می 8, 2021

آگاهی از انرژی بر اساس فعالیت فردی کاربر در تلفن همراه۹۳- قسمت ۴

۱-۷-ساختار پایان نامه

 

در فصل ۱ به مرور کلی بر برداشت انرژی در حسگر از محیط که همروند با مدیریت انرژی برای تامین انرژی
گوشی­های موبایل در رفع چالش بزرگ پشتیبانی از تحرک در دستگاه­های محاسباتی سیار می ­تواند موثر باشد، داشتیم. در فصل ۲ سابقه پژوهش کلی در زمینه تشخیص فعالیت انسانی بوسیله حسگرها، سابقه پژوهش تشخیص فعالیت در دستگاه­های تلفن همراه و سابقه پژوهش در آگاهی از انرژی بر اساس فعالیت فردی کاربر در دستگاه­های تلفن همراه ارائه داده شده است و فصل ۳ مروری بر مکانیسم تشخیص (آشکار­سازی) فعالیت کاربر در دستگاه­های محاسباتی و ابزار محقق ساختن این هدف خواهد داشت،در فصل ۴به تجزیه و تحلیل داده ­ها اشاره شده است و فصل ۵ به جمع بندی تحلیل و ارزیابی برنامه طراحی شده پرداخته­ایم و نهایتا بخش پایانی این فصل ایده محقق را دربرگرفته است.
فصل دوم
سابقه پژوهش
 

برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت 40y.ir مراجعه نمایید.

 

۲-فصل دوم: سابقه پژوهش

 

 

 

 

با توجه به ملزومات پژوهش، سابقه پژوهش در این گزارش شامل ۴ قسمت می­باشد که به ترتیب به آن خواهیم پرداخت:

 

 

 

    1. سابقه پژوهش برداشت انرژی از محیط برای تامین انرژی دستگاه­­های سیار

 

    1. سابقه پژوهش در آشنایی با حسگرها و گوشی­های هوشمند تلفن همراه

 

    1. سابقه پژوهش تشخیص فعالیت در دستگاه­های تلفن همراه

 

  1. سابقه پژوهش آگاهی از انرژی بر اساس فعالیت فردی کاربر در دستگاه­های تلفن همراه

 

۲-۱-هدف

 

