BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT BỊ THEO DÕI CHỈ SỐ SINH TỒN NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ThS TRẦN THỊ NGỌC OANH Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Phan Duy Anh 1711730096 17DYSA1 Phan Tiến Hòa Hiệp 1711730006 17DYSA1 Nguyễn Phi Long 1711730072 17DYSA1 Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 11 năm 2021 Đồ án tốt nghiệp Thiết bị theo dõi thông số sinh tồn i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn Viện Kỹ thuật Huetch và các giáo.
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Trong bối cảnh đại dịch COVID-19, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) khuyến cáo cần cách ly với những người xung quanh Nghiên cứu này phát triển một mẫu thử nghiệm ứng dụng Internet nhằm đo ba chỉ số quan trọng: nhịp tim, độ bão hòa oxy trong máu và nhiệt độ cơ thể Các chỉ số này sẽ được đo qua cảm biến kết nối với mô-đun NodeMCU tích hợp Wi-Fi, cho phép truyền dữ liệu đến nền tảng IoT để theo dõi thời gian thực tình trạng sức khỏe của bệnh nhân nghi ngờ mắc COVID-19 Theo WHO, đại dịch đã lan rộng tới hơn 224 quốc gia, với hơn 200 triệu ca dương tính và hơn 4 triệu ca tử vong.
Tính đến ngày 25/10, theo báo cáo của worldometers.info, toàn cầu đã ghi nhận hơn 244 triệu ca nhiễm virus SARS-CoV-2 gây bệnh COVID-19, trong đó có hơn 4 triệu ca tử vong và hơn 221 triệu người đã hồi phục hoàn toàn.
Với một số liệu không mấy khả quan đối với tình hình chung và trong đó có Việt Nam
Theo số liệu từ trang ncov.moh.gov.vn, Việt Nam đã ghi nhận gần 900.000 ca nhiễm COVID-19 từ đầu năm 2020, với hơn 800.000 người đã khỏi bệnh, 116.444 bệnh nhân đang điều trị và hơn 21.000 ca tử vong Để ứng phó với tình hình này, một hệ thống Internet of Things (IoT) sẽ được phát triển nhằm theo dõi các dấu hiệu quan trọng ở bệnh nhân và các trường hợp nghi ngờ nhiễm COVID-19 Hệ thống này sẽ sử dụng các cảm biến chuyên dụng để kết nối và truyền thông tin giữa các thiết bị và đối tượng hàng ngày có truy cập internet, giúp cải thiện khả năng giám sát và quản lý sức khỏe cộng đồng.
Giao tiếp máy-máy (Machine to Machine) đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các giao thức hệ thống IoT và công nghệ truyền thông, nhằm mục đích đo lường các dấu hiệu sức khỏe quan trọng Hệ thống IoT được đề xuất giúp cung cấp trợ giúp kịp thời khi có sự thay đổi về sức khỏe, giảm áp lực cho nhân viên y tế và bệnh nhân, đồng thời giảm thời gian phản ứng với các bất thường trong dấu hiệu sinh tồn Việc áp dụng lý thuyết vi điều khiển vào thiết kế thiết bị theo dõi sức khỏe nhắm đến người già và bệnh nhân cần theo dõi liên tục, sử dụng công nghệ IoT để đảm bảo tính dễ sử dụng và thân thiện Giải pháp này cũng giảm thiểu tiếp xúc so với các phương pháp kiểm tra truyền thống, cho phép các chỉ số sức khỏe được gửi về ứng dụng trên điện thoại của người giám sát để theo dõi và hỗ trợ bệnh nhân từ xa, đặc biệt trong bối cảnh dịch COVID-19.
19 bùng nổ toàn cầu và chưa có thuốc đặc trị thì sản phẩm của nhóm lại càng thể hiện tính cần thiết của đề tài
- Tìm hiểu tổng quan, thực trạng các vấn đề đang tồn tại ở các thiết bị hiện có đồng thời đưa ra hướng khắc phục và cải tiến thiết bị
- Tìm hiểu về các linh kiện cơ bản của thiết bị
- Xây dựng lưu đồ thuật toán thể hiện vận hành của thiết bị và viết chương trình điều khiển cho mô hình
- Tìm hiểu về các thông số cần thiết để thiết lập thiết bị chuẩn xác
- Tìm hiểu về các cách kết nối, truyền dữ liệu từ thiết bị về máy qua wifi
- Tìm hiểu về App Blynk, thuật toán Smart Config
- Tìm hiểu về các bộ cảm biến đo thông số cần thiết
- Có sản phẩm thực tế và thực nghiệm đánh giá kết quả đã đặt được để đưa ra hướng phát triển mới
Mô hình thiết bị được xây dựng nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ, bao gồm giám sát nhịp tim, nồng độ bão hòa oxy trong máu và nhiệt độ cơ thể Các chỉ số sinh tồn sẽ được gửi đến máy chủ Blynk để hiển thị một cách trực quan Thiết kế của thiết bị cần nhỏ gọn, thuận tiện cho việc đeo lâu dài Mục tiêu nghiên cứu là làm chủ kiến thức về đồ án và sử dụng linh kiện dễ dàng tiếp cận trên thị trường.
- Mô hình chỉ hoạt động ở những nơi có kết nối mạng như: wifi và 3G, 4G,…
- Sử dụng cho mục đích cá nhân, có thể theo dõi tại nhà và liên tục
Chương một trình bày mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài, đồng thời xác định giới hạn thực hiện Trong khi đó, chương hai sẽ cung cấp cơ sở lý thuyết về công nghệ IoT, nêu rõ ý nghĩa, các phần mềm ứng dụng và chuẩn giao tiếp cơ bản liên quan đến hệ thống.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu
Bệnh Coronavirus 2019 (COVID-19) là bệnh truyền nhiễm do virus SARS-CoV-2 gây ra, thuộc họ coronaviridae COVID-19 lần đầu tiên được phát hiện vào cuối năm 2019 tại Vũ Hán, Trung Quốc và đã nhanh chóng lan rộng, gây ra thiệt hại nghiêm trọng trên toàn cầu với hàng triệu ca mắc được ghi nhận.
Tính đến tháng 10/2021, đại dịch COVID-19 đã ghi nhận 249 triệu trường hợp nhiễm và 5 triệu ca tử vong trên toàn cầu Tại Việt Nam, số ca dương tính đạt 900 ngàn, trong khi số ca tử vong vượt quá 21 ngàn Đại dịch này được cho là bắt nguồn từ việc săn bắt và tiêu thụ động vật hoang dã, với khả năng lây nhiễm cao từ người sang người thông qua tiếp xúc trực tiếp hoặc gần gũi, dẫn đến sự lây lan nhanh chóng của virus.
