SmartARM: A smartphone-based group activity recognition and monitoring scheme for military applications

© 2017 IEEE. In this paper we propose SmartARM-A Smartphone-based group Activity Recognition and Monitoring (ARM) scheme, which is capable of recognizing and centrally monitoring coordinated group and individual group member activities of soldiers in the context of military excercises. In this implementation, we specifically consider military operations, where the group members perform similar motions or manoeuvres on a mission. Additionally, remote administrators at the command center receive data from the smartphones on a central server, enabling them to visualize and monitor the overall status of soldiers in situations such as battlefields, urban operations and during soldier's physical training. This work establishes-(a) the optimum position of smartphone placement on a soldier, (b) the optimum classifier to use from a given set of options, and (c) the minimum sensors or sensor combinations to use for reliable detection of physical activities, while reducing the data-load on the network. The activity recognition modules using the selected classifiers are trained on available data-sets using a test-train-validation split approach. The trained models are used for recognizing activities from live smartphone data. The proposed activity detection method puts forth an accuracy of 80% for real-time data

Deteção do modo de transporte para o cuidado de idosos

Com o aumento da esperança média de vida, é percetível o envelhecimento da população e, consequentemente, uma diminuição das condições sociais e económicas para o cuidado diário de idosos. Tendo isto em conta, mais atenção está a ser dada aos sistemas de cuidados remotos para ajudar os pacientes a cuidar de si mesmos, diminuindo a necessidade de cuidados de saúde convencional. A atividade física humana é uma característica importante de alguns dos novos sistemas de prevenção e monitorização, portanto parâmetros relacionados com esta temática têm recebido um interesse crescente por parte dos profissionais de saúde, como, por exemplo, fisioterapeutas, cuidadores de idosos e nutricionistas. Este projeto propõe-se a detetar vários modos de transporte, usando para isso informação proveniente dos vários sensores disponíveis num smartphone comum, adicionando ainda métodos que se aproveitam das informações circundantes, tais como pontos de acesso Wi-Fi de forma a melhorar a precisão global do sistema. Ao monitorizar os modos mais comuns de transporte utilizados pela população sénior, como caminhar, autocarro, metro, comboio e carro, será possível auxiliar o trabalho dos profissionais de saúde, dando-lhes conhecimento sobre os hábitos de atividade física do utilizador, permitindo ainda perceber se o idoso tem uma vida sedentária, se existem mudanças nos padrões de movimento diário, fornecer indicação sobre a falta de atividades sociais, se é suficientemente independente na sua vida quotidiana, ou se está a fazer exercício suficiente. Esta tese descreve o modo como vários classificadores referidos no estado da arte para a deteção do modo de transporte foram treinados e avaliados. O classificador, Decision Tree, demonstrou melhor performance na deteção do modo de transporte e foi implementado de forma a poder ser utilizado por outras aplicações Android. Para isso foi implementado um sistema como prova de conceito para demonstrar o funcionamento do classificador de transporte. O classificador foi incorporado numa aplicação para o cuidado de idosos, que pode ser usado por profissionais de saúde e afins para monitorizar os padrões de atividade diária das pessoas idosas. O classificador foi criado usando mais de 24 horas de dados de transporte de um grupo de 15 indivíduos e pode, teoricamente, atingir mais de 96,1% de precisão. No entanto, uma validação do mundo real do sistema implementado obteve 88,97% de precisão. Em alinhamento com a investigação feita nesta tese, um artigo foi submetido e aceite para conferência. O anexo C apresenta o trabalho aceite na octogésima Conferência Internacional IEEE Healthcom, realizada em Munique, em setembro de 2016.With an increase in average life expectancy, the aging of the population is discernible and consequently a reduction in social and economic conditions for elderly daily care. Taking this into account, more attention is being given to remote care systems to assist the patients and help them take care of themselves, lowering the conventional health care necessity. Human physical activity monitoring is an important feature of such systems, and has received an increasing interest from health-related professionals, such as physiotherapists, elders’ caregivers and nutritionists. This project’s main purposes are the detection of transport modes (walking, bus, car, metro, ...) using data from different sensors available on a common smartphone, and the addition of methods that take advantage of the surrounding environment, such as Wi-Fi Access Points, in order to improve the global accuracy of the system. By monitoring the most common modes of transport used by this population it is possible to support the work of caregivers, giving them knowledge about the user's activity habits, perceive whether the elder is having a sedentary life, whether there are changes in the daily movement patterns, and more. This thesis describes how various classifiers referred to in the state of the art for the detection of the transport mode have been trained and assessed. The classifier, Decision Tree, showed better performance in the transport mode detection and it was implemented so that it could be used by other Android applications. In order to do it, a system was implemented as proof of concept to demonstrate the operation of the transport classifier. The classifier was incorporated in an application for elderly care, which can be used by health professionals and alike to monitor the daily activity patterns of the elderly. The classifier was created using more than 24 hours of transportation data from a group of 15 individuals and Weka classification shows it can achieve over 96.1% overall accuracy. However, a real world validation of the implemented system obtained 88.97% accuracy. In alignment with the investigation done in this thesis, a paper was submitted and accepted for conference publication at the IEEE HealthCom. The Appendix C presents the accepted paper