رویکرد تشخیص فعالیت مبتنی بر آستانه اجرا، قادر به افتراق بین فعالیت­های ایستا و پویا می­باشد. فعالیت­های استاتیک به شرایطی ارجاع می­گردد که کاربر در حالت ساکن باشد به عنوان نمونه ایستادن، نشستن و یا دراز کشیدن. فعالیت­های پویا به فعالیت­هایی که شامل حرکت کاربر باشد ارجاع داده می­ شود. به عنوان نمونه راه رفتن، بالا رفتن از پله­ها و انتقال وضعیت حالت­ها (تغییرحالت نشستن به ایستادن) [۳].
نتایج به دست آمده در مجموعه­داده جمع­آوری شده توسط SmartLab[4] نشان می­دهد که حسگر شتاب­سنج به تنهابب می ­تواند برای تشخیص دقیق فعالیت فیزیکی و استراتژی پیاده­سازی الگوریتم­های طبقه ­بندی فعالیت در محیط­های
نرم­افزاری استفاده شود. در ادامه این مقاله به این موضوع اشاره شده است که شناخت فعالیت­های انسانی به وسیله حسگرهای همراه بدن به یک موضوع مهم پژوهشی با هدف ایجاد و یا بهبود برنامه ­های ابتکاری که ارائه­دهنده نظارت بر فعالیت کاربر می­باشد تبدیل شده است. امروزه با توجه به توانایی ضبط و تشخیص فعالیت­های فردی روزانه، تعیین درجه کارآیی و سطح عمومی فعالیت یک کاربر ضروری بنظر می­رسد [۴].
نمونه کاربردی این سیستم­ها، ارائه دهندگان برنامه ­های کاربردی در دنیای واقعی در مقوله مراقبت­های بهداشتی و نظارت بر تناسب اندام می­باشند. در دستاورد مطالعات نویسنده مقاله [۵] اثرات مثبت فعالیت بدنی بر تمام عملکردهای بدن ثابت شده است و این مطالعات نشان داد که خطر ابتلا به بیماری های قلبی و عروقی در افراد فعال فیزیکی تا ۵۰ درصد
پایین­تر است. با در نظر داشتن این موضوع، با پیر شدن تدریجی جمعیت و بودجه محدود برای مراقبت­های بهداشتی عمومی، نظارت بر فعالیت­های روزانه توجه بیشتری را می­طلبد که باعث بهبود توانایی برای کمک به بیماران و کمک به آنها برای مراقبت از خود و در نهایت کاهش مراقبت­های بهداشتی معمولی می­باشد. در این میان بحث مدیریت انرژی در این دستگاه­ها برای دسترسی دائم به این برنامه­ها و سایر برنامه ­های کاربردی دستگاه­های تلفن همراه ضروری بنظر
می­رسد.
در مقاله بالایک سیستم کنترلی که می ­تواند به افراد در ردیابی فعالیت بدنی خود کمک کند و به مراقبان سالمندان برای کمک به آنها یاری رساند پیاده­سازی شده است. هدف از این پایان نامه بررسی روشی برای نظارت بر فعالیت با بکارگیری تکنیک­های ماشین­های یادگیری است که با بهره گرفتن از مجموعه داده ­های ذخیره شده حاصل از فعالیت­های روزمره زندگی قادر به اجرا شدن در گوشی­های هوشمند می­باشد که ما با مطالعه این مقاله و مقالات نظیر آن بدنبال شناخت فعالیت کاربر و به دنبال آن مدیریت انرژی در دستگاه تلفن همراه با پشتیبانی تشخیص فعالیت می­باشد. این پروژه به دو زمینه اصلی تحقیقی تقسیم می­ شود: قسمت اول آن قبل از پردازش و روش­های طبقه ­بندی با بهره گرفتن از مجموعه داده ­های بدست آمده از فعالیت­هایی مانند (ایستادن، نشستن، دراز کشیدن، راه رفتن، دوچرخه سواری، رانندگی) با داشتن تعداد زیادی نمونه برای هر فعالیت بوده و در مرحله بعد ارائه نتایج که منوط به طبقه ­بندی فعالیت­ها می­باشد.

 

۲-۲-برداشت انرژی از محیط برای تامین انرژی دستگاه­­های سیار

 

 

۲-۲-۱-مرور اجمالی بر، برداشت انرژی در سیستم­های سیار

 

