El Internet de las cosas (IoT) y las técnicas basadas en datos están creando mayores oportunidades para la producción lechera inteligente. La demanda de leche aumenta continuamente debido al aumento de la población mundial. El consumo de productos lácteos es más en los países desarrollados que en los países en desarrollo. Para satisfacer esta mayor demanda de productos lácteos, se requieren mejores técnicas tecnológicas para mejorar la producción de leche. Se espera que el uso de IoT y diferentes técnicas de IA pueda ayudar a un agricultor a superar diferentes desafíos agrícolas tradicionales y aumentar la producción de leche. En esta investigación, los autores abordan diferentes desafíos a los que se enfrenta un productor lechero en la vida diaria. Se presenta una breve introducción de la ganadería lechera inteligente (SDF) con respecto a la innovación en la producción y los procesos de la ganadería lechera inteligente. Esta revisión se centra en diferentes aspectos de la ganadería lechera inteligente y, finalmente, se ha propuesto un marco de vanguardia que puede ayudar a los agricultores a aumentar la producción de leche mediante el uso de diferentes tecnologías más recientes. Estos métodos tecnológicos pueden disminuir los factores que afectan negativamente la producción de leche y aumentar los que afectan positivamente la producción con recursos mínimos.
1. Introducción
La ganadería lechera inteligente (SDF) es el concepto clave que puede satisfacer la creciente demanda de productos lácteos de calidad. Las SDF pueden reducir los problemas ambientales, disminuir el uso de recursos y mejorar la salud animal mediante el uso de tecnologías avanzadas de detección y análisis de datos. Desde 2015, la leche es el producto más exigente y se ha convertido en el producto con fuertes fluctuaciones de precios [ 1 ]. Para competir en el mercado mundial, el mercado lácteo europeo necesita mejorar su producción utilizando Internet de las cosas. La Tabla 1 presenta un análisis comparativo de diferentes países para la población mundial de vacas y la producción de leche.
tabla 1
Análisis comparativo de diferentes países para la población mundial de vacas y la producción de leche [ 2 ].
Tradicionalmente, existe una distinción entre la vaca lechera y la vaca de carne, pero a menudo se puede utilizar el mismo ganado para la producción de carne de vacuno y leche. La vaca produce una gran cantidad de leche durante su vida. La vaca lechera se puede encontrar en granjas o en rebaños donde un granjero o administrador de rebaño se encarga de la vaca para producir leche. Según los informes, hay 264 millones de vacas en todo el mundo y producen alrededor de 600 millones de toneladas de leche al año [ 2 ]. La Tabla 1 compara los países mejor clasificados por población de vacas en términos de producción de leche. La tabla contiene tres categorías: países desarrollados, en desarrollo y subdesarrollados. Según estos hechos y cifras, India es el país más poblado de vacas y produce aproximadamente dos tercios de la cantidad que produce Estados Unidos cada año. Cuadro 2 muestra las razones de la baja producción de leche y las posibles soluciones de estudios de investigación anteriores.
Tabla 2
Razones de la baja producción de leche y sus posibles soluciones.
