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http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/15655
Tipo: | Dissertação |
Título: | Water potability classification: an approach using machine learning in an embedded system |
Autor(es): | Pereira, Emanuel Adler Medeiros |
Primeiro Orientador: | Barboza, Erick de Andrade |
metadata.dc.contributor.referee1: | Araújo, Ícaro Bezerra Queiroz de |
metadata.dc.contributor.referee2: | Martins, Allan de Medeiros |
Resumo: | O acesso à água potável é um recurso vital e um direito humano reconhecido. Contudo, ainda hoje, bilhões de pessoas sofrem com a falta de acesso à água adequada para consumo, o que pode levar a diversos problemas de saúde. Um dos principais desafios no monitoramento da qualidade da água é a coleta e análise de grandes volumes de dados. Modelos de Aprendizado de Máquina têm sido amplamente aplicados no monitoramento da qualidade da água para facilitar a tomada de decisão por gestores e prevenir a contaminação. Um sistema embarcado que integre sensores a um modelo de Aprendizado de Máquina poderia oferecer respostas em tempo real e seria viável para ser aplicado em qualquer local, independentemente da conexão com a internet. Esse sistema, no contexto da classificação da potabilidade da água, permitiria respostas mais rápidas diante de potenciais ameaças. Este estudopropõeummodelodeTinyMLeficienteemtermosenergéticosparaaclassificaçãoda potabilidade da água, utilizando apenas parâmetros que podem ser obtidos por meio de sensoriamento eletrônico. O estudo avaliou o desempenho utilizando métricas como Acurácia, Precisão, Recall, F1-Score, espaço ocupado em memória pelo modelo, tempo de execução e consumo de energia, e comparou modelos desenvolvidos com os algoritmos Random Forest e Redes Neurais. Também foi analisada a melhor combinação entre modelo e biblioteca de adaptação para o sistema embarcado. O modelo de Aprendizado de Máquina inicial, utilizando Random Forest, demonstrou um bom desempenho alcançando uma Precisão de 0.70 e pode funcionar por anos com uma bateria comum como fonte de energia. Comparando todos os modelos e bibliotecas do estudo, o modelo de perceptron multicamadas com a biblioteca EmbML usou a menor memória, com 283.113bytes, e o modelo Random Forest com Micromlgen teve o menor consumo de energia, usando apenas 104.534 milijoules. Este trabalho pode ajudar pesquisadores e profissionais a implementar sistemas de classificação de potabilidade da água e a usar TinyML em outros problemas de classificação também. |
Abstract: | Access to clean drinking water is a vital resource and a recognized human right. However,billionsofpeoplestillsufferfromthelackofaccesstosafedrinkingwater,leading to various health issues. One major challenge in water quality monitoring is the collection and analysis of large a mounts of data. Machine learning models have been widely appliedin water quality monitoring to aid decision making by managers and prevent contamination. An embedded system that integrates sensors with a Machine Learning mode lcould providere al time responses and be feasible for deployment anywhere, regardless of internet connectivity requirements. Such a system, in the context of water potability classification, would allow faster responses to potential threats. This study proposes an energy-efficient TinyML model for classifying water potability, using only parameters available through electronic sensing. The study evaluated performance using metrics such as Accuracy, Precision, Recall, F1Score,memoryoccupiedbythemodel,executiontime,andenergyconsumption,comparing models developed with Random Forest and Neural Networks algorithms. It also assessed the best combination of model and adaptation library for the embedded system. The initial Machine Learning model, using Random Forest, demonstrated good performance, reaching a Precision of 0.70, and compared to its cloud-based counterpart, it can operate for years on a standard battery power source. When comparing all models and libraries in the study, the multilayer perceptron model with the EmbML library used the least memory, with 283,113 bytes, and the Random Forest model with Micromlgen had the lowest energy consumption, usingonly104.534millijoules. This work can help researchers and professionals implement water potability classification systems and use TinyML in other classification problems as well. |
Palavras-chave: | TinyML Água potável Sistemas embarcados (Computadores) Aprendizagem de máquina Inteligência artificial Random Forest Random Forest Redes neurais |
CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal de Alagoas |
Sigla da Instituição: | UFAL |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Informática |
Citação: | PEREIRA, Emanuel Adler Medeiros. Water potability classification: an approach using machine learning in an embedded system. 2025. 44 f. Dissertação (Mestrado em Informática) – Programa de Pós-Graduação em Informática, Instituto de Computação. Universidade Federal de Alagoas. Maceió, 2024. |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/15655 |
Data do documento: | 26-jul-2024 |
Aparece nas coleções: | Dissertações e Teses defendidas na UFAL - IC |
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