So sánh với đại dịch SARS bùng phát tại Hồng Kông với 8.422 trường hợp mắc và 774 trường hợp tử vong, COVID-19 cho thấy khả năng lây nhiễm và mức độ lây lan vượt trội hơn hẳn Điều này đã tạo ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với trật tự an sinh xã hội và tính mạng của người dân.
Triệu chứng và dấu hiệu
COVID-19 có thể gây ra triệu chứng từ nhẹ đến nặng, với một số người không có triệu chứng Tuy nhiên, một số trường hợp có thể dẫn đến bệnh nặng và tử vong Các triệu chứng phổ biến của bệnh này bao gồm:
Thở dốc hoặc khó thở
Ớn lạnh hoặc run giẩy kèm theo rùng mình nhiều lần
Không ngửi thấy mùi hoặc không nếm thấy vị mới xuất hiện
Thời gian ủ bệnh (kể từ khi tiếp xúc đến khi có triệu chứng) thường dao động từ
Thời gian ủ bệnh từ 2 đến 14 ngày, trung bình là 4 đến 5 ngày Phần lớn người nhiễm bệnh không có triệu chứng rõ ràng hoặc chỉ mắc bệnh nhẹ Mức độ tử vong tăng theo độ tuổi, đặc biệt cao ở những người có bệnh lý nền nghiêm trọng như ung thư, tiểu đường, suy giảm miễn dịch, béo phì, và các bệnh liên quan đến tim, phổi, gan.
Đo và theo dõi các thông số sinh tồn
Thông số sinh tồn là các chỉ số chức năng sống của cơ thể, phản ánh tình trạng hoạt động của các cơ quan và chức năng sinh lý của người bệnh Việc đo và theo dõi các thông số này là cần thiết khi người bệnh đến khám, điều trị tại cơ sở y tế hoặc trong quá trình chăm sóc sức khỏe tại nhà, giúp xác định các bệnh lý hiện tại và tiềm ẩn.
Nhân viên y tế sử dụng đánh giá thông số sinh tồn để xác định các can thiệp chăm sóc phù hợp với tình trạng bệnh của người bệnh, đồng thời theo dõi phản ứng của họ đối với liệu pháp điều trị và chăm sóc.
Các thông số sinh tồn chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như tuổi tác, thời tiết và môi trường Do đó, nhân viên y tế cần ghi nhận tất cả các yếu tố liên quan để tiến hành đánh giá chính xác về thông số sinh tồn.
Các thông số sinh tồn cơ bản bao gồm:
Độ bão hòa oxy trong máu
2.2 Tổng quan về các thông số sinh tồn
Các thông số sinh tồn cung cấp thông tin quan trọng về tình trạng sinh lý của bệnh nhân, giúp nhân viên y tế theo dõi và kiểm soát tình hình bệnh Trong bối cảnh đại dịch COVID-19, các chỉ số sinh tồn như độ bão hòa oxy trong máu, nhịp tim và nhiệt độ trở nên đặc biệt quan trọng Nhóm nghiên cứu sẽ tập trung vào ba thông số này để phát triển sản phẩm.
Spo2
SpO2, viết tắt của "Saturation of peripheral oxygen", là chỉ số độ bão hòa oxy trong máu ngoại vi Khi hít thở, oxy đi vào phổi và được máu cùng hemoglobin vận chuyển đến khắp cơ thể để duy trì sự sống Quá trình này diễn ra khi hemoglobin (Hb) kết hợp với oxy, tạo thành HbO2.
Hemoglobin có khả năng kết hợp với 4 phân tử oxy, và khi đã gắn đủ số lượng này, nó được gọi là bão hòa oxy Chỉ số SpO2 phản ánh tỷ lệ hemoglobin mang oxy so với tổng lượng hemoglobin trong máu; nếu tất cả hemoglobin đều gắn oxy, độ bão hòa oxy đạt 100% Đối với người khỏe mạnh, độ bão hòa oxy động mạch thường dao động từ 95% đến 100%.
Nồng độ bão hòa oxy trong máu dưới 90% được xem là thấp, được gọi là hiện tượng giảm oxy máu Khi nồng độ oxy trong máu động mạch giảm xuống dưới 80%, các chức năng của cơ quan như não và tim có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng, yêu cầu can thiệp y tế kịp thời Nếu tình trạng nồng độ oxy thấp kéo dài, nó có thể dẫn đến những nguy cơ nghiêm trọng như ngừng hô hấp hoặc ngưng tim.
Chỉ số SpO2 được đo bằng phương pháp đo oxy xung, một kỹ thuật gián tiếp và không xâm lấn, không cần đưa dụng cụ vào cơ thể Phương pháp này hoạt động bằng cách phát ra và hấp thụ sóng ánh sáng qua các mạch máu trong đầu ngón tay, cho phép xác định giá trị SpO2 thông qua sự biến đổi màu sắc của máu do mức độ bão hòa oxy.
Chỉ số SpO2 là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sức khỏe của mỗi người Việc theo dõi SpO2 hàng ngày là cần thiết, đặc biệt đối với những người mắc COVID-19, do các triệu chứng nguy hiểm của bệnh thường không rõ ràng, khiến việc nhận biết tình trạng sức khỏe trở nên khó khăn.
Sự vận chuyển oxy trong máu
Phân áp oxy trong máu động mạch đạt 95 mmHg, với thể tích oxy được vận chuyển dưới hai dạng: dạng hòa tan và dạng kết hợp với hemoglobin Trong đó, dạng kết hợp với hemoglobin chiếm 97% tổng thể tích oxy, tương ứng với 19,5 ml.
Trong máu động mạch, khi PO2 đạt 95mmHg, lượng oxy hòa tan chỉ khoảng 0,3 ml trong 100ml máu, trong đó 0,17ml được cung cấp cho mô So với 5ml oxy mà hemoglobin (Hb) vận chuyển đến mô, lượng oxy hòa tan này là rất ít Điều này cho thấy rằng lượng oxy hòa tan tỉ lệ thuận với áp suất phân oxy trong phế nang.
Hemoglobin là dạng vận chuyển chủ yếu của oxy trong máu, gắn oxy vào nguyên tử Fe++ của nhân Hem để tạo thành Oxyhemoglobin (HbO2) Phản ứng này diễn ra lỏng lẻo, cho phép oxy dễ dàng gắn vào hoặc tách ra khỏi hemoglobin.
1 gram Hb có thể vận chuyển 1,34ml O2
Trong 100ml máu, có khoảng 15 gram hemoglobin (Hb), cho phép vận chuyển tối đa 20ml oxy Tuy nhiên, thực tế chỉ có khoảng 97% Hb kết hợp với oxy, tương đương với 19,5ml oxy được vận chuyển trong máu động mạch Khi ở phổi với độ PO2 cao, oxy sẽ kết hợp với Hb để tạo thành HbO2, và khi đến mô có độ PO2 thấp, oxy sẽ tách khỏi hemoglobin.
