Luận án Lê Thanh Việt: Hệ thống IoT, Học sâu phân loại cá thể nuôi thủy sản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THANH VIỆT NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG IoT THU THẬP DỮ LIỆU VÀ THUẬT TOÁN PHÂN VÙNG, PHÂN LOẠI CÁ THỂ SỬ DỤNG HỌC SÂU ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THANH VIỆT NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG IoT THU THẬP DỮ LIỆU VÀ THUẬT TOÁN PHÂN VÙNG, PHÂN LOẠI CÁ THỂSỬ DỤNG HỌC SÂU ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN Ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS VŨ VĂN YÊM TS. VƯƠNG HOÀNG NAM Hà Nội - 2024 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án “Nghiên cứu phát triển hệ thống IoT thu thập dữ liệu và thuật toán phân vùng, phân loại cá thể sử dụng học sâu định hướng ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực, một phần đã được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành trong và ngoài nước trong danh mục các công trình khoa học đã công bố của luận án. Phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào.

Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Giảng viên hướng dẫn Tác giả luận án GS. Vương Hoàng Nam Lê Thanh Việt i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS. Vũ Văn Yêm và TS. Vương Hoàng Nam, người đã tận tình hướng dẫn trực tiếp nghiên cứu sinh về mặt khoa học cũng như phần thực hành chế tạo thiết bị và hỗ trợ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này sau 7 năm làm nghiên cứu sinh.

Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn Bộ môn hệ thống viễn thông, Viện Điện tử - Viễn thông trước đây, nay là Khoa kỹ thuật truyền thông, Trường Điện - Điện tử Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình học tập, nghiên cứu. Bản thân cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thành viên nghiên cứu của RF lab, Đại học Bách khoa Hà Nội đã đồng hành cùng tôi trong suốt thời gian nghiên cứu vừa qua. Cuối cùng, tôi cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã giúp đỡ, chia sẻ những khó khăn, khích lệ, động viên để tôi có thể hoàn thành luận án này. Xin trân trọng cảm ơn.

Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả luận án Lê Thanh Việt ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.

xi MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ INTERNET KẾT NỐI VẠN VẬT VÀ MẠNG NƠ RON HỌC SÂU ỨNG DỤNG TRONG THỦY SẢN. Tổng quan về hệ thống IoT. Hiện trạng và nhu cầu ứng dụng IoT cho nuôi thủy sản.

Kiến trúc và các giao thức hệ thống IoT. Kiến trúc hệ thống IoT. Giao thức truyền thông LORA trong IoT. Tổng quan về ứng dụng xử lý ảnh trong phân vùng và phân loại thủy sản.

Giới thiệu chung. Các thách thức trong phát hiện và ước lượng mật độ cá thể. Các mô hình thị giác máy tính dùng trong phát hiện cá thể. Ước lượng và đếm cá thể thủy sản.

Các kỹ thuật phát hiện vật thể trong thị giác máy tính. Giới thiệu chung về một số kỹ thuật trong thị giác máy tính. Một số phương pháp phân vùng ảnh cổ điển. Các phương pháp phát hiện vật thể hiện đại dùng học sâu.

Các vấn đề nghiên cứu cần giải quyết. Kết luận chương 1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG IoT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG NUÔI THỦY SẢN TẠI KIÊN GIANG. Quy định, tiêu chuẩn về các tham số môi trường nước trong nuôi trồng thủy sản.

Mô hình hệ thống IoT ứng dụng trong nuôi thủy sản. Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống IoT. Mô hình hệ thống IoT khi triển khai thực nghiệm tại hiện trường. Yêu cầu kỹ thuật, xây dựng giải pháp cho các khối trong hệ thống.

Thiết kế, chế tạo phần cứng và thiết kế phần mềm hệ thống IoT ứng dụng trong nuôi thủy sản. Thiết kế, chế tạo thiết bị đầu cuối IoT thu thập dữ liệu từ cảm biến. Thiết kế, chế tạo thiết bị IoT điều khiển cơ cấu chấp hành (IoT control node). Thiết kế và chế tạo IoT cổng (IoT gateway).

