Sensör Verisinden Makine Öğrenmesi Tahmini: tüm simülasyonlar

Her simülasyon tarayıcında, deterministik olarak, hesap ve donanım gerekmeden çalışır. Her biri bir üniteye bağlı; notlar, kod ve quiz için üniteyi aç.

Sensör kaydedici: seradan zaman serisi

DHT22, BME280, LDR ve HC-SR04'ü seranın içine koy ve kaydet. Örnekleme aralığını, gürültüyü, okunamayan örnek ve sıçrama oranını değiştir; kaydı CSV olarak indir. Aynı tohum her seferinde aynı veriyi verir.

dakika	saat	sicaklik	nem	basinc	isik	mesafe
0	0	20.18	90.93	1017.36	29	21.73
10	0.17	19.71	90.38	1017.45	0	21.91
20	0.33	NaN	NaN	1017.32	10	21.87
30	0.5	19.85	90.58	1017.59	0	21.64
40	0.67	19.35	89.84	1017.31	15	21.9

1008 satır · 16 okunamayan (NaN) · 7 sıçrama (85 / −40 °C) · arıza penceresinde 36 örnek Bu ayarlar tam olarak sera-sensorleri.csv'yi verir.

Tohum42Örnekleme aralığıGün7Gürültü ×1,00Okunamayan örnek%2Sıçrama%0,65. günde ısıtıcı arızası

1. ünite: Sensörden zaman serisine: seradan veri toplamak

Temizleme tezgâhı: aykırı değer, eksik veri, yumuşatma

Ham sıcaklığa üç adım uygula: aykırı değerleri bul (z-skoru, IQR, Hampel), boşlukları doldur (ileri doldurma, doğrusal ara değer), yumuşat (hareketli ortalama, medyan, üstel). Simülatör gerçek sıcaklığı da bildiği için her adımın hatası ölçülür.

18 nokta işaretlendi, gerçek 7 sıçramanın 7 tanesi yakalandı · kalan boşluk 0 Gerçeğe göre RMSE (7 gün): doldurmadan sonra 0,250 °C · yumuşatmadan sonra 0,250 °C

1. Aykırı değerEşik k (σ)4,02. Eksik değer3. Yumuşatma (nedensel)Pencere5 örnekGösterilen gün2

2. ünite: Temizleme: aykırı değer, eksik veri ve yumuşatma

1B Kalman süzgeci: Q ve R ile oyna

Gürültülü bir ölçüm, bir model ve iki sayı: süreç gürültüsü Q (değer ne kadar hızlı değişebilir) ve ölçüm gürültüsü R (sensöre ne kadar güvenilir). Kazanç K'nın nasıl oturduğunu ve aynı kazançlı üstel ortalamayla farkı gör.

K∞ = 0,426 (aynı değerli EMA α'sı) Gerçeğe göre RMSE: ham 0,490 · Kalman 0,339 · EMA(α = K∞) 0,344 °C

Süreç gürültüsü Q2.0e-2Ölçüm gürültüsü R6.3e-2Sensör gürültüsü ×2,0

Sensör σ ≈ 0,50 °C → uygun R = σ² ≈ 0,250

3. ünite: Kalman süzgecine giriş: modele mi ölçüme mi güvenmeli

Veri analizi panosu: seri, histogram, korelasyon

Temizlenmiş veriyi üç bakışla incele: zaman serisi ve günlük profil, histogram, değişkenler arası korelasyon ısı haritası. Altta Welford yöntemiyle cihaz üstünde, diziyi saklamadan hesaplanan ortalama, σ, en küçük ve en büyük değer.

r	sıcaklık	nem	basınç	ışık	su mesafesi
sıcaklık	1,00	-0,98	-0,11	0,71	-0,05
nem	-0,98	1,00	0,14	-0,71	0,04
basınç	-0,11	0,14	1,00	-0,05	0,11
ışık	0,71	-0,71	-0,05	1,00	-0,15
su mesafesi	-0,05	0,04	0,11	-0,15	1,00

DeğişkenHistogram kovası20

Welford (cihazda, O(1) bellek) n = 1008 ortalama = 21,1 °C σ = 3,79 min = 13,3 · max = 29,9

Sıcaklık ile nem r = -0,98: korelasyon nedensellik değildir, ikisi de güneşi izler.

