luận văn thạc sĩ nghiên cứu phát triển mạng cảm biến không dây giám sát hành vi gia súc sử dụng thuật toán phân loại hiệu quả đáp ứng thời gian thực​

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -  - VŨ MINH THOẠI NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT HÀNH VI GIA SÚC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PHÂN LOẠI HIỆU QUẢ ĐÁP ỨNG THỜI GIAN THỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -  - VŨ MINH THOẠI NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT HÀNH VI GIA SÚC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PHÂN LOẠI HIỆU QUẢ ĐÁP ỨNG THỜI GIAN THỰC Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử,Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN ĐỨC TÂN Hà nội – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: ”Nghiên cứu mạng cảm biến không dây giám sát hành vi gia súc sử dụng thuật toán phân loại hiệu đáp ứng thời gian thực” cơng trình nghiên cứu riêng tác giả Các số liệu, kết trình bày luận văn hoàn toàn trung thực, chưa cơng bố cơng trình khác Trong luận văn có dùng số tài liệu tham khảo nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Vũ Minh Thoại i LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tình cảm đặc biệt tới người Thầy PGS TS Trần Đức Tân Thầy người ln theo sát, tận tình bảo, góp ý, hướng dẫn định hướng cho tơi suốt trình làm luận văn Khoa Điện tử Viễn thông, Trường đại học Công nghệ Tôi xin cám ơn hỗ trợ từ đề tài “Nghiên cứu xử lý thơng tin hành vi bị dựa chuyển động từ cảm biến nhằm nâng cao hiệu chăn nuôi”, mã số ĐLTE00.02/20-21 Nghiên cứu thực khuôn khổ đề tài mã số KC.01.21/16-20 tài trợ Bộ Khoa học Công nghệ Tiếp theo, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy, Cô anh chị em Khoa sẵn sàng giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho tơi q trình làm luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực luận văn có hạn, nên luận văn cịn nhiều hạn chế Tơi mong nhận nhiều góp ý, bảo thầy, để hồn thiện luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2020 Học viên Vũ Minh Thoại ii TĨM TẮT Ngành chăn ni, sản xuất sữa thực phẩm ngành kinh tế quan trọng phát triển kinh tế xã hội an ninh lương thực giới Để bảo đảm phát triển bền vững ngành việc giám sát chăm sóc sức khỏe gia súc có vai trị quan trọng nhu cầu thiết yếu ngành chăn nuôi Tại Việt Nam, có số cơng ty sữa lớn TH Truemilk, VINAMILK, để nâng cao suất chất lượng sản phẩm, họ quan tâm đến vấn đề sức khoẻ bị Vì vậy, họ có nhu cầu giám sát thể chất sinh lý đàn gia súc thường xuyên tốt Phát sinh từ chất khó khăn liên quan đến việc quản lý trang trại với khu chăn thả lớn, nhà chăn ni ln ln có nhu cầu "giám sát" động vật họ cách tự động tiết kiệm chi phí Cơng nghệ mạng cảm biến khơng dây giải pháp khả thi cho vấn đề Trong thơng tin cần cho việc chăn sóc sức khỏe gia súc hành vi sở quan trọng nhạy cảm Việc giám sát hành vi gia súc thực tế thường tiến hành theo hướng quan sát chuyển động cổ bò chuyển động chân Dữ liệu từ thiết bị quan sát lưu lại thiết bị để xử lý sau truyền thông không dây thiết bị trung tâm để xử lý Tuy nhiên, việc