Như vậy là ngoài chức năng vận chuyển oxy, hemoglobin còn có chức năng đệm oxy giúp PO2 của máu không bị biến động
Chỉ số SpO2 bao nhiêu là bình thường
Nghiên cứu cho thấy chỉ số SpO2 ≥ 94% là bình thường, cho thấy tình trạng oxy hóa trong máu an toàn Hiểu rõ các mức độ của chỉ số SpO2 sẽ giúp bạn chủ động theo dõi sức khỏe của mình.
SpO2 từ 97% - 99%: Chỉ số oxy trong máu tốt
SpO2 từ 94% - 96%: Chỉ số oxy trong máu trung bình, cần thở thêm oxy
SpO2 từ 90% - 93%: Chỉ số oxy trong máu thấp, cần tham khảo ý kiến của bác sỹ
SpO2 thấp hơn 90% là một ca cấp cứu trên lâm sàng
Hình 2.2-1: Thiết bị đo chỉ số SpO2
Các nhân tố ảnh hưởng đến mức SpO2
Có hai loại nhân tố làm giảm mức oxi trong máu: sự thay đổi trong môi trường và sự thay đổi trong cơ thể
Khi nói về sự thay đổi môi trường, độ cao là yếu tố quan trọng nhất Ở những nơi như núi cao hoặc trong máy bay, nồng độ oxy trong không khí giảm, dẫn đến lượng oxy mà máu hấp thụ từ phổi cũng giảm theo.
Sự thay đổi trong cơ thể thường liên quan đến hoạt động không bình thường của các bộ phận chức năng, có thể xuất phát từ bệnh lý hoặc từ tác động bên ngoài Các nguyên nhân này có thể bao gồm nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến sức khỏe và chức năng của cơ thể.
Các bệnh lý về hô hấp/phổi
Các bệnh lý về tim
Sử dụng thuốc an thầnn hoặc thuốc gây mê làm giảm tốc độ hô hấp
Ngủ và ngưng thở khi ngủ
Thiếu oxy trong thời gian dài có thể gây ra các triệu chứng như da tái xanh, đau đầu và chóng mặt Nếu tình trạng này kéo dài, nó có thể dẫn đến giảm oxy huyết, một trạng thái nguy hiểm có thể gây biến chứng nghiêm trọng đến tính mạng.
Đo SpO2 bằng hấp thụ quang học
Máy sử dụng hai nguồn LED với bước sóng ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại gần để phát hiện tín hiệu thay đổi do xung động huyết áp động mạch Máu có độ bão hòa oxy cao sẽ có màu đỏ tươi, trong khi máu có độ bão hòa oxy thấp sẽ có màu đỏ đậm Thiết bị tính toán độ bão hòa oxy bằng cách đo tỉ lệ hấp thu ánh sáng đỏ và hồng ngoại, trong đó các yếu tố như máu tĩnh mạch, độ dày của da, xương và móng tay không ảnh hưởng đến chỉ số này Phép đo xung động ký hoạt động dựa trên sự thay đổi hấp thu ánh sáng theo chu kỳ, phản ánh sự thay đổi thể tích máu giữa kỳ tâm thu và tâm trương.
Thông số SpO2 cho bởi công thức:
Khoảng 98,5% oxy trong máu động mạch của người khỏe mạnh được gắn với hemoglobin (Hb), trong khi chỉ 1,5% oxy tồn tại dưới dạng hòa tan trong máu Hemoglobin đóng vai trò quan trọng là chất vận chuyển oxy chính ở động vật có vú.
Nhịp tim
Nhịp tim, hay còn gọi là nhịp xoang, là số lần tim đập trong một phút và là một trong những chỉ số quan trọng phản ánh tình trạng sức khỏe tim mạch của mỗi người.
Theo Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ, nhịp tim trung bình của người trưởng thành khỏe mạnh dao động từ 60 – 100 nhịp/phút sau khi nghỉ ngơi ít nhất 15 phút Đối với vận động viên chuyên nghiệp, nhịp tim có thể duy trì ở mức 40 – 60 nhịp/phút do tim đã được rèn luyện lâu dài Nhịp tim của mỗi người có thể thay đổi tùy thuộc vào lứa tuổi, giới tính và là chỉ số quan trọng để đo lường sức khỏe, khả năng chịu đựng và thể lực.
Các yếu tố ảnh hưởng đến nhịp tim
Nhịp tim có thể thay đổi liên tục trong ngày, thường nhanh hơn khi chúng ta trải qua các trạng thái cảm xúc như căng thẳng, áp lực hoặc hồi hộp, cũng như khi tham gia vào các hoạt động thể chất cường độ cao Ngược lại, nhịp tim sẽ giảm khi cơ thể ở trong trạng thái nghỉ ngơi và thư giãn Mặc dù nhịp tim có sự biến động liên tục, nhưng vẫn có những chỉ số giới hạn được phân loại theo độ tuổi và giới tính Ngoài ra, một số yếu tố khác cũng có thể ảnh hưởng đến nhịp tim.
Khi nhiệt độ và độ ẩm tăng cao, tim sẽ bơm máu kém hiệu quả hơn, dẫn đến việc nhịp tim cần phải tăng lên để bù đắp Tuy nhiên, nhịp tim chỉ tăng nhẹ, thường dao động trong khoảng 5-10 nhịp mỗi phút.
Khi ở trạng thái cơ thể nghỉ ngơi, ngồi hoặc đứng, nhịp tim thường ổn định Tuy nhiên, một số bệnh nhân có thể gặp tình trạng hạ huyết áp tư thế, dẫn đến nhịp tim thay đổi nhanh chóng khi họ thay đổi tư thế, chẳng hạn như khi đứng dậy đột ngột Nhịp tim sẽ dao động nhanh trong khoảng 15-20 giây đầu tiên và sau đó trở lại mức bình thường sau vài phút.
Những người béo phì thường có nhịp tim cao hơn so với người bình thường, nhưng không vượt quá 100 nhịp/phút Điều này xảy ra vì tim phải làm việc nhiều hơn để cung cấp đủ lượng máu cho cơ thể với khối lượng lớn, so với những người có thể trạng bình thường.
Nhịp tim là một trong những chỉ số sinh tồn quan trọng, phản ánh nhiều bệnh lý liên quan đến tim mạch, phổi và hệ hô hấp Việc theo dõi nhịp tim có thể giúp giám sát tình trạng sức khỏe của người nhiễm COVID-19.