Pattern Recognition Techniques for the Identification of Activities of Daily Living Using a Mobile Device Accelerometer

The application of pattern recognition techniques to data collected from accelerometers available in off-the-shelf devices, such as smartphones, allows for the automatic recognition of activities of daily living (ADLs). This data can be used later to create systems that monitor the behaviors of their users. The main contribution of this paper is to use artificial neural networks (ANN) for the recognition of ADLs with the data acquired from the sensors available in mobile devices. Firstly, before ANN training, the mobile device is used for data collection. After training, mobile devices are used to apply an ANN previously trained for the ADLs’ identification on a less restrictive computational platform. The motivation is to verify whether the overfitting problem can be solved using only the accelerometer data, which also requires less computational resources and reduces the energy expenditure of the mobile device when compared with the use of multiple sensors. This paper presents a method based on ANN for the recognition of a defined set of ADLs. It provides a comparative study of different implementations of ANN to choose the most appropriate method for ADLs identification. The results show the accuracy of 85.89% using deep neural networks (DNN).This work is funded by FCT/MCTES through national funds, and when applicable, co-funded EU funds under the project UIDB/EEA/50008/2020 (Este trabalho é financiado pela FCT/MCTES através de fundos nacionais e quando aplicável cofinanciado por fundos comunitários no âmbito do projeto UIDB/EEA/50008/2020)

Using attitudes and green consciousness as a determinant of travel behaviour and market segmentation

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Multi-sensor data fusion in mobile devices for the identification of Activities of Daily Living