thực thi kỹ thuật chưa đáp ứng việc giám sát thời gian thực hay quy mô chăn thả lớn, nhiều hệ thống xác định hai hành vi trạng thái động vật thời điểm nhiều hành vi độ xác cịn thấp Luận văn đề xuất thiết bị giám sát hành vi bò (gồm ăn, nằm, đứng) theo thời gian thực Hệ thống thiết kế theo mơ hình mạng cảm biến khơng dây, mở rộng số lượng nút mạng Các thiết bị nhận biết hành vi xây dựng dựa cảm biến gia tốc thuật toán k-means Sở dĩ thuật tốn k-means lựa chọn áp dụng vi điều khiển cấu hình thấp iii MỤC LỤC MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH VẼ .v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC VIẾT TẮT vii DANH MỤC KÍ HIỆU viii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ QUỐC TẾ .1 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Tình hình nghiên cứu quốc tế 1.1.3 Tình hình nghiên cứu nước 1.2 NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN PHÂN LOẠI HÀNH VI GIA SÚC 1.2.1 Tổ ng quan phương pháp học máy 1.2.1.1 Giới thiệu học máy 1.2.1.2 Các giải thuật học máy 1.2.2 Thuật toán phân cụm k-means 1.2.3 Thuật toán máy vector hỗ trợ (SVM) 1.2.4 Thuật toán định 1.2.5 So sánh loại thuật toán phân loại nhận xét 12 CHƯƠNG NỘI DUNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 14 2.1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THIẾT BỊ GIÁM SÁT HÀNH VI GIA SÚC .14 2.1.1 Xây dựng mạng wsn ứng dụng cho giám sát hành vi gia súc 14 Module Ra-02 (hình 2.3) 19 Mạng khơng dây 2.4GHz dịng module nRF24 20 Module NRF24L01 23 Thiết bị gắn c ảm biến 26 Thiết bị LoRa Gateway 30 2.2 PHÂN LOẠI HÀNH VI GIA SÚC 32 2.2.1 Trạng thái hành vi gia súc 32 2.1.3 Xây dựng tham số đánh giá phân loại gia súc 34 CHƯƠNG KẾT QUẢ 37 3.1 HỆ THỐNG PHẦN CỨNG 37 3.2 THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 37 3.3 KẾT QUẢ PHÂN LOẠI HÀNH VI SỬ DỤNG K-MEANS 37 3.4 MỘT SỐ SAI SỐ TRONG QUÁ TRÌNH THU DỮ LIỆU .37 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ giải thuật tốn k-means Hình 1.2 Thuật tốn SVM Hình 2.1 Mơ tả vị trí thiết bị cá thể gia súc 15 Hình 2.2 Mơ tả kiến trúc mạng (star) 17 Hình 2.3 Module thu phát LoRa Ra-02 19 Hình 2.4 Sơ đồ kênh truyền mạng nRF 2.4GHz 20 Hình 2.5 Mạng đa thiết bị truyền thiết bị nhận 21 Hình 2.6 Cấu trúc gói tin ShockBurst 22 Hình 2.7 Dữ liệu gửi cho 22 Hình 2.8 Module nRF24L01 mini 23 Hình 2.9 Thiết bị gắn bò thực tế 25 Hình 2.10 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị gắn cảm biến 26 Hình 2.11 Sơ đồ thuật tốn thiết bị gắn cảm biến 29 Hình 2.12 Sơ đồ khổi hệ thống LoRa Gateway 30 Hình 2.13 Sơ đồ thuật toán thiết bị LoRa Gateway 31 Hình 2.14 Hướng trục gia tốc gắn cổ bò 33 Hình 2.15 Các trục m biến gia tốc bò đứng 33 Hình 2.16 Hướng cảm biến gia tốc bò ăn 34 Hình 2.17 Hướng cảm biến gia tốc bị nằm 34 Hình 2.17 Phương pháp cửa sổ trượt 36 Hình 3.1 Thiết bị phần cứng gắn cổ 37 Hình 3.2 Dữ liệu tốc theo trục X, Y, Z ( mg = 0.001 g, g =9.8 m/s 2) .39 Hình 3.3 Khai thác đặc trưng VeDBA 40 Hình 3.4 Khai thác đặc trưng SCAY 40 Hình 3.5 Khai thác quan hệ SCAY (trục tung) VeDBA (trục hoành) 41 Hình 3.6 Quan hệ SCAY (trục tung) VeDBA (trục hoành) 