前言

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，絞痛是造就馬匹死亡的主要原因。這是一個驚人的數(shù)字，但是如果能及時發(fā)現(xiàn)的話，絞痛很容易治愈。對馬匹來說，這意味著生存的希望。不像人們養(yǎng)的小貓小狗，馬匹的活動場所是在牲口棚或者大型牧場里，即大量時間處于無人監(jiān)督的狀態(tài)。NIGHTWATCH智能韁繩(和可選的安全頸圈)正是為了解決這個問題而生。

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在大約兩年半之前，筆者對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)進(jìn)行研究并撰寫了一篇在馬匹生長早期將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于馬韁繩的文章，稱為NIGHTWATCH(守夜者)。令我萬萬沒想到的是，竟然有超過10萬人有興趣閱讀這篇文章。如今，總部位于美國奧斯汀的生物醫(yī)學(xué)工程&數(shù)據(jù)科學(xué)公司Protequus與工程物聯(lián)網(wǎng)咨詢公司NRGXP達(dá)成合作，宣布美國和加拿大將共同發(fā)布這款NIGHTWATCH智能韁繩。

當(dāng)我***次介紹NIGHTWATCH時，因?yàn)樯刑幱谠缙诎l(fā)展階段，所以我并沒有探究所有的技術(shù)細(xì)節(jié)，而這正是我現(xiàn)在要做的。我為將如此復(fù)雜大量的邊緣技術(shù)集成于這么小的一方之地內(nèi)而感到無比驚訝。

下面我將介紹有關(guān)NIGHTWATCH的有趣技術(shù)細(xì)節(jié)，包括其邊緣計(jì)算能力，其如何利用機(jī)器學(xué)習(xí)，如何利用超高頻脈沖雷達(dá)以及無線通信技術(shù)。不過在這之前，讓我們先來回顧一下NIGHTWATCH的誕生原因。

圖：NIGHTWATCH能夠監(jiān)測馬匹的心率、呼吸頻率、活動、位置和姿勢

AAEP(美國馬從業(yè)者協(xié)會，AmericanAssociation of Equine Practitioners)估計(jì)，在美國有超過9萬的馬匹每年都會遭受一段時期的腹絞痛。根據(jù)NIGHTWATCH的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，絞痛也是造就馬匹死亡的主要原因。這是一個驚人的數(shù)字，但是如果能及時發(fā)現(xiàn)的話，絞痛很容易治愈。對馬匹來說，這意味著生存的希望。不像人們養(yǎng)的小貓小狗，馬匹的活動場所是在牲口棚或者大型牧場里，即大量時間處于無人監(jiān)督的狀態(tài)。當(dāng)一匹馬出現(xiàn)絞痛癥狀的時候，可能并沒有人在照看它們，或者即使有人在，他們也不知道如何發(fā)現(xiàn)它。

NIGHTWATCH智能韁繩(和可選的安全頸圈)正是為了解決這個問題而生。它能夠?qū)崟r監(jiān)測馬匹的生物&行為數(shù)據(jù)，并在出現(xiàn)早期跡象的時候就及時通過電話和短信向相關(guān)負(fù)責(zé)人報(bào)警(最多可達(dá)5人)，這樣人們就可以提前介入，避免事態(tài)進(jìn)一步惡化。因?yàn)樵摷夹g(shù)是“智能”的，所以它能夠?qū)W習(xí)每匹馬的獨(dú)特生理特征數(shù)據(jù)，并尋找能夠證明馬匹正在遭受痛苦(比如絞痛、分娩等)的偏差。

選擇邊緣計(jì)算

過去兩年中，“邊緣計(jì)算”的概念急劇升溫，話題討論度也越來越高，原因是隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們意識到并不是所有的計(jì)算在云端處理都是有意義的。和那些認(rèn)為云計(jì)算應(yīng)該包攬一切的非理性者相比，還有相當(dāng)一部分人認(rèn)為邊緣側(cè)、網(wǎng)關(guān)和云端同樣重要。

某些應(yīng)用程序?qū)ρ舆t性、安全性、成本甚至容錯都有很高的要求，所以應(yīng)用邊緣計(jì)算更有意義。這正是NIGHTWATCH智能韁繩所需要具備的特性，公司表示其每件設(shè)備每天需要處理超過300MB的數(shù)據(jù)。