Chi số nhịp tim bình thường
Trẻ sơ sinh: 120/phút – 160/phút
Trẻ từ 1 - 12 tháng: 80/phút - 140/phút
Trẻ từ 1 - 2 tuổi: 80/phút -130/phút
Trẻ từ 2 - 6 tuổi: 75/phút - 120/phút
Trẻ từ 7 - 12 tuổi: 75/phút - 110/phút
Người lớn từ 18 - 40 tuổi: 60/phút - 100/phút
Người trung niên từ 41 – 60: 50/phút - 96/phút
Người cao tuổi trên 60: 56/phút - 94/phút
Nhịp tim lý tưởng cho người trưởng thành khỏe mạnh dao động từ 60 đến 80 nhịp mỗi phút, trong khi nhịp tim của người cao tuổi có thể cao hơn một chút, khoảng 70 đến 85 nhịp mỗi phút.
Nhịp tim tối đa là chỉ số quan trọng cần chú ý bên cạnh nhịp tim bình thường, đặc biệt đối với những người thường xuyên vận động cường độ cao, như vận động viên hoặc người có bệnh lý tim mạch Nhịp tim tối đa là mức cao nhất mà cơ thể có thể chịu đựng, và nếu vượt qua mức này, có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng như rối loạn nhịp tim, đau tức ngực và khó thở Để tính nhịp tim tối đa, bạn có thể sử dụng công thức 220 trừ đi tuổi của mình.
Ví dụ bạn tuổi 30 thì nhịp tim tối đa sẽ là : 220-30 = 190 nhịp/phút
Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học
Phương pháp sử dụng cảm biến quang học cho phép nhận tín hiệu đồng bộ với nhịp tim mà không ảnh hưởng đến lưu thông máu Khi tim co bóp, máu được đẩy đi khắp cơ thể, và khi tim giãn ra, máu được dồn vào trong, dẫn đến sự thay đổi áp suất trong động mạch Sự biến thiên này làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch; khi áp suất thấp, hấp thụ ít ánh sáng, cường độ ánh sáng sau khi truyền qua lớn, và khi áp suất cao, hấp thụ nhiều ánh sáng, cường độ giảm Do đó, cường độ ánh sáng truyền qua động mạch biến thiên đồng bộ với nhịp tim.
Hình 2.2-2: Nguyên lý đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học
Bố trí một photodiode để thu nhận ánh sáng sau khi nó đi qua động mạch cho phép chúng ta ghi nhận tín hiệu điện biến thiên đồng bộ với nhịp đập của tim Để đảm bảo độ chính xác cao cho tín hiệu thu được, nguồn sáng cần phát ra ánh sáng với cường độ ổn định theo thời gian.
Nhiệt độ
Cơ thể con người có khả năng tự điều chỉnh nhiệt độ theo môi trường sống, thời gian trong ngày và mức độ hoạt động Đặc biệt, nhiệt độ cơ thể thường giảm dần theo độ tuổi, với nhiệt độ trung tâm dao động từ 36.5 đến 37.1 độ C, phản ánh nhiệt độ ở các cơ quan bên trong như não, gan và các tạng khác.
Thân nhiệt mỗi người cân bằng nhờ 2 quá trình sinh nhiệt và mất nhiệt
Sinh nhiệt là kết quả của quá trình chuyển hóa trong cơ thể, bao gồm các phản ứng hóa học của tế bào, sự co mạch, co cơ, rung giật cơ, vận động, chuyển hóa chất và hoạt động của hệ nội tiết.
Mất nhiệt là quá trình vật lý diễn ra khi cơ thể tiếp xúc với môi trường, trong đó nhiệt độ được thải ra qua da, hơi thở và mồ hôi Quá trình này bao gồm giãn mạch ngoại biên, ức chế thần kinh và giảm khối lượng tuần hoàn, giúp điều chỉnh nhiệt độ cơ thể.
Các yếu tố gây ảnh hưởng đến nhiệt độ cơ thể
Tuổi tác ảnh hưởng đến thân nhiệt, với trẻ em thường có nhiệt độ cơ thể cao hơn so với người lớn Điều này là do trẻ em có mức độ hoạt động vật lý và quá trình chuyển hóa cao hơn, dẫn đến thân nhiệt cao hơn khi so sánh với người lớn.
Nhịp sinh học của cơ thể ảnh hưởng đến nhiệt độ cơ thể, với nhiệt độ giảm dần vào ban đêm khi ngủ và tăng nhẹ vào buổi sáng Thông thường, nhiệt độ cơ thể đạt đỉnh vào buổi chiều tối, với sự chênh lệch khoảng 1 độ C giữa các thời điểm này.
Vận động có thể làm tăng nhanh chóng nhiệt độ cơ thể, với mức tăng có thể vượt quá 2 độ C so với mức trung bình, đặc biệt khi tập luyện mạnh trong thời gian dài Đã có ghi nhận nhiệt độ cơ thể đạt đến 41 độ C trong những trường hợp này Tuy nhiên, cơ thể sẽ tự điều chỉnh và giảm nhiệt bằng cách toát mồ hôi, nên thường không gây nguy hiểm cho sức khỏe.
Các vấn đề bệnh lý thường gây ra sự thay đổi thân nhiệt bất thường, với sốt là hiện tượng phổ biến nhất khi cơ thể phản ứng với tác nhân ngoại lai Đặc biệt, ở bệnh nhân COVID-19, sốt là biểu hiện cơ bản cho thấy cơ thể đã bị phơi nhiễm virus, vì vậy việc giám sát nhiệt độ là rất quan trọng.
14 độ cơ thể là một việc quan trọng bắt buộc phải làm để ngăn ngừa sự lây nhiễm của dịch bệnh
Sốt là tình trạng tăng nhiệt độ cơ thể do rối loạn trung tâm điều hòa nhiệt độ, thường xảy ra khi có tác động của các yếu tố gây hại Khi nhiệt độ cơ thể vượt quá 37.8 độ C (đo ở trực tràng), được coi là sốt Cần lưu ý rằng không có khái niệm sốt ở mức 37 độ Sốt cao kéo dài có thể dẫn đến nhịp tim nhanh, gây nguy hiểm cho sức khỏe.
Sốt cao kéo dài nếu không được điều trị kịp thời có thể gây ra nhiều biến chứng nghiêm trọng cho sức khỏe.