Hệ thống camera thu thập hình ảnh. Thiết kế phần mềm giám sát và điều khiển trung tâm. Tích hợp và thử nghiệm hệ thống IoT. Tích hợp thiết bị.

Thử nghiệm trong môi trường thực tế tại Kiên Giang. Kết luận chương 2. THUẬT TOÁN PHÂN VÙNG ẢNH VÀ PHÂN LOẠI CÁ THỂ TẠI TRUNG TÂM THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG NUÔI THỦY SẢN. Phát hiện và phân loại cá thể dùng học sâu.

Phát hiện cá dùng phương pháp phân vùng. Phát hiện cá thể kết hợp phân loại. Mô hình mạng nơ ron tích chập sử dụng khối giảm chiều đa tỉ lệ theo không gian và hàm mất mát dựa trên đường bao cục bộ và ứng dụng cho phân vùng hình ảnh cá thể. Mô hình mạng nơ ron tích chập sử dụng khối giảm chiều đa tỉ lệ theo không gian.

Hàm mất mát cho mô hình bài toán phân đoạn ảnh cá. Kết quả thực nghiệm. Mô hình tập trung chú ý ConvMixer và áp dụng cho phân loại các loài cá. Mô hình tập trung chú ý ConvMixer đề xuất.

Kết quả thực nghiệm. Kết luận chương 3. 118 iv DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 121 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.

122 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT Kí hiệu Mô tả 1 µ Hệ số trong hàm mất mát 2 α Hệ số trong hàm mất mát 3 λ Hệ số trong hàm mất mát 4 𝐿𝐿𝐶𝐶𝐶𝐶 Tổn thất entropy chéo 5 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 Tổn thất đường viền hoạt động dựa trên cục bộ 6 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 Độ dài 7 W Chiều rộng của hình ảnh 8 H Chiều cao của hình ảnh 9 TP Số lượng đúng dự đoán dương tính 10 FN Số lượng đúng dự đoán âm tính giả 11 FP Số lượng đúng dự đoán dương tính giả 12 SF Hệ số trải phổ 13 BW Băng thông 14 CR Tốc độ mã hóa 15 F Kích thước ảnh đầu ra bộ lọc 16 S Độ trượt 17 P Padding 18 O Kích thước đầu ra bộ lọc 19 𝐿𝐿𝐷𝐷𝐷𝐷𝑐𝑐𝑐𝑐 Hàm mất mát Dice 20 𝐿𝐿𝐵𝐵𝐶𝐶𝐶𝐶 Hàm mất mát binary cross entropy (BCE 21 𝐿𝐿𝐶𝐶𝐶𝐶_𝐴𝐴𝐴𝐴 Hàm mất mát đề xuất vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ACL Access Control List Danh sách kiểm soát truy cập ADC Analog to Digital Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự/số AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mật mã hóa tiên tiến AP Access Point Điểm truy cập AIoT Artificial Intelligence Of Things Trí tuệ nhân tạo của vạn vật Application Programming API Giao diện lập trình ứng dụng Interface BW Bandwidth Băng thông CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã Nông nghiệp thích ứng với khí CSA Climate-SmartTech hậu CSMA/CA Carrier Senser Multiple Access Đa truy nhập theo cảm nhận sóng with Collision Avoidance mang cùng cơ chế tránh xung đột CSS Chirp Spread Spectrum Trải phổ xung chirp CR Coding Rate Tốc độ mã hóa DDOS Distributed Denial of Service Tấn công từ chối dịch vụ phân tán DHCP Dynamic Host Configuration Giao thức cấu hình động máy chủ Protocol Enhanced Data for GSM Di động theo chuẩn EDGE EDGE Evolution (2.