4. ünite: Gömülü veri analizi ve görselleştirme

Özellik tablosu kurucu

Hangi gecikmeleri, kayan pencereyi ve saat bilgisini kullanacağını seç; hedef ufku (kaç adım sonrası) ayarla. Tablonun ilk satırlarını ve her özelliğin hedefle korelasyonunu gör. "Sızıntılı özellik"i açıp geleceği gören bir özelliğin sahte başarısını izle.

t	temp	temp_lag1	temp_lag2	temp_lag3	temp_lag6	temp_mean6	temp_std6	hour_sin	hour_cos	light	y (t+6)
6	19,81	19,14	19,35	19,85	20,18	19,61	0,27	0,26	0,97	0,00	19,23
7	19,33	19,81	19,14	19,35	19,71	19,54	0,28	0,30	0,95	0,02	19,25
8	19,77	19,33	19,81	19,14	19,78	19,54	0,28	0,34	0,94	0,00	19,20
9	19,26	19,77	19,33	19,81	19,85	19,44	0,25	0,38	0,92	0,00	18,93
10	19,52	19,26	19,77	19,33	19,35	19,47	0,25	0,42	0,91	0,02	19,64

996 satır × 10 özellik (NaN'lı satırlar atıldı) · zamana göre bölmede test RMSE 0,681 °C, "değişmez" tabanı 1,239 °C

5. ünite: Özellik mühendisliği: zaman serisinden tablo

Eğit ve değerlendir: regresyon ve sınıflandırma

Sıcaklığı h adım sonrası için doğrusal (ridge) modelle tahmin et ya da "1 saat sonra 26 °C'yi aşacak mı?" sorusunu karar kütüğüyle sınıflandır. Rastgele bölme, zamana göre bölme ve kayan pencereli doğrulamayı karşılaştır; "değişmez" tabanını geçebiliyor musun?

1 kat, 249 test örneği · model: MAE 0,546, RMSE 0,681 °C, R² 0,959 "Değişmez" tabanı: RMSE 1,239 °C

GörevDoğrulamaUfuk h60 dkRidge λ1,0

6. ünite: Eğit ve değerlendir: ridge, karar kütüğü ve dürüst doğrulama

Modeli mikrodenetleyiciye taşı: C kodu üreteci

Eğitilmiş ağırlıklardan C fonksiyonu üret: ESP32 için float, FPU'su olmayan Uno için sabit noktalı tamsayı (Q-biçimi). Q bit sayısını değiştir; nicemleme hatasını, int32 taşma payını, bellek ve süre tahminini gör.

// 741 satırda eğitildi, ufuk 60 dk, Q12, girdiler ×100 #include <stdint.h> #define Q 12 static const int32_t W[10] = { 3633, 1424, 400, -689, -732, -482, 2906, 2577, 3169, 15184 }; static const int32_t B = 638926; int16_t predict_temp_c(int16_t temp, int16_t temp_lag1, int16_t temp_lag2, int16_t temp_lag3, int16_t temp_lag6, int16_t temp_mean6, int16_t temp_std6, int16_t hour_sin, int16_t hour_cos, int16_t light) { const int16_t x[10] = { temp, temp_lag1, temp_lag2, temp_lag3, temp_lag6, temp_mean6, temp_std6, hour_sin, hour_cos, light }; int32_t acc = B; for (uint8_t i = 0; i < 10; i++) acc += W[i] * (int32_t)x[i]; return (int16_t)(acc >> Q); }

Float'a göre nicemleme hatası: en çok 0,0368 °C, ortalama 0,0133 °C En kötü toplam 25.919.164 / 2 147 483 647 (%1,2) → int32'ye sığar

10 ağırlık: 44 B · Uno yazılım float ≈ 88 µs, Uno sabit nokta ≈ 25 µs, ESP32 FPU ≈ 0,17 µs / tahmin

HedefQ bit12Ufuk h60 dk

7. ünite: Modeli mikrodenetleyiciye taşı: ağırlıklardan C koduna

Sıcaklık tahmini ve anomali uyarısı

Model ilk dört günde (arızasız) eğitilir, sonra her örnekte tahmin artığının z-skoru hesaplanır. Açma ve kapama eşiği (histerezis), ardışık örnek sayısı ve bekleme süresiyle uyarıyı ayarla: 5. gündeki ısıtıcı arızasını yakala, yanlış alarmı az tut.

Isıtıcı arızası 50 dk sonra YAKALANDI · 2 yanlış alarm · toplam 4 uyarı · eğitim artığı σ = 0,388 °C

Tahmin ufkuAçma eşiği |z|3,00Kapama eşiği |z|1,50Ardışık örnek2Bekleme süresi180 dk

8. ünite: Sıcaklık tahmini ve anomali uyarısı: bitirme projesine hazırlık

3B sera: ölçüm, tahmin ve anomali

Yedi günlük sera verisini 3B serada oynat. Yatakların rengi sıcaklığı, direkteki etiket gerçek ve tahmin değerini, öndeki sütunlar son iki saatin tahmin artığını gösterir. 5. günde ısıtıcı takılınca artık büyür, fener sarıdan kırmızıya döner.

3B sahne yükleniyor…

Sürükle: döndür · iki parmak / tekerlek: yakınlaş · sağ tuş: kaydır

5. gün 08:00 · gerçek 19,15 °C, tahmin (30 dk önce) 18,72 °C, z = 1,10 Durum: normal

Örnekgün 5 08:00Güne gitTahmin ufkuUyarı eşiği |z|3,00

7 günde uyarılar: 3. gün 08:30, 4. gün 08:30, 5. gün 13:50, 5. gün 19:10

1. ünite: Sensörden zaman serisine: seradan veri toplamak