Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Thiết kế và thi công vòng đeo tay đếm buớc chân dựa trên thuật toán decsion tree

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:148

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Thiết kế và thi công vòng đeo tay đếm bước chân dựa trên thuật toán decsion tree" nhằm nghiên cứu về các chuẩn giao tiếp không dây, lựa chọn chuẩn giao tiếp phù hợp cho vòng đeo tay; Thiết kế, xây dựng một nguyên mẫu vòng đeo tay; Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của thiết bị đếm bước chân, xây dựng thuật toán đếm bước chân.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Thiết kế và thi công vòng đeo tay đếm buớc chân dựa trên thuật toán decsion tree

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN CÔNG TRUNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG VÒNG ÐEO TAY ÐẾM BUỚC CHÂN DỰA TRÊN THUẬT TOÁN DECSION TREE NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 0 5 9 7 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH --------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN CÔNG TRUNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG VÒNG ĐEO TAY ĐẾM BƯỚC CHÂN DỰA TRÊN THUẬT TOÁN DECSION TREE NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Tp. Hồ Chí Minh – Tháng 05/2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH --------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN CÔNG TRUNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG VÒNG ĐEO TAY ĐẾM BƯỚC CHÂN DỰA TRÊN THUẬT TOÁN DECSION TREE NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 60520203 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN THU HÀ Tp. Hồ Chí Minh – Tháng 05/2018
LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: TRẦN CÔNG TRUNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/12/1993 Nơi sinh: TP.Vũng tàu Quê quán: Hà Nam Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 124 Nguyễn Văn Trỗi, P.4, TP.Vũng Tàu Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0908016139 Fax: E-mail: congtrungtran16@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Đại học Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2011 đến 09/2015 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÁY ĐỘNG Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 28/07/2015 tại Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: i
Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Samsung Electronics Ho Chi Minh City Nhân viên Quản lý Chất lượng 2015 - 2016 Complex (SEHC) (Process Quality Control) 2016 - Hiện nay Công ty Quản lý bay Miền Nam Nhân viên kỹ thuật ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trần Công Trung iii
LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn nhà trường và phòng đào tạo đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn. Xin gửi lời cảm ơn đến cô Trần Thu Hà đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Xin gửi lời cảm ơn đến kỹ sư Lê Khắc Lượng (Zien Solution Company) và kỹ sư Trần Đăng Quang (TMA company) đã nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ trong quãng thời gian vừa qua. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 04 năm 2018 Trần Công Trung iv
TÓM TẮT Cảm biến chuyển động đang trở thành một chức năng phải có trên các điện thoại thông minh và tablet bởi lượng thông tin khổng lồ mà nó cung cấp cho người dùng. Trong các điện thoại thông minh, cảm biến được ứng dụng trong các lệnh nắm bắt cử chỉ để điều khiển, tăng cường giải trí, tương tác với thực tế, chụp ảnh toàn cảnh và định hướng việc giao thông đi lại. Với khả năng theo dõi chính xác chuyển động của người dùng, công nghệ cảm biến chuyển động có thể biến các thiết bị cầm tay thành các thiết bị thông minh 3-D mà có thể được sử dụng trong các ứng dụng sức khỏe, theo dõi luyện tập đến các dịch vụ xác định vị trí. Một trong những ứng dụng phổ biến của cảm biến chuyển động đó là vòng đeo tay dùng để theo dõi việc luyện tập thể dục hằng ngày. Các vòng đeo tay này có thể tính toán số bước chân, tính toán khoảng cách đã di chuyển cho người sử dụng. Thiết bị đã trở thành một thành phần hữu ích quan trọng trong cuộc sống con người. Tuy nhiên, hầu hết các mẫu sản phẩm hiện nay đều được xây dựng độc lập và độ chính xác bị ảnh hưởng bởi các hoạt động ngẫu nhiên của người sử dụng. Các sản phẩm cũng chưa có khả năng phân biệt các hoạt động thể chất khác nhau để có thể ghi nhận chính xác số bước chân trong hoạt động tương ứng. Điều này dẫn đến sản phẩm có thể có các sai số khác nhau với nhiều người dùng khác nhau Luận văn nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc xây dựng được một nguyên mẫu vòng đeo tay có khả năng đếm bước chân và kết nối với smartphone; đồng thời sẽ cải thiện thuật toán đếm bước chân chính xác hơn bằng cách thu thập dữ liệu và huấn luyện tạo ra một decision tree. Kết quả từ decision tree này sẽ được feedback lại thuật toán vòng đeo tay để phát hiện bước chân chính xác hơn và trang bị cho nó khả năng phân biệt các hoạt động thể chất. v
