Prevención y detección inteligente de enfermedades en reses de ganado

Comunicación presentada al VI Congreso Ciudades Inteligentes

Autor

• César Martín Domínguez, Chief Cognitive Officer, Miotek Factory

Resumen

La solución que Miotek presenta para este congreso trata de una «Plataforma de monitorización inteligente de reses de ganado» que permite predecir e identificar de forma precoz enfermedades en reses, basados en temperatura corporal en condiciones de intensividad, asegurando el mejor diagnóstico y pronóstico sobre las enfermedades. Es una solución end-to-end formada por cuatro sistemas tecnológicos (sensor IoT, plataforma IoT/SmartCity, modelos de inteligencia artificial para realizar analítica avanzada con los datos ingestados por los sensores IoT y herramienta BI para visualización de datos) todos ellos propiedad de Miotek Factory. Esta solución proporciona a las granjas un control y una predicción en tiempo real sobre cada uno de los animales sensorizados, fácilmente escalable, y que permitirá a cada granja poseer una visión global del estado de salud de la misma, de una manera sencilla, ágil y económica.

Palabras clave

IoT, AgTech, Smart Rural, Detección, Inteligente, AI, Enfermedades, Reses, Ganado

Antecedentes

La presente invención trata de un dispositivo que mide la temperatura corporal del animal y trasmite ese dato de forma remota. La temperatura elevada en el animal es un signo clínico común de un elevado número de enfermedades de los animales, la mayoría de ellas enfermedades infecciosas, que comprometen seriamente la salud y productividad del animal. La detección temprana de ese aumento de temperatura es clave para mejorar el diagnóstico, tratamiento y pronóstico de la enfermedad sobrevenida.

Hasta ahora la toma de temperatura se realizaba de forma puntual mediante el uso de termómetros clínicos vía rectal, sin posibilidad de tener al animal monitorizado de forma continua y exigiendo una intervención y manejo continuado del animal.

Existen en el mercado dispositivos fijos exteriores que toman la temperatura de la zona auricular del animal, pero estos dispositivos tienen tendencia a extraviarse por la propia acción natural del animal al socializar.

No existe ningún dispositivo de toma de temperatura en animales que traslade el dato de temperatura automática y en tiempo real a un sistema tecnológico sin intervención humana. Existen dispositivos subcutáneos de medición de la temperatura en animales, pero implican la intervención cercana del humano para su lectura.

Descripción de la solución

El objetivo de la solución que Miotek presenta se compone, por un lado, de un dispositivo/sensor IoT que se aplica al animal de forma subcutánea en machos y/o hembras, o intravaginal sólo en hembras, para minimizar el riesgo de extravío. Por otro lado, se trata a su vez de una plataforma IoT de analítica avanzada que es capaz de ingestar los datos que los sensores IoT que llevan los animales van generando y enviando, lo que permite disponer de una monitorización continua y remota de los animales.

Estamos hablando de una solución end-to-ent compuesta por cuatro sistemas tecnológicos diferentes, integrados entre sí, propiedad de Miotek Factory, tanto la propiedad intelectual del diseño e implementación de los sensores IoT y la creación de los modelos de inteligencia artificial, la propiedad de la plataforma IoT como el licenciamiento del software necesario para visualizar la analítica avanzada de los datos.

Estos cuatros sistemas se descomponen de la siguiente manera:

• Sensor IoT: Diseño y fabricación del sensor IoT por equipo de Robotics Engineering de Miotek, encargado de enviar los datos de cada res a la paltaforma IoT.El sensor IoT se incorpora dentro de un dispositivo tipo carcasa plástica fusiforme, recubierta por material biocompatible y trasmisor de calor, de tamaño variable a la talla del animal a monitorizar y que orientativamente será de entre 8 y 10 centímetros de largo y entre de 1,5 y 2,5 de diámetro en su parte más gruesa.

En el interior de esa carcasa se coloca una sonda termográfica anexionada a una placa de circuito electrónico programable, una batería, un modulo GSM para tarjeta SIM M2M y una antena que es la encarga de emitir, mediante protocol de transferencia de paquetes MQTT, la informa medida sobre cada res a la plataforma IoT.

El circuito programable tiene un doble objetivo. Por un lado, realiza la lectura periódica de la sonda termográfica y, por otro lado, realiza el envío de la información de dicha lectura, junto con el identificador único del dispositivo el cual se empareja y asocia unívocamente con cada animal, ingestándola en tiempo real en la plataforma IoT. Los datos son enviados desde todos y cada uno de los sensors a través de red GSM 2G.