因此，NIGHTWATCH需要找到一種方式，在有沒有無線連接的情況下，都能持續(xù)地對馬匹進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。你可能會覺得這看上去就像是亞馬遜的Echo無法連接到WiFi或Amazon.com，但在昂貴的愛馬身上，這完全是另一件事。如果本地設(shè)備沒有計(jì)算功能，那么設(shè)備必須將收集到的數(shù)據(jù)傳輸上云，然后再進(jìn)一步通知業(yè)主或者看護(hù)者，這個過程會產(chǎn)生延遲，并造成昂貴的電源消耗。此外，即使馬匹現(xiàn)在正處于沒有連接信號的區(qū)域，設(shè)備上也有像LED那樣的裝置可以報(bào)告馬匹是否正在遭受痛苦。因此，只要一個人從旁經(jīng)過，他就能在沒有任何連接信號的情況下迅速評估一匹馬的總體幸福指數(shù)。

當(dāng)然，也有一些數(shù)據(jù)需要上傳到云端，以提高機(jī)器學(xué)習(xí)的培訓(xùn)模型并在Amazon.com AWS S3中存檔，所以該智能韁繩支持WiFi和蜂窩通訊。因?yàn)楹芏鄶?shù)據(jù)需要通過昂貴的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，因此預(yù)處理數(shù)據(jù)是有意義的。

下面是NIGHTWATCH智能韁繩中的MCU和MPU:

• NoveldaXethru超寬頻雷達(dá)—它工作在3 GHz 到10 GHz的頻率之間，傳輸原始的UWB-IR射頻信號，然后在設(shè)備上計(jì)算馬匹的心率和呼吸頻率。馬耳后的傳感器可以通過微血管系統(tǒng)的微小位移和身體軟組織的變化測量馬匹的心率和呼吸頻率。MCU中的原始雷達(dá)數(shù)據(jù)的速率是7KB每秒。
• 泰利特GNSS GPS模組—該傳感器用于確定馬的位置和計(jì)算其移動距離。
• Invensense9軸加速度傳感器、指南針、陀螺儀—這用于測量馬的運(yùn)動，并以每秒1KB的速度傳輸進(jìn)入MCU。
• TE連接式氣壓傳感器—除了9軸加速度傳感器，該傳感器能夠幫助更好的預(yù)測馬的姿勢。

所以總體來說，每匹馬每秒產(chǎn)生大約8KB的數(shù)據(jù)，每12小時設(shè)備要收集處理300MB的數(shù)據(jù)。

這里還有一些引人注目的處理器：

• NXP半導(dǎo)體MCU—用于精確取樣并預(yù)測上述傳感器的數(shù)據(jù)。它運(yùn)行在FreeRTOS 和Arm CMSIS軟件之上，以實(shí)現(xiàn)MCU和傳感器的連接。
• NXP半導(dǎo)體I.MX6處理器(CPU)—基于來自MCU的預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時模糊邏輯機(jī)器學(xué)習(xí)推理算法以計(jì)算EDI(馬匹痛苦指數(shù))。CPU運(yùn)行在定制化的Linux操作系統(tǒng)和為線性代數(shù)算法、頻率分析、評價(jià)方程、對象關(guān)系映射和模糊邏輯而設(shè)的軟件上。
• 美光科技4GB eMMC—在AWS S3存檔之前儲存運(yùn)動數(shù)據(jù)。
• 德州儀器和NXP半導(dǎo)體PMIC—用于管理和優(yōu)化系統(tǒng)，使得電池壽命***化
• Maxim集成式袖珍電流計(jì)—用戶可以借此估計(jì)當(dāng)前的電池容量。

隨著時間的推移，NIGHTWATCH能夠優(yōu)化算法來減少耗電，使得電池壽命超出夜間續(xù)航的規(guī)定(12-16小時)。一旦算法被完全優(yōu)化，公司可以換用FPGA和ASIC。這聽起來是不是很像許多其它龍頭公司在思考有關(guān)邊緣計(jì)算的問題?絕對是的!