- Mất điện giải - Co giật
- Tăng huyết áp, tim đập nhanh, hệ tuần hoàn có sự rối loạn
- Giảm thể tích máu gây khó khăn cho hoạt động của hệ tuần hoàn
- Tế bào tăng tiêu thụ oxy
- Rối loạn tiêu hóa với các biểu hiện: táo báo, chậm nhu động ruột, biếng ăn,
- Tâm thần thay đổi với biểu hiện: suy luận kém, nói linh tinh, mê sảng, - Tổn thương não gây viêm não, xuất huyết não,
- Suy yếu cơ chế miễn dịch của cơ thể
Nhận thức đúng mức độ sốt là rất quan trọng Nếu sốt đi kèm với các triệu chứng bất thường, bạn nên đến cơ sở y tế uy tín để bác sĩ chẩn đoán và tìm ra nguyên nhân, từ đó có hướng điều trị hiệu quả nhất.
Nguyên tắc làm việc của cảm biến nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong những thông số đo lường phổ biến nhất trên toàn cầu, được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị gia dụng như lò vi sóng, tủ lạnh, và máy điều hòa không khí, cũng như trong các thiết bị công nghiệp Cảm biến nhiệt độ hoạt động bằng cách đo mức độ nóng hoặc lạnh từ đối tượng mà nó kết nối Chúng cung cấp giá trị điện trở, dòng điện hoặc điện áp ở đầu ra, tỷ lệ với nhiệt độ cần đo, sau đó các đại lượng này được ghi nhận và xử lý theo yêu cầu của ứng dụng.
Cảm biến nhiệt độ về cơ bản được phân thành hai loại:
Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc: Các cảm biến nhiệt độ này sử dụng đối lưu và bức xạ để theo dõi nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ tiếp xúc được chia thành ba loại:
Cơ điện (Cặp nhiệt điện – Thermocouple)
Cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD – Resistance Temperature Detector)
Dựa trên chất bán dẫn (LM35, DS1820, v.v )
Khái niệm
Mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT) là khái niệm hiện đại, cho phép mọi đồ vật và con người có dữ liệu riêng, truyền tải và trao đổi thông tin qua một mạng duy nhất mà không cần tương tác trực tiếp IoT phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, vi cơ điện tử và Internet, tạo thành một tập hợp thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và thế giới bên ngoài để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.
Trong IoT, một vật có thể là bất kỳ đối tượng nào, từ người có trái tim cấy ghép, động vật trang trại với chip sinh học, đến xe cộ có cảm biến tích hợp giúp cảnh báo tài xế IoT kết nối các đối tượng này qua địa chỉ IP, cho phép truyền dữ liệu qua mạng Hiện nay, IoT chủ yếu được áp dụng trong các liên kết máy-đến-máy trong sản xuất, ngành năng lượng và công nghiệp xăng dầu, với khả năng tích hợp này thường được coi là thông minh.
Xu hướng và tính chất
Sự kết hợp giữa IoT và điều khiển tự động đang mở ra một tương lai mới cho các thiết bị thông minh Các máy móc không chỉ có khả năng nhận biết và phản hồi môi trường xung quanh mà còn có thể tự tổ chức và hoạt động độc lập theo từng tình huống Điều này cho phép chúng giao tiếp và trao đổi thông tin với nhau, tạo thành một mạng lưới thông minh Việc tích hợp trí thông minh vào IoT còn giúp thu thập và phân tích dữ liệu người dùng, từ đó phát hiện những tri thức mới liên quan đến cuộc sống, môi trường và hành vi con người.
Kiến trúc dựa trên sự kiện:
Trong IoT, các thực thể và máy móc phản hồi theo các sự kiện xảy ra trong thời gian thực Một số nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng mạng lưới cảm biến là một thành phần cơ bản của IoT.
Là một hệ thống phức tạp
Trong một thế giới mở, IoT sẽ trở nên phức tạp do sự kết nối đa dạng giữa các thiết bị, máy móc và dịch vụ, cùng với khả năng tích hợp các yếu tố mới.
Vấn đề không gian, thời gian
Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của một vật rất quan trọng Hiện nay, Internet chủ yếu phục vụ cho việc quản lý thông tin do con người xử lý, nên thông tin về địa điểm, thời gian và không gian thường không được coi trọng Người xử lý có thể quyết định tính cần thiết của những thông tin này và bổ sung khi cần Tuy nhiên, IoT sẽ thu thập một lượng lớn dữ liệu, bao gồm cả dữ liệu thừa về địa điểm, dẫn đến việc xử lý dữ liệu trở nên không hiệu quả Hơn nữa, việc xử lý khối lượng lớn dữ liệu trong thời gian ngắn để phục vụ cho hoạt động của các đối tượng là một thách thức lớn hiện nay.
Hiện nay, IoT đang phát triển mạnh mẽ nhờ vào các yếu tố như IPv6, 4G, chi phí và tính sẵn có của công nghệ Gary Atkinson, Giám đốc tiếp thị sản phẩm nhúng của ARM, cho biết nhiều thiết bị hiện có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu với giá khoảng 40 USD Các bộ vi điều khiển 32-bit nền tảng ARM hiện có giá chỉ khoảng 1 USD, cho phép thu thập và truyền dữ liệu với chi phí thấp hơn nhiều, chỉ 50 xu cho một bộ vi điều khiển 32-bit ARM đã nhanh chóng nhận ra xu hướng này và tận dụng cơ hội để phát triển.
Bộ vi điều khiển 32-bit đang trở thành giải pháp lý tưởng cho những ai muốn tự động hóa các quyết định của mình Gary nhận định rằng khả năng của bộ vi điều khiển này ngày càng được nâng cao, cho phép người dùng thực hiện những điều trước đây không thể Trong 5 năm tới, thị trường sẽ chứng kiến sự gia tăng đáng kể về số lượng thiết bị sử dụng công nghệ này Tuy nhiên, thách thức lớn nhất hiện nay là quản lý dữ liệu và chuyển đổi sang IPv6, khi mà IPv4 đã cạn kiệt và chỉ còn lại một số địa chỉ cuối cùng từ năm 2011.
Axel Pawlik, Giám đốc Quản lý của RIPE NCC, nhấn mạnh tầm quan trọng của IPv6 cho tương lai của IoT, với việc cung cấp lượng địa chỉ phong phú cho từng thiết bị và chip Điều này không chỉ giúp đơn giản hóa các giải pháp mà còn cho phép phục hồi đến từng địa chỉ cụ thể, mở ra cơ hội phát triển vô cùng lớn Lan Pearson, nhà tương lai học nổi bật tại các công ty như BT, Canon và Fujitsu, cho rằng sự hội tụ và phát triển nhanh chóng hiện nay là chưa từng có, với động lực từ áp lực phát triển công nghệ mới nhằm tạo ra máy tính và ổ đĩa nhanh hơn.