ABSTRACT Motion sensor has become one of the must-have functions on smart phone and tablet because of the large information they gave the user. On smart phone, motion sensor is used to detect motion fro controlling, enhanced entertainment, reality interaction, panoramic photos, orienting traffic. With the ability to capture exactly motion of users, motion detection technology can change the smart phone to smart 3-D device which can be used in health monitoring, exercising monitoring and location detection. One of the most common applications of motion detection is exercising monitoring function of the smart watch. Smart watch has become very useful in daily life. However, most the products on the market were built independently and the accuracy of these products is affected by random motion of the users. They also did not have the ability to distinguish types of activities, therefore they could not detect steps in corresponding activities. This can lead to difference results for difference users. This thesis will focus on building a smart watch which can count steps precisely and communicate with smart phone. Also the thesis will improve algorithm for detecting steps by collecting raw data and training data to get a decision tree. Result from this decision tree will be used to improve detecting steps and the device can distinguish the activities. vi
MỤC LỤC TRANG TỰA QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI BIÊN BẢN CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN PHIẾU NHẬN XÉT GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 1 PHIẾU NHẬN XÉT GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 2 LÝ LỊCH KHOA HỌC ................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... iii LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... iv TÓM TẮT ...................................................................................................................... v ABSTRACT .................................................................................................................. vi MỤC LỤC .................................................................................................................... vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................. xi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ ................................................................ xii CHƯƠNG 1 ................................................................................................................... 1 TỔNG QUAN ................................................................................................................ 1 1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu hiện nay ................................................... 1 1.2. Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................... 6 1.3. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................... 6 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu ....................................................................................... 7 1.5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 7 1.6. Bố cục luận văn ................................................................................................ 7 CHƯƠNG 2 ................................................................................................................... 9 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................................... 9 2.1. Nguyên lý đếm bước chân ................................................................................ 9 2.2. Bluetooth Low Energy (BLE) ........................................................................ 11 vii
2.2.1. Giới thiệu về BLE .................................................................................11 2.2.2. Các chế độ hoạt động của BLE.............................................................13 2.2.3. Các quá trình hoạt động của BLE .........................................................15 2.2.4. Các đặc tính tần số và cấu trúc truyền dữ liệu của BLE .......................16 2.3. Decision Tree .................................................................................................. 19 2.3.1. Thuật toán ID3 ......................................................................................22 2.3.2. Thuật toán C4.5.....................................................................................23 2.4. Cross Validation (Đánh giá chéo) .................................................................. 25 2.4.1. Random Subsampling ...........................................................................26 2.4.2. K-fold-Cross-Validation .......................................................................27 2.4.3. Leave one-out Cross Validation ...........................................................28 2.5. Confusion Matrix ............................................................................................ 