Following the recent advances in technology and the growing use of mobile devices such as smartphones, several solutions may be developed to improve the quality of life of users in the context of Ambient Assisted Living (AAL). Mobile devices have different available sensors, e.g., accelerometer, gyroscope, magnetometer, microphone and Global Positioning System (GPS) receiver, which allow the acquisition of physical and physiological parameters for the recognition of different Activities of Daily Living (ADL) and the environments in which they are performed. The definition of ADL includes a well-known set of tasks, which include basic selfcare tasks, based on the types of skills that people usually learn in early childhood, including feeding, bathing, dressing, grooming, walking, running, jumping, climbing stairs, sleeping, watching TV, working, listening to music, cooking, eating and others. On the context of AAL, some individuals (henceforth called user or users) need particular assistance, either because the user has some sort of impairment, or because the user is old, or simply because users need/want to monitor their lifestyle. The research and development of systems that provide a particular assistance to people is increasing in many areas of application. In particular, in the future, the recognition of ADL will be an important element for the development of a personal digital life coach, providing assistance to different types of users. To support the recognition of ADL, the surrounding environments should be also recognized to increase the reliability of these systems. The main focus of this Thesis is the research on methods for the fusion and classification of the data acquired by the sensors available in off-the-shelf mobile devices in order to recognize ADL in almost real-time, taking into account the large diversity of the capabilities and characteristics of the mobile devices available in the market. In order to achieve this objective, this Thesis started with the review of the existing methods and technologies to define the architecture and modules of the method for the identification of ADL. With this review and based on the knowledge acquired about the sensors available in off-the-shelf mobile devices, a set of tasks that may be reliably identified was defined as a basis for the remaining research and development to be carried out in this Thesis. This review also identified the main stages for the development of a new method for the identification of the ADL using the sensors available in off-the-shelf mobile devices; these stages are data acquisition, data processing, data cleaning, data imputation, feature extraction, data fusion and artificial intelligence. One of the challenges is related to the different types of data acquired from the different sensors, but other challenges were found, including the presence of environmental noise, the positioning of the mobile device during the daily activities, the limited capabilities of the mobile devices and others. Based on the acquired data, the processing was performed, implementing data cleaning and feature extraction methods, in order to define a new framework for the recognition of ADL. The data imputation methods were not applied, because at this stage of the research their implementation does not have influence in the results of the identification of the ADL and environments, as the features are extracted from a set of data acquired during a defined time interval and there are no missing values during this stage. The joint selection of the set of usable sensors and the identifiable set of tasks will then allow the development of a framework that, considering multi-sensor data fusion technologies and context awareness, in coordination with other information available from the user context, such as his/her agenda and the time of the day, will allow to establish a profile of the tasks that the user performs in a regular activity day. The classification method and the algorithm for the fusion of the features for the recognition of ADL and its environments needs to be deployed in a machine with some computational power, while the mobile device that will use the created framework, can perform the identification of the ADL using a much less computational power. Based on the results reported in the literature, the method chosen for the recognition of the ADL is composed by three variants of Artificial Neural Networks (ANN), including simple Multilayer Perceptron (MLP) networks, Feedforward Neural Networks (FNN) with Backpropagation, and Deep Neural Networks (DNN). Data acquisition can be performed with standard methods. After the acquisition, the data must be processed at the data processing stage, which includes data cleaning and feature extraction methods. The data cleaning method used for motion and magnetic sensors is the low pass filter, in order to reduce the noise acquired; but for the acoustic data, the Fast Fourier Transform (FFT) was applied to extract the different frequencies. When the data is clean, several features are then extracted based on the types of sensors used, including the mean, standard deviation, variance, maximum value, minimum value and median of raw data acquired from the motion