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Tipo: Dissertação
Título: Reconstituição temporal de dados na internet das coisas usando redes neurais: uma comparação com métodos clássicos de interpolação
Título(s) alternativo(s): Temporal data reconstruction in the internet of things using neural networks: a comparison with classical interpolation methods
Autor(es): Matos, Israel Nascimento
Primeiro Orientador: Prazeres, Cássio Vinicius Serafim
metadata.dc.contributor.referee1: Prazeres, Cassio Vinícius Serafim
metadata.dc.contributor.referee2: Santana, Cleber Jorge Lira de
metadata.dc.contributor.referee3: Rios, Ricardo Araújo
Resumo: Atualmente, vive-se na era do Big Data, na qual instrumentos científicos ultramodernos, redes e mídias sociais, bem como dispositivos da Internet das Coisas (IoT) geram e transmitem diariamente pela Internet enormes quantidades de dados. No contexto da IoT, emerge um novo paradigma para mitigar a sobrecarga no envio de tantos dados à nuvem. Assim, em contraste com a computação em nuvem, vem sendo cada vez mais adotado a computação em névoa, com a maior parte do processamento e armazenamento de dados realizado na borda da rede por gateways. Nesse cenário, em ambientes nos quais os sensores coletam informações a cada segundo, por exemplo, em vez de se enviar cada uma das medidas para nuvem, o gateway adota uma estratégia de agregação de dados antes de transmiti-los. No entanto, dado que diversas aplicações requerem os dados conforme originalmente medidos pelos dispositivos, e considerando que a nuvem possui maior capacidade para atender um maior número de clientes em comparação aos gateways, o cenário ideal implica na capacidade da nuvem de reconstituir o histórico dos dados e fornecê-los a essas aplicações. Este trabalho propõe investigar a capacidade da rede neural perceptron de reconstituir o histórico dos dados dos sensores por meio de interpolação, a partir dos valores agregados enviados à nuvem. Uma vez que os dispositivos da IoT são limitados em recursos, o estudo também compara a rede neural perceptron desenvolvida com os algoritmos clássicos de interpolação, a fim de avaliar a eficiência e a eficácia entre os métodos. Para atingir esse objetivo, duas redes neurais foram desenvolvidas, a primeira na borda da rede, que aprende o comportamento dos dados dos sensores no tempo, enquanto a segunda rede neural localizada na nuvem realiza a interpolação a partir dos dados agregados enviados e do modelo gerado pela rede neural da borda. Os resultados obtidos indicam que mesmo uma arquitetura relativamente simples de rede neural como a perceptron pode realizar a interpolação dos dados IoT com uma considerável margem de precisão. Quando comparada com os algoritmos clássicos de interpolação, analisando critérios como Tempo e o EQM (Erro Quadrático Médio), a rede perceptron demonstra-se estatisticamente tão eficaz quanto os métodos clássicos, mas menos eficiente no tempo de interpolação. Em síntese, este estudo contribui para a compreensão das possibilidades e limitações da aplicação de redes neurais na reconstituição temporal de dados da IoT e aponta a necessidade de avaliar a mesma comparação com o uso de outras arquiteturas de redes neurais, como por exemplo, a rede neural Long Short-Term Memory (LSTM).
Abstract: Currently, we live in the era of Big Data, in which cutting-edge scientific instruments, networks, social media, as well as Internet of Things (IoT) devices generate and transmit enormous amounts of data daily through the internet. In the context of IoT, a new paradigm emerges to mitigate the overload in sending such data to the cloud. Thus, in contrast to cloud computing, fog computing is increasingly being adopted, with most of the data processing and storage being performed at the network edge by gateways. In this scenario, in environments where sensors collect information every second, for example, instead of sending each measurement to the cloud, the gateway adopts a data aggregation strategy before transmitting them. However, since various applications require data as originally measured by the devices, and considering that the cloud has greater capacity to serve a larger number of clients compared to gateways, the ideal scenario implies the cloud's ability to reconstruct the data history and provide it to these applications. This work proposes to investigate the capacity of the perceptron neural network to reconstruct sensor data history through interpolation from the aggregated values sent to the cloud. Since IoT devices are resource-constrained, the study also compares the perceptron neural network developed with classical interpolation algorithms to evaluate the efficiency and effectiveness between the methods. To achieve this goal, two neural networks were developed: the first at the network edge, which learns the behavior of sensor data over time, while the second neural network located in the cloud performs interpolation based on the aggregated data sent and the model generated by the edge neural network. The results obtained indicate that even a relatively simple neural network architecture like the perceptron can perform IoT data interpolation with a considerable margin of accuracy. When compared to classical interpolation algorithms, considering criteria such as time and Mean Squared Error (MSE), the perceptron network proves to be statistically as effective as classical methods but less efficient in interpolation time. In summary, this study contributes to understanding the possibilities and limitations of applying neural networks in the temporal reconstruction of IoT data and highlights the need to evaluate the same comparison with the use of other neural network architectures, such as Long Short-Term Memory (LSTM) neural networks.
Palavras-chave: Internet das coisas
Computação em névoa
Redes neurais perceptron
Agregação de dados
Compressão de dados
Interpolação
Séries temporais
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Idioma: por
País: Brasil
Editora / Evento / Instituição: Universidade Federal da Bahia
Sigla da Instituição: UFBA
metadata.dc.publisher.department: Instituto de Computação - IC
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação (PGCOMP) 
Citação: MATOS, Israel Nascimento. Reconstituição temporal de dados na internet das coisas usando redes neurais: uma comparação com métodos clássicos de interpolação. 2024. 122 f. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) Instituto de Computação, Universidade Federal da Bahia, Salvador(BA), 2024.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/39284
Data do documento: 31-Jan-2024
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