Ứng dụng công nghệ IoT
Theo Gartner, Inc., gần 26 tỷ thiết bị sẽ được kết nối qua Internet of Things (IoT) vào năm 2020, trong khi ABI Research dự đoán con số này sẽ vượt qua 30 tỷ thiết bị trong khái niệm "Kết nối mọi thứ" (Internet of Everything) Một khảo sát của Dự án Internet Pew Research cho thấy 83% chuyên gia công nghệ tin rằng Internet of Things, cùng với các công nghệ nhúng và tính toán đeo, sẽ có ảnh hưởng lớn và mang lại lợi ích đáng kể đến năm 2025 Điều này cho thấy IoT sẽ bao gồm một lượng lớn thiết bị kết nối Internet, với mỗi thiết bị sử dụng một địa chỉ IP duy nhất để xác định danh tính.
Do hạn chế về không gian địa chỉ của IPv4, các đối tượng trong Internet of Things (IoT) cần sử dụng IPv6 để đáp ứng nhu cầu địa chỉ lớn IoT không chỉ bao gồm các thiết bị cảm biến mà còn các thiết bị có khả năng điều khiển từ xa qua Internet Tương lai của IoT phụ thuộc vào sự hỗ trợ của IPv6, vì vậy việc áp dụng IPv6 toàn cầu trong những năm tới là rất quan trọng cho sự phát triển của IoT Các thiết bị IoT thường có CPU, bộ nhớ hạn chế và tiêu thụ năng lượng thấp, và chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Hệ thống IoT có khả năng thu thập thông tin từ các môi trường khác nhau, từ hệ sinh thái tự nhiên đến các tòa nhà và nhà máy, mở ra cơ hội cho các ứng dụng trong cảm biến môi trường và quy hoạch đô thị.
Hệ thống IoT không chỉ có khả năng cảm nhận mà còn thực hiện các hành động, mở ra nhiều ứng dụng đa dạng trong cuộc sống Những ứng dụng này bao gồm việc tự động hóa quy trình, quản lý thông minh và cải thiện hiệu suất trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Giám sát và kiểm soát hoạt động của cơ sở hạ tầng đô thị và nông thôn, như cầu và đường ray tàu hỏa, là ứng dụng quan trọng của IoT Hệ thống IoT có khả năng theo dõi các sự kiện và thay đổi trong điều kiện cơ sở hạ tầng, từ đó nâng cao an toàn và giảm nguy cơ Nó cũng hỗ trợ lập kế hoạch sửa chữa và bảo trì hiệu quả bằng cách phối hợp giữa các nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng Thiết bị IoT còn giúp kiểm soát cơ sở hạ tầng quan trọng như cầu, đảm bảo truy cập an toàn cho tàu Việc sử dụng IoT trong quản lý sự cố và ứng phó khẩn cấp có thể cải thiện chất lượng dịch vụ và giảm chi phí hoạt động trong các lĩnh vực cơ sở hạ tầng Ngay cả quản lý chất thải cũng được hưởng lợi từ tự động hóa và tối ưu hóa nhờ IoT.
Thiết bị IoT cho phép theo dõi sức khỏe từ xa và hệ thống thông báo khẩn cấp, với các thiết bị theo dõi đa dạng từ huyết áp đến nhịp tim, cùng với các thiết bị tiên tiến giám sát cấy ghép như máy điều hòa nhịp và trợ thính Cảm biến được trang bị trong không gian sống giúp theo dõi sức khỏe của người già và người bệnh Các thiết bị IoT không chỉ đảm bảo hoạt động hiệu quả mà còn hỗ trợ quản lý và chăm sóc sức khỏe, kết nối dữ liệu để mọi người có thể nắm bắt tình trạng sức khỏe của nhau mà không cần gặp mặt trực tiếp.
Xây dựng và tự động hóa nhà
Thiết bị IoT có khả năng giám sát và kiểm soát các hệ thống cơ khí, điện và điện tử trong nhiều loại hình tòa nhà, từ công cộng đến tư nhân, công nghiệp và nhà ở Hệ thống tự động hóa, bao gồm các tòa nhà thông minh, được sử dụng để điều khiển các chức năng như chiếu sáng, sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí, thiết bị giải trí và an ninh gia đình, nhằm nâng cao tiện lợi, thoải mái, hiệu quả năng lượng và an ninh cho người sử dụng.
Các sản phẩm IoT hỗ trợ tích hợp thông tin liên lạc và kiểm soát trong hệ thống giao thông vận tải, bao gồm xe, cơ sở hạ tầng và người sử dụng Sự tương tác giữa các thành phần trong hệ thống này cho phép truyền thông hiệu quả giữa phương tiện và cơ sở hạ tầng, đồng thời phát triển các giải pháp như giao thông thông minh, bãi đậu xe thông minh, hệ thống thu phí điện tử, quản lý đội xe và an toàn đường bộ Ngoài ra, IoT cũng đang được ứng dụng trong nghiên cứu và xây dựng mô hình trong lĩnh vực nông nghiệp, mở ra nhiều cơ hội mới cho sự phát triển bền vững.
Phần mềm arduino
Hình 2.4-1: Giao diện phần mềm Arduino
Arduino là một môi trường phát triển tích hợp đa nền tảng, cho phép lập trình viên viết, biên dịch và tải code lên các bo mạch như Arduino Uno, Nano, Mega và nhiều loại khác Phần mềm sử dụng ngôn ngữ C và C++, phù hợp với lập trình viên đã quen thuộc với hai ngôn ngữ này Với các tính năng như làm nổi bật cú pháp và thụt đầu dòng tự động, Arduino trở thành lựa chọn hiện đại cho lập trình Giao diện đồ họa thân thiện và các chức năng gỡ lỗi hỗ trợ các nhà phát triển đạt được kết quả tốt hơn Ngoài ra, bộ sưu tập ví dụ mẫu giúp người mới dễ dàng làm quen và nhanh chóng nắm bắt ứng dụng Arduino.
Cách thêm thư viện Arduino:
Bước 1: Vào Sketch->Include Library (thư viện bao gồm)->Manage libraries (quản lí thư viện)
22 Bước 2: Tại Manage libraries (quản lí thư viện) -> Gõ tên thư viện->Install
Cách nạp chương trình cho kit Arduino:
Bước 1: Chuẩn bị chương trình
Bước 2: Chọn bo và cổng kết nối
24 Bước 3: Chọn load để nạp chương trình xuống bo
Ứng dụng Blynk
Blynk là ứng dụng đa nền tảng trên iOS và Android, cho phép người dùng điều khiển và giám sát thiết bị qua internet Ứng dụng này không giới hạn vào một loại phần cứng cụ thể, mà hỗ trợ nhiều lựa chọn như Arduino và Raspberry Pi.
