前言据统计，绞痛是马匹死亡的主要原因。这是一个惊人的数字，但如果及时发现绞痛是很容易治愈的。对于马来说，这意味着生存的希望。与人饲养的猫狗不同，马生活在谷仓或大片牧场中，也就是说，它们有很多时间无人看管。NIGHTWATCH智能缰绳（和可选的安全项圈）的诞生就是为了解决这个问题。大约两年半前，我研究了工业物联网（IIoT），写了一篇相关技术应用到马匹生长初期缰绳的文章，名字叫NIGHTWATCH（守夜人）。令我惊讶的是，超过100,000人有兴趣阅读这篇文章。今天，总部位于美国奥斯汀的生物医学工程&数据科学公司Protequus与工程物联网咨询公司NRGXP达成合作，并宣布美国和加拿大将联合发布这款NIGHTWATCH智能缰绳。当我第一次介绍NIGHTWATCH时，我没有详细介绍所有技术细节，因为它处于开发的早期阶段，而这正是我现在要做的。我对集成到如此小的占地面积中的边缘技术的复杂性和数量感到非常惊讶。下面我将介绍有关NIGHTWATCH的有趣技术细节，包括它的边缘计算能力、它如何利用机器学习、它如何利用UHF脉冲雷达和无线通信技术。不过在此之前，让我们先回顾一下NIGHTWATCH诞生的原因。图：NIGHTWATCH可以监测马匹的心率、呼吸率、活动、位置和姿势AAEP（美国马术从业者协会）估计，美国每年有超过90,000匹马患一段时间的绞痛。根据NIGHTWATCH统计，绞痛也是马匹死亡的主要原因。这是一个惊人的数字，但如果及时发现绞痛是很容易治愈的。对于马来说，这意味着生存的希望。与人饲养的猫狗不同，马生活在谷仓或大片牧场中，也就是说，它们有很多时间无人看管。当一匹马出现??绞痛症状时，没有人照顾它们，或者即使有人照顾，他们也不知道如何发现。NIGHTWATCH智能缰绳（和可选的安全项圈）的诞生就是为了解决这个问题。可实时监测马匹的生物及行为数据，当有早期征兆时，可及时向相关负责人（最多5人）报警并发短信，以便人们提前介入避免事态进一步恶化。因为这项技术是“智能的”，它能够了解每匹马独特的生理特征数据，并寻找可能表明马正在遭受痛苦（例如绞痛、分娩等）的偏差。选择边缘计算近两年，“边缘计算”的概念急剧上升，讨论的话题也越来越多。原因是随着物联网的发展，人们意识到并不是所有的计算都在云端有意义。.与那些认为云计算应该包办一切的非理性人相比，认为边缘端、网关和云同等重要的人不在少数。有些应用对时延、安全、成本甚至容错都有很高的要求，因此应用边缘计算更有意义。这正是NIGHTWATCH的智能缰绳所需要的，该公司表示每台设备每天处理超过300MB的数据。因此，NIGHTWATCH需要找到一种在有或没有无线连接的情况下持续远程监控马匹的方法。您可能认为这看起来像亚马逊的Echo无法连接到WiFi或Amazon.com，但在昂贵的马匹上，情况完全不同。如果本地设备没有计算能力，设备必须将收集到的数据传输到云端，然后进一步通知所有者或看护人，这将造成延迟和昂贵的电力消耗。此外，即使马目前处于没有连接信号的区域，设备上也有类似LED的设备可以报告马是否正在遭受痛苦。因此，仅仅通过走过，一个人就可以在没有任何连接信号的情况下快速评估一匹马的整体幸福感。当然，也有一些数据需要上传到云端以完善机器学习的训练模型并存档在Amazon.comAWSS3中，所以智能马笼头支持WiFi和蜂窝通信。由于大量数据需要通过昂贵的蜂窝网络传输，因此对数据进行预处理是有意义的。下面是NIGHTWATCH智能马笼头中的MCU和MPU：NoveldaXethru超宽带雷达-它工作在3GHz到10GHz之间的频率，传输原始UWB-IR射频信号，然后计算马匹的心率和呼吸率装置。马耳朵后面的传感器可以通过微血管系统的微小位移和身体软组织的变化来测量马的心率和呼吸率。MCU中原始雷达数据的速率为每秒7KB。TelitGNSSGPS模块-该传感器用于确定马的位置并计算它移动的距离。Invensense9轴加速度计、指南针、陀螺仪——用于测量马的运动并以每秒1KB的速度传输到MCU。TECon??nected气压传感器-除了9轴加速度计之外，该传感器还可以帮助更好地预测马匹的姿势。所以一般来说，每匹马每秒产生大约8KB的数据，设备每12小时收集和处理300MB的数据。以下是一些突出的处理器：NXPSemiconductorsMCU-用于准确采样和预测来自上述传感器的数据。