在物聯網中應用機器學習

騰訊雲加社群發表於2019-02-28
機器學習

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本文由未來守護者發表於雲+社群專欄

本專案探討如何將機器學習（Machine learning）應用到物聯網（IoT，Internet of Things）中。我們將使用 Android Things 作為我們的物聯網平臺，並且採用 Google TensorFlow 作為我們的機器學習引擎。如今，機器學習與物聯網都是技術話題中的大熱門。下面是維基百科上對機器學習的一個簡單定義：

機器學習是電腦科學中的一個領域，它使計算機系統能夠利用資料進行 “學習”（即逐步提高特定任務的效能），而不需要進行顯式程式設計（Explicitly programmed）。

換句話說，在進行訓練步驟以後，系統就可以預測結果（即使這不是專門為這些結果進行程式設計的）。另一方面，我們都瞭解物聯網以及連線裝置的概念。最有前途的話題之一便是如何將機器學習應用於物聯網之中，以構建能夠 “學習” 的專家系統。此外，該系統會運用這些知識來控制和管理實物。

下面列舉一些應用到機器學習，以及物聯網能產生重要價值的領域：

  • 預測維護（Predictive maintenance）中的工業物聯網（IIoT，Industrial IoT）。
  • 在消費者物聯網（Consumer IoT）中，機器學習可以使裝置變得更加智慧化，從而適應我們的習慣。

在本教程中，我們將探索如何使用 Android Things 和 TensorFlow 將機器學習應用到物聯網中。這一 Android Things 物聯網專案背後的基本思想就是，探索如何構建一個能夠識別一些基本形狀（比如箭頭）並被控制的機器人小車（Robot car）。我們已經介紹過如何使用 Android Things 構建機器人小車，我建議您在開始此專案之前先閱讀那篇教程。

本次機器學習和物聯網專案主要涵蓋以下主題：

  • 如何使用 Docker 配置 TensorFlow 環境
  • 如何訓練 TensorFlow 系統
  • 如何整合 TensorFlow 與 Android Things
  • 如何使用 TensorFlow 輸出結果來控制機器人小車

本專案衍生自 Android Things TensorFlow 影象分類器。

我們開始吧！

如何在 Tensorflow 中建立一個影象分類器

在開始之前，我們有必要先安裝並配置好 TensorFlow 環境。我並非機器學習專家，所以我需要找一些速成的東西並準備好使用，以便我們可以構建 TensorFlow 影象分類器。因此，我們可以使用 Docker 來執行一個搭載了 TensorFlow 的映像。照著以下步驟進行：

\1. 克隆 TensorFlow 倉庫：

git clone https://github.com/tensorflow/tensorflow.git
cd /tensorflow
git checkout v1.5.0
複製程式碼

\2. 建立一個目錄（/tf-data），該目錄將儲存我們在專案中需要用到的所有檔案。

\3. 執行 Docker：

docker run -it \
--volume /tf-data:/tf-data \
--volume /tensorflow:/tensorflow \ 
--workdir /tensorflow tensorflow/tensorflow:1.5.0 bash
複製程式碼

使用這些命令，我們就可以執行一個互動式 TensorFlow 環境並增加（Mount）一些我們將在專案中使用到的目錄。

如何訓練 TensorFlow

在 Android Things 系統能夠識別影象之前，我們有必要先訓練 TensorFlow 引擎，以構建其模型。以此為由，收集一些圖片是有必要的。如前所述，我們希望使用箭頭來控制 Android Things 機器人小車 —— 所以我們必須收集至少四種型別的箭頭：

  • 向上箭頭
  • 向下箭頭
  • 左箭頭
  • 右箭頭

為訓練該系統，我們有必要對這四種不同的影象類別建立一個“知識庫”。在 /tf-data 中一個名為 images 的目錄下建立四個目錄，命名如下：

  • up-arrow
  • down-arrow
  • left-arrow
  • right-arrow

現在是時候去搜集影象資源了。我使用的是 Google 圖片搜尋，您也可以使用其他方法進行蒐集。為了簡化圖片下載過程，您應該安裝 Chrome 外掛，它能夠一鍵下載所有圖片。可別忘了，您下載的影象越多，其訓練過程（Training process）越好（即使建立模型的時間可能會有所增加）。

開啟瀏覽器，開始查詢以下四類影象：

img

每個類別我分別下載了 80 張圖。我並不關心圖片的擴充套件。

一旦所有類別都有其影象，請按照以下步驟操作（在 Docker 介面中）：

python /tensorflow/examples/image_retraining/retrain.py \ 
--bottleneck_dir=tf_files/bottlenecks \
--how_many_training_steps=4000 \
--output_graph=/tf-data/retrained_graph.pb \
--output_labels=/tf-data/retrained_labels.txt \
--image_dir=/tf-data/images
複製程式碼

這操作可能需要花費一些時間，所以要耐心等待。最後，在你的資料夾 /tf-data 中應有兩個檔案：

  1. retrained_graph.pb
  2. retrained_labels.txt

第一個檔案包含我們的模型，這是 TensorFlow 訓練過程的結果。而第二個檔案則包含了與我們的四個影象類別相關的標籤。

如何測試 Tensorflow 模型

如果你想測試模型，以檢查一切是否正常，你可以使用以下命令：

python scripts.label_image \
--graph=/tf-data/retrained-graph.pb \
--image=/tf-data/images/[category]/[image_name.jpg]
複製程式碼

優化模型

在能夠使用這個 TensorFlow 模型到 Android Things 專案中之前，我們有必要優化它：

python /tensorflow/python/tools/optimize_for_inference.py \
--input=/tf-data/retrained_graph.pb \
--output=/tf-data/opt_graph.pb \
--input_names="Mul" \
--output_names="final_result"
複製程式碼