1.1. Producción lechera inteligente
Los productores de leche se encuentran en la era de la agricultura de precisión, que se considera más importante para el suministro de información y para capturar un mercado competitivo, de ahí la necesidad de una variedad de fuentes de datos que contengan datos dinámicos y estáticos de las vacas sobre alimentación, parto, nutrición e inseminación y el proceso de producción de leche. Internet de las cosas comenzó a influir en la producción de leche. Este paso debe necesariamente tomarse para satisfacer la demanda de productos lácteos de una enorme población mundial. Son casi las últimas décadas en las que las demandas de leche se satisfacen sin la ayuda de la última tecnología; después de eso, no será posible encontrar la demanda de lácteos y productos lácteos sin tecnología. Siempre se considera una tarea desafiante decidir el momento correcto para ordeñar la vaca. La falta de tecnología puede hacer que la leche sea perecedera y frágil. En este asunto, IoT puede ayudar a los agricultores con dispositivos sensores portátiles para mantenerlos al tanto del estado de cada vaca. El sistema basado en sensores puede detectar de manera efectiva y correcta la enfermedad de la vaca, antes de que afecte la producción de leche. El propietario de la granja puede colocar el sensor en el cuello, la cola o la pata de la vaca para adquirir datos en tiempo real y examinar numerosos factores como el comportamiento, la actividad, la salud, el consumo de alimento, la producción de leche y el manejo de la fertilidad de la vaca. Estos sensores portátiles pueden detectar enfermedades de las vacas y enfermedades como la mastitis o cualquier otra enfermedad que pueda reducir la producción de leche [ El sistema basado en sensores puede detectar de manera efectiva y correcta la enfermedad de la vaca, antes de que afecte la producción de leche. El propietario de la granja puede colocar el sensor en el cuello, la cola o la pata de la vaca para adquirir datos en tiempo real y examinar numerosos factores como el comportamiento, la actividad, la salud, el consumo de alimento, la producción de leche y el manejo de la fertilidad de la vaca. Estos sensores portátiles pueden detectar enfermedades de las vacas y enfermedades como la mastitis o cualquier otra enfermedad que pueda reducir la producción de leche [ El sistema basado en sensores puede detectar de manera efectiva y correcta la enfermedad de la vaca, antes de que afecte la producción de leche. El propietario de la granja puede colocar el sensor en el cuello, la cola o la pata de la vaca para adquirir datos en tiempo real y examinar numerosos factores como el comportamiento, la actividad, la salud, el consumo de alimento, la producción de leche y el manejo de la fertilidad de la vaca. Estos sensores portátiles pueden detectar enfermedades de las vacas y enfermedades como la mastitis o cualquier otra enfermedad que pueda reducir la producción de leche [3 ].
1.2. Innovación en SDF
Según el diccionario de negocios, la innovación es una práctica para traducir una invención en cualquier servicio que cree un valor y el cliente pagará por ello. La innovación en la producción lechera inteligente está relacionada con la innovación en la producción (rendimiento de leche) y el proceso de la producción lechera. Los propietarios de granjas lecheras están a la vanguardia de la innovación agrícola. En una organización, un producto es algo que será creado por una empresa comercial y se venderá a otra empresa o al cliente. Los productores de leche producen leche en sus productores, que se venderá a otras empresas lácteas. En esta innovación, se pueden utilizar diferentes tecnologías de última generación para aumentar la producción de leche. Un proceso puede ser actividades coherentes para convertir insumos en resultados. La innovación de procesos puede ser un conjunto diferente de actividades que se pueden realizar en diferentes niveles en una granja lechera inteligente. En una granja lechera Solo el proceso de ordeño puede verse como un proceso singular, pero por otro lado son muchas las actividades que se realizan en la granja como la alimentación, el seguimiento de las vacas y la conservación de la leche. La innovación puede estar en diferentes procedimientos como el sistema de alimentación que puede detectar la necesidad de hambre de la vaca y alimentar automáticamente a la vaca y la detección automática de celo que ayudará en la reproducción, como se muestra en la Figura.1 . La evaluación de la salud y el seguimiento de las vacas para la detección y prevención de enfermedades ayudarán al granjero a localizar cualquier animal que necesite atención médica.
Figura 1
Innovación en ganadería lechera inteligente.
La ganadería lechera inteligente incluye sensores en tiempo real que recopilan datos de las vacas con la ayuda de collares inteligentes portátiles, análisis de datos de aprendizaje automático y centros de datos basados en la nube que administran los datos y ayudan al agricultor a administrar la calidad de los productos lácteos como se muestra en Figura 2 .
Figura 2
Sensores para SDF.
