IoT technologies for animal grazing and posture control

Abstract

The unwanted and adverse weeds that are constantly growing in vineyards, force wine producers to repeatedly remove them through the use of mechanical and chemical methods. These methods include machinery such as plows and brushcutters, and chemicals as herbicides to remove and prevent the growth of weeds both in the inter-row and under-vine areas. Nonetheless, such methods are considered very aggressive for vines, and, in the second case, harmful for the public health, since chemicals may remain in the environment and hence contaminate water lines. Moreover, such processes have to be repeated over the year, making it extremely expensive and toilsome. Using animals, usually ovines, is an ancient practice used around the world. Animals, grazing in vineyards, feed from the unwanted weeds and fertilize the soil, in an inexpensive, ecological and sustainable way. However, sheep may be dangerous to vines since they tend to feed on grapes and on the lower branches of the vines, which causes enormous production losses. To overcome that issue, sheep were traditionally used to weed vineyards only before the beginning of the growth cycle of grapevines, thus still requiring the use of mechanical and/or chemical methods during the remainder of the production cycle. To mitigate the problems above, a new technological solution was investigated under the scope of the SheepIT project and developed in the scope of this thesis. The system monitors sheep during grazing periods on vineyards and implements a posture control mechanism to instruct them to feed only from the undesired weeds. This mechanism is based on an IoT architecture, being designed to be compact and energy efficient, allowing it to be carried by sheep while attaining an autonomy of weeks. In this context, the thesis herein sustained states that it is possible to design an IoT-based system capable of monitoring and conditioning sheep’s posture, enabling a safe weeding process in vineyards. Moreover, we support such thesis in three main pillars that match the main contributions of this work and that are duly explored and validated, namely: the IoT architecture design and required communications, a posture control mechanism and the support for a low-cost and low-power localization mechanism. The system architecture is validated mainly in simulation context while the posture control mechanism is validated both in simulations and field experiments. Furthermore, we demonstrate the feasibility of the system and the contribution of this work towards the first commercial version of the system.

O constante crescimento de ervas infestantes obriga os produtores a manter um processo contínuo de remoção das mesmas com recurso a mecanismos mecânicos e/ou químicos. Entre os mais populares, destacam-se o uso de arados e roçadores no primeiro grupo, e o uso de herbicidas no segundo grupo. No entanto, estes mecanismos são considerados agressivos para as videiras, assim como no segundo caso perigosos para a saúde pública, visto que os químicos podem permanecer no ambiente, contaminando frutos e linhas de água. Adicionalmente, estes processos são caros e exigem mão de obra que escasseia nos dias de hoje, agravado pela necessidade destes processos necessitarem de serem repetidos mais do que uma vez ao longo do ano. O uso de animais, particularmente ovelhas, para controlar o crescimento de infestantes é uma prática ancestral usada em todo o mundo. As ovelhas, enquanto pastam, controlam o crescimento das ervas infestantes, ao mesmo tempo que fertilizam o solo de forma gratuita, ecológica e sustentável. Não obstante, este método foi sendo abandonado visto que os animais também se alimentam da rama, rebentos e frutos da videira, provocando naturais estragos e prejuízos produtivos. Para mitigar este problema, uma nova solução baseada em tecnologias de Internet das Coisas é proposta no âmbito do projeto SheepIT, cuja espinha dorsal foi construída no âmbito desta tese. O sistema monitoriza as ovelhas enquanto estas pastoreiam nas vinhas, e implementam um mecanismo de controlo de postura que condiciona o seu comportamento de forma a que se alimentem apenas das ervas infestantes. O sistema foi incorporado numa infraestrutura de Internet das Coisas com comunicações sem fios de baixo consumo para recolha de dados e que permite semanas de autonomia, mantendo os dispositivos com um tamanho adequado aos animais. Neste contexto, a tese suportada neste trabalho defende que é possível projetar uma sistema baseado em tecnologias de Internet das Coisas, capaz de monitorizar e condicionar a postura de ovelhas, permitindo que estas pastem em vinhas sem comprometer as videiras e as uvas. A tese é suportada em três pilares fundamentais que se refletem nos principais contributos do trabalho, particularmente: a arquitetura do sistema e respetivo sistema de comunicações; o mecanismo de controlo de postura; e o suporte para implementação de um sistema de localização de baixo custo e baixo consumo energético. A arquitetura é validada em contexto de simulação, e o mecanismo de controlo de postura em contexto de simulação e de experiências em campo. É também demonstrado o funcionamento do sistema e o contributo deste trabalho para a conceção da primeira versão comercial do sistema.