28 2.6. Board nRF51822............................................................................................. 29 2.6.1. Giới thiệu về nRF51822........................................................................29 2.6.2. Thông số kỹ thuật, tính năng của board nRF51822 ..............................30 2.7. MPU-6050 ...................................................................................................... 33 2.7.1. Giới thiệu về MPU-6050 ......................................................................33 2.7.2. Các tính năng của MPU-6050...............................................................34 2.7.3. Sơ đồ chân MPU-6050..........................................................................36 2.10. Weka ............................................................................................................... 39 2.10.1. Giới thiệu giao diện của Weka .............................................................40 2.10.2. Chuẩn bị dữ liệu cho Weka...................................................................42 CHƯƠNG 3 ................................................................................................................. 47 THIẾT KẾ SẢN PHẨM VÀ THUẬT TOÁN ............................................................. 47 3.1. Thiết kế phần cứng ......................................................................................... 47 3.2. Xây dựng thuật toán ....................................................................................... 55 3.2.1. Xây dựng thuật toán đếm bước chân ....................................................55 3.2.2. Thu thập dữ liệu, huấn luyện và cải tiến thuật toán ..............................62 CHƯƠNG 4 ................................................................................................................. 67 viii
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ...................................................... 67 4.1. Nguyên mẫu xây dựng .................................................................................... 67 4.2. Mô tả thực nghiệm .......................................................................................... 68 4.3. Kết quả thực nghiệm....................................................................................... 69 CHƯƠNG 5 ................................................................................................................. 71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................... 71 5.1. Kết quả đạt được ............................................................................................. 71 5.2. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài ............................................................. 72 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 75 ix
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT IoT Internet of Things BLE Bluetooth Low Energy PDU Packet Data Unit MEMS Microelectromechanical systems DMP Digital Motion Processor SoC System on Chip x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: So sánh BLE với các chuẩn kết nối không dây Bảng 2.2: Các giai đoạn hoạt động của BLE central và BLE peripheral Bảng 2.3: Tập dữ liệu về thời tiết và output tương ứng Bảng 2.3: Tập dữ liệu về thời tiết và output tương ứng Bảng 2.4: Bảng Confusion Bảng 2.5: Sơ đồ chân pinout của MPU-6050 Bảng 3.1: Tốc độ bước đi là hàm của tốc độ (số bước trên 2s) và chiều cao Bảng 3.2: Tương quan giữa tiêu thụ calo và tốc độ chạy Bảng 4.1: Số mẫu trên mỗi người và các hoạt động Bảng 4.2: Kết quả thực nghiệm xi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Quảng cáo cho một thiết bị Manpo-meter tại Nhật Hình 1.2: Sản phẩm Fitbit Tracker được đưa ra thị trường vào năm 2009 Hình 1.3: Mẫu đồng hồ thông minh Gear Fit của hãng Samsung Hình 1.4: Một số mẫu thiết bị theo dõi sức khỏe hiện nay Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của thanh kim loại dao động trong máy đếm bước chân Hình 2.2: Logo hiện nay của BLE Hình 2.3: Mô hình truyền nhận dữ liệu giữa master và slave Hình 2.4: Quá trình hoạt động của BLE Hình 2.5: Ba kênh Advertising và 37 kênh data của BLE Hình 2.6: Quá trình Scanning của BLE central và Advertising của BLE peripheral. Hình 2.6: Cấu trúc dữ liệu của advertising data Hình 2.7: Cấu trúc của decision tree Hình 2.8: Ví dụ về decision tree ứng dụng cho một tập dữ liệu về thời tiết Hình 2.9: Cách chia tập dữ liệu trong phương pháp Random Subsampling Hình 2.10: Cách chia tập dữ liệu theo phương pháp k-Fold Cross Validaiton Hình 2.11: Cách chia tập dữ liệu theo phương pháp Leave one-out Cross Validation Hình 2.12: Sơ đồ chân của nRF51822 Hình 2.13: Sơ đồ phân bố chân của MPU-6050 (top view) xii