El uso de hardware y paquetes aumentará la productividad del comercio agrícola para satisfacer los desafíos que enfrenta al ensamblar puntos de información completamente diferentes para impulsar la producción de la industria. Además, esta tecnología es inofensiva para la atmósfera y las vacas; por lo tanto, atrae a varias personas y equipos completamente diferentes, en contraste con las hormonas modificadas genéticamente y los aditivos alternativos dañinos y no naturales que generalmente se agregan para aumentar la productividad. La agricultura inteligente no es solo un seguimiento; también está relacionado con la correcta gestión empresarial. Al recopilar datos en bruto como el momento de la inseminación, el embarazo o el tiempo de parto, estos datos se utilizan para obtener información de valor y para aplicar algunas probabilidades y estadísticas para planificar el trabajo futuro y administrar la granja lechera correctamente. En el ejemplo de una vaca,
2. Fondo
La demanda de productos lácteos aumenta día a día debido al aumento de la población mundial. Según informes anteriores, el consumo de lácteos y productos lácteos es mayor en los países desarrollados en comparación con los países subdesarrollados, pero este cambio es cada vez mayor tras el aumento de la población mundial y el cambio en la dieta. Casi el 80% de los productos lácteos en los países subdesarrollados proviene de pequeños agricultores [ 2 ]. Este tipo de pequeños agricultores y agricultores familiares están lejos de la tecnología y practican la agricultura tradicional. Para capturar la mayor demanda del mundo, todavía se requiere el uso de tecnología en esta plataforma.
En este mundo empresarial moderno, los productores de leche se enfrentan a muchas limitaciones, como la gestión del rebaño, la capacidad de producción fija y las labores agrícolas que son muy caras. Con estas limitaciones y desafíos, un productor lechero puede aumentar la productividad y la eficiencia utilizando métodos de reproducción mejorados, monitoreo inteligente del manejo del rebaño para prevenir enfermedades, detección de problemas de salud y producción inteligente de leche. La Tabla 3 presenta un análisis comparativo de diferentes investigaciones en granjas lecheras.
Tabla 3
Análisis comparativo de diferentes investigaciones en explotaciones lecheras.
2.1. Revisión de literatura
Los investigadores introdujeron la idea principal de SDF hace casi dos décadas, y el desarrollo de granjas lecheras inteligentes ha llegado al mercado. Los diferentes investigadores tienen diferentes investigaciones y contribuciones. En la investigación [ 20 ], se han combinado diferentes ontologías para permitir el análisis de datos en SDF. Los autores han designado e implementado un proyecto de producción lechera inteligente con tecnología habilitada por sensores. Se han monitoreado diferentes actividades de las vacas. En los resultados, los investigadores han definido la ontología de la eficiencia alimentaria como el procedimiento de alimentación que, en última instancia, conduce a una mejor producción de leche. Para una mayor productividad de la leche, SmartHerd Management [ 21] para analizar el comportamiento de los animales y la vigilancia de la salud. En esta investigación, se ha presentado un diseño orientado a microservicios para ayudar a la computación distribuida. Esta investigación también aborda algunos problemas para implementar la ganadería lechera basada en IoT, como la conectividad a Internet en ubicaciones de granjas que se encuentran principalmente en áreas remotas. Para abordar este problema, los autores han propuesto una arquitectura basada en niebla que reduce el costo de transacción en un 84%. La salud y el bienestar de los animales constituyen el principal desafío para los productores de leche. La revisión en [ 22 ] enfatiza la integración y combinación de la nueva tecnología emergente basada en sensores con el sistema basado en actividades. Esta nueva tecnología puede ayudar a los agricultores a observar el comportamiento de las vacas y el sistema de reproducción.
