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FedAAR: A Novel Federated Learning Framework for Animal Activity Recognition with Wearable Sensors

计算机科学 稳健性(进化) 可穿戴计算机 机器学习 人工智能 加速度计 活动识别 精确性和召回率 联合学习 深度学习 全球定位系统 人机交互 分布式计算 嵌入式系统 电信 生物化学 化学 基因 操作系统
作者
Axiu Mao,Endai Huang,Haiming Gan,Kai Liu
出处
期刊:Animals [MDPI AG]
卷期号:12 (16): 2142-2142 被引量:9
标识
DOI:10.3390/ani12162142
摘要

Deep learning dominates automated animal activity recognition (AAR) tasks due to high performance on large-scale datasets. However, constructing centralised data across diverse farms raises data privacy issues. Federated learning (FL) provides a distributed learning solution to train a shared model by coordinating multiple farms (clients) without sharing their private data, whereas directly applying FL to AAR tasks often faces two challenges: client-drift during local training and local gradient conflicts during global aggregation. In this study, we develop a novel FL framework called FedAAR to achieve AAR with wearable sensors. Specifically, we devise a prototype-guided local update module to alleviate the client-drift issue, which introduces a global prototype as shared knowledge to force clients to learn consistent features. To reduce gradient conflicts between clients, we design a gradient-refinement-based aggregation module to eliminate conflicting components between local gradients during global aggregation, thereby improving agreement between clients. Experiments are conducted on a public dataset to verify FedAAR's effectiveness, which consists of 87,621 two-second accelerometer and gyroscope data. The results demonstrate that FedAAR outperforms the state-of-the-art, on precision (75.23%), recall (75.17%), F1-score (74.70%), and accuracy (88.88%), respectively. The ablation experiments show FedAAR's robustness against various factors (i.e., data sizes, communication frequency, and client numbers).

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