Automatic thermoacoustic monitoring for animal production facilities using a low-cost device

Abstract

The assessment of thermal and acoustic conditions in intensive animal production facilities is essential to promote animal welfare and increase productive efficiency. In this context, the general objective of this dissertation was to conduct a systematic review focusing on the acoustic environment in intensive animal production facilities and to develop a low-cost, automatic, and continuous monitoring system for evaluating the thermal and acoustic conditions in dairy cattle housing. This dissertation is composed of two articles that address the topic from complementary theoretical and technological perspectives. The first article presents a systematic review focused on the use of environmental sound and animal vocalizations in cattle (beef and dairy), poultry, and swine production systems. Following the PRISMA protocol and the PICO framework, 36 experimental studies were selected based on inclusion criteria such as publication in English, use of objective and quantifiable acoustic measurements, and clear technical descriptions of the procedures used. The studies were categorized into four thematic approaches: (i) the use of vocalizations as indicators of animal welfare; (ii) the characterization of environmental sound sources; (iii) the combined analysis of sound sources and vocalizations; and (iv) the evaluation of behavioral and physiological responses to acoustic stimuli. The second article comprises the development and validation of a low-cost prototype based on an ESP32 microcontroller, integrating thermal and acoustic sensors with automatic data storage on a microSD card. The thermal and acoustic environment of an intensive dairy cattle production facility was monitored, characterizing the air temperature, relative humidity, animal thermal comfort indices, such as the Temperature and Humidity Index (THI) and the Globe Temperature Humidity Index (BGHI) and specific enthalpy of air (h), and the noise levels and peaks in the different animal facilities of the system. Laboratory calibration indicated good general performance of most sensors used in the device, although limitations were observed in the accuracy of relative humidity measurements and the acoustic sensor's sensitivity at low sound levels. Field tests showed consistent responsiveness in identifying periods of higher thermal load and elevated noise exposure, confirming the device's applicability for environmental monitoring in intensive livestock facilities. These findings provide a robust theoretical and technological foundation for advancing environmental monitoring in animal production. Future work should aim to improve device components, particularly the acoustic sensor and sampling strategy. Furthermore, the findings of the systematic review highlights the need for more accessible, replicable, and robust technological solutions in order to explore the potential of sound as a real-time monitoring tool in commercial production environments. Keywords: animal welfare ; bioacoustics; noise; sensors; sound measurement.

A avaliação das condições térmicas e acústicas em instalações de produção animal intensiva é essencial para promover o bem-estar dos animais e aumentar a eficiência produtiva. Nesse contexto, o objetivo geral desta dissertação foi realizar uma revisão sistemática com foco no ambiente acústico em instalações de produção animal intensiva e desenvolver um sistema de monitoramento automático, contínuo e de baixo custo para avaliar as condições térmicas e acústicas em instalações para bovinos leiteiros. Esta dissertação é composta por dois artigos que abordam o tema sob perspectivas teóricas e tecnológicas complementares. O primeiro artigo apresenta uma revisão sistemática focada no uso do som ambiental e das vocalizações de animais em sistemas de produção de bovinos (de corte e leiteiros), aves e suínos. Seguindo o protocolo PRISMA e a estrutura PICO, 36 estudos experimentais foram selecionados com base em critérios de inclusão, tais como publicação em inglês, uso de medições acústicas objetivas e quantificáveis, e descrição técnica clara dos procedimentos utilizados. Os estudos foram categorizados em quatro abordagens temáticas: (i) o uso das vocalizações como indicadores de bem-estar animal; (ii) a caracterização das fontes sonoras ambientais; (iii) a análise combinada de fontes sonoras e vocalizações; e (iv) a avaliação das respostas comportamentais e fisiológicas a estímulos acústicos. O segundo artigo compreende o desenvolvimento e a validação de um protótipo de baixo custo baseado no microcontrolador ESP32, integrando sensores térmicos e acústicos com armazenamento automático de dados em um cartão microSD. O ambiente térmico e acústico de uma instalação intensiva de bovinos leiteiros foi monitorado, caracterizando a temperatura do ar, a umidade relativa, os índices de conforto térmico animal, como o Índice de Temperatura e Umidade (THI), o Índice de Temperatura de Globo e Umidade (BGHI) e a entalpia específica do ar (h), além dos níveis de ruído e picos sonoros nos diferentes setores da instalação. A calibração em laboratório indicou um bom desempenho geral da maioria dos sensores utilizados no dispositivo, apesar de terem sido observadas limitações na precisão das medições de umidade relativa e na sensibilidade do sensor acústico em baixos níveis sonoros. Os testes de campo demonstraram uma resposta consistente na identificação de períodos com maior carga térmica e maior exposição ao ruído, confirmando a aplicabilidade do dispositivo para o monitoramento ambiental em instalações pecuárias intensivas. Esses resultados fornecem uma base teórica e tecnológica sólida para o avanço do monitoramento ambiental na produção animal. Estudos futuros devem buscar aprimorar os componentes do dispositivo, especialmente o sensor acústico e a estratégia de amostragem. Além disso, os achados da revisão sistemática destacam a necessidade de soluções tecnológicas mais acessíveis, replicáveis e robustas, a fim de explorar o potencial do som como ferramenta de monitoramento em tempo real em ambientes de produção comercial. Palavras-chave: bem-estar animal; bioacústica; ruído; sensores; medição sonora.