Energy-efficient human activity recognition framework for wearable devices : development, deployment, and analysis

dc.contributor.advisor1Filho, Teodiano Freire Bastos
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000000211852773
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3761585497791105
dc.contributor.authorCoelho, Yves Luduvico
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/9638925190820125
dc.contributor.referee1Pereira, Carlos Eduardo
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0003-4315-4256
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/
dc.contributor.referee2Ciarelli, Patrick Marques
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000000331774028
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/1267950518719423
dc.contributor.referee3Caldeira, Eliete Maria de Oliveira
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0002-3742-0952
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/8508979665054143
dc.contributor.referee4Neto, Anselmo Frizera
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000000206873967
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/8928890008799265
dc.contributor.referee5Rodriguez, Denis Delisle
dc.contributor.referee5IDhttps://orcid.org/000000028937031X
dc.contributor.referee5Latteshttp://lattes.cnpq.br/7140331839822423
dc.contributor.referee6Unikrishnan, Premith
dc.date.accessioned2024-05-30T01:41:00Z
dc.date.available2024-05-30T01:41:00Z
dc.date.issued2022-08-17
dc.description.abstractThe rapid population aging has significant implications for society, especially in healthcare. At the same time, technological advancement and the spread of artificial intelligence provide new possibilities to meet these challenges and improve health and well-being, preventing a future collapse of the healthcare system. Wearable devices such as smart bands and smartwatches, already widely adopted today to monitor physical activities, will be important allies to promote better healthcare services. One area of research that combines these devices with machine learning is Human Activity Recognition (HAR), which has been widely discussed in the literature. The accelerated progress of deep learning techniques has also contributed to the development of models that surpassed the classification performance of the state-of-the-art until then. However, such models are highly complex to be deployed on resource-constrained wearable devices, which demand applications with low power consumption, real-time response, and privacy. Edge computing along with lighter and more efficient HAR systems is a viable solution to meeting these requirements. Given this scenario, this doctoral research aims to develop, implement and test an energy-efficient HAR framework for classifying human activities. The developed models were extensively analyzed in different configurations, and compared with reference and state-of-the-art models. In addition, the proposed framework was deployed and tested on a microcontroller, providing important analysis regarding computational performance. With the MHEALTH dataset, using only data sampled at 10 Hz from a wrist-worn sensor, the proposed framework achieved accuracy of 79.07%, surpassing reference classifiers, with a model of 44.58 kB, which consumes only 1.59 mW. In the multi-sensors scenario, the framework obtained an accuracy of 91.02%, close to the accuracy level of state-of-the-art complex deep learning-based models. The results achieved show it is possible to develop a model more efficient and simple enough to be embedded in wearable devices. Additionally, the findings also show that HAR systems can be simplified by reducing the sampling rate and discarding irrelevant data. Finally, the conclusions highlight the key contributions, the research limitations, and provide recommendations for further research
dc.description.resumoO envelhecimento populacional traz consigo desafios importantes para a sociedade, princi palmente na área de saúde. Ao mesmo tempo, o avanço tecnológico e a disseminação da inteligência artificial oferecem novas possibilidades para atender as demandas para melho rar a saúde e o bem-estar, evitando um futuro colapso do sistema de saúde. Os dispositivos vestíveis, como smart bands e smartwatches, já amplamente adotados hoje para monitorar atividades físicas, serão importantes aliados para promover melhores serviços de cuidado à saúde. Uma área de pesquisa que combina esses dispositivos com aprendizado de máquina é o Reconhecimento de Atividades Humanas (HAR, do inglês Human Activity Recognition), que vem sendo amplamente discutido na literatura. O rápido progresso do aprendizado profundo contribuiu para o desenvolvimento de modelos que têm superado o desempenho de classificação do estado da arte até então. No entanto, tais modelos são altamente complexos para serem implantados em dispositivos vestíveis, os quais demandam aplicações com baixo consumo de energia, resposta em tempo real, e privacidade. A computação de borda em conjunto com sistemas HAR mais leves e mais eficientes é uma solução viável para atender esses requisitos. Diante desse cenário, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver, implantar e testar um framework eficiente em termos de consumo de energia para classifi cação de atividades humanas. Os modelos desenvolvidos foram amplamente analisados em diversas configurações, e comparados com modelos de referência e do estado-da-arte. Além disso, o framework proposto foi implantado e testado em um microcontrolador, fornecendo análises importantes a respeito do desempenho computacional. Os resultados alcançados mostram que é possível desenvolver um modelo mais eficiente e simples o suficiente para ser embarcado em dispositivos vestíveis. Adicionalmente, os achados desta pesquisa também permitem observar que sistemas HAR podem ser simplificados com redução de taxa de amostragem e descarte de dados irrelevantes. Na base de dados MHEALTH, utilizando apenas dados de um sensor de punho coletados a 10 Hz, o framework proposto obteve acurácia de 79,07%, superando classificadores de referência, com um modelo de 44,58 kB, que consome apenas 1,59 mW. No cenário com múltiplos sensores, o framework obteve acurácia de 91,02%, situando-se próximo aos modelos complexos baseados em aprendizado profundo (do inglês deep learning) do estado-da-arte. Finalmente, as conclusões destacam os principais achados desta pesquisa, as limitações do trabalho, e oferece recomendações para continuação da pesquisa
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.formatText
dc.identifier.urihttps://dspace5.ufes.br/handle/10/16432
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Engenharia Elétrica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.rightsopen access
dc.subjectDeep learning
dc.subjectEdge computing
dc.subjectHuman activity recognition
dc.subjectMachine learning
dc.subjectSmartwatches
dc.subjectWearable devices
dc.subjectAprendizado de máquina
dc.subjectAprendizado profundo
dc.subjectComputação de borda
dc.subjectDispositivos vestíveis
dc.subjectReconhecimento de atividades humanas
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqEngenharia Elétrica
dc.titleEnergy-efficient human activity recognition framework for wearable devices : development, deployment, and analysis
dc.title.alternativetitle.alternative
dc.typedoctoralThesis

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