42 sử dụng k-means với thiết lập cụm khác 42 Hình 3.7 Dữ liệu gia tốc tập kiểm tra 42 Hình 3.8 VeDBA tập kiểm tra 43 Hình 3.9 VeDBA tập kiểm tra 43 Hình 3.10 Quan hệ VeDBA – SCAY tập kiểm tra 44 Hình 3.11 Chỉ số nhận dạng ước lượng (trên) thực tế (dưới) 44 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh thuật toán phân loại 13 Bảng 2.1 Các tầng mạng mạng không dây LoRa 16 Bảng 2.2 Các lớp thiết bị mạng truyề n thông LoRa .18 vi DANH MỤC VIẾT TẮT DBA Dyna DBAx Dyna DBAy Dyna DBAz Dyna VeDBA Vecto SCAY Static in the ADC Analo UART Univ transm I2C Inter- vii viii 35 Hình 2.17 Phương pháp cửa sổ trượt ODBA dùng để tổng hợp gia tốc động toàn thân.ODBA xác địnhtrong công thức: ODBA (2.4) VeDBA hay gọi vector tổng hợp gia tốc chuyển động toàn thân Trong cảm biến ngày nay, người ta hay dùng tham số ODBA VeDBA để xác định mức độ tiêu hao lượng gia súc VeDBA đánh giá tốt ODBA.VeDBA thể công thức: (2.3) VeDBA SCAY sử dụng để xác định thay đổi gia tốc trọng trường y SCAY xác định công thức (2.4): (2.4) g y 36 CHƯƠNG KẾT QUẢ 3.1 HỆ THỐNG PHẦN CỨNG Phần đánh giá kết thu được: Thiết bị phần cứng có kích thước 85×60×35mm, khổi lượng khoảng 300g mơ tả hình Trong phạm vi luận văn làm việc với liệu gắn cổ Hình 3.1 Thiết bị phần cứng gắn cổ 3.2 THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG Chúng tiến hành thu liệu bị ni bán chăn thả huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội Mỗi bị chúng tơi thu 60 phút liệu bò ăn, 60 phút liệu bò đứng 60 phút liệu bò nằm Nút trung tâm thu liệu máy tính đặt cách bị nghiên cứu 200m điều kiện có nhiều vật cản nhỏ che khuất Kết thu liệu tốt, chưa thấy gói liệu số liệu nhận Bảng liệu thu cổ bò ăn: 37 Bảng 3.1 Dữ liệu đo cổ bò ăn Giờ 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 Bảng liệu thu cổ bò nằm: Bảng 3.2 Dữ liệu đo cổ bò bò nằm Giờ 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 38 Bảng liệu thu cổ bò đứng: Bảng 3.3 Dữ liệu đo cổ bò bò đứng 9 9 9 9 9 9 9 3.3 KẾT QUẢ PHÂN LOẠI HÀNH VI SỬ DỤNG K-MEANS Hình 3.2 mơ tả mẫu liệu gia tốc theo trục tương ứng với ba hành vi khác mà luận văn quan tâm: đứng, nằm, ăn Hình 3.2 Dữ liệu tốc theo trục X, Y, Z ( mg = 0.001 g, g =9.8 m/s 2) 39 Hình 3.3 mơ tả việc tính toán đặc trung VeDBA nội dung lý thuyết trình bày chương Có thể thấy bị ăn (mẫu thứ 300 đến 490) giá trị VeDBA có thay đổi phạm vi lớn Hình 3.3 Khai thác đặc trưng VeDBA Thông tin đặc trưng SCAY mơ tả hình 3.4 Hình 3.4 Khai thác đặc trưng SCAY 40 Hình 3.5 thể quan hệ SCAY (trục tung) VeDBA (trục hoành) trước đưa vào k-means Hình 3.5 Khai thác quan hệ SCAY (trục tung) VeDBA (trục hồnh) Hình 3.6 thể quan hệ SCAY (trục tung) VeDBA (trục hoành) sử dụng k-means với thiết lập cụm khác Màu sắc thể phân loại theo cụm với tâm cụm thể hình Tọa độ ba tâm cụm xác định Tâm cụm = [-393.0000 Tâm cụm 2= [ -56.5000 Tâm cụm 3= [563.2500 Các giá trị sau nạp sẵn nhớ EPROM vi điều khiển để thực thi tốn phân loại theo thời gian thực Có thể thấy sử dụng k-means phân thành cụm chưa xác định hành vi tương ứng với cụm Dựa vào đặc tính động VeDBA ta xác định Tâm cụm ăn (động học lớn