• Plataforma IoT propia: Miotek dispone de su propia plataforma IoT de tecnología IBM, más concretamente, es un Sistema IBM LinuxONE Rockhopper II™, que presenta la capacidad de ser una plataforma de cloud y sobre la cual se monta la solución de IBM para la gestión de Smat Cities y soluciones IoT a gran escala, denominada IBM Intelligent Operations Center for Smarter Cities.

IBM LinuxONE ofrece las siguientes capacidades que aseguran el éxito y la escalabilidad de la solución:

• • Performance: Velocidad ultra rápida. Puede manejar 30 mil millones de interacciones web por día, respuestas de 1 ms y disponibilidad del 99.999%
  • Escalabilidad extrema: Escala instantáneamente hasta 377.000 millones de transacciones por día. 12 veces más rápido que otros
  • El más alto nivel de seguridad: cifra el 100% de los datos de la aplicación, de servicios en cloud y de base de datos.

Intelligent Operations Center (IOC) es:

• • Un sistema que proporciona visibilidad sobre toda la organización, granjas, ciudades/ubicaciones, sensores y activos IoT, además de optimizar la eficiencia operativa.
  • Integración de datos en tiempo real.
  • Posee las capacidades de un Sistema Big Data para, ingestar datos de forma masiva así como capacidades de cómputo que permiten realizar análisis avanzado de los datos ingestados: predicciones e identificación de patrones basadas en datos de que generan las granjas.

• Modelos de Inteligencia Artificial (AI): El desarrollo y despliegue en la plataforma IoT de modelos de AI es una actividad clave en el desarrollo de la solucion, ya que tienen la capacidad de, a traves de algoritmos de Machine Learning (ML), ofrecer analítica avanzada utilizando los datos ingestados por los sensores en la plataforma IoT. Estos modelos de ML son diseñados e implementados por los ingenieros de inteligencia artificial de Miotek Factory y se encargan de realizar las predicciones para la detección precoz de enfermedades en la reses, para cada una de las granjas.

El siguiente cuadro muestra alguno de los modelos de datos que utilizan los modelo de AI para generar los informes e indicadores de analítica avanzada:

• Herramienta Business Intelligence (BI): como elemento final que compone la solución, integramos con la plataforma IoT una herramienta de BI que permitirá visualizar, a través de la implementación de cuadros de personalizados y accesibles de forma individual para cada granja, el “estado de salud” la misma para la toma de decisiones en tiempo real.

Metodología

La metodología que hemos utilizado para llevar a cabo la ideación e implementación de esta solución se compone de dos fases diferenciadas pero que tienen el denominador común de la agilidad y la iteración continua. Estas fases son:

• Design Thinking: es la fase con la que comienza y se empieza a identificar e idear el diseño de la solución final basado en el método de generar ideas innovadoras centradas en la eficacia para entender y dar solución a las necesidades reales de los usuarios finales del producto o servicio.
  Esta metodología de Design Thinking fue mi útil porque hubo un descubrimiento real sobre los riesgos que ofrecían lso diseños y soluciones tecnológicas analizadas inicialmente y donde se abordaron cuestiones tan importantes como la usabilidad e impacto sobre las reses que iba a tener el diselo final de las carcasas así como la usabilidad y eficacia del proceso de emparejamiento de cada uno de los sensores con cada res en la que se utilizara, así como en su operative diraria con la gestion y la reutilización de los sensores por los granjeros.

Para abordar esta fase o proceso de Design Thinking se desarrollaron técnicas con un gran contenido visual y plástico, de forma que permitió a todas las personas invlocradas a ofrecer una mente creativa y analítica, dando como resultado soluciones innovadores y a la vez factibles. Para comenzar a utilizar esta metodología fue muy importante preparar estos cuatro puntos:

• • Los materiales: como rotuladores, hojas de papel, notas adhesivas, lápices de colores, pegamento y una cámara de fotos. Permiten promover la comunicación visual ya que una imagen vale más que mil palabras y una imagen evocar un sinfín de ideas.
  • El equipo: En Design Thinking es imprescindible trabajar en equipo por lo que la cooperación entre el cliente y nosotros. Se generaron diferentes puntos de vista, con conocimientos y experiencias diversas.
  • El espacio: Disponer de un sitio lo suficientemente amplio para trabajar en torno a una mesa, con paredes libres donde pegar la información que vayáis generando. En definitive, dispusimos de un espacio inspirador que motivó la generación de ideas innovadoras
  • La actitud: Todos los miembros que participaron en esta fase mostraron una actitud basada en la curiosidad y en la observación para encontrar información trascendente, mostrando siempre optimismo y positivismo.
• Agile Scrum: es la fase de implementación del proyecto para la construcción de la solución, por lo que consideramos fundamental para el éxito del proyecto aplicar metodología ágil Scrum que garantiza la iteración continua como nuevo paradigma en el desarrollo de software, desarrollo de prototipos y desarrollo e implementación de modelos de inteligencia artificial. El corazón de Scrum es el Sprint, que es un bloque de tiempo (time-box) de entre dos y tres semanas en el cual se crea un incremento de producto “Terminado” utilizable y potencialmente desplegable y entregable al cliente. Cada nuevo Sprint comenzó inmediatamente después de la finalización del Sprint anterior. Al comiendo de implementación del proyecto en real, se crea una pila de producto (Product Backlog) donde se identifican todas las actividades que se van a llevar a cabo a lo largo de los Sprints y que permitirán completar y entregar la solución al cliente de una forma titerativa constante.