and magnetic sensors; the mean, standard deviation, variance and median of the maximum peaks calculated with the raw data acquired from the motion and magnetic sensors; the five greatest distances between the maximum peaks calculated with the raw data acquired from the motion and magnetic sensors; the mean, standard deviation, variance, median and 26 Mel- Frequency Cepstral Coefficients (MFCC) of the frequencies obtained with FFT based on the raw data acquired from the microphone data; and the distance travelled calculated with the data acquired from the GPS receiver. After the extraction of the features, these will be grouped in different datasets for the application of the ANN methods and to discover the method and dataset that reports better results. The classification stage was incrementally developed, starting with the identification of the most common ADL (i.e., walking, running, going upstairs, going downstairs and standing activities) with motion and magnetic sensors. Next, the environments were identified with acoustic data, i.e., bedroom, bar, classroom, gym, kitchen, living room, hall, street and library. After the environments are recognized, and based on the different sets of sensors commonly available in the mobile devices, the data acquired from the motion and magnetic sensors were combined with the recognized environment in order to differentiate some activities without motion, i.e., sleeping and watching TV. The number of recognized activities in this stage was increased with the use of the distance travelled, extracted from the GPS receiver data, allowing also to recognize the driving activity. After the implementation of the three classification methods with different numbers of iterations, datasets and remaining configurations in a machine with high processing capabilities, the reported results proved that the best method for the recognition of the most common ADL and activities without motion is the DNN method, but the best method for the recognition of environments is the FNN method with Backpropagation. Depending on the number of sensors used, this implementation reports a mean accuracy between 85.89% and 89.51% for the recognition of the most common ADL, equals to 86.50% for the recognition of environments, and equals to 100% for the recognition of activities without motion, reporting an overall accuracy between 85.89% and 92.00%. The last stage of this research work was the implementation of the structured framework for the mobile devices, verifying that the FNN method requires a high processing power for the recognition of environments and the results reported with the mobile application are lower than the results reported with the machine with high processing capabilities used. Thus, the DNN method was also implemented for the recognition of the environments with the mobile devices. Finally, the results reported with the mobile devices show an accuracy between 86.39% and 89.15% for the recognition of the most common ADL, equal to 45.68% for the recognition of environments, and equal to 100% for the recognition of activities without motion, reporting an overall accuracy between 58.02% and 89.15%. Compared with the literature, the results returned by the implemented framework show only a residual improvement. However, the results reported in this research work comprehend the identification of more ADL than the ones described in other studies. The improvement in the recognition of ADL based on the mean of the accuracies is equal to 2.93%, but the maximum number of ADL and environments previously recognized was 13, while the number of ADL and environments recognized with the framework resulting from this research is 16. In conclusion, the framework developed has a mean improvement of 2.93% in the accuracy of the recognition for a larger number of ADL and environments than previously reported. In the future, the achievements reported by this PhD research may be considered as a start point of the development of a personal digital life coach, but the number of ADL and environments recognized by the framework should be increased and the experiments should be performed with different types of devices (i.e., smartphones and smartwatches), and the data imputation and other machine learning methods should be explored in order to attempt to increase the reliability of the framework for the recognition of ADL and its environments.Após os recentes avanços tecnológicos e o crescente uso dos dispositivos móveis, como por exemplo os smartphones, várias soluções podem ser desenvolvidas para melhorar a qualidade de vida dos utilizadores no contexto de Ambientes de Vida Assistida (AVA) ou Ambient Assisted Living (AAL). Os dispositivos móveis integram vários sensores, tais como acelerómetro, giroscópio, magnetómetro, microfone e recetor de Sistema de Posicionamento Global (GPS), que permitem a aquisição de vários parâmetros físicos e fisiológicos para o reconhecimento de diferentes Atividades da Vida Diária (AVD) e os seus ambientes. A definição de AVD inclui um conjunto bem conhecido de tarefas que são tarefas básicas de autocuidado, baseadas nos tipos de habilidades que as pessoas geralmente aprendem na infância. Essas tarefas incluem alimentar-se, tomar