در مقاله [۶] شبکه­ های حسگر بدنی بشکل اختیاری شامل حسگرهای سیار یا یک شبکه بدنی [۲]بی­سیم می­باشند که به یک کامپیوتر خانگی و یا به یک کامپیوتر راه دور از طریق دستگاه­های اتصال از راه دوراز جمله دستگاه دیجیتال شخصی یا تلفن همراه متصل می­شوند اشاره مفصلی شده است. در حالی که انتقال داده ­ها از راه دور به طور معمول تنها با بهره گرفتن از باتری به عنوان یک منبع تغذیه انجام می­پذیرد، انرژی حسگرهایی با لینک­های بی­سیم در مسافت­های کوتاه را بطور اتوماتیک می­توان تامین کرد. این ایده تامین انرژی از خود دستگاه جدید نیست در واقع برای قرن­ها بر روی آن کار شده است. اولین دستگاه سیار با این خاصیت یک ساعت مچی بود که در سال ۱۷۷۰ اختراع شد. به هر حال، به طور معمول میزان انرژی قابل برداشت یک دستگاه کوچک زیاد نیست به طوری که از این دیدگاه استفاده از یک باتری بشکل نو و یا قابل شارژ، از نقطه نظر عملی کافی است.
اهمیت موضوع را در قالب این جمله در­می­یابیم که در سراسر جهان تلاش مداومی در توسعه استفاده از ریز ژنراتورها وجود دارد که باید ضرورت از بین بردن سیم­کشی و باتری را دستگاه­های خود مختار و مستقل و یا دستگاه­هایی که دسترسی به آنها دشوار است مد نظر قرار گیرد. توسعه گسترش برداشت انرژی در راستای هدف مذکور در سطحی بالا قرار گرفته است. دستگاه برداشت انرژی (که روبنده انرژی نیز نامیده می­ شود) ژنراتور برق نسبتا کوچکی است که به سوخت فسیلی نیاز ندارد. در عوض، آن با بهره گرفتن از انرژی­های موجود در محیط، مانند انرژی الکترومغناطیسی، ارتعاش، باد، یک جریان آب، و انرژی گرمایی بدست می­آورد.
این منابع به عنوان منابع تامین انرژی قدرت هستند که برای تأمین انرژی خانه­ها در مکان­های دور، برج­های نور، فضاپیما و در حمل و نقل (به جز مواردی که بر اساس سوخت­های فسیلی کار می­ کنند (بکار گرفته می­شوند. به طور معمول برداشت انرژی توسط یک Microplant Power با اندازه یک تاچند سانتی­متری که هر انرژی اولیه که در محیط در دسترس است را به الکتریسیته تبدیل می­ کند، انجام می­گیرد. دلیلی که به آنها “دروگرها” یا “جاذب” می­گویند سطح
نرم­افزاری جدید آنهاست. آنها برای تأمین انرژی دستگاه­های کوچک، مانند حسگرها و یا گره­های حسگر استفاده
می­شوند به این ترتیب نیاز به تأمین انرژی آنها را حذف شده و احتیاجی به شارژ مجدد و یا تعویض باتری­ها نیست. همچنین وسیله برداشت انرژی می ­تواند با یک باتری ترکیب شود و بعنوان یک منبع مکمل قدرت برای بهبود استقلال انرژی دستگاه در اندازه محدود از باتری ارائه شود.
از سه نوع منبع انرژی می­توان برای برداشت انرژی در دستگاه­های سیار استفاده کرد.

 

 

    1. انرژی مکانیکی افراد حاصل از حرکت یا شتاب خود آنها در زمان جابجایی.

 

    1. انرژی الکترومغناطیسی است که انرژی عمدتا به نور وابسته است.

 

  1. جریان گرما ناشی از تفاوت در درجه حرارت بین بدن انسان و محیط.

 

