00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) IC - INSTITUTO DE COMPUTAÇÃO Dissertações e Teses defendidas na UFAL - IC
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Tipo: Dissertação
Título: On-device machine learning for forecasting reference evapotranspiration
Título(s) alternativo(s): Predição de evapotranspiração de referência para planejamento de irrigação utilizando aprendizagem de máquina em sistemas embarcados
Autor(es): Vieira, Maria Júlia de Oliveira
Primeiro Orientador: Barboza, Erick de Andrade
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Brito, David Bibiano
metadata.dc.contributor.referee1: Vieira, Tiago Figueiredo
metadata.dc.contributor.referee2: Cunha, Fernando França da
Resumo: O cenário climático-mundial atual demanda o uso dos recursos naturais de forma equilibrada, especialmente a água. A predição da evapotranspiração de referência (ETo) pode auxiliar no gerenciamento dos recursos hídricos, sendo um parâmetro determinante na avaliação inicial da água para aplicações como programação de irrigação e estudos hidrológicos. A literatura mostra que modelos de Machine Learning (ML) têm sido amplamente aplicados na predição de ETo e têm mostrado resultados promissores, mesmo com o uso de parâmetros reduzidos. Trabalhos anteriores também apresentaram sistemas de irrigação automatizados que se conectam a serviços Web para prever os parâmetros necessários para fazer a programação de irrigação. No entanto, um sistema baseado em nuvem depende de uma infraestrutura de conexão à internet; tal infraestrutura nem sempre está disponível em áreas rurais. Além disso, um dispositivo que depende de uma conexão à internet geralmente consumirá mais energia. Portanto, esta pesquisa tem como objetivo principal desenvolver e avaliar um modelo TinyML projetado para prever ETo, com o objetivo de estabelecer um modelo de machine learning energeticamente eficiente adequado para integração em um sistema embarcado. Avaliamos três modelos considerando temperatura do ar, umidade relativa e velocidade do vento como entradas. Os modelos foram incorporados em um microcontrolador ESP32 e comparados com suas versões em nuvem. Os resultados mostram que o modelo que estima ETo considerando apenas a temperatura do ar e a umidade é a melhor opção considerando o trade-off entre custo e precisão. Comparado com sua versão baseada em nuvem, este modelo incorporado consome 37,97% menos espaço de memória, usa aproximadamente 99,98% menos energia e roda 99,97% mais rápido.
Abstract: The current climate-world scenario demands the use of natural resources in a balanced way, especially water. The prediction of reference evapotranspiration (ETo) can assist in the management of water resources, being a determining parameter in the early assessment of water for applications such as irrigation scheduling and hydrological studies. The literature shows that Machine Learning (ML) models have been widely applied in the prediction of ETo and have shown promising results, even with the use of reduced parameters. Previous works also presented automated irrigation systems that connect to Web services to predict the parameters needed to make irrigation scheduling. However, a cloud-based system depends on an internet connection infrastructure; such infrastructure is not always available in rural areas. In addition, a device that relies on an internet connection will generally consume more power. Therefore, this research primarily aims to develop and assess a TinyML model designed to forecast ETo, with the goal of establishing an energy-efficient machine learning model suitable for integration into an embedded system. We evaluated three models considering air temperature, relative humidity, and wind speed as inputs. The models were embedded in an ESP32 microcontroller and compared to its cloud versions. The results show that the model that estimates ETo considering only air temperature and humidity is the best option considering the trade-off between cost and precision. Compared to its cloud-based version, this embedded model consumes 37.97% less memory space, uses approximately 99.98% less energy and runs 99.97% faster.
Palavras-chave: Engenharia de sistemas de computação
Sistemas embarcados (Computadores)
Aprendizado de máquina
Eficiência energética
Eletrônica de baixa potência
TinyML
Power efficiency
Embedded systems
Low power eletronics
Machine learning
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Idioma: eng
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Informática
Citação: VIEIRA, Maria Júlia de Oliveira. On-device machine learning for forecasting reference evapotranspiration. 2025. 38 f. Dissertação (Mestrado em Informática) – Instituto de Computação, Programa de Pós-Graduação em Informática, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2024.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/16887
Data do documento: 29-out-2024
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