nhất), Tâm cụm nằm (động học nhỏ nhất), Tâm cụm đứng 41 Hình 3.6 Quan hệ SCAY (trục tung) VeDBA (trục hoành) sử dụng k-means với thiết lập cụm khác Với tập liệu kiểm tra ta tiến hành tương tự để khai thác liệu gia tốc (Hình 3.6), VeDBA (hình 3.7), SCAY (hình 3.8), quan hệ VeDBA – SCAY tập kiểm tra Hình 3.7 Dữ liệu gia tốc tập kiểm tra 42 Hình 3.8 VeDBA tập kiểm tra Hình 3.9 VeDBA tập kiểm tra 43 Hình 3.10 Quan hệ VeDBA – SCAY tập kiểm tra Hình 3.11 mô tả số nhận dạng ước lượng (trên) thực tế (dưới) ba hành vi quan tâm Độ xác định lượng 89.07% Hình 3.11 Chỉ số nhận dạng ước lượng (trên) thực tế (dưới) 44 Để tóm lược phần trình bày trên, học viên trình bày bước thực thi vi điều khiển để phân loại hành vi theo thời gian thực sau: Bước 1: thu thập liệu gia tốc theo trục theo giây (thu khung liệu) Bước 2: ước lượng VeDBA SCAY để thu vị trí khơng gian < VeDBA; SCAY> Bước 3: tính tốn khoảng cách tới Tâm cụm (giá trị tâm cụm không gian < VeDBA; SCAY> nạp sẵn nhờ vi điều khiển trình bày trên) Bước 4: xác định giá trị khoảng cách tối thiểu, gán nhãn hành vi tương ứng Bước 5: gửi kết phân loại gateway 3.4 MỘT SỐ SAI SỐ TRONG QUÁ TRÌNH THU DỮ LIỆU - Dữ liệu thu có nhiều gói liệu khoảng 20% nguồn pin nhỏ 92% Để đảm bảo khơng gói liệu trì thu liệu tin cậy chúng tơi trì thu liệu nguồn pin lớn 95% - Hoạt động bị khơng thuần, hành vi đan xen nhau, vừa ăn vừa đi, lại dừng ăn Chúng khắc phục cách để bị đói cho bị ăn bị ăn liên tục giúp thu liệu 45 KẾT LUẬN Luận văn thành công việc xây dựng thiết bị giám sát hành vi bò gồm ăn, nằm, đứng theo thời gian thực Hệ thống thiết kế theo mơ hình mạng cảm biến khơng dây, mở rộng số lượng nút mạng Các thiết bị nhận biết hành vi xây dựng dựa cảm biến gia tốc thuật tốn k-means với độ xác phân loại đạt tới 89% Phương hướng luận văn mở rộng số hành vi quan sát tiến hành thử nghiệm thời gian dài trang trại chăn nuôi 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Chinh, Phùng Cơng Phi Khanh, Trần Đức Tân, Lê Vũ Hà Nghiên cứu thiết kế mơ hình hệ thống giám sát hành vi bò Kỷ yếu hội thảo tồn quốc điện tử, truyền thơng cơng nghệ thông tin (REV-2016), Hà Nội tháng 12 năm 2016, trang 6-19 đến 6-22 [2] Phùng Công Phi Khanh, Phạm Đình Tuân, Nguyễn Đình Chinh, Phạm Anh Việt, Nguyễn Xuân Trường, Trần Đức Tân; Nghiên cứu, phát triển hệ thống cảnh báo môi trường sử dụng cảm biến đo độ ẩm truyền thông không dây Kỷ yếu hội nghị “Kỹ thuật đo lường toàn quốc lần thứ 6”, Hà Nội, tháng năm 2015, trang 954-959 [3] Phung Cong Phi Khanh, Nguyen Dinh Chinh, Trinh Thi Cham, Pham Thi Vui, Tran Duc Tan Classification of Cow Behavior using 3-DOF Accelerometer and Decision Tree Algorithm BME-HUST 2016 The Third International Conference On Biomedical Engineering Hanoi University of Science and Technology Hanoi, Vietnam October 05-06, 2016 Bach Khoa Publishing House PP45-50 [4] Diosdado, Jorge A Vázquez, et al "Classification of behaviour in housed dairy cows using an accelerometer-based activity monitoring system." Animal Biotelemetry 3.1 (2015): [5] Guo, Ying, et al "Animal behaviour understanding using wireless sensor networks." Local