Design of an IoT system for monitoring livestock behavior and welfare through low-cost technologies
Author(s)
Renzi, Francesco
Date Issued
May 9, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
In recent years, concerns regarding animal health and food traceability have increased, along with the number
of animals per farm. To address this issue, the concept of precision livestock farming (PLF) has been
introduced, which consists of the use of technologies in farms to help farmers monitor their animals effectively
and react in a timely manner to possible issues, thereby enhancing productivity and animal welfare. Several
IoT sensors are already commercially available to monitor livestock behavior; they usually focus on a specific
parameter and provide information about the status of the animal to the farmer. A network of sensors can
provide a more comprehensive understanding of animal status; however, IoT sensors on the market are usually
manufacturer-specific, owing to market strategies. This study, conducted with the support of Nature 4.0 S.r.l.,
focuses on the development of a network of sensors, encompassing the entire process, from conceptualization
to testing and data management. The goal is to test devices for the collection of data on the welfare of cows
and sheep, animals’ subcutaneous temperature, air quality, and greenhouse gas emissions in shelters and
transmit them in near-real time to a central server for their storage and visualization. A collar was designed to
collect geographical coordinates, air temperature and relative humidity around the animal, average acceleration
and standard deviation over three axes, heart rate, and cutaneous temperature. Moreover, an IoT RFID reader
was designed to read RFID subcutaneous temperature tags in chickens. Finally, a customizable IoT gas
analyzer was designed featuring NH3, CH4, H2S, CO2, PM1, PM2.5, PM10, air temperature, and air humidity
as standard configurations to monitor animal and human health in shelters as well as GHG emissions. A server
for the collection, storage, and visualization of the collected data was also designed and tested using FAIRcompliant
standards and open-source software. The central server collects data from different protocols, such
as MQTT and HTTP, and saves them in a PostgreSQL database exposed by the OGC SensorThings API. The
data can also be visualized using the Grafana dashboard. In the opening chapter, this thesis delves into the
subject of precision livestock farming and the significant advancements made in this area in recent years.
Additionally, the text explores the role of IoT technologies in contemporary society and science, offering a
brief description and explanation of the main technologies and protocols while simultaneously highlighting
their strengths and limitations. The second chapter outlines the framework within which the thesis was
formulated along with the technologies and software utilized in the design of the sensors. Subsequently, the
following three chapters delve into each sensor in detail and present illustrative examples of the collected data.
Finally, the discussion turns to the server structure.
Negli ultimi anni l’attenzione a temi quali la salute animale e la tracciabilità del cibo è aumentata come anche
il numero di animali allevati nelle fattorie. L’agricoltura di precisione nasce per far fronte alle nuove necessità
emerse tramite l’utilizzo di tecnologie per il monitoraggio della produttività e della salute animale e umana in
tempo reale. Differenti sensori IoT sono presenti sul mercato per rispondere alle suddette esigenze ma
solitamente si basano sulla misura di un singolo parametro da cui poi sono ricavate le informazioni fornite
all’allevatore; inoltre i sensori commerciali risultano spesso difficilmente integrabili con sistemi differenti da
quelli del produttore per via delle politiche commerciali applicate. Questa ricerca, condotta con il supporto
della Nature 4.0 S.r.l., è stata condotta al fine di sviluppare una rete di prototipi innovativi a partire dalla loro
concettualizzazione fino al loro collaudo, inclusa la gestione dei dati. Gli ambiti coinvolti sono stati: la salute
di bovini e ovini, la lettura della temperatura sottocutanea ed il monitoraggio della qualità dell’aria con
particolare attenzione all’emissione di gas serra nelle stalle. Tutti i prototipi sono stati dotati di una connessione
ad internet attraverso l’uso di differenti tecnologie per l’invio dei dati in tempo reale per permettere il
salvataggio degli stessi e la loro visualizzazione. Il dispositivo per la misura dei parametri fisiologici animali
consiste in un collare per la misura della posizione, della temperatura e dell’umidità relativa dell’aria attorno
all’animale, dell’accelerazione media e della sua deviazione standard lungo tre assi, del battito cardiaco e della
temperatura superficiale. La temperatura sottocutanea dei polli è stata invece misurata tramite microchip RFID
con sensore di temperatura incorporato per i quali è stata costruita un apposito lettore per la raccolta dati in
tempo reale. Infine, un dispositivo per la misura della concentrazione di gas in aria da applicare nelle stalle è
stato costruito per il campionamento di NH3, CH4, H2S, CO2, PM1, PM2.5, PM10 e della temperatura e
dell’umidità relativa. Per quanto riguarda la gestione dei dati, un server per la loro raccolta, salvataggio e
visualizzazione basato sui principi FAIR e su programmi open-source è stato costruito e sperimentato. Il
sistema può ricevere dati da differenti protocolli quali MQTT e HTTP per poi salvarli in un database
PostgreSQL accessibile tramite OGC SensorThings API. I dati possono essere poi visualizzati tramite una
dashboard Grafana. Il primo capitolo della tesi presenta il concetto di agricoltura di precisione riportando le
principali innovazioni avvenute negli ultimi anni. Particolare rilevanza viene data al concetto di IoT nella
società contemporanea e alle principali tecnologie e protocolli utilizzati da queste tecnologie. Il secondo
capitolo descrive il progetto sottolineandone applicazioni ed obiettivi e presentando le tecnologie ed i
programmi utilizzati per la creazione dei prototipi. I successivi capitoli sono dedicati alla descrizione
dettagliata di ogni singola tecnologia con la presentazione di alcuni dati preliminari che ne mostrano il
funzionamento. L’ultimo capitolo è invece dedicato alla gestione dei dati sul server.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze, Tecnologie e Biotecnologie per la Sostenibilità
Subjects
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Size
30.74 MB
Format
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Checksum (MD5)
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