Pi, ESP8266 và nhiều module phần cứng phổ biến khác
Những lý do nên sử dụng Blynk:
Dễ sử dụng: việc cài đặt ứng dụng và đăng ký tài khoản trên điện thoại rất đơn giản cho cả IOS và Android
Chức năng phong phú: Blynk hỗ trợ rất nhiều chức năng với giao diện đẹp và thân thiện, bạn chỉ việc kéo thả đối tượng và sử dụng nó
Nếu bạn không có kinh nghiệm lập trình ứng dụng cho Android hay iOS, Blynk là một giải pháp lý tưởng giúp bạn khám phá thế giới Internet of Things (IoT) một cách dễ dàng.
Điều khiển, giám sát thiết bị ở bất kì đâu thông qua internet với khả năng đồng bộ hóa trạng thái và thiết bị
Hướng dẫn sử dụng Blynk với NodeMCU (ESP8266) Trước khi bắt đầu mở Arduino IDE và chọn đúng module mình đang sử dụng, ở đây là nodemcu Để dùng
Hình 2.4-2: Cài thư viện Blynk
26 được Blynk, cần cài thư viện blynk vào Arduino IDE
Cấu hình app Blynk theo các bước sau:
1 Có thể tạo tài khoản hoặc dùng tài khoản Facebook
2 Tạo một project, đây được hiểu giống như là một ứng dụng
3 Điền tên Project và chọn Board phần cứng (Các bạn có thể chọn NodeMCU hoặc ESP8266)
Mỗi project, Blynk sẽ gửi 1 mã Auth Token để nhập vào trong code của Board mạch điều khiển NodeMCU mỗi đối tượng chọn sẽ tốn energy
Sau khi chọn đối tượng, bạn cần nhấp vào để cấu hình chân và các mức logic Những cấu hình này sẽ ảnh hưởng đến board phần cứng Chẳng hạn, khi nhấn nút, chân gpio16 sẽ chuyển từ trạng thái logic 1 sang logic 0.
Sau khi hoàn tất cài đặt trên điện thoại, bước tiếp theo là lập trình cho board phần cứng Thư viện Blynk trong Arduino IDE cung cấp nhiều ví dụ hữu ích, giúp người dùng thử nghiệm và hiểu rõ cách thức hoạt động của Blynk.
Hình 2.4-6: Ví dụ mẫu từ thư viện Blynk
Giao tiếp Uart
UART, hay "Universal Asynchronous Receiver / Transmitter", là một vi mạch tích hợp trong vi điều khiển, khác với các giao thức truyền thông như I2C và SPI Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp, cho phép giao tiếp giữa hai thiết bị thông qua hai phương thức: giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song.
Sơ đồ khối của UART bao gồm hai thành phần chính: máy phát và máy thu Máy phát gồm ba khối chính là thanh ghi giữ truyền, thanh ghi dịch chuyển và logic điều khiển, trong khi máy thu bao gồm thanh ghi giữ, thanh ghi thay đổi và logic điều khiển Cả hai phần này thường được hỗ trợ bởi một bộ tạo tốc độ baud, có nhiệm vụ thiết lập tốc độ truyền dữ liệu giữa máy phát và máy thu.
Hình 2.5-2: Sơ đồ khối Uart
Thanh ghi trong máy phát chứa byte dữ liệu được truyền, với các thanh ghi thay đổi trong máy phát và máy thu di chuyển các bit sang phải hoặc trái cho đến khi một byte dữ liệu được truyền hoặc nhận Logic điều khiển đọc hoặc ghi được sử dụng để xác định thời điểm cần đọc hoặc viết Tốc độ baud giữa máy phát và máy thu dao động từ 110 bps đến 230400 bps, trong khi tốc độ truyền thông thường của vi điều khiển nằm trong khoảng 9600 đến 115200 bps.
Ưu và nhược điểm của UART
Nó chỉ cần hai dây để truyền dữ liệu
Tín hiệu CLK là không cần thiết
Nó bao gồm một bit chẵn lẻ để cho phép kiểm tra lỗi
Sắp xếp gói dữ liệu có thể được sửa đổi vì cả hai mặt được sắp xếp
Kích thước khung dữ liệu tối đa là 9 bit
Nó không chứa một số hệ thống phụ (hoặc)
Tốc độ truyền của UART phải ở mức 10% của nhau
Bộ tạo tốc độ Baud
Giao tiếp I2C
I2C, viết tắt của "Inter-Integrated Circuit", là giao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors Giao thức này cho phép truyền dữ liệu giữa bộ xử lý trung tâm và nhiều IC trên cùng một board mạch chỉ với hai đường tín hiệu, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong việc kết nối các thiết bị.
Với tính đơn giản, giao thức này được sử dụng phổ biến trong việc giao tiếp giữa vi điều khiển và các thiết bị như mảng cảm biến, thiết bị hiển thị, thiết bị IoT và EEPROMs.
Chỉ cần có hai đường bus (dây) chung để điều khiển bất kỳ thiết bị IC nào trên mạng I2C
Không cần thỏa thuận trước về tốc độ truyền dữ liệu trong giao tiếp UART, cho phép điều chỉnh tốc độ truyền dữ liệu linh hoạt bất cứ khi nào cần thiết.
Cơ chế đơn giản để xác thực dữ liệu được truyền
Sử dụng hệ thống địa chỉ 7 bit để xác định một thiết bị / IC cụ thể trên bus I2C
Các mạng I2C dễ dàng mở rộng Các thiết bị mới có thể được kết nối đơn giản với hai đường bus chung I2C.
Thiết bị y tế dựa trên IoT để theo dõi bệnh nhân COVID-19
Sự lây lan mạnh mẽ của dịch bệnh COVID-19 đã tạo ra thách thức lớn cho việc theo dõi, quản lý và chăm sóc bệnh nhân trong các nền y học Để giảm thiểu sự lây lan, cần thiết phải giảm thiểu các bước có thể gây lây nhiễm trong quá trình điều trị và sinh hoạt hàng ngày Giải pháp hiệu quả nhất hiện nay là áp dụng công nghệ IoT vào các thiết bị theo dõi và điều trị bệnh.
Công nghệ IoT trong y học cho phép thu thập, giám sát và phân tích dữ liệu sức khỏe, giúp thiết bị y tế giao tiếp từ xa Nhờ đó, người dân có thể tự theo dõi sức khỏe cơ bản qua các thiết bị kết nối IoT, trong khi nhân viên y tế theo dõi bệnh nhân từ xa mà không cần gặp mặt trực tiếp Điều này không chỉ cải thiện cách tiếp cận chăm sóc sức khỏe truyền thống mà còn góp phần quan trọng trong việc ngăn chặn sự lây lan của dịch bệnh.
