Monitoring of cow behavioural activities in extensive farming by means of automatic systems based on the use of low-power-widearea telecommunication networks [Monitoraggio delle attività comportamentali delle vacche nell'allevamento estensivo mediante sistemi automatici basati sull'uso di reti di telecomunicazione a bassa potenza e ad ampio raggio]

This PhD thesis investigates the application of advanced technologies in Precision Livestock Farming (PLF) to enhance the management of extensive grazing systems. The study focuses on validating devices equipped with accelerometers and GPS by using Low-Power Wide-Area Networks (LPWANs) for real-time monitoring of livestock behaviour. By tracking activities like walking, grazing, and rumination, these technologies generate information that can optimize livestock management practices, improve land utilization, and promote animal welfare. The use of LPWANs is crucial for devices developed for monitoring grazing animals, as these networks offer an optimal balance between power consumption and transmission range. Devices adopted in rural environments often operate in remote areas, far from power sources and with limited network coverage. LPWAN technologies, such as Sigfox and LoRa, enable data transmission over long distances with minimal power consumption, significantly extending device battery life. This ensures continuous, long-term monitoring of animals, reducing the need for frequent manual battery replacements and enhancing overall operational efficiency. The thesis is organized into several key sections. The first section provides an overview of current technologies used for monitoring grazing cows, highlighting their potential to automate and refine livestock management processes. The second section explores the use of triaxial accelerometers for analyzing animal behaviour and the methods adopted to establish acceleration thresholds for the automatic detection of various cow behaviours. The third section investigates the use of GPS technology to track animal movements highlighting point of strengthens and weaknesses of the use in rural areas of GPS systems based on LPWAN infrastructures. Field experiments have confirmed the effectiveness of these technologies and exploited challenges in their application such as data packet loss and battery life limitations. The final section addresses challenges and outlines ongoing efforts to improve LPWAN monitoring system reliability and precision when GPS and triaxial accelerometer data were acquired and elaborated to perform cow behaviour classification. The findings of this research are promising, demonstrating the technical feasibility and practical benefits of using IOT devices based on LPWAN for monitoring grazing cow. Despite issues related to data sampling frequency, and network coverage in remote areas, the results validate the effectiveness of these systems. LPWAN technologies provide an optimal compromise between transmission range and energy efficiency, facilitating long-term, maintenance-free monitoring. Real-time data transmission is essential for enabling farmers to make timely, informed decisions, thereby improving overall farm productivity and animal health. Further research is needed to optimize device performance, extend battery life, and enhance data communication, ensuring the long-term effectiveness and sustainability of these systems in practical applications.

Il campo di studio della presente tesi di dottorato è l’applicazione di tecnologie avanzate di Precision Livestock Farming (PLF) finalizzata al miglioramento della gestione dei sistemi di allevamento di bovini al pascolo. In particolare, le attività di ricerca hanno riguardato il monitoraggio in tempo reale del comportamento del bestiame attraverso lo sviluppo e la validazione di dispositivi elettronici dotati di accelerometri e sistemi di localizzazione globale connessi a reti Low-Power Wide-Area (LPWAN). Si ritiene che le principali attività monitorate dai suddetti sistemi, quali la deambulazione, il pascolamento e la ruminazione, siano rilevanti nell’ambito delle pratiche di gestione del bestiame e per monitorare il benessere degli animali. L'uso delle LPWAN è cruciale per i dispositivi elettronici che monitorano gli animali al pascolo, poiché queste reti offrono un giusto compromesso tra consumo energetico e portata di trasmissione. I dispositivi impiegati in ambienti rurali operano spesso in aree remote, lontane dalle fonti di energia e con copertura di rete limitata. Le tecnologie LPWAN, come Sigfox e LoRa, consentono la trasmissione dei dati su lunghe distanze con un consumo energetico minimo, prolungando significativamente la durata della batteria dei dispositivi. Questo garantisce un monitoraggio continuo e a lungo termine degli animali e, riducendo la necessità di intervento dell’allevatore per la sostituzione delle batterie, migliorano l'efficienza operativa complessiva. La tesi è organizzata in diverse sezioni. La prima sezione fornisce una panoramica delle tecnologie attualmente utilizzate per il monitoraggio degli animali al pascolo, evidenziando il loro potenziale per automatizzare e perfezionare i processi di gestione del bestiame. La seconda sezione approfondisce l'uso di accelerometri triassiali per l'analisi del comportamento animale, stabilendo soglie di accelerazione per la rilevazione automatica dei vari comportamenti. La terza sezione esplora l'uso della tecnologia GPS per tracciare i movimenti degli animali, valutando la praticità dei sistemi GPS a basso consumo energetico nelle aree rurali. Gli esperimenti sul campo hanno confermato l'efficacia di queste tecnologie, nonostante le sfide incontrate, come la perdita di pacchetti di dati e le limitazioni della durata della batteria. L'ultima sezione affronta le problematiche connesse con l’integrazione all’interno di uno stesso dispositivo di sistemi GPS e accelerometrici al fine di tracciare e monitorare il comportamento degli animali in tempo reale. In tale sezione vengono anche descritti eventuali sviluppi futuri per migliorare la funzionalità dei dispositivi sviluppati nella tesi. I risultati di questa ricerca sono promettenti e dimostrano la fattibilità tecnica e i vantaggi pratici dell'uso di dispositivi IOT basati su LPWAN per il monitoraggio del bestiame al pascolo. Nonostante i problemi legati alla frequenza di campionamento dei dati e alla copertura di rete nelle aree remote, i risultati confermano l'efficacia di questi sistemi. Le tecnologie LPWAN forniscono un compromesso ottimale tra portata di trasmissione ed efficienza energetica, facilitando il monitoraggio a lungo termine e senza manutenzione. La trasmissione di dati in tempo reale è essenziale per consentire agli agricoltori di prendere decisioni tempestive e informate, migliorando così la produttività complessiva dell'azienda e la salute degli animali. Sono necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare le prestazioni dei dispositivi, prolungare la durata delle batterie e migliorare la comunicazione dei dati, garantendo l'efficacia e la sostenibilità a lungo termine di questi sistemi nelle applicazioni pratiche.