在物联网中应用机器学习

Posted 2021-01-18

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本文由未来守护者发表于云+社区专栏

本项目探讨如何将机器学习（Machine learning）应用到物联网（IoT，Internet of Things）中。我们将使用 Android Things 作为我们的物联网平台，并且采用 Google TensorFlow 作为我们的机器学习引擎。如今，机器学习与物联网都是技术话题中的大热门。下面是维基百科上对机器学习的一个简单定义：

机器学习是计算机科学中的一个领域，它使计算机系统能够利用数据进行 “学习”（即逐步提高特定任务的性能），而不需要进行显式编程（Explicitly programmed）。

换句话说，在进行训练步骤以后，系统就可以预测结果（即使这不是专门为这些结果进行编程的）。另一方面，我们都了解物联网以及连接设备的概念。最有前途的话题之一便是如何将机器学习应用于物联网之中，以构建能够 “学习” 的专家系统。此外，该系统会运用这些知识来控制和管理实物。

下面列举一些应用到机器学习，以及物联网能产生重要价值的领域：

• 预测维护（Predictive maintenance）中的工业物联网（IIoT，Industrial IoT）。
• 在消费者物联网（Consumer IoT）中，机器学习可以使设备变得更加智能化，从而适应我们的习惯。

在本教程中，我们将探索如何使用 android Things 和 TensorFlow 将机器学习应用到物联网中。这一 Android Things 物联网项目背后的基本思想就是，探索如何构建一个能够识别一些基本形状（比如箭头）并被控制的机器人小车（Robot car）。我们已经介绍过如何使用 Android Things 构建机器人小车，我建议您在开始此项目之前先阅读那篇教程。

本次机器学习和物联网项目主要涵盖以下主题：

• 如何使用 Docker 配置 TensorFlow 环境
• 如何训练 TensorFlow 系统
• 如何集成 TensorFlow 与 Android Things
• 如何使用 TensorFlow 输出结果来控制机器人小车

本项目衍生自 Android Things TensorFlow 图像分类器。

我们开始吧！

如何在 Tensorflow 中创建一个图像分类器

在开始之前，我们有必要先安装并配置好 TensorFlow 环境。我并非机器学习专家，所以我需要找一些速成的东西并准备好使用，以便我们可以构建 TensorFlow 图像分类器。因此，我们可以使用 Docker 来运行一个搭载了 TensorFlow 的映像。照着以下步骤进行：

1. 克隆 TensorFlow 仓库：

git clone https://github.com/tensorflow/tensorflow.git
cd /tensorflow
git checkout v1.5.0

2. 创建一个目录（/tf-data），该目录将保存我们在项目中需要用到的所有文件。

3. 运行 Docker：

docker run -it --volume /tf-data:/tf-data --volume /tensorflow:/tensorflow  
--workdir /tensorflow tensorflow/tensorflow:1.5.0 bash

使用这些命令，我们就可以运行一个交互式 TensorFlow 环境并增加（Mount）一些我们将在项目中使用到的目录。

如何训练 TensorFlow

在 Android Things 系统能够识别图像之前，我们有必要先训练 TensorFlow 引擎，以构建其模型。以此为由，收集一些图片是有必要的。如前所述，我们希望使用箭头来控制 Android Things 机器人小车 —— 所以我们必须收集至少四种类型的箭头：

• 向上箭头
• 向下箭头
• 左箭头
• 右箭头

为训练该系统，我们有必要对这四种不同的图像类别创建一个“知识库”。在 /tf-data 中一个名为 images 的目录下创建四个目录，命名如下：

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

现在是时候去搜集图像资源了。我使用的是 Google 图片搜索，您也可以使用其他方法进行搜集。为了简化图片下载过程，您应该安装 Chrome 插件，它能够一键下载所有图片。可别忘了，您下载的图像越多，其训练过程（Training process）越好（即使创建模型的时间可能会有所增加）。

打开浏览器，开始查找以下四类图像：

每个类别我分别下载了 80 张图。我并不关心图片的扩展。

一旦所有类别都有其图像，请按照以下步骤操作（在 Docker 界面中）：

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

这操作可能需要花费一些时间，所以要耐心等待。最后，在你的文件夹 /tf-data 中应有两个文件：

1. retrained_graph.pb
2. retrained_labels.txt

第一个文件包含我们的模型，这是 TensorFlow 训练过程的结果。而第二个文件则包含了与我们的四个图像类别相关的标签。

如何测试 Tensorflow 模型

如果你想测试模型，以检查一切是否正常，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]

优化模型

在能够使用这个 TensorFlow 模型到 Android Things 项目中之前，我们有必要优化它：

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"

这就是我们的模型。我们将使用此模型将机器学习应用于物联网（即集成 Android Things 与 TensorFlow）。其目标是为 Android Things 应用提供智能识别箭头图像，并作出相应反应，从而控制机器人小车的方向。

如果您想了解更多关于 TensorFlow 的细节，以及如何生成模型，请查看官方文档和这个教程。

如何使用 Android Things 和 TensorFlow 将机器学习应用到物联网中

一旦 TensorFlow 数据模型准备就绪，我们就可以进入下一步：如何集成 Android Things 与 TensorFlow。为达成这一目的，我们可以将此任务分为两步：

1. 硬件部分，我们将电机和其他外围设备（Peripheral）连接到 Android Things 板上
2. 实现应用程序

Android Things 原理图

在深入探讨如何连接外围设备之前，我们先看看下面这个 Android Things 项目中使用的组件列表：

1. Android Things 板（树莓派 3，Raspberry Pi 3）
2. 树莓派相机
3. 一个 LED 灯
4. LN298N 双H桥（用以控制电机）
5. 带两个轮子的机器人小车底盘

我不在此介绍如何使用 Android Things 控制电机，因为我们已经在之前的文章中介绍过这一点。

以下是原理图：

上图中，相机组件并未表现出来。其最终的结果如下：

基于 TensorFlow 实现 Android Things App

最后一步便是实现 Android Things 应用程序。为此，我们可以重用 GitHub 上名为 TensorFlow 图像分类器示例的示例项目。在开始之前，先克隆 GitHub 仓库，以便您可以修改源代码。

该 Android Things 应用与原来的应用有所不同，在于：

1. 它不使用按钮来启动相机捕捉图像
2. 它使用不同的模型
3. 它使用一个闪烁的 LED 进行通知，摄像机在 LED 停止闪烁后拍摄照片
4. 它在 TensorFlow 检测到图像（箭头）时控制电机。此外，在从步骤 3 开始循环之前，先打开电机 5 秒

要处理闪烁的 LED，请使用以下代码：

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();
   }
  }
};

当 LED 停止闪烁时，应用程序将捕获图像。

现在有必要关注如何根据检测到的图像来控制电机。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();
}

在这种方法中，当 TensorFlow 返回匹配捕获图像的可能标签后，应用程序会将结果与可能的方向进行比较，从而控制电机。

最后，是时候使用在刚开始时创建的模型了。拷贝 assets 文件夹下的 opt_graph.pb 与 reatrained_labels.txt 文件，并替换现有文件。

打开 Helper.java 并修改以下几行：

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";

运行应用程序，试试向相机展示箭头，并检查结果。机器人小车必须按照所示的箭头进行移动。

小结

在本教程的最后，我们介绍了如何运用 Android Things 与 TensorFlow 将机器学习应用到物联网中。我们可以使用图像控制机器人小车，并根据显示的图像移动机器人小车。

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