它运行在FreeRTOS和ArmCMSIS软件上，用于MCU和传感器连接。NXPSemiconductorsI.MX6处理器(CPU)-执行实时模糊逻辑机器学习推理算法，根据来自MCU的预处理数据计算EDI（马匹遇险指数）。CPU在定制的Linux操作系统和软件上运行，用于线性代数算法、频率分析、评估方程、对象关系映射和模糊逻辑。MicronTechnology4GBeMMC-在AWSS3中存档之前存储运动数据。TexasInstruments和NXPSemiconductorsPMIC——用于管理和优化系统以最大限度地延长电池寿命。Maxim的集成袖珍电流表——允许用户估算当前电池容量。随着时间的推移，NIGHTWATCH可以通过优化算法降低功耗，使电池续航时间超过规定的夜间续航时间（12-16小时）。一旦算法完全优化，公司就可以切换到FPGA和ASIC。这听起来很像许多其他领先公司在考虑边缘计算吗？绝对地！算法和机器学习NIGHTWATCH使用MathWorks的MATLAB进行原型机器学习训练，并使用设备上的算法（手动转换/优化为C）来预测马匹遇险。在训练模型上创建本地集群。该公司表示，他们将本地存储在AWSS3上的数据与bridle同步以训练模型，然后将其上传到S3以供本地设备下载。在大约2周的训练期间，该模型需要超过16GB的RAM用于数据。NIGHTWATCH不基于AWS进行模型学习，因为该公司更愿意在选择合适的云计算基础设施之前充分了解内存、CPU和GPU的要求。如果有需要，NIGHTWATCH未来也可能会进行基于Amazon.comAWS、GoogleGCP或MicrosoftAzure的云培训。NIGHTWATCH可以通过智能手机、平板电脑和PC进行管理NIGHTWATCH可以通过智能手机、平板电脑和PC进行管理。出于务实的考虑，NIGHTWATCH选择了MATLAB、高斯混合模型(GMM)和期望最大化(EMM)算法——自2014年开始该项目以来，包括Tensorflow、Caffe和Torch在内的框架都不可用。PlusNIGHTWATCH认为很多人使用的编程语言和多个第三方库不适合资源受限的底层嵌入式处理器。无线技术虽然NIGHTWATCHsmartrein是边缘计算的特殊IIoT案例，但这并不意味着它不需要领先的无线解决方案。而由于缰绳的特殊形状和小面积，这就变得更加困难。下面是马笼头中使用的无线技术：NoveldaXethruUWB-IR和定制天线-在3000MHz和10000MHz之间运行以检测马的心率和呼吸率。TelitCommunicationsGPS模块和Antenova天线-在1559MHz和1609MHz之间运行，GPS天线用于确定缰绳的位置并更好地确定马的运动。德州仪器WIFI芯片和TDK天线——工作在5000MHz-2400MHz之间，可以连接WiFi路由器，方便报警和数据上传。TelitCommunicationsPLC蜂窝调制解调器和Antenova天线——在824MHz至960MHz和1710MHz至2170MHz之间运行，使控制能够连接到3G运营商网络，以便轻松报警和上传数据。WiFi、蜂窝和蓝牙等通信协议众所周知，但UWB-IR却鲜为人知。设计NIGHTWATCH的工程师抱怨说，大多数测试实验室甚至没有合适的设备来测试他们的产品，他们也不了解用例和测试要求，甚至不得不打破一些规则。手机是一回事，但为马设计并需要使用UWB-IR的物联网设备则完全是另一回事。这款NIGHTWATCH智能缰绳已通过FCC、IC和PTCRB认证，并于2017年秋季通过了IEC-60950安全测试。该公司表示，该服务将于2018年4月26日起面向美国和加拿大的马匹提供。边缘计算固然好，但云仍然重要虽然NIGHTWATCH是边缘计算的典型例子，但它仍然使用公有云来执行各种任务。公司使用Amazon.comAWSS3：用户登录和安全WebUI演示和后端数据库向业主和看护人发送警报存储和存档原始生物和行为数据、日志和机器学习模型重新掌控机器学习算法的推理NIGHTWATCH的最后是我迄今为止为动物设计的最复杂的物联网设备，也是我见过的最复杂的物联网设备之一。希望通过本文，您可以理解为什么我认为NIGHTWATCHsmartrein是一个很棒的IIoT边缘计算案例。对于延迟、网络弹性和蜂窝网络成本至关重要的用例，在边缘收集数据更有意义。
