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(gè)驚人的數(shù)字，但是如果能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的話，絞痛很容易治愈。對(duì)馬匹來(lái)說(shuō)，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(dòng)場(chǎng)所是在牲口棚或者大型牧場(chǎng)里，即大量時(shí)間處于無(wú)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(gè)問(wèn)題而生。

看到一篇有趣的英文文章，翻譯了全文，推薦給大家~

在大約兩年半之前，筆者對(duì)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(zhǎng)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(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到的是，竟然有超過(guò)10萬(wàn)人有興趣閱讀這篇文章。如今，總部位于美國(guó)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(guó)和加拿大將共同發(fā)布這款NIGHTWATCH智能韁繩。

當(dāng)我第一次介紹NIGHTWATCH時(shí)，因?yàn)樯刑幱谠缙诎l(fā)展階段，所以我并沒(méi)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(wú)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(wú)線通信技術(shù)。不過(guò)在這之前，讓我們先來(lái)回顧一下NIGHTWATCH的誕生原因。

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

AAEP(美國(guó)馬從業(yè)者協(xié)會(huì)，AmericanAssociation of Equine Practitioners)估計(jì)，在美國(guó)有超過(guò)9萬(wàn)的馬匹每年都會(huì)遭受一段時(shí)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(gè)驚人的數(shù)字，但是如果能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的話，絞痛很容易治愈。對(duì)馬匹來(lái)說(shuō)，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(dòng)場(chǎng)所是在牲口棚或者大型牧場(chǎng)里，即大量時(shí)間處于無(wú)人監(jiān)督的狀態(tài)。當(dāng)一匹馬出現(xiàn)絞痛癥狀的時(shí)候，可能并沒(méi)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(gè)問(wèn)題而生。它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)馬匹的生物&行為數(shù)據(jù)，并在出現(xiàn)早期跡象的時(shí)候就及時(shí)通過(guò)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(guò)去兩年中，“邊緣計(jì)算”的概念急劇升溫，話題討論度也越來(lái)越高，原因是隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們意識(shí)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(cuò)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(guò)300MB的數(shù)據(jù)。

因此，NIGHTWATCH需要找到一種方式，在有沒(méi)有無(wú)線連接的情況下，都能持續(xù)地對(duì)馬匹進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。你可能會(huì)覺(jué)得這看上去就像是亞馬遜的Echo無(wú)法連接到WiFi或Amazon.com，但在昂貴的愛(ài)馬身上，這完全是另一件事。如果本地設(shè)備沒(méi)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(gè)過(guò)程會(huì)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(méi)有連接信號(hào)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(gè)人從旁經(jīng)過(guò)，他就能在沒(méi)有任何連接信號(hào)的情況下迅速評(píng)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(guò)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(hào)，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(guò)微血管系統(tǒng)的微小位移和身體軟組織的變化測(cè)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(dòng)距離。

Invensense9軸加速度傳感器、指南針、陀螺儀—這用于測(cè)量馬的運(yùn)動(dòng)，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(cè)馬的姿勢(shì)。

所以總體來(lái)說(shuō)，每匹馬每秒產(chǎn)生大約8KB的數(shù)據(jù)，每12小時(shí)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(cè)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(lái)自MCU的預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(píng)價(jià)方程、對(duì)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(chǔ)存運(yùn)動(dòng)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)，使得電池壽命最大化

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(shí)間的推移，NIGHTWATCH能夠優(yōu)化算法來(lái)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(shí)）。一旦算法被完全優(yōu)化，公司可以換用FPGA和ASIC。這聽(tīng)起來(lái)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(wèn)題？絕對(duì)是的！

算法和機(jī)器學(xué)習(xí)

NIGHTWATCH使用MathWorks 公司的MATLAB來(lái)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(lái)預(yù)測(cè)馬匹的痛苦程度。

訓(xùn)練模型上創(chuàng)建了一個(gè)本地集群。公司表示，它們將AWS S3和韁繩上本地儲(chǔ)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(guò)程中，模型需要超過(guò)16GB RAM的數(shù)據(jù)。NIGHTWATCH并沒(méi)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(lái)還可能基于Amazon.com AWS，谷歌GCP，或微軟 Azure進(jìn)行云端訓(xùn)練。

NIGHTWATCH可以通過(guò)智能手機(jī)、平板電腦和個(gè)人電腦來(lái)進(jìn)行管理

NIGHTWATCH可以通過(guò)智能手機(jī)、平板電腦和個(gè)人電腦來(lái)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）和期望最大化（EMM）算法——因?yàn)樵擁?xiàng)目始于2014年，那時(shí)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(yǔ)言和多個(gè)第三方庫(kù)并不適用于資源約束型底層嵌入式處理器。

無(wú)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(wú)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(wú)線技術(shù)：

NoveldaXethru UWB-IR 和定制天線—工作在3000MHz到10000MHz之間，用于檢測(cè)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(dòng)。

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(yíng)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(méi)有人知道UWB-IR。設(shè)計(jì)NIGHTWATCH的工程師吐槽，大多數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室甚至沒(méi)有合適的設(shè)備來(lái)測(cè)試他們的產(chǎn)品，他們同樣不理解該用例和測(cè)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(guò)了FCC, IC 和 PTCRB的認(rèn)證，而且于2017年秋季通過(guò)了IEC-60950安全測(cè)試。該公司表示，從2018年4月26日開(kāi)始，美國(guó)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(gè)典型的邊緣計(jì)算案例，但它仍然使用公有云來(lái)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(yè)用戶界面展示和后端數(shù)據(jù)庫(kù)

向所有者和看護(hù)者發(fā)送警報(bào)

對(duì)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(chǔ)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

NIGHTWATCH是我目前研究過(guò)的最復(fù)雜的一種專為動(dòng)物設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，也是我所見(jiàn)過(guò)的最復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之一。希望通過(guò)這篇文章，你能理解為什么我會(huì)覺(jué)得NIGHTWATCH智能韁繩是一個(gè)偉大的IIoT邊緣計(jì)算案例。對(duì)于那些對(duì)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(lái)說(shuō)，在邊緣側(cè)收集數(shù)據(jù)更有意義。