Hình 2.14: Mạch charge TP4056 1A Hình 2.15: Pin lipo 3.7V 500mA Hình 2.16: Giao diện Weka version 3.8.1 Hình 2.17: Giao diện của Explorer trong Weka Hình 2.19: Giao diện Knowledge Flow Hình 2.20: Ví dụ cấu trúc file ARFF Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý phần cứng của vòng đeo tay Hình 3.2: Cảm biến gia tốc ba trục MPU-6050 Hình 3.3: Board NRF51822 Hình 3.4: OLED SSD 1306 1.2’ Hình 3.5: Giao diện phần mềm Android Studio Hình 3.6: Mạch charge pin Lithium TP4056 Hình 3.7: Pin Lipo 3.7V 500mA Hình 3.8: Cấu trúc phần cứng của vòng đeo tay Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn của vòng đeo tay Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý và truyền nhận tín hiệu nrf51822 của vòng đeo tay Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối càm biến gia tốc Hình 3.12: Khối hiển thị OLED SSD1306 Hình 3.13: Ba thành phần của một người đang chuyển động Hình 3.14: Sự thay đổi gia tốc ở các trục trong một chu kì bước xiii
Hình 3.15: Ngưỡng đặc tính và độ chính xác đặc tính Hình 3.16: Sơ đồ giải thuật thuật toán đếm bước chân Hình 3.17: Các bước thu thập dữ liệu và huấn luyện tạo decision tree Hình 3.18: Tập dữ liệu thô đã được phân loại Hình 3.19: Mô hình decision tree được tạo ra Hình 4.1: Nguyên mẫu vòng đeo tay Hình 4.2: Quá trình hoạt động đếm bước chân, quãng đường di chuyển và vận tốc di chuyển đo được và hiển thị trên app xiv
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu hiện nay Ngày nay các máy đếm bước chân đã trở thành một thiết bị thông dụng để theo dõi việc luyện tập thể dục hằng ngày, có thể khuyến khích một cá nhân tự cố gắng tập thể dục, giảm cân. Thiết bị đang dần chứng tỏ được các ích lợi mà nó mang lại. Vậy lịch sử của các máy đếm bước chân này là như thế nào? Năm 1965, Tiến sĩ Yoshiro Hatano khuyến khích người dân Nhật đi 10.000 bước mỗi ngày nhằm đốt calorie và để giữ sức khỏe theo sau một nghiên cứu của ông. Điều này chính là nguyên nhân khiến nhà sản xuất đồng hồ Yamasa Tokei ra mắt chiếc Manpo-meter (mechanical pedometer - máy đếm bước chân cơ khí). Các thiết kế ban đầu này sử dụng switch cơ cảm biến trọng lực để phát hiện bước chân kết hợp với một bộ đếm đơn giản. Khi các thiết bị này chuyển động, ta có thể nghe thấy tiếng trượt của một bi kim loại hoặc tiếng của con lắc ngược khi nó chuyển động. Sản phẩm này được chứng minh là có thể đo tương đối chính xác 10.000 bước chân của người dùng nên nó nhanh chóng phổ biến tại quốc gia mặt trời mọc. Hình 1.1: Quảng cáo cho một thiết bị Manpo-meter tại Nhật 1
Đến những năm 1980, các thiết bị điện tử với độ chính xác cao hơn đã được sử dụng để thay thế cho Manpo-meter. Ngày nay, các cảm biến đo bước chân hoạt động dựa trên các cảm biến quán tính vi cơ điện tử (microelectromechanical systems – MEMS) và phần mềm phân tích để phát hiện đúng các bước chân với xác suất cao. Các cảm biến quán tính MEMS cho phép phát hiện bước chân chính xác hơn và ít phép đo sai hơn. Hiện nay, có rất nhiền mẫu vòng đeo tay trên thị trường với rất nhiều tính năng tích hợp. Như dòng sản phẩm Fitbit Tracker của hãng Fitbit, Mỹ xuất hiện từ năm 2009. Sản phẩm nhỏ gọn này có màn hình OLED để hiển thị các thống kê nhanh, khả năng ghi nhận chuyển động 3D cùng chế độ đồng bộ dữ liệu không dây thông qua một trạm trung tâm. Ngoài những chức năng theo dõi tập luyện cơ bản, Fitbit Tracker còn có thể ghi nhận giấc ngủ. Trên trang web của Fitbit có đưa những lời phân tích về chế độ luyện tập của bạn. Nếu thích, bạn có thể chia sẻ mục tiêu của mình với bạn bè, gia đình. Hình 1.2: Sản phẩm Fitbit Tracker được đưa ra thị trường vào năm 2009 Một dòng sản phẩm nổi tiếng là model Gear Fit của hãng Samsung. Ngày 24 tháng 2 năm 2014, Samsung Electronics cho ra mắt dòng đồng hồ thông minh Samsung Gear Fit tại Mobile World Congress thường niên tại Barcelona, Tây Ban Nha. Là thiết bị sử dụng màn hình Super AMOLED cong đầu tiên, nó dùng để cập nhật cuộc gọi, emails, SMS, báo thức, đồng hồ bấm giờ, S-planner và một số phần mềm thứ 2
ba. Tính năng đặc biệt của nó dùng để tập thể dục và đo nhịp tim. Ngoài ra nó còn có tính năng chống nước và chống bụi IP67. Hình 1.3: Mẫu đồng hồ thông minh Gear Fit Một số đồng hồ thông minh thậm chí còn được tích hợp đầy đủ những tính năng hỗ trợ người dùng tập luyện thể thao. Chúng cũng trở thành một món đồ thời trang kiêm thiết bị hiển thị thông báo từ điện thoại gửi sang. LG, Samsung, Sony đều có những mẫu thiết bị theo dõi sức khỏe của mình với nhiều mức giá và tính năng khác nhau. Tuy nhiên, tất cả đều phục vụ chung một mục đích: ghi nhận lại các hoạt động thường ngày và đưa người dùng hướng đến một cuộc sống khỏe mạnh hơn, vui tươi hơn. Hình 1.4: Một số mẫu thiết bị theo dõi sức khỏe hiện nay Qua phần trên ta đã thấy công nghệ dùng để chế tạo thiết bị đếm bước chân đã có những cải tiến vả phát tiển vượt bậc, từ những sản phẩm đầu tiên có thiết kế hoàn 3