Health monitoring devices, such as Fitbit, are gaining popularity both as wellness tools and as a source of information for healthcare decisions. Predicting such wellness goals accurately is critical for the users to make informed lifestyle choices. The core objective of this thesis is to design and implement such a system that takes energy consumption and privacy into account. This research is modelled as a time-series forecasting problem that makes use of Spiking Neural Networks (SNNs) due to their proven energy-saving capabilities. Thanks to their design that closely mimics natural neural networks (such as the brain), SNNs have the potential to significantly outperform classic Artificial Neural Networks in terms of energy consumption and robustness. In order to prove our hypotheses, a previous research by Sonia et al. [1] in the same domain and with the same dataset is used as our starting point, where a private forecasting system using Long short-term memory (LSTM) is designed and implemented. Their study also implements and evaluates a clustering federated learning approach, which fits well the highly distributed data. The results obtained in their research act as a baseline to compare our results in terms of accuracy, training time, model size and estimated energy consumed. Our experiments show that Spiking Neural Networks trades off accuracy (2.19x, 1.19x, 4.13x, 1.16x greater Root Mean Square Error (RMSE) for macronutrients, calories burned, resting heart rate, and active minutes respectively), to grant a smaller model (19% less parameters an 77% lighter in memory) and a 43% faster training. Our model is estimated to consume 3.36μJ per inference, which is much lighter than traditional Artificial Neural Networks (ANNs) [2]. The data recorded by health monitoring devices is vastly distributed in the real-world. Moreover, with such sensitive recorded information, there are many possible implications to consider. For these reasons, we apply the clustering federated learning implementation [1] to our use-case. However, it can be challenging to adopt such techniques since it can be difficult to learn from data sequences that are non-regular. We use a two-step streaming clustering approach to classify customers based on their eating and exercise habits. It has been shown that training different models for each group of users is useful, particularly in terms of training time; however this is strongly dependent on the cluster size. Our experiments conclude that there is a decrease in error and training time if the clusters contain enough data to train the models. Finally, this study addresses the issue of data privacy by using state of-the-art differential privacy. We apply e-differential privacy to both our baseline model (trained on the whole dataset) and our federated learning based approach. With a differential privacy of ∈= 0.1 our experiments report an increase in the measured average error (RMSE) of only 25%. Specifically, +23.13%, 25.71%, +29.87%, 21.57% for macronutrients (grams), calories burned (kCal), resting heart rate (beats per minute (bpm), and minutes (minutes) respectively. / Hälsoövervakningsenheter, som Fitbit, blir allt populärare både som friskvårdsverktyg och som informationskälla för vårdbeslut. Att förutsäga sådana välbefinnandemål korrekt är avgörande för att användarna ska kunna göra välgrundade livsstilsval. Kärnmålet med denna avhandling är att designa och implementera ett sådant system som tar hänsyn till energiförbrukning och integritet. Denna forskning är modellerad som ett tidsserieprognosproblem som använder sig av SNNs på grund av deras bevisade energibesparingsförmåga. Tack vare deras design som nära efterliknar naturliga neurala nätverk (som hjärnan) har SNNs potentialen att avsevärt överträffa klassiska artificiella neurala nätverk när det gäller energiförbrukning och robusthet. För att bevisa våra hypoteser har en tidigare forskning av Sonia et al. [1] i samma domän och med samma dataset används som utgångspunkt, där ett privat prognossystem som använder LSTM designas och implementeras. Deras studie implementerar och utvärderar också en klustringsstrategi för federerad inlärning, som passar väl in på den mycket distribuerade data. Resultaten som erhållits i deras forskning fungerar som en baslinje för att jämföra våra resultat vad gäller noggrannhet, träningstid, modellstorlek och uppskattad energiförbrukning. Våra experiment visar att Spiking Neural Networks byter ut precision (2,19x, 1,19x, 4,13x, 1,16x större RMSE för makronäringsämnen, förbrända kalorier, vilopuls respektive aktiva minuter), för att ge en mindre modell ( 19% mindre parametrar, 77% lättare i minnet) och 43% snabbare träning. Vår modell beräknas förbruka 3, 36μJ, vilket är mycket lättare än traditionella ANNs [2]. Data som registreras av hälsoövervakningsenheter är enormt spridda i den verkliga världen. Dessutom, med sådan känslig registrerad information finns det många möjliga konsekvenser att överväga. Av dessa skäl tillämpar vi klustringsimplementeringen för federerad inlärning [1] på vårt användningsfall. Det kan dock vara utmanande att använda sådana tekniker eftersom det kan vara svårt att lära sig av datasekvenser som är oregelbundna. Vi använder en tvåstegs streaming-klustringsmetod för att klassificera kunder baserat på deras mat- och träningsvanor. Det har visat sig att det är användbart att träna olika modeller för varje grupp av användare, särskilt när det gäller utbildningstid; detta är dock starkt beroende av klustrets storlek. Våra experiment drar slutsatsen att det finns en minskning av fel och träningstid om klustren innehåller tillräckligt med data för att träna modellerna. Slutligen tar denna studie upp frågan om datasekretess genom att använda den senaste differentiell integritet. Vi tillämpar e-differentiell integritet på både vår baslinjemodell (utbildad på hela datasetet) och vår federerade inlärningsbaserade metod. Med en differentiell integritet på ∈= 0.1 rapporterar våra experiment en ökning av det uppmätta medelfelet (RMSE) på endast 25%. Specifikt +23,13%, 25,71%, +29,87%, 21,57% för makronäringsämnen (gram), förbrända kalorier (kCal), vilopuls (bpm och minuter (minuter).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-310847 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Di Matteo, Davide |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2022:72 |
Page generated in 0.0099 seconds