這就是我們的模型。我們將使用此模型將機器學習應用於物聯網（即整合 Android Things 與 TensorFlow）。其目標是為 Android Things 應用提供智慧識別箭頭影象，並作出相應反應，從而控制機器人小車的方向。

如果您想了解更多關於 TensorFlow 的細節，以及如何生成模型，請檢視官方文件和這個教程。

如何使用 Android Things 和 TensorFlow 將機器學習應用到物聯網中

一旦 TensorFlow 資料模型準備就緒，我們就可以進入下一步：如何整合 Android Things 與 TensorFlow。為達成這一目的，我們可以將此任務分為兩步：

  1. 硬體部分，我們將電機和其他外圍裝置（Peripheral）連線到 Android Things 板上
  2. 實現應用程式

Android Things 原理圖

在深入探討如何連線外圍裝置之前，我們先看看下面這個 Android Things 專案中使用的元件列表：

  1. Android Things 板（樹莓派 3，Raspberry Pi 3）
  2. 樹莓派相機
  3. 一個 LED 燈
  4. LN298N 雙H橋（用以控制電機）
  5. 帶兩個輪子的機器人小車底盤

我不在此介紹如何使用 Android Things 控制電機，因為我們已經在之前的文章中介紹過這一點。

以下是原理圖：

img

上圖中，相機元件並未表現出來。其最終的結果如下：

img

基於 TensorFlow 實現 Android Things App

最後一步便是實現 Android Things 應用程式。為此，我們可以重用 GitHub 上名為 TensorFlow 影象分類器示例的示例專案。在開始之前，先克隆 GitHub 倉庫，以便您可以修改原始碼。

該 Android Things 應用與原來的應用有所不同，在於：

  1. 它不使用按鈕來啟動相機捕捉影象
  2. 它使用不同的模型
  3. 它使用一個閃爍的 LED 進行通知，攝像機在 LED 停止閃爍後拍攝照片
  4. 它在 TensorFlow 檢測到影象（箭頭）時控制電機。此外，在從步驟 3 開始迴圈之前，先開啟電機 5 秒

要處理閃爍的 LED，請使用以下程式碼：

private Handler blinkingHandler = new Handler();
private Runnable blinkingLED = new Runnable() {
  @Override
  public void run() {
    try {
     // If the motor is running the app does not start the cam
     if (mc.getStatus())
       return ;
     Log.d(TAG, "Blinking..");
     mReadyLED.setValue(!mReadyLED.getValue());
     if (currentValue <= NUM_OF_TIMES) {
       currentValue++;
       blinkingHandler.postDelayed(blinkingLED, 
                       BLINKING_INTERVAL_MS);
     }
     else {
      mReadyLED.setValue(false);
      currentValue = 0;
      mBackgroundHandler.post(mBackgroundClickHandler);
     }
   } catch (IOException e) {
     e.printStackTrace();
   }
  }
};
複製程式碼

當 LED 停止閃爍時，應用程式將捕獲影象。

現在有必要關注如何根據檢測到的影象來控制電機。修改方法如下：

@Override
public void onImageAvailable(ImageReader reader) {
  final Bitmap bitmap;
   try (Image image = reader.acquireNextImage()) {
     bitmap = mImagePreprocessor.preprocessImage(image);
   }
   final List<Classifier.Recognition> results = 
      mTensorFlowClassifier.doRecognize(bitmap);
   Log.d(TAG, 
    "Got the following results from Tensorflow: " + results);
   // Check the result
   if (results == null || results.size() == 0) {
     Log.d(TAG, "No command..");
     blinkingHandler.post(blinkingLED);
     return ;
    }
    Classifier.Recognition rec = results.get(0);
    Float confidence = rec.getConfidence();
    Log.d(TAG, "Confidence " + confidence.floatValue());
    if (confidence.floatValue() < 0.55) {
     Log.d(TAG, "Confidence too low..");
     blinkingHandler.post(blinkingLED);
     return ;
    }
    String command = rec.getTitle();
    Log.d(TAG, "Command: " + rec.getTitle());
    if (command.indexOf("down") != -1)
       mc.backward();
    else if (command.indexOf("up") != -1)
       mc.forward();
    else if (command.indexOf("left") != -1)
       mc.turnLeft();
    else if (command.indexOf("right") != -1)
       mc.turnRight();
}
複製程式碼

在這種方法中，當 TensorFlow 返回匹配捕獲影象的可能標籤後，應用程式會將結果與可能的方向進行比較，從而控制電機。

最後，是時候使用在剛開始時建立的模型了。拷貝 assets 資料夾下的 opt_graph.pb 與 reatrained_labels.txt 檔案，並替換現有檔案。

開啟 Helper.java 並修改以下幾行：

public static final int IMAGE_SIZE = 299;
private static final int IMAGE_MEAN = 128;
private static final float IMAGE_STD = 128;
private static final String LABELS_FILE = "retrained_labels.txt";
public static final String MODEL_FILE = "file:///android_asset/opt_graph.pb";
public static final String INPUT_NAME = "Mul";
public static final String OUTPUT_OPERATION = "output";
public static final String OUTPUT_NAME = "final_result";
複製程式碼

執行應用程式，試試向相機展示箭頭，並檢查結果。機器人小車必須按照所示的箭頭進行移動。

小結

在本教程的最後，我們介紹瞭如何運用 Android Things 與 TensorFlow 將機器學習應用到物聯網中。我們可以使用影象控制機器人小車，並根據顯示的影象移動機器人小車。

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