ocorre.

O sistema de alarmes implementado é integrado na gateway e permite, através da análise de dados (acelera¸cão dinâmica, ângulos de inclina¸cão, estado dos animais, bateria dos dispo-sitivos e número de infra¸cões) detetar diferentes tipos de alarmes:

• Pˆanico individual ou do rebanho; • Ausˆencias;

• Coleiras perdidas;

• Problemas no equipamento; • Bateria;

• Infra¸c˜oes sonoras ou electrost´aticas.

No Cap´ıtulo 4 encontra-se detalhada a arquitetura da solu¸cão conjuntamente com a sua implementa¸cão e integra¸cão.

(37)

Cap´ıtulo 3

Solu¸

c˜

oes de Monitoriza¸

c˜

ao Animal

Neste cap´ıtulo são abordadas as solu¸cões propostas em projetos de investiga¸cão, assim como solu¸cões comerciais existentes no mercado destinadas à monitoriza¸cão de rebanhos em tempo real e, particularmente, à gera¸cão de alarmes em fun¸cão das situa¸cões em que estes se encontram.

3.1 Projetos Cient´ıficos

O sistema apresentado em [29] tem como objetivo a preven¸cão da ca¸ca ilegal de tigres e leões. Para tal é proposto um dispositivo eletrónico que é constitu´ıdo por um sensor de ritmo card´ıaco, um módulo GPS, um módulo GSM e um microcontrolador alimentado por uma fonte DC regulada a 5V. Os dados obtidos pelo sensor de ritmo card´ıaco em conjunto com os dados da localiza¸cão e o timestamp são processados pelo microcontrolador e uma mensagem de alerta é enviada para o centro de processamento através do módulo GSM.

Um estudo biológico do comportamento destes animais sugeriu que o ritmo card´ıaco varia de 56 a 97 batimentos por minuto em condi¸cões normais. Um ritmo card´ıaco elevado está associado a duas situa¸cões distintas: ou o animal está a ca¸car ou está a ser ca¸cado. De forma similar, um ritmo card´ıaco baixo implica que, ou o animal está a dormir ou foi aplicado um tranquilizante. Assim, a análise do ritmo card´ıaco permite detetar situa¸cões de poss´ıvel perigo para o animal, informando os guardas florestais quando tal é detetado. Adicionalmente, e por forma a permitir uma rápida localiza¸cão do animal , também a posi¸cão dos animais obtida através do GPS é transmitida.

A Figura 3.1 ilustra o fluxograma do funcionamento do sistema. Tal como se pode obser-var, o primeiro passo é a leitura do batimento card´ıaco, localiza¸cão e timestamp de quando recebe os valores. Posteriormente, verifica-se se o batimento está fora dos valores regulares. Em caso afirmativo, é necessário verificar a altura do dia em que se encontra. Caso estejamos perante um cenário diurno, se o valor do ritmo card´ıaco for superior a um limiar definido e se não for detetado movimento, é gerado um alarme. Da mesma forma, caso estejamos perante um cenário noturno e não for detetado movimento também um alarme é gerado. Contraria-mente, caso o batimento card´ıaco esteja dentro dos padrões normais, e se, independentemente de ser de dia ou de noite, houver registo de movimento, então nenhum alarme é gerado.

Em [25], os autores têm como objetivo desenvolver um sistema que seja capaz de notificar o pastor quando as vacas entram em cio, usando dados obtidos através de acelerómetros incor-porados em coleiras (Figura 3.2). Os dados destes dispositivos são utilizados para identificar

(38)

Figura 3.1: Fluxograma do sistema [29]

o aumento dos n´ıveis de atividade das vacas (inquieta¸cão, aumento da distância percorrida) e assim encontrar associa¸cões com eventos de cio registados.

A Figura 3.3 descreve o fluxograma da solu¸cão desenvolvida. Para facilitar a dete¸cão de situa¸cões de cio nas vacas, foram colocados acelerómetros nas patas do machos, sendo assim

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Figura 3.3: Metodologia proposta em [25] para dete¸c˜ao do cio em vacas

poss´ıvel detetar os instantes em que os machos tentam efetuar a cópula, situa¸cões diretamente associadas aos cios. Adicionalmente, este sistema permite ainda agrupar as atividades regis-tadas e quantificá-las (em baixas, médias e altas). De seguida, foram colocados dispositivos electrónicos para monitorizar a atividade dos animais. Foram medidos os impulsos f´ısicos resultantes dos movimentos da cabe¸ca e pesco¸co, que resultam das mudan¸cas na acelera¸cão. Em casos de alta atividade, as intensidades das atividades são medidas e comparadas com o desvio da atividade de referência para detectar eventos de cio nas vacas.

O trabalho apresentado em [24] tem como objetivo a preven¸cão de roubo de bovinos através da análise do comportamento dos mesmos. O sistema desenvolvido permite, através do uso de um GPS incorporado numa coleira (Figura 3.4), obter a localiza¸cão dos bovinos e a sua velocidade. Foi considerado no artigo que a fronteira da cerca era o local de maior risco em caso de roubo, então a dete¸cão de roubo é poss´ıvel através da análise do tempo em que um vaca permanece perto da fronteira, comparando esse tempo com um valor limiar obtido através de dados recolhidos em contexto real. O Continuous Time Markov Processes CTMP é aplicado ao padrão do movimento de uma vaca no sentido de encontrar a probabilidade de a mesma estar numa posi¸cão perto da fronteira. Estas coleiras permitem igualmente a transmissão da posi¸cão dos animais através de uma rede sem fios de baixo consumo. O rádio utilizado é um Xbee emissor-recetor de radiofrequência, que comunica utilizando o protocolo Zigbee na banda de 2.4 GHz.

(40)

(a) Coleira na vaca (b) Componentes da coleira Figura 3.4: Coleiras propostas em [24]

O sistema apresentado em [30] tem como objetivo a dete¸cão de estados de Musth [40] em elefantes (consiste num estado de elevada agressividade dos elefantes, acompanhada por um grande aumento das hormonas reprodutoras) e o cio em caprinos. O sistema proposto consiste no desenvolvimento de um mecanismo baseado em tecnologias IoT que inclui módulos para detetar o estado dos animais e enviar mensagens aos utilizadores. O cio nas cabras é de dif´ıcil dete¸cão, por vezes os pastores falham em detetar, pois algumas cabras não apresentam altera¸cões significativas nos seus comportamentos. A falha na dete¸cão do cio pode afeta a produtividade, pois obriga o agricultor a esperar pelo próximo ciclo, de forma a usar o animal para procria¸cão.

´

E proposto o uso de um sensor para obter as varia¸c˜oes de temperatura corporal dos animais, sendo depois esses valores encaminhados para um Raspberry Pi para tratameto.

No caso dos elefantes, a subida gradual da temperatura é um dos sintomas dos estados de Musth. Assim, caso o sistema detete esta subida de temperatura, é enviado um alerta, através de GSM, aos utilizadores responsáveis pela sua monitoriza¸cão, incluindo donos, autoridades e, se necessário, ao departamento ambiental.

No caso dos caprinos, o cio é definido pela elevada varia¸cão da temperatura. Ao serem detetadas essas varia¸cões o utilizador é notificado utilizando o mesmo método utilizado no sistema de monitoriza¸cão dos elefantes, isto é, recorrendo a um módulo GSM. Esta informa¸cão permite aos produtores aumentar a efetividade do processo de reprodu¸cão.

A implementa¸c˜ao deste sistema assenta nos seguintes m´odulos:

• Wireless Sensor System (WSS) & Raspberry PI: O dispositivo está colocado no corpo do animal, de preferência no pesco¸co. Os valores das temperaturas são en-caminhados para o Raspberry Pi. O algoritmo analisa continuamente os dados, sendo que quando deteta varia¸cões de temperatura superiores a um valor limiar, envia uma notifica¸cão para o utilizador para serem tomadas as devidas medidas;

• Sistema de comunica¸cão e aplica¸cão para telemóvel: O sistema comunica com o utilizador as varia¸cões que ocorrem no animal. A aplica¸cão permite aos donos dos animais registar os seus próprios animais;

• Central Data Center (CDC): A informa¸cão, incluindo temperatura e n´ıveis de es-trogénio é guarda num servidor para que possa ser acedida a qualquer altura e por diversos dispositivos.

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A intera¸cão entre os módulo em cima descritos pode ser observada de forma simplificada na Figura 3.5. Os dados de temperatura são obtidos e convertidos na coleira. Posteriormente, são enviados para o CDC onde são guardados e analisados. Por fim, consoante as situa¸cões, as autoridades podem ser notificadas.

Figura 3.5: Fluxograma do sistema de dete¸c˜ao de Musth nos elefantes e cio nas cabras[30]

O sistema apresentado em [26] tem como objetivo não só melhorar a saúde dos animais, mas também identificar e prevenir doen¸cas nos mesmos, sejam estas por motivos endógenos ou devido a ataques biológicos. A implementa¸cão do módulo de sensores foi feita recorrendo a um dispositivo Zigbee e um Arduino. Para visualiza¸cão dos dados, uma interface Graphical User Interface foi desenvolvida.

O sistema permite a dete¸cão de diferentes parâmetros fisiológicos dos animais, tais como a rumina¸cão e o ritmo card´ıaco, assim como a monitoriza¸cão de parâmetros ambientais, entre

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os quais a humidade e a temperatura. Para permitir a monitoriza¸cão e transmissão de todos estes parâmetros, o sistema incorpora 4 grandes módulos (Figura 3.6):

• Módulo do Sensor de rumina¸cão (Sensor module-1 ): permite analisar o processo digestivo no animal. O s´ındrome de rumina¸cão é uma condi¸cão crónica caracterizada pela regurgita¸cão da maioria da refei¸cão após a ingestão. O módulo do sensor de ru-mina¸cão é composto por um sub-módulo de Zigbee, um microcontrolador PIC18F4550 ([27]) e respetivo sensor.

• Módulo do Sensor de Ritmo card´ıaco (Sensor module-2 ): indica o impacto que o stress e a agita¸cão têm num animal. Neste caso a medi¸cão do ritmo card´ıaco é realizada através de um método indireto ou não invasivo. Pois os métodos não invasivos têm a vantagem de não influenciar negativamente a condi¸cão do animal. Este módulo ´

e composto por transmissor T56H [28] e el´etrodos.

• Módulo do Sensor de humidade (Sensor module-3 ): Os fatores ambientais, como a humidade, têm de ser cuidadosamente monitorizados pois afetam o metabolismo e o comportamento dos animais. Os parâmetros de humidade afetam diretamente ou indiretamente a performance e a saúde dos animais. O fator ambiental é constitu´ıdo por temperatura, movimento do ar, humidade e calor gerado pela radia¸cão. N´ıveis impróprios de temperatura e humidade podem afetar negativamente os resultados. A humidade deve estar contida entre os 30% e os 70%. A humidade tem um grande impacto na saúde dos animais. O módulo do sensor de humidade é composto por um sub-módulo de Zigbee, um microcontrolador PIC18F4550 [27] e respetivo sensor. • Módulo do Sensor de temperatura (Sensor module-4 ): Foi usado um term´ıstor

para medir a temperatura corporal do animal. O termistor é um componente altamente sens´ıvel. O corpo tem de se manter a uma temperatura constante, dentro de um pe-queno intervalo, para que todos os sistemas biológicos funcionem devidamente. Uma mudan¸ca na temperatura do corpo é sinal de problemas de saúde. A temperatura cor-poral é diferente para diferentes tipos de animais. O módulo do sensor de temperatura ´

e composto por um sub-m´odulo de Zigbee, um microcontrolador PIC18F4550 [27] e respetivo sensor.

O sistema apresentado em [20] tem como objetivo a dete¸cão e prote¸cão de ataques efe-tuados contra ovinos e caprinos. Na Tabela 3.1 podem ser observados os diferentes tipos de alarmes que podem ser despoletados, bem como o tipo de notifica¸cão a que dão origem.

A monitoriza¸cão do animal é efetuada com recurso a dois parâmetros: temperatura cor-poral e ritmo card´ıaco. A Figura 3.7 ilustra o posicionamento destes sensores no animal. Existe uma coleira acoplada ao pesco¸co do animal e que contém um sensor de temperatura para registo da temperatura corporal do mesmo. Conectados também a esta coleira, existem dois elétrodos, um em cada pata da frente do animal, e que permitem monitorizar os sinais vitais dos animais.

(43)

N´ıvel de Alarme Descri¸cão Consequência 1 Presen¸ca de parceiros na época do cio Notifica pastor

2 Dete¸c˜ao de roubo Notifica pastor e

pol´ıcia

3 Presen¸ca de animais selvagens Notifica pastor e unidade de controlo animal 4 Dete¸c˜ao de qualquer tipo de fen´omeno

natural, entre os quais incˆendios e cheias

Notifica pastor e servi¸cos de emergˆencia Tabela 3.1: N´ıveis de alarmes do sistema descrito no artigo [20]

Figura 3.7: Posicionamento dos Sensores da solu¸c˜ao descrita em [20]

Para comunica¸cão dos dados monitorizados, o sistema utiliza um protocolo de comunica¸cão sem fio, o ZigBee [22], que é baseado na norma IEEE 802.15.4 [23]. Este protocolo tem como principal caracter´ıstica o baixo consumo de energia, sendo ideal para comunica¸cões em que a baixa transmissão de dados e pequeno alcance não sejam um entrave, maximizando assim o tempo de vida dos dispositivos da rede.

A Figura 3.8 resume a estrutura da rede do sistema assim como o hardware utilizado. O sistema utiliza uma plataforma Waspmote [21], isto é, uma plataforma open source que permite a integra¸cão de módulos de comunica¸cão sem fios e sensores de forma autónoma. O Waspmote é composto por um microcontrolador ATmega 1281 que opera na frequência dos 8 MHz e que apresenta pequenas dimensões e peso (73,5 x 51 x 13 mm e 20 gramas).

(a) Estrutura da rede sem fios (b) Waspmote e a sua bateria

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De forma a tornar o dispositivo o mais autónomo poss´ıvel a n´ıvel energético, um sistema de carregamento baseado em energia solar é utilizado. Quando anoitece, o regulador de controlo de energia ativa o relé que controla a conexão da bateria ao nó do sensor, habilitando a conexão sem fios com o ponto de acesso.

O mecanismo que controla a gera¸cão de alarmes está ilustrado na Figura 3.9 . Tal como se pode observar, sempre que um novo evento é detetado, um contador é incrementado (Mes-sage). Sempre que este contador atinge um valor de 5, o evento que despoletou a mensagem é guardado e o alarme identificado através dos dados dispon´ıveis numa Base de Dados. Após identificar o alarme, este é gerado, podendo ser disponibilizado de forma visual, sonora e /ou comunicado via General Packet Radio Service (GPRS) ao utilizador.

Figura 3.9: Algoritmo de decis˜ao [20]

Na Figura 3.10, pode-se observar os resultados da simula¸cão do algoritmo de decisão. Inicialmente, um alarme individual é gerado aos 50 segundos, criando a primeira mensagem de aviso. Uma vez que passam 5 minutos sem qualquer registo de alarme, o valor do alarme volta a 0. Contrariamente, no segundo 390, vários alarmes individuais são despoletados num espa¸co inferior a 5 minutos. Consequentemente, o número de mensagens de alerta aumenta, sendo que quando chega às 5, o alarme é despoletado.

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3.2 Solu¸

c˜

oes Comerciais

No mercado existem diversas solu¸cões que permitem gerar alarmes associados à monito-riza¸cão animal. Alguns dos vários sistemas dispon´ıveis no mercado são Cattle Watch [14], Cowlar [15], Digitanimal [16], Cow Monitoring|Afimilk [17], FarmRanger [18] e Nofence [19]. Tal como a solu¸cão SheepIT, todas estas solu¸cões baseiam o seu sistema de monitoriza¸cão em coleiras que são acopladas aos animais. A informa¸cão é obtida através de sensores colocados na coleira, sendo esta informa¸cão enviada para servidores onde é guardada e analisada. O resultado desta análise permitente ao utilizador saber qual o estado do animal, incluindo a existência de cio e de situa¸cões anómalas, tais como roubo de animais, poss´ıveis problemas de saúde ou até a situa¸cões em que o animal se encontre fora dos limites de uma cerca (nos casos em que esta situa¸cão se aplique). Tipicamente, o utilizador é notificado sobre cada uma destas situa¸cões através de mensagens, email ou aplica¸cões para telemóvel. A Tabela 3.2 resume algumas das propriedades das solu¸cões enumeradas, propriedades essas que passamos seguidamente a descrever.

Os sistemas Cowlar e Cow Monitoring|Afimilk foram desenvolvidos unicamente para vacas enquanto que o sistema Nofence foi desenvolvido para cabras e está previsto que em 2020 também esteja dispon´ıvel para ovelhas e vacas. O Cattle Watch é um sistema desenvolvido para poder ser utilizado em vacas, ovelhas e cabras. Já os sistemas Digitanimal e FarmRanger permitem uma maior gama de utiliza¸cão, podendo ser utilizados em cavalos, vacas, cabras, ovelhas e animais selvagens. O método de envio da informa¸cão difere de solu¸cão para solu¸cão. Por exemplo, na Cow Monitoring|Afimilk e na Nofence a informa¸cão é enviada usando GSM. As baterias deste tipo de solu¸cões tipicamente têm de apresentar elevadas autonomias. No caso da Digitanimal, esta pode variar entre 6 meses a 2 anos, a farmranger tem autonomia de 12 semanas e na Nofence as baterias podem durar 30 dias sendo estas alimentadas através de painéis solares. As restantes solu¸cões não apresentam dados acerca da autonomia dos seus dispositivos.

A solu¸cão Cattle Watch tem como principal objetivo a preven¸cão do roubo de animais [14]. A coleira, ilustrada na Figura 3.11a, contém um GPS para localiza¸cão do animal , um

(a) Cattle Watch

[14] (b) FarmRanger [18]

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módulo de GPRS para transmissão de dados e um painel solar para carregar as baterias. O GPS é também utilizado para providenciar um sistema de GeoFencing, isto é, um sistema que implementa um mecanismo de cerca virtual. Como caracter´ısticas adicionais, o sistema permite contar os animais assim como monitorizar sua saúde.

Já a solu¸cão FarmRanger [18], cuja coleira pode ser observada na Figura 3.11b, tem como principal objetivo alertar para a presen¸ca e ataque de predadores e poss´ıveis roubos de animais. Uma das caracter´ısticas distintivas deste sistema é que requer apenas a coloca¸cão de uma coleira em alguns elementos do grupo de animais, uma vez que quando ladrões ou predadores se aproximam dos animais, todo o rebanho reage, através de comportamos de stress diferentes dos normais. Situa¸cões de stress e pânico do animal são detetadas através de sensores presentes na coleira, alertando o utilizador através de SMS. O GPS incorporado na coleira permite ao agricultor saber a localiza¸cão da coleira que gerou o alarme, possibilitando assim uma rápida interven¸cão. A FarmRanger não necessita de esta¸cões no terreno, pois as coleiras comunicam por GPRS diretamente com o telemóvel do agricultor.

A solu¸cão desenvolvida pela Cowlar [15] tem como objetivo a monitoriza¸cão de gado bovino, permitindo acompanhar eventos de cio, gravidez e a saúde dos mesmos. As coleiras desta marca são de carregamento único e possuem uma autonomia de 6 meses. A comunica¸cão é realizada por GSM (cerca de 3.2 Km desde a esta¸cão base). As notifica¸cões (Figura 3.12b) são realizadas via SMS, email, aplica¸cão de telemóvel ou via página web.

Já a Cow Monitoring|Afimilk [17] desenvolveu um sistema capaz de detetar o roubo, o cio e saúde das vacas. A comunica¸cão é realizada via GSM. As notifica¸cões (Figura 3.12a) são enviadas para uma aplica¸cão de Smartphone e página Web. A coleira foi projetada de forma a que a dura¸cão da bateria seja entre 18 a 22 anos.

A Digitanimal [16] possibilita a monitoriza¸cão e localiza¸cão (via GPS) de várias espécies de animais, permitindo notificar o utilizador via aplica¸cão para Smartphone, sobre os seguintes

(a) Cow Monitoring|Afimilk [17] (b) Cowlar [15] Figura 3.12: M´etodos de notifica¸c˜ao ao utilizador

(47)

cen´arios: n´ıveis de stress, doen¸cas, roubo, predadores, limite da cerca e animais perdidos. A autonomia das coleiras vai desde os 6 meses a 2 anos, dependendo do tipo de utiliza¸c˜ao.