Los investigadores y las industrias tienen como objetivo mejorar la salud de los animales lecheros para cultivar la producción de leche. En esta exploración también se han incluido diferentes tecnologías de última generación para mejorar la reproducción de las vacas. En la investigación [ 23 ], los autores describieron diferentes áreas clave para el manejo de la fertilidad con la ayuda de dispositivos sensores. Esta revisión describe los aspectos actuales y futuros para una mejor reproducción. Los autores también afirman que todavía existe la necesidad de considerar la selección genética para el procedimiento de cría y el manejo de la reproducción (detección precoz del embarazo). IoT es la combinación perfecta para la agricultura inteligente y la ganadería lechera. En la investigación [ 24], los autores propusieron un modelo semántico basado en IoT para aplicaciones agrícolas. Según los autores, la medición del calor en el manejo de la fertilidad es la tarea más compleja. Se ha propuesto una herramienta para un mejor manejo de la fertilidad. La detección automática de celo es una herramienta que puede ayudar a administrar los métodos de reproducción y fertilidad. La máxima productividad en lugar de un rebaño más grande es el objetivo principal de los investigadores para satisfacer la creciente demanda del mercado. En investigación [ 25] los autores han empleado un gran almacén de datos en tiempo real en granjas lecheras. Esta investigación se centra en diferentes aspectos de la ganadería lechera inteligente, como la productividad de la leche, la detección de mastitis y la eficiencia alimentaria. Los autores proporcionan una aplicación práctica con integración de grandes flujos de datos. Esta investigación contribuye al desarrollo de una agricultura inteligente centralizada. La agricultura de precisión es una de las principales soluciones para satisfacer las necesidades lácteas en todo el mundo. Para implementar la agricultura de precisión, se enfrentan muchos desafíos como la integración de entidades heterogéneas. En investigación [ 26], los autores han propuesto un concepto novedoso de ontologías de marcos lácteos. Los autores crearon un proyecto llamado agriOpenLink para la integración de diferentes entidades heterogéneas en la ganadería lechera inteligente. Según su investigación, la ontología de la producción lechera se basa en la gestión del conocimiento que se puede mejorar aún más con la agricultura.
En esta era tecnológica, el negocio lácteo también es un negocio atractivo para los jóvenes, pero las demandas de los agricultores pueden variar según la ubicación. En la investigación [ 27 ], los autores describieron las diferentes mentalidades de las personas que se encuentran en diferentes áreas urbanas, periurbanas y rurales. Según la investigación, los agricultores que se encuentran en áreas urbanas tienen pequeñas fincas con un número limitado de vacas y están más preocupados por la producción de vacas que las áreas periurbanas y rurales. Los autores se centran en la alimentación de la vaca, porque una alimentación eficaz puede producir más leche. El concepto de ordeño robotizado no es nuevo, pero reducir el costo total de mano de obra y el costo de procedimiento es la tarea más desafiante en la producción lechera a gran escala. En investigación [ 28], los autores propusieron una novedosa tecnología de ordeño robótico que puede agarrar las garras de ordeño a las vacas. Este sistema contiene ordeño, limpieza y alimentación automatizados de las vacas. La alimentación robótica también es una característica de este sistema; este sistema puede calcular la efectividad del alimento para la producción de leche y el requerimiento nutricional de una vaca. El sistema de ordeño automatizado puede ayudar a reducir los costos laborales. En investigación [ 29] el autor describe una técnica de ordeño que puede detectar la enfermedad relacionada con la ubre como el pezón y la mastitis. Los investigadores propusieron un clasificador en cascada de Haar para la detección de pezones. Este clasificador es una técnica de procesamiento basada en imágenes que puede detectar diferentes enfermedades en la ubre de una vaca. Se han observado varios factores que pueden provocar bajas tasas de embarazo como la falta de requerimientos nutricionales. En la investigación [ 30 , 31 ], los autores han descrito datos estáticos que indican que el protocolo de inseminación artificial puede causar mayores posibilidades de embarazo que el proceso natural durante el verano.
2.2. Características de la producción lechera
El Internet de las cosas y las técnicas basadas en datos están creando mayores oportunidades para la producción lechera inteligente. Las diferentes características y sus beneficios se describen en la Tabla 4 .