یک تفاوت بین برداشت کننده­ های انرژی حساب شده مانند سلولهای فتوولتائی و ژنراتورهای Driven Micro Power وجود دارد. یک نمونه برای دومی یک چراغ قوه است که با تکان دادن و یا با بهره گرفتن از یک دینام از پیش تعبیه شده کار می­ کند. میزان قدرت بر حسب وات می­باشد که می ­تواند در چنین ژنراتورهای کوچک[۳] حرکت محور به دست آمده باشد. با این حال، این راه تأمین انرژی بشکل یک شبکه بدنی یا حسگرهای سیار را باید در بعضی محیط­ها مانند
محیط­های پزشکی رد کرد زیرا مراقبت­های اضافی مورد نیاز در سمت بیمار بوجود می­آید. بدترین سناریو برای برداشت انرژی اینست که میزان نور در خانه کم باشد یا بیمار در تخت خود ساکن بماند. پس­ عملا انرژی مکانیکی برای برداشت وجود ندارد در اینجا جریان گرما به حداقل می­رسد زیرا سرعت سوخت و ساز به خصوص در افراد مسن پایین است. بنابراین تنها بخشی از سر و گاهی اوقات مچ دست فرد تنها منطقه نسبتا کوچکی است که در آن برداشت انرژی حرارتی و یا نور می ­تواند در این بیماران انجام گیرد.با اینکه انرژی در دسترس کم است، همچنین نور در داخل اتاق در سطحی پایین است ولی با این حال حتی در چنین مواردی تأمین انرژی به عنوان مثالدرحسگر ناظر بر سلامت فرد با بهره گرفتن از برداشت انرژی امکان­ پذیر است.
همانطور که در بالا اشاره شد مراقبت­های بهداشتی پیشگیرانه به عنوان راهی برای کاهش هزینه بهداشت و درمان در نظر گرفته شده است که به طور پیوسته در یک روند رو به رشد قرار دارد و یکی از استراتژی­ها نظارت بر سلامت و مدیریت در خارج از مراکز درمانی گران برای پزشکان و حتی خانواده­ها، در خود خانه می­باشد. به عنوان مثال، نظارت بر بیماری­های مزمن در حالی که ارائه اطلاعات در زمان واقعی به بیمار در هر کجا و درهر زمان ممکن است پتانسیل
قابل­توجهی برای کاهش هزینه­ها هم در مرحله نظارت درمانی و هم در بحث مقرون به صرفه بودن داشته باشد. از سیستم­های مراقبت­های بهداشتی بی­سیم که می ­تواند بخش مهمی از شبکه­ های به اصطلاح سلامت الکترونیک باشند انتظار می­رود با تمرکز بر مراقبت­های پیشگیرانه و ارائه موثر درمان مداوم به بیماران، به ویژه به کسانی که در مکان­های راه دور زندگی می­ کنند و سالمندان تاثیر بسزایی در بحث سلامت جوامع بشری داشته باشند. نظارت در زمان واقعی علائم حیاتی بیمار و اطلاعات درباره سطح سلامت بیمار نیاز به استفاده از حسگرهای سیار و دستگاه­های تلفن همراه دارد. این امر می ­تواند خوب باشد اگر چنین دستگاه­ها کوچک، حساب شده بوده و قابلیت تعمیر و نگهداری راحت برای کل زمان حیات خود راداشته باشند.

 

۲-۲-۲-اصول برداشت از انرژی با بهره گرفتن از گرمای بدن انسان

 

موجودات خونگرم از جمله انسان به طور مداوم به عنوان یک اثر جانبی مفید بر اثر سوخت و ساز بدن گرما تولید
می­ کنند.با این حال، تنها بخشی از این گرما تحت تاثیر اشعه مادون قرمز در محیط به عنوان یک جریان گرما از بین
می­رود و مابقی آن به فرم بخار آب تبدیل می­ شود. علاوه بر این، بخش کوچکی از این جریان حرارتی می ­تواند تنها در یک حالت مورد استفاده قرار گیرد، که آن با بکارگیری یک روبنده انرژی بشکل یک وسیله سیار امکان­ پذیر است. برای مثال، هیچ کس دوست ندارد یک دستگاه را بشکل دائم بپوشید و یا آن را روی صورت خود قرار دهد. بنابراین، برای استفاده از جریان گرما از چهره نمی­توان استفاده کرد. جریان حرارتی را می­توان با بهره گرفتن از یک ژنراتورحرارتی، که قلب پیل گرماسنج است و [۴]TEGنام دارد به برق تبدیل کرد [۷]. مطالعات بر اساس ترمودینامیک­ها بیانگر این مطلب است که جریان گرما تولید شده بر روی پوست انسان نمی ­تواند به طور موثر به برق تبدیل شود، اگر چه بدن هر انسان به طور متوسط بیش از W100گرما تولید کند، با فرض این که حدود ٪۲-۱ از این گرما بتواند مورد استفاده قرار گیرد نیروی الکتریکی در حدود چندین میلی وات توسط ژنراتور حرارتی یک فرد حاصل می­ شود. می­دانیم که مصرف یک ساعت حدود ۱،۰۰۰ بار کمتر از این نیرو می­باشد، پس نیروی نسبتا خوبی است. بدن هر انسان یک منبع حرارتی مناسب برای TEG سیار نیست.
در شرایط معمولی در یک محیط داخلی، جریان گرما در یک فرد بستگی به موقعیت بدن داشته و به طور عمده در بازه ۱-۱۰ mW/cm2 باقی می­ماند. در کل پیشانی تولید جریان گرما بیشتری نسبت به منطقه تحت پوشش توسط لباس
می­ کند. با توجه به لباس بعنوان عایق حرارتی، حرارت خیلی زیادی از روی پوست از بین نمی­رود و به طور متوسط در داخل خانه تنها در حدود۳-۶mW/cm2 مشاهده شده است. در فعالیت­هایی با سرعت کم سوخت و ساز دمای مرکزی بدن حفظ می­ شود و زمانی که درجه حرارت بدن به دلیل افزایش فعالیت فیزیکی بالا می­رود اتلاف انرژی داریم. باید در نظر داشته باشیم که هوای محیط دارای مقاومت حرارتی بالا می­باشد و در داخل خانه، می­توان آن را با بهره گرفتن از تئوری حرارت همرفت طبیعی مورد بررسی قراردادTEG . در رابط بین اشیاء با مقاومت حرارتی بالابه عنوان مثال بدن و هوا قرار می­گیرد.