A Nofence [19] implementou uma coleira que incorpora um GPS e um pa´ınel solar para carregar a bateria. O grande objetivo desta solu¸cão é o desenvolvimento de uma cerca virtual que pode ser definida pelo utilizador através de um mapa interativo dispon´ıvel na aplica¸cão da solu¸cão. Quando o animal se aproxima dos limite da cerca, a coleira imite um aviso sonoro, que é seguido de um choque se o animal persistir no caminho que segue. As notifica¸cões são transmitidas utilizando GSM.

Sistema Tecnologia

localiza¸c˜ao Autonomia

Alcance /

Tec. Comunica¸c˜ao Alarme Notifica¸c˜ao Cattle Watch GPS 10 anos 6/7 km

3G/GPRS

Roubo, Doen¸cas, Hostilidade, Cio, Gravidez

Mensagem e Aplica¸c˜ao Cowlar NA 6 meses 3.2 km

GSM Doen¸cas, Cio, Gravidez

Mensagem, Email, Aplica¸c˜ao, Web Digitanimal GPS 6 meses a 2 anos Sigfox/GSM

Doen¸cas, N´ıveis de Stress, Roubo, Predadores, Cerca,

Animal Perdido

Aplica¸c˜ao e PC Cow Monitoring /

Afimilk NA 18 a 22 anos GSM Sa´ude, Roubo, Cio Aplica¸c˜ao e PC FarmRanger GPS 12 Semanas GPRS Roubo, Predadores Mensagem, Chamada,

Aplica¸c˜ao Nofence GPS 30 dias GSM Cerca Mensagem, Aplica¸c˜ao

Tabela 3.2: Resumo das carater´ısticas das Solu¸c˜oes Comerciais

3.3 Discuss˜

ao

Como pode ser observado nas Seçcões 3.1 e 3.2, existem diversas solu¸cões, tanto a n´ıvel cient´ıfico como a n´ıvel comercial, que permitem monitorizar e consequentemente gerar dife-rentes tipos de alarmes. Após um estudo intensivo das solu¸cões mencionadas, foi poss´ıvel tra¸car um conjunto de alarmes únicos e enquadrados na solu¸cão SheepIT.

Efetivamente, apesar da grande diversidades de solu¸cões encontradas, existem dois requi-sitos que nenhuma das tecnologias apresentadas resolve. Por um lado, nenhum sistema pode ser diretamente utilizado pela solu¸cão do SheepIT desenvolvida. Existem também alarmes que nenhum dos trabalhos implementa, nomeadamente:

• coleiras perdidas;

• n´umero elevado de infra¸c˜oes; • problemas de hardware.

Existem dois alarmes que, devido à grande necessidade da sua existência, podem ser encon-trados em muitos dos artigos e foram também implementados no decorrer da disserta¸cão:

• pˆanico;

• ausˆencia de animais.

Por fim, existe uma outra lacuna no estado de arte das solu¸cões apresentadas, nomeada-mente o facto de não existir uma taxonomia clara e objetiva que possa ser aplicada a sistemas de alarmes de monitoriza¸cão animal.

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(49)

Cap´ıtulo 4

Arquitetura e Implementa¸

c˜

ao

Neste capitulo é descrita a arquitetura e implementa¸cão do sistema de alarmes proposta para a solu¸cão SheepIT. De acordo com os requisitos definidos, é proposta a implementa¸cão de alarmes relacionados com os animais, os dispositivos e de ausência.

4.1 Arquitetura geral do sistema de alarmes

O objetivo desta disserta¸cão é o desenvolvimento de um sistema de alarmes que tire partido da análise dos dados recolhidos pelos diferentes dispositivos da rede. Estes dados são agregados na gateway e, como tal, é este o dispositivo responsável por todo o sistema de alarmes (tal como previsto na arquitetura da gateway apresentada na Seçcão 2.1.3).

Os dados recolhidos através das coleiras e faróis, e armazenados na gateway, são analisa-dos em tempo-real pelo sistema, permitindo a emissão de alarmes sobre potenciais situa¸cões cr´ıticas. Em suma, os alarmes permitem identificar diversas situa¸cões, tais como: a dete¸cão de um baixo n´ıvel de bateria nos dispositivos, a poss´ıvel perda de coleiras, a dete¸cão de si-tua¸cões de pânico, poss´ıveis problemas de hardware e a ausência de animais na área definida. Conforme a importância das situa¸cões detetadas, um n´ıvel de prioridade é atribu´ıdo, entre baixo, médio e alto.

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Figura 4.2: Esquema simplificado dos m´odulos do sistema de alarme

O funcionamento simplificado do sistema de alarmes dentro da gateway está exposto na Figura 4.1. Assim, o módulo de alarmes acede à memória partilhada da Gateway para ter acesso aos dados recolhidos pelo sistema, valida-os, analisa-os e, em caso de se estar perante uma situa¸cão de alarme, notifica as entidade responsáveis, através de SMS, email ou aplica¸cão web. Mais concretamente, o sistema de alarmes é composto por três grandes componentes (Figura 4.2): i) numa primeira fase é realizada a leitura e valida¸cão de dados presentes na memória partilhada, ou seja, são obtidos os dados relativos aos animais e/ou dispositivos; ii) é executado um algoritmo de decisão que permite identificar o tipo e prioridade do alarme; iii) após dete¸cão e atribui¸cão do n´ıvel de prioridade ao alarme, este é gerado, podendo ser enviado por SMS caso seja de alta prioridade ou simplesmente apresentado como notifica¸cão na página web local da gateway.

A estrutura da seçcão dos alarmes na página web, cuja implementa¸cão foi realizada em conjunto com Maykol Santos, foi desenvolvida de acordo com as necessidades do utilizador, de forma a que a informa¸cão apresentada seja de fácil compreensão e apenas apresente os dados necessários para a resolu¸cão dos alarmes. Para cada alarme é passada informa¸cão acerca da data e hora em que é gerado, o dispositivo e/ou animal a que se refere, o tipo de alarme, o n´ıvel de prioridade e, em certos casos, informa¸cão adicional que auxilie na compreensão do alarme em questão.

4.2 Taxonomia

A taxonomia proposta para o sistema de alarmes da solu¸cão é apresentada na Figura 4.3. Esta permite não só identificar os diferentes tipos de alarmes definidos, como também a sua dependência com os parâmetros necessários para gerar estes alarmes. Para gerar qualquer um dos alarmes, são necessários os identificadores de dispositivos e/ou animais e os timestamp dos identificadores quando guardados na gateway, .

Foram então definidos três grandes grupos de alarmes e que são detalhados nas subseçcões que se seguem, nomeadamente:

• Alarmes associados aos dispositivos; • Alarmes associados aos animais;

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Figura 4.3: Taxonomia do Sistema de Alarmes

4.2.1 Alarmes associados aos dispositivos

Este tipo de alarmes, tal como o nome indica, est˜ao diretamente associados ao estado dos dispositivos. Nesta categoria definiram-se as seguintes situa¸c˜oes alarm´ısticas: bateria baixa, problemas de hardware e coleiras perdidas.

Bateria

Os alarmes relacionados com a bateria dos dispositivos destinam-se a identificar se os mesmos se encontram com bateria baixa. Esta situa¸cão é cr´ıtica visto permitir ao gestor dos equipamentos gerir os carregamentos das baterias, assim como detetar situa¸cões em que o equipamento esteja a ficar sem bateria em pleno funcionamento (o que pode comprometer a seguran¸ca das vinhas e/ou dos animais).

Para a dete¸cão destes alarmes, é essencial saber o identificador do dispositivo e a percen-tagem de bateria. Desta forma, realiza-se uma leitura da percenpercen-tagem de bateria de cada um dos ID’s presentes na memória partilhada. Por fim, para que este alarme seja gerado, comparam-se os valores das percentagens da bateria com valores limiares que são configuráveis pelo administrador do sistema.

Problemas de Hardware

Estes alarmes permitem que o utilizador seja notificado caso exista um poss´ıvel problema com o hardware dos equipamentos, mais concretamente nas coleiras. Um sensor deixar de fun-cionar ou ter um funcionamento deficiente pode comprometer todo o sistema, sendo portanto