Para abordar la implementación de esta solucíón, se diseñaron una serie de Sprints que permitieron trabajar en paralelo en las siguientes líneas de trabajo, hasta completar la solción final:

• Diseño e implementación del sensor e integración de las comunicaciones GSM con Plataforma IoT.
  Implementación y desarrollo del proyecto software sobre la plataforma IOC.
• Análisis, diseño y entrenamiento de modelos de machine learning.
• Desarrollo de cuadro de mando a través de herramienta de Business Intelligence.
• Por tanto, la solución ha sido implementada siguiendo la metodología Agile Scrum, la cual es utilizada de manera exitosa en los proyectos que lleva a cabo Miotek.

Esta metodología permite, en un tiempo fijado, maximizar la consecución de los objetivos establecidos, minimizando los riesgos del desarrollo e implementación.

Resultados obtenidos

El resultado final de las investigaciones realizadas para diseñar, crear y construir el sensor utilizado, así como su integración con la plataforma IoT, ha permitido desarrollar una solución ent-to-end que le otorga a nuestro cliente los siguientes beneficios y ventajas competitivas:

• Disminución de un 80% en el tiempo anticipación a la hora de predecir enfermedades en las reses. Esto es posible gracias a la predicción automática que realizan los algoritmos de ML sobre los datos ingestados por los sensores IoT.
• Carcasa de plástico que incorpora el sensor IoT como solución técnica no invasivas que garantizan la seguridad de la salud del animal. Biocompatible con cumplimiento RoHS (Cumplimiento Directiva 2011/65/UE de Restricción de ciertas Sustancias Peligrosas en aparatos eléctricos y electrónicos).
• Aseguramiento de durabilidad de batería de hasta 1 año, gracias a la optimización de información que envían los sensores.
• Ingesta de datos de los sensores en tiempo real en plataforma IoT que garantiza disponer de información interactiva, y permanentemente actualizada, que le permitirá al veterinario tomar decisiones en tiempo real sobre cada uno de los casos de enfermedad detectado.
• Capacidad de segmentación y clasificación de casos que permitirá conseguir tener un inventario, indicadores e histórico interactivo de casos.
• Automatización del proceso de alertado en los casos detectados de forma que el veterinario recibe información en tiempo real.
• Reacción rápida antes casos y/o enfermedades comunes.
• Capacidad ilimitada de monitorización de reses de ganado gracias a la tecnología subyacente de IBM.
• Mejora de nuestro proceso de I+D+i para optimizar tanto el performance de los sensores IoT como el consumo de batería de los mismos, de forma que nos permite tener un proceso de mejora continua sobre cada uno de los sensores que diseñamos y fabricamos así como también una mejora continua sobre la cantidad y tipo de datos que se ingestan en la plataforma IoT.

Conclusiones

La solución propuesta garantiza a nuestro cliente las mejores capacidades para escalar e integrar el número de granjas que sea capaz de captar en su desarrollo de negocio, garantizando la ingesta de cualquier volumen de datos, así como su tratamiento, transformación y el análisis predictivo, gracias a la elasticidad y escalabilidad de la plataforma. A su vez, la solución permite automatizar y disponer de una estrategia de consumo de información, vía tecnología API, para ofrecer tanto las alertas e indicadores generados en la plataforma como para compartir información con terceros para la monetización futura de los datos.

Además, la puesta en marcha de esta solución ha posibilitado a Miotek disponer de un proceso de I+D+i más maduro, que nos permitirá ofrecer las mejores garantías a la hora de acometer proyectos futuros con un time-to-market y un presupuesto competitivo y optimizado. Es por esto, por lo que somos capaces de ofrecer las mayores garantías para llevar a cabo nuevos proyectos complejos que requieran de una integración end-to-end, que incluya desde la creación de sensores, la integración con plataformas IoT/Smart Cities hasta la analítica avanzada gracias a la inteligencia artificial, finalizando la solución con la capa de visualización de los indicados claves de negocio.