MEMS可更好地為奶牛授精并預(yù)防耐藥細(xì)菌

智能農(nóng)業(yè)可以出現(xiàn)在最意想不到的地方，例如smaXtec中的奶牛瘤胃，使用STM32WL微控制器（MCU）的奧地利同名公司的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及ST三軸MEMS加速度計(jì)。smaXtec的第一個(gè)版本使用STM32L4。幾年后，該公司希望改進(jìn)其設(shè)計(jì)。因此，它采用了STM32WL，因?yàn)樗鼘CU和無(wú)線電收發(fā)器集成到同一個(gè)外殼上。

為什么智能農(nóng)業(yè)渴望更好的數(shù)據(jù)？

smaXtec： 第一個(gè)支持 LoRa 的推注

瘤胃是牛消化道的第一個(gè)腔室。這是動(dòng)物混合并開(kāi)始消化食物的地方。因此，自 1970 年代以來(lái)，農(nóng)民一直利用它來(lái)儲(chǔ)存名為推注的小膠囊。第一次推注僅含有維生素和礦物質(zhì)，會(huì)在一個(gè)月內(nèi)溶解。然后，科學(xué)家使用推注來(lái)給藥或跟蹤動(dòng)物的生命體征。smaXtec是第一個(gè)支持LoRa的推注。它很小（105 mm x 35 mm），可監(jiān)測(cè)生理數(shù)據(jù)，如pH值，飲水量，溫度，內(nèi)部收縮等。 它有助于確定奶牛何時(shí)發(fā)情或即將生病，從而顯著增加受精的機(jī)會(huì)或減少抗生素的使用。

優(yōu)化人工授精，提高繁殖率

與自然服務(wù)相比，人工授精為農(nóng)民節(jié)省了大量資金，消除了繁殖和照顧公牛的成本。盡管如此，人工授精仍然是一個(gè)熱門的科學(xué)話題，因?yàn)閷W(xué)者們正在尋找能夠產(chǎn)生最佳結(jié)果的技術(shù)。賓夕法尼亞州立大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院估計(jì)，最近接受培訓(xùn)的技術(shù)人員的平均育種率約為70%。因此，還有改進(jìn)的余地，尤其是在公牛精液價(jià)格繼續(xù)上漲的情況下。在下面的證詞中，一位農(nóng)民解釋了在安裝smaXtec推注后，他的“懷孕時(shí)間”如何縮短了近一半。

將抗生素使用量減少70%，實(shí)現(xiàn)更健康的農(nóng)業(yè)

在動(dòng)物飼料中過(guò)度使用抗生素是另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》2018年發(fā)表的一項(xiàng)調(diào)查，一些飼養(yǎng)員在飼料和水中添加了抗生素，即使動(dòng)物沒(méi)有任何疾病跡象。他們以預(yù)防疾病的名義這樣做，因?yàn)檫@些藥物確保奶牛生長(zhǎng)得更快。問(wèn)題在于，它會(huì)導(dǎo)致耐藥細(xì)菌的滋生，然后這些細(xì)菌將生活在人體消化道中并造成嚴(yán)重破壞。得益于其智能推注，smaXtec 使農(nóng)民將抗生素的使用減少了 70%。

如何獲得更好的數(shù)據(jù)？

精密傳感器

為了解決授精挑戰(zhàn)，smaXtec系統(tǒng)必須精確地確定奶牛何時(shí)不僅處于發(fā)情狀態(tài)，而且何時(shí)開(kāi)始發(fā)情。事實(shí)上，正是在這個(gè)時(shí)間，動(dòng)物將最有生育能力，但它發(fā)生在“站立發(fā)情”階段結(jié)束時(shí)。一旦動(dòng)物達(dá)到這個(gè)階段，農(nóng)民只有大約 12 個(gè)小時(shí)的時(shí)間來(lái)誘導(dǎo)排卵，以免為時(shí)已晚。因此，該過(guò)程需要準(zhǔn)確讀取動(dòng)物的狀態(tài)，而視覺(jué)分析無(wú)法提供。部分歸功于ST傳感器，smaXtec推注可以跟蹤飲酒行為和瘤胃的pH值，從而提供更準(zhǔn)確的讀數(shù)。

快速轉(zhuǎn)賬

同樣，smaXtec上的傳感器可以跟蹤溫度和其他行為，以預(yù)測(cè)動(dòng)物何時(shí)會(huì)生病。此外，在檢測(cè)到發(fā)熱或發(fā)燒的情況下，信息必須快速傳輸?shù)皆贫艘酝ㄖr(nóng)民。因此，smaXtec采用STM32WL和LoRaWAN?將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)。飼養(yǎng)員在智能手機(jī)上收到通知，因此可以近乎實(shí)時(shí)地監(jiān)控牲畜的狀態(tài)。傳感器每分鐘記錄一次信息，微控制器每十分鐘將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。

能效

為了實(shí)用起見(jiàn)，smaXtec 推注必須在單個(gè)電池上持續(xù)四年。原因是這是奶牛生產(chǎn)的典型時(shí)間范圍。電池壽命長(zhǎng)意味著飼養(yǎng)員每只動(dòng)物只需要推注一次。因此，這家?jiàn)W地利公司使用了具有低功耗模式的意法半導(dǎo)體MEMS加速度計(jì)。同樣，smaXtec使用STM32WL進(jìn)一步提高效率。無(wú)線電收發(fā)器與MCU位于同一封裝內(nèi)，這意味著需要供電的外部組件更少。

smaXtec推注提高效率的另一種方法是使用限制發(fā)送到云的數(shù)據(jù)量的處理算法。在本地執(zhí)行某些操作始終比長(zhǎng)時(shí)間喚醒 RF 更有效。因此，STM32WL的效率更高，不會(huì)對(duì)性能造成任何影響。

實(shí)際應(yīng)用

另一個(gè)重要的考慮因素是系統(tǒng)的占用空間。推注太大會(huì)對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生明顯的不適。因此，smaXtec選擇了采用小型薄型封裝的意法半導(dǎo)體MEMS。該公司還轉(zhuǎn)向了STM32WL，因?yàn)樗?jiǎn)化了整體設(shè)計(jì)并縮小了PCB。例如，多虧了MCU，smaXtec團(tuán)隊(duì)只需要為Cortex?內(nèi)核和LoRa收發(fā)器使用一個(gè)晶體。它使整體設(shè)計(jì)保持小巧，使其易于吞咽，并幫助農(nóng)民更快地安裝推注。據(jù)他們的客戶說(shuō)，農(nóng)民可以在一天內(nèi)安裝400個(gè)推注。

如何開(kāi)始？

smaXtec移動(dòng)應(yīng)用程序

smaXtec使用我們的Nucleo板來(lái)測(cè)試我們的一些MCU，并試驗(yàn)我們的一些軟件解決方案。為了促進(jìn)開(kāi)發(fā)，該公司使用了我們的STM32CubeWL，該軟件包在硬件抽象層和低級(jí)API之上包含STM32CubeMX圖形用戶界面，確保開(kāi)發(fā)人員在我們的MCU上快速啟動(dòng)他們的應(yīng)用程序。STM32CubeWL還包括一個(gè)LoRaWAN堆棧，可快速創(chuàng)建亞千兆赫應(yīng)用。使用意法半導(dǎo)體代碼還有助于更快地獲得區(qū)域無(wú)線認(rèn)證。由于我們確保我們的實(shí)施符合最常見(jiàn)的法規(guī)要求，因此使用我們的代碼可以幫助開(kāi)發(fā)人員更自信地開(kāi)始認(rèn)證過(guò)程。

審核編輯：郭婷