Cuadro 4
Característica de SDF y sus aplicaciones.
2.3. Geofencing
Geofencing es una técnica basada en áreas en la que una aplicación u otras técnicas de programación pueden utilizar GPS, RFID, Wi-Fi o información celular para activar una actividad premodificada cuando un teléfono celular o etiqueta RFID ingresa o sale de la configuración de límite virtual alrededor de un área topográfica. , conocido como geovalla.
En la ganadería lechera, un agricultor equipa una manada de ganado con un dispositivo de hardware que consta de diferentes sensores y una unidad de rastreo GPS. Los sensores se utilizan para rastrear la salud animal y otros comportamientos clave para aumentar la producción y el bienestar general de los animales. La geovalla utiliza la red GPS y otros medios relacionados como nodos Wi-Fi y balizas Bluetooth para crear una geovalla alrededor del área del agricultor; luego, la geovalla se empareja con el collar para animales y la aplicación de software, y cuando el animal abandona esa área específica, activa las alertas para el granjero.
2.4. Detección automática de enfermedades
En la ganadería lechera, los animales pueden contraer diversas enfermedades debido a numerosas razones. Cuando hay muchos animales, controlar cada animal a diario es imposible y lleva mucho tiempo. Es un proceso largo y una tarea difícil de realizar de forma individual y manual, y la enfermedad del animal también es contagiosa, por lo que si no se detecta a tiempo, los otros animales también pueden infectarse y causar pérdidas. La producción de leche también se puede monitorear y controlar, y también se puede registrar cualquier cambio mínimo en el comportamiento animal. Por lo tanto, para atender esta situación y encontrar una forma automotriz de monitorear la salud de los animales, avanzamos hacia la detección automática de enfermedades.
Un animal que padece alguna enfermedad cambia sus hábitos de rutina diaria, como acostarse en un área diferente, separarse del rebaño o cambiar su hábito de comer. Los sensores que detectan cambios en el cuerpo del animal facilitan que un granjero detecte y trate a ese animal. El sensor montado puede detectar el comportamiento de un animal y registrarlo. Estos tipos de registros nos ayudan a tomar decisiones futuras, como llamar a un médico. Cualquier anomalía en este patrón se detecta fácilmente con la ayuda de sensores, y el agricultor será alertado a través de mensajes u otros medios. Por ejemplo, el agricultor puede analizar cualquier enfermedad con la ayuda de acelerómetros que miden el movimiento de los animales y se pueden capturar las actividades, por ejemplo, si el animal es menos activo en comparación con su rutina diaria. Al igual que cualquier otro sensor (por ejemplo, sensores de temperatura, sensores de carga, micrófonos,
2.5. Ordeño
El ordeño manual en una granja lechera es un procedimiento lento y que requiere mucho tiempo. El proceso de conservación de la leche tampoco es higiénico. El proceso manual puede provocar una infección bacteriana en la leche. IoT ha resuelto este problema de manera más eficiente, reduciendo costos y mano de obra, al introducir el ordeño automático. Si la temperatura no es favorable, las posibilidades de que la leche se eche a perder son muy altas, pero el ordeño automático puede conservar la leche automáticamente mediante el uso de diferentes tanques de enfriamiento inteligentes. Los sistemas habituales de ordeño automático se basan en dos componentes: una computadora y un software especial de gestión de rebaños. El ordeño automático se divide en varias tareas, como recoger al animal, limpiarlo antes del ordeño, colocar el equipo de ordeño, extraer la leche, retirar el equipo y sacar al animal del área especial. La producción de leche depende de la cantidad y calidad de la comida que se les dé a los animales. Cada vaca del rebaño es diferente; algunas pueden padecer alguna enfermedad, algunas son inmaduras o algunas pueden estar embarazadas. Cada vaca tiene su propia cantidad de nutrientes requeridos. Para asegurar que se le proporcionen al animal los nutrientes necesarios, esto no se puede hacer simplemente mirando el forraje; más bien tiene que ser procesado a través de un sistema mecanizado que mostrará la cantidad de carbohidratos y proteínas que recibe la vaca.