Computer Networks, Proceedings 2006 31st IEEE Conference on IEEE, 2006 [6] Yoshioka, Hajime, Michie Ito, and Yasuyuki Tanimoto "Effectiveness of a real - time radiotelemetric pedometer for estrus detection and insemination in Japanese Black cows." Journal of Reproduction and Development 56.3 (2010): 351 -355 [7] Bourke AK, O’ Brien JV, Lyons GM Evaluation of threshold-based tri-axial accelerometer fall detection algorithm Gait Posture 2007;26:194 – [8] Nathan R, Spiegel O, Formann-Roe S, Harel R, Wikelski M, Getz WM Using tri-axial acceleration data to identify behavioural modes of free-ranging animals: general concepts and tools illustrated for griffon vultures J Exp Biol.2012;215:986– 96 47 [9] Resheff YS, Rotics S, Harel R, Spiegel O, Nathan R AcceleRater: a web application for supervised learning of behavioural modes from acceleration measurements Mov Ecol 2014;2:27 doi:10.1186/s40462 -014-0027-0 [10] Moreau M, Siebert S, Buerket A, Schlecht E Use of tri -axial accelerometer forautomated recording and classification of goats’ grazing behaviour ApplAnimBehav Sci 2009;119:158– 70 [11] Martiskainen P, Jӓrvinen M, Skön JP, Tiirikainen J, Kolehmainen M, Mononen J Cow behaviour pattern recognition using a three-dimensional accelerometer and support vector machines ApplAnimBehav Sci 2009;119:32 – [12] Robert B, White BJ, Renter DG, Larson RL Evaluation of threedimensional accelerometers to monitor and classify behaviour patterns in cattle CompuElectron Agric 2009;67:80– [13] Shamoun-Baranes J, Bom R, van Loon EE, Ens BJ, Oosterbeek K, Bouten W From sensor data to animal behaviour: an oyster-catcher example PLoS One.2012;7:e37997 doi:10.1371/journal.pone.0037997 [14] Do, D D., Nguyen, H V., Tran, N X., Ta, T D., Tran, T D., & Vu, Y V (2011, December) Wireless ad hoc network based on global positioning system for marine monitoring, searching and rescuing (MSnR) In Asia-Pacific Microwave Conference 2011 (pp 1510-1513) IEEE [15] Tan, T D., Anh, N T., & Anh, G Q (2011, January) Low-cost Structural Health Monitoring Scheme Using MEMS-based Accelerometers In 2011 Second International Conference on Intelligent Systems, Modelling and Simulation (pp 217-220) IEEE [16] Tan, T D., Ha, L M., Long, N T., Tue, H H., & Thuy, N P (2008, December) Novel MEMS INS/GPS integration scheme using parallel Kalman filters In 2008 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (pp 72-76) IEEE 48 ... QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -  - VŨ MINH THOẠI NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT HÀNH VI GIA SÚC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PHÂN LOẠI HIỆU QUẢ ĐÁP ỨNG THỜI GIAN. .. Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: ? ?Nghiên cứu mạng cảm biến không dây giám sát hành vi gia súc sử dụng thuật toán phân loại hiệu đáp ứng thời gian thực” cơng trình nghiên cứu riêng tác giả... dựng mạng wsn ứng dụng cho giám sát hành vi gia súc Trong luận văn đề xuất trình bày, sử dụng hai mạng cảm biến khơng dây cho vi? ??c giám sát hành vi gia súc Một sử dụng chuẩn truyền thông không dây