Các lợi ích mà việc áp dụng IoT vào thiết bị chăm sóc sức khỏe có thể kể đến như:
Quản lý dữ liệu chăm sóc thời gian thực là một lợi ích quan trọng của IoT trong y tế, cho phép các nhà quản lý truy cập vào cơ sở dữ liệu bệnh nhân ngay lập tức Các thiết bị đeo tích hợp IoT không chỉ giúp người dùng theo dõi liên tục tình trạng sức khỏe mà còn cho phép cập nhật dữ liệu của bệnh nhân, từ đó cải thiện quy trình chăm sóc một cách kịp thời và phù hợp.
Sử dụng dữ liệu thời gian thực từ các thiết bị đeo giúp cải thiện việc giám sát bệnh nhân từ xa, cho phép bác sĩ và người quản lý chăm sóc cung cấp dịch vụ tốt hơn Điều này không chỉ nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe mà còn góp phần giảm chi phí y tế.
IoT đã cách mạng hóa chăm sóc sức khỏe tổng thể bằng cách cho phép bác sĩ và nhà quản lý chăm sóc hướng dẫn bệnh nhân từ xa, không cần gặp trực tiếp Điều này không chỉ giảm chi phí chăm sóc sức khỏe mà còn tăng tốc độ cung cấp dịch vụ, mang lại lợi ích lớn cho cả bệnh nhân và hệ thống y tế.
Phát triển cơ sở dữ liệu y tế đồng hành với việc cải thiện dịch vụ chăm sóc và chẩn đoán, nhờ vào công nghệ IoT, tạo ra một mạng lưới dữ liệu khổng lồ từ các thiết bị mà bệnh nhân sử dụng Điều này cung cấp cho đội ngũ y tế nhiều nguồn dữ liệu mới, hỗ trợ phân tích xu hướng chăm sóc sức khỏe và đánh giá tác động của các bệnh lý cũng như thuốc điều trị.
Quản lý chăm sóc bệnh mãn tính là một quá trình quan trọng vì các bệnh này không thể chữa khỏi hoàn toàn Để đảm bảo sự chăm sóc hiệu quả, cần thực hiện đánh giá liên tục nhằm can thiệp kịp thời Các thiết bị y tế kết nối IoT đóng vai trò quan trọng, giúp cải thiện chất lượng chăm sóc cho cả bệnh nhân và nhân viên y tế.
Giảm thiểu sai sót y khoa là một yếu tố quan trọng trong chăm sóc sức khỏe Nhờ vào Internet of Things (IoT), dữ liệu được tích hợp một cách chính xác và tự động hóa, giúp phân tích và đưa ra các kết quả, nhận xét với độ chính xác cao hơn bao giờ hết.
IoT giúp các nhà quản lý và nhân viên y tế theo dõi sức khỏe bệnh nhân một cách kịp thời và hiệu quả Bằng cách truy cập vào dữ liệu thời gian thực, họ có thể phát hiện sớm các biến đổi bất thường trong tình trạng sức khỏe và đưa ra các giải pháp cũng như cảnh báo từ xa cho bệnh nhân ngay lập tức.
So sánh sản phẩm với các sản phẩm trên thị trường
Bảng 1: So sánh sản phẩm
Sản phẩm đồ án Sản phẩm thị trường
Kinh nghiệm còn non trẻ Kinh nghiệm dày dặn
Linh kiện dễ tìm mua trên thị trường Linh kiện thay thế (phải chờ nhập khẩu, tốn thời gian)
Chưa có khả năng kháng nước và kháng bụi
Có khả năng kháng nước và kháng bụi cao
Sản phẩm hiện tại thiếu thẩm mỹ và có thiết kế thô sơ, trong khi những sản phẩm thẩm mỹ đa dạng về hình dạng lại mang đến sự thu hút hơn Mặc dù độ chính xác của thiết bị ở một số thông số còn hạn chế, nhưng có những thiết bị với độ chính xác cao hơn trong việc đo lường các thông số cần thiết.
Thời gian kết nối và độ trễ giữa thiết bị theo dõi và app theo dõi còn khá lâu
Thời gian kết nối và độ trễ giữa thiết bị theo dõi và app theo dõi nhanh
Kết luận chương 2
Chương hai trình bày cơ sở lý thuyết về các chức năng trong mô hình, cũng như khái niệm về IoT và thiết bị kết nối IoT Chương ba sẽ đi sâu vào việc tìm hiểu các linh kiện của mô hình và đề xuất phương án triển khai xây dựng thiết bị.
TÌM HIỂU LINH KIỆN VÀ PHƯƠNG ÁN TRIỂN KHAI
Vi điều khiển ESP8266
ESP8266 là một chip System on Chip (SoC) tích hợp cao, nổi bật với khả năng xử lý và lưu trữ hiệu quả Chip này cho phép thêm tính năng wifi cho các hệ thống khác hoặc hoạt động độc lập Với khả năng kết nối mạng wifi hoàn chỉnh, ESP8266 có thể được sử dụng để tạo ra một web server đơn giản hoặc làm một access point.
Wifi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2
Chuẩn điện áp hoạt động 3.3v
Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200
Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point
Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK
Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP
Tích hợp công suất thấp 32-bit CPU có thể được sử dụng như là bộ vi xử lý ứng dụng
Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy trạm
Sơ đồ chân của module esp8266:
Module Esp32
ESP32 là một dòng vi điều khiển giá rẻ, tiết kiệm năng lượng, hỗ trợ WiFi và Bluetooth chế độ kép, sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 với hai biến thể lõi kép và lõi đơn Nó bao gồm các thành phần như công tắc antenna tích hợp, RF balun, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản lý năng lượng Được phát triển bởi Espressif Systems, một công ty có trụ sở tại Thượng Hải, ESP32 được sản xuất bởi TSMC với công nghệ 40 nm và là sản phẩm kế thừa của vi điều khiển ESP8266.
Các tính năng của ESP32 bao gồm:
- CPU: Bộ vi xử lý Xtensa lõi kép (hoặc lõi đơn) 32-bit LX6, hoạt động ở tần số
160 hoặc 240 MHz và hoạt động ở tối đa 600 DMIPS
- Bộ đồng xử lý (co-processor) công suất cực thấp (Ultra low power, viết tắt: ULP)
Hệ thống xung nhịp: CPU Clock, RTC Clock và Audio PLL Clock
- Bluetooth: v4.2 BR/EDR và BLE (chia sẻ sóng vô tuyến với Wi-Fi)
- 10 cảm biến cảm ứng (touch sensor) (GPIO cảm ứng điện dung)
Esp32 có nhiều ưu điểm nổi bật so với Esp8266, nhưng đối với các ứng dụng cơ bản, Esp8266 vẫn là một lựa chọn hợp lý nhờ vào giá thành phải chăng mà nó mang lại cho người sử dụng.
Cảm biến nhịp tim