2.6. Suministro automático de agua y alimentos
El agua es un nutriente importante para todos los animales. Para el bienestar y la rentabilidad de los animales, es importante que las vacas tengan suficiente agua de calidad. La leche contiene casi un 87% de agua. Los requisitos de agua están estrechamente relacionados con la producción de leche, el contenido de humedad del alimento y factores ambientales como la temperatura y la humedad del aire. La red máxima de suministro de agua para el ganado se produce normalmente durante el período de mayor alimentación. El sistema de riego automático es estándar en la mayoría de las granjas porque es práctico y eficiente. El sistema consta de un piso aislado y un recipiente calentado, que se llena automáticamente con agua desde una línea de presión. Una válvula de flotador regula el nivel del agua en el recipiente. Un termostato de 4 a 6 ° C regula la temperatura del agua en el recipiente.
La comida es necesaria para la nutrición porque determina la cantidad de nutrientes disponibles para el animal para su salud y producción. Los alimentos reales o valiosos previenen la alimentación insuficiente o excesiva de nutrientes y promueven el uso eficaz de los nutrientes [ 32 ]. La subalimentación de nutrientes limita la producción y puede afectar la salud animal. La sobrealimentación de nutrientes aumenta los costos de alimentación, puede conducir a una carga nutricional excesiva del medio ambiente y puede ser demasiado tóxico o peligroso para la salud.
2.7. Marco para SDF
Esta investigación se centra en la ganadería y propone un marco con diferentes niveles. La arquitectura general se ha descrito en la Figura 3 . Un sensor portátil para capturar datos de vacas enviará datos a la puerta de enlace más cercana y, con la ayuda de Internet, los datos se transferirán a una estación base. La estación base envía los datos a la nube y la nube analizará los datos utilizando diferentes técnicas y métodos. IBM Cloud con plataforma basada en IoT analiza los datos con respecto a diferentes procedimientos; por ejemplo, cuando el sensor detecta la necesidad de hambre de las vacas, el sistema automatizado alimentará al animal. La ganadería lechera inteligente que está habilitada para IoT tiene algunas técnicas de gestión del rebaño para mantener los registros y los datos históricos.
figura 3
Marco para SDF.
Con estos datos, el ganadero también puede predecir los datos futuros de acuerdo con el entorno de la vaca. Después de analizar los datos capturados, la nube enviará las alertas al granjero para ayudar a la vaca. Este sistema de gestión de rebaños se puede aplicar a la ganadería lechera a gran escala cuando hay muchos animales. El sistema detectará automáticamente la necesidad y enviará una alerta al agricultor. Hay muchos factores que pueden causar una menor producción de leche, pero esta arquitectura general puede crear un ambiente confortable para una vaca. Será útil para las vacas y, en última instancia, puede aumentar la producción de leche.
3. Conclusión
En este mundo moderno, la producción lechera es un negocio atractivo que puede apoyarse para mejorar las condiciones económicas de un país. Esta investigación se centra en diferentes técnicas automatizadas como el ordeño y la alimentación. Estas dos técnicas son las técnicas eficientes clave que pueden ser el futuro de una granja lechera inteligente. Un método de alimentación eficiente y de bebida tecnológica puede conducir a una mejor nutrición de las vacas, que en última instancia puede ser la razón de una mayor producción de leche. Además, se ha propuesto un marco que puede ayudar al agricultor a aumentar la producción de leche. El sistema propuesto es una arquitectura general para una mejor adopción de las últimas técnicas para mejorar los procedimientos de alimentación y ordeño. El sistema con arquitectura general, mejor adaptación de la tecnología y diseño versátil puede hacer que la agricultura basada en IoT sea más eficiente.