banho, vestir-se, fazer os cuidados pessoais, caminhar, correr, pular, subir escadas, dormir, ver televisão, trabalhar, ouvir música, cozinhar, comer, entre outras. No contexto de AVA, alguns indivíduos (comumente chamados de utilizadores) precisam de assistência particular, seja porque o utilizador tem algum tipo de deficiência, seja porque é idoso, ou simplesmente porque o utilizador precisa/quer monitorizar e treinar o seu estilo de vida. A investigação e desenvolvimento de sistemas que fornecem algum tipo de assistência particular está em crescente em muitas áreas de aplicação. Em particular, no futuro, o reconhecimento das AVD é uma parte importante para o desenvolvimento de um assistente pessoal digital, fornecendo uma assistência pessoal de baixo custo aos diferentes tipos de pessoas. pessoas. Para ajudar no reconhecimento das AVD, os ambientes em que estas se desenrolam devem ser reconhecidos para aumentar a fiabilidade destes sistemas. O foco principal desta Tese é o desenvolvimento de métodos para a fusão e classificação dos dados adquiridos a partir dos sensores disponíveis nos dispositivos móveis, para o reconhecimento quase em tempo real das AVD, tendo em consideração a grande diversidade das características dos dispositivos móveis disponíveis no mercado. Para atingir este objetivo, esta Tese iniciou-se com a revisão dos métodos e tecnologias existentes para definir a arquitetura e os módulos do novo método de identificação das AVD. Com esta revisão da literatura e com base no conhecimento adquirido sobre os sensores disponíveis nos dispositivos móveis disponíveis no mercado, um conjunto de tarefas que podem ser identificadas foi definido para as pesquisas e desenvolvimentos desta Tese. Esta revisão também identifica os principais conceitos para o desenvolvimento do novo método de identificação das AVD, utilizando os sensores, são eles: aquisição de dados, processamento de dados, correção de dados, imputação de dados, extração de características, fusão de dados e extração de resultados recorrendo a métodos de inteligência artificial. Um dos desafios está relacionado aos diferentes tipos de dados adquiridos pelos diferentes sensores, mas outros desafios foram encontrados, sendo os mais relevantes o ruído ambiental, o posicionamento do dispositivo durante a realização das atividades diárias, as capacidades limitadas dos dispositivos móveis. As diferentes características das pessoas podem igualmente influenciar a criação dos métodos, escolhendo pessoas com diferentes estilos de vida e características físicas para a aquisição e identificação dos dados adquiridos a partir de sensores. Com base nos dados adquiridos, realizou-se o processamento dos dados, implementando-se métodos de correção dos dados e a extração de características, para iniciar a criação do novo método para o reconhecimento das AVD. Os métodos de imputação de dados foram excluídos da implementação, pois não iriam influenciar os resultados da identificação das AVD e dos ambientes, na medida em que são utilizadas as características extraídas de um conjunto de dados adquiridos durante um intervalo de tempo definido. A seleção dos sensores utilizáveis, bem como das AVD identificáveis, permitirá o desenvolvimento de um método que, considerando o uso de tecnologias para a fusão de dados adquiridos com múltiplos sensores em coordenação com outras informações relativas ao contexto do utilizador, tais como a agenda do utilizador, permitindo estabelecer um perfil de tarefas que o utilizador realiza diariamente. Com base nos resultados obtidos na literatura, o método escolhido para o reconhecimento das AVD são as diferentes variantes das Redes Neuronais Artificiais (RNA), incluindo Multilayer Perceptron (MLP), Feedforward Neural Networks (FNN) with Backpropagation and Deep Neural Networks (DNN). No final, após a criação dos métodos para cada fase do método para o reconhecimento das AVD e ambientes, a implementação sequencial dos diferentes métodos foi realizada num dispositivo móvel para testes adicionais. Após a definição da estrutura do método para o reconhecimento de AVD e ambientes usando dispositivos móveis, verificou-se que a aquisição de dados pode ser realizada com os métodos comuns. Após a aquisição de dados, os mesmos devem ser processados no módulo de processamento de dados, que inclui os métodos de correção de dados e de extração de características. O método de correção de dados utilizado para sensores de movimento e magnéticos é o filtro passa-baixo de modo a reduzir o ruído, mas para os dados acústicos, a Transformada Rápida de Fourier (FFT) foi aplicada para extrair as diferentes frequências. Após a correção dos dados, as diferentes características foram extraídas com base nos tipos de sensores usados, sendo a média, desvio padrão, variância, valor máximo, valor mínimo e mediana de dados adquiridos pelos sensores magnéticos e de movimento, a média, desvio padrão, variância e mediana dos picos máximos calculados com base nos dados adquiridos pelos sensores magnéticos e de movimento, as cinco maiores distâncias entre os picos máximos calculados com os dados adquiridos dos sensores de movimento e magnéticos, a média, desvio padrão, variância e 26 Mel-Frequency Cepstral Coefficients (MFCC) das frequências obtidas com FFT com base nos dados obtidos a partir do microfone, e a distância calculada com os dados adquiridos pelo recetor de GPS. Após a extração das características, as mesmas são agrupadas em diferentes conjuntos de dados para a aplicação dos métodos de RNA de modo a descobrir o método e o conjunto de características que reporta melhores resultados. O módulo de classificação de dados foi incrementalmente desenvolvido, começando com a identificação das AVD comuns com sensores magnéticos e de movimento, i.e., andar, correr, subir escadas, descer escadas e parado. Em seguida, os ambientes são identificados com dados de sensores acústicos, i.e., quarto, bar, sala de aula, ginásio, cozinha, sala de estar, hall, rua e biblioteca. Com base nos ambientes reconhecidos e os restantes sensores disponíveis nos dispositivos móveis, os dados adquiridos dos sensores magnéticos e de movimento foram combinados com o ambiente reconhecido para diferenciar algumas atividades sem movimento (i.e., dormir e ver televisão), onde o número de atividades reconhecidas nesta fase aumenta com a fusão da distância percorrida, extraída a partir dos dados do recetor GPS, permitindo também reconhecer a atividade de conduzir. Após a implementação dos três métodos de classificação com diferentes números de iterações, conjuntos de dados e configurações numa máquina com alta capacidade de processamento, os resultados relatados provaram que o melhor método para o reconhecimento das atividades comuns de AVD e atividades sem movimento é o método DNN, mas o melhor método para o reconhecimento de ambientes é o método FNN with Backpropagation. Dependendo do número de sensores utilizados, esta implementação reporta uma exatidão média entre 85,89% e 89,51% para o reconhecimento das AVD comuns, igual a 86,50% para o reconhecimento de ambientes, e igual a 100% para o reconhecimento de atividades sem movimento, reportando uma exatidão global entre 85,89% e 92,00%. A última etapa desta Tese foi a implementação do método nos dispositivos móveis, verificando que o método FNN requer um alto poder de processamento para o reconhecimento de ambientes e os resultados reportados com estes dispositivos são inferiores aos resultados reportados com a máquina com alta capacidade de processamento utilizada no desenvolvimento do método. Assim, o método DNN foi igualmente implementado para o reconhecimento dos ambientes com os dispositivos móveis. Finalmente, os resultados relatados com os dispositivos móveis reportam uma exatidão entre 86,39% e 89,15% para o reconhecimento das AVD comuns, igual a 45,68% para o reconhecimento de ambientes, e igual a 100% para o reconhecimento de atividades sem movimento, reportando uma exatidão geral entre 58,02% e 89,15%. Com base nos resultados relatados na literatura, os resultados do método desenvolvido mostram uma melhoria residual, mas os resultados desta Tese identificam mais AVD que os demais estudos disponíveis na literatura. A melhoria no reconhecimento das AVD com base na média das exatidões é igual a 2,93%, mas o número máximo de AVD e ambientes reconhecidos pelos estudos disponíveis na literatura é 13, enquanto o número de AVD e ambientes reconhecidos com o método implementado é 16. Assim, o método desenvolvido tem uma melhoria de 2,93% na exatidão do reconhecimento num maior número de AVD e ambientes. Como trabalho futuro, os resultados reportados nesta Tese podem ser considerados um ponto de partida para o desenvolvimento de um assistente digital pessoal, mas o número de ADL e ambientes reconhecidos pelo método deve ser aumentado e as experiências devem ser repetidas com diferentes tipos de dispositivos móveis (i.e., smartphones e smartwatches), e os métodos de imputação e outros métodos de classificação de dados devem ser explorados de modo a tentar aumentar a confiabilidade do método para o reconhecimento das AVD e ambientes

Smartphone-based transport mode detection for elderly care

Smartphones are everywhere, and they are a very attractive platform to perform unobtrusive monitoring of users. In this work, we use common features of modern smartphones to build a human activity recognition (HAR) system for elderly care. We have built a classifier that detects the transport mode of the user including whether an individual is inactive, walking, in bus, in car, in train or in metro. We evaluated our approach using over 24 hours of transportation data from a group of 15 individuals. Our tests show that our classifier can detect the transportation mode with over 90% accuracy

Smartphone-based Transport Mode Detection for Elderly Care

Smartphones are everywhere, and they are a very attractive platform to perform unobtrusive monitoring of users. In this work, we use common features of modern smartphones to build a human activity recognition (HAR) system for elderly care. We have built a classifier that detects the transport mode of the user including whether an individual is inactive, walking, in bus, in car, in train or in metro. We evaluated our approach using over 24 hours of transportation data from a group of 15 individuals. Our tests show that our classifier can detect the transportation mode with over 90% accuracy.info:eu-repo/semantics/publishedVersio