算法和機(jī)器學(xué)習(xí)

NIGHTWATCH使用MathWorks 公司的MATLAB來進(jìn)行原型機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，并使用設(shè)備內(nèi)置算法(hand-converted/optimized to C)來預(yù)測馬匹的痛苦程度。

訓(xùn)練模型上創(chuàng)建了一個本地集群。公司表示，它們將AWS S3和韁繩上本地儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步以訓(xùn)練模型，然后再將其上傳至S3供本地設(shè)備下載。在大約2周的訓(xùn)練過程中，模型需要超過16GB RAM的數(shù)據(jù)。NIGHTWATCH并沒有基于AWS進(jìn)行模型學(xué)習(xí)，因?yàn)楣靖鼉A向于在選擇合適的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施之前，完整的理解內(nèi)存、CPU和GPU需求。如有必要，NIGHTWATCH未來還可能基于Amazon.com AWS，谷歌GCP，或微軟 Azure進(jìn)行云端訓(xùn)練。

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NIGHTWATCH可以通過智能手機(jī)、平板電腦和個人電腦來進(jìn)行管理

NIGHTWATCH可以通過智能手機(jī)、平板電腦和個人電腦來進(jìn)行管理。

出于實(shí)用主義的目的，NIGHTWATCH選擇了MATLAB，高斯混合模型(GMM)和期望***化(EMM)算法——因?yàn)樵擁?xiàng)目始于2014年，那時包括Tensorflow， Caffe和Torch在內(nèi)的框架并不可用。再加上NIGHTWATCH相信很多人使用的編程語言和多個第三方庫并不適用于資源約束型底層嵌入式處理器。

無線技術(shù)

雖然NIGHTWATCH智能韁繩是一種特殊的邊緣計(jì)算IIoT案例，但這并不意味著它就不需要領(lǐng)先的無線解決方案。而且因?yàn)轳R韁形狀的特殊性和較小的面積，使得這一切變得更加困難。

下面是韁繩中使用的無線技術(shù)：

• NoveldaXethru UWB-IR 和定制天線—工作在3000MHz到10000MHz之間，用于檢測馬的心率和呼吸頻率。
• 泰利特通信GPS模塊和Antenova天線—工作在1559MHz到1609MHz之間，GPS天線被用于確定韁繩的位置以及更好的確定馬匹的運(yùn)動。
• 德州儀器WIFI芯片和TDK公司天線—工作在5000MHz到2400MHz之間，使得韁繩能夠與WiFi路由器連接，便于報(bào)警和數(shù)據(jù)上傳。
• 泰利特通信PLC蜂窩調(diào)制解調(diào)器和Antenova天線—工作在824MHz到960MHz以及1710MHz到2170MHz之間，使得韁繩能夠連接到3G運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，便于報(bào)警和數(shù)據(jù)上傳。

像WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙這樣的通信協(xié)議眾所周知，但是卻幾乎沒有人知道UWB-IR。設(shè)計(jì)NIGHTWATCH的工程師吐槽，大多數(shù)測試實(shí)驗(yàn)室甚至沒有合適的設(shè)備來測試他們的產(chǎn)品，他們同樣不理解該用例和測試需求，甚至必須打破一些常規(guī)。手機(jī)是一回事，但專為馬匹設(shè)計(jì)并且需要使用UWB-IR的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備完全是另外一回事。

這款NIGHTWATCH智能韁繩已經(jīng)通過了FCC, IC 和 PTCRB的認(rèn)證，而且于2017年秋季通過了IEC-60950安全測試。該公司表示，從2018年4月26日開始，美國和加拿大的馬匹就能享受這種服務(wù)了。

邊緣計(jì)算雖好，但云依然重要

盡管NIGHTWATCH是一個典型的邊緣計(jì)算案例，但它仍然使用公有云來執(zhí)行各種任務(wù)。公司使用Amazon.com AWS S3:

• 用戶登錄和安全
• 網(wǎng)頁用戶界面展示和后端數(shù)據(jù)庫
• 向所有者和看護(hù)者發(fā)送警報(bào)
• 對原始的生物&行為數(shù)據(jù)、日志和機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行儲存和歸檔
• 向韁繩下發(fā)新的推理機(jī)器學(xué)習(xí)算法

結(jié)束

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NIGHTWATCH是我目前研究過的最復(fù)雜的一種專為動物設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，也是我所見過的最復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之一。希望通過這篇文章，你能理解為什么我會覺得NIGHTWATCH智能韁繩是一個偉大的IIoT邊緣計(jì)算案例。對于那些對延遲性、網(wǎng)絡(luò)彈性和蜂窩網(wǎng)絡(luò)成本要求較高的用例來說，在邊緣側(cè)收集數(shù)據(jù)更有意義。