[۷]TEG شکل۲- ۱-ساختار ظاهری

 

۲-۲-۳- استفاده از بدن انسان بعنوان یک منبع حرارتی برای حسگرهای سیار

 

با توجه به [۸] مطالعات پزشکی زیادی بر روی خواص پوست یک انسان، به طور خاص جریان گرما و هدایت حرارتی آن که به طور معمول در بدن انسان و یا در قسمتهای خاص از آن مانند سر، بازو، دست و یا تنه انجام شده است. همچنین نویسندگان این مقاله به طور عمده تحقیقات خود را بر روی سطح پوست برهنه انجام داده­اند.
به طور کلی در مطالعات بالا جریان گرمای بدن انسان را الگوی خود قرار داده­اند. لباس­ها اثر فوق العاده­اییبر انتقال حرارت از بدن در دمای محیط کمتر از ۲۵-۲۸oCدارند. هر سه کانال اصلی انتقال گرما یعنی، همرفت، تابش وتبخیر از سطح پوست تحت تاثیر لباس قرار می­گیرند. پایین­تر از دمای محیط، بیشترین درصد از گرمای تلف شده از مناطق باز پوست، به عنوان مثال از صورت می­باشد. تنه دارای دمای بسیار با ثبات­تر در شرایط محیطی مختلف (گرما، باد، و نور خورشید) نسبت به سر و سایر اندام می­باشد. به همین دلیل است که مردم در انتخاب لباس مناسب بسته به نوع شرایط آب و هوایی عمل می­ کنند. با این حال، حتی در داخل خانه، در درجه حرارت oC20-25، برخی تغییرات درجه حرارتپوست در مقیاس سانتی­متر مشاهده می­ شود.
در مثال زیرکه نقشه دمای مچ دست و دست در شکل نشان داده شده است قسمت a مشخصات دما در اطراف مچ دست است که در شکل نشان داده شده است. قسمت b تفکیک منطقه­ای مچ دست برحسب میزان دما در محیط داخل می­باشد. حداکثر درجه حرارت نزدیک به Radial و کمترین آن نزدیک به Ulnar می­باشد. جریان حرارت نیز از جایی به جای دیگر تغییر می­ کند.

شکل۲- ۱-نقشه دمای دست[۸]
توضیح تصویر بالا:
(الف) نقشه دمای دست (مشاهده کف دست).) تصویر مادون قرمز گرفته شده است با دوربین­های رادیومتری در محدوده طیفی ۸-۱۲ میلی متر کالیبره شده).(ب) پروفایل دما در اطراف مچ دست در دو دمای محیط، oC27و oC 22.3، در داخل خانه­ اندازه ­گیری شده است.

شکل۲- ۲-بهترین محل قرارگیری TEG روی مچ دست[۸]
(الف) TEG روی مچ دست قرار گرفته، (ب) میزان جریان گرمای اندازه ­گیری شده به ازای هر سانتی متر مربع بر روی مچ دست ۱۰۰ فرد مختلف در حالت نشسته.
نتیجه عکس فوق: با توجه به راحتی استفاده از حسگر­ها بر روی مچ دست قرار دادن آن در منطقه مشخص شده در بالا باعث افزایش حداکثر استفاده از جریان گرمایی در آن منطقه می­باشد. بقیه نتایج که مربوط به پوست هستند در منبع ذکر شده [۸] برای این بخش قابل مشاهده است.

 

۲-۲-۴-بکارگیریTEG­هادر دستگاه­های سیار

 

اولین TEGسیار به عنوان یک منبع تغذیه برای حسگر بی­سیم ساده قدیمی در مچ دست در سال ۲۰۰۴ (شکل زیر) ساخته شده است. در oC22، آنها قدرتی حدود ۱۰۰ مگاوات را تولید و به ماژول الکترونیکی یک گره حسگر انتقال
می­دهند. این تنها ۴۰٪ از قدرت تولید شده به دلیل بهره­وری پایین مبدل ولتاژ آن می­باشد.

شکل۲- ۳-شکل اولین TEG های تولید شده [۷]

 

۲-۳-سابقه پژوهش در آشنایی با حسگرها و گوشی­های هوشمند تلفن همراه

 

 

۲-۳-۱-حسگرها

 

حسگر می ­تواند داده ­ها­یی که برای تشخیص فعالیت­های انسانی استفاده می­ شود را جمع­آوری کند. سه نگرانی اصلی در مورد حسگر وجود دارد:نوع، محل و تعداد. در اکثر سیستم­های آگاه به حرکت از حسگرهای حرکتی، به ویژه
شتاب­سنج به منظور برآورد زاویه بدن از خط عمودی و برای تعیین جهت گیری و حرکت کاربر [۹] استفاده می­ شود. شتاب­سنج­ها برای اندازه ­گیری شتاب خطی (شکل۲-۵) مورد استفاده قرار می­گیرند.

شکل۲- ۴-ساختار حسگر شتاب خطی [۹]
سیگنال به دست آمده از شتاب­سنج دارای دو مولفه می­باشد. یک مولفه شتاب گرانشی (استاتیک) که برای جمع­آوری اطلاعات مربوط به جهت گیری سوژه ارائه می­ شود و مولفه دیگر شتاب بدن (پویا) به منظور جمع­آوری اطلاعاتی در مورد حرکت سوژه استفاده می­ شود [۱۰]. مقادیر شتاب سنج سه بعدی در ۳ محور واحد شتاب در SI (سیستم بین­المللی) بر حسب m/s2 اندازه ­گیری می­ شود.

شکل۲- ۵-مولفه های شتاب سنج [۱۰]
به برخی از تحقیقات با بهره گرفتن از تعداد فعالیت و دید کامپیوتری که بشکل بالقوه بوسیله شناخت فعالیت با بهره گرفتن از شتاب­سنج پشتیبانی شده است در [۱۱-۱۲-۱۳] اشاره شده است. در جدول زیر به تعدادی از تحقیقات گذشته که نرخ شناخت فعالیت آنها بین ۸۵تا ۹۵ درصد برای حرکت، وضعیت و فعالیت­های دیگر با بهره گرفتن از داده ­های شتاب سنج صورت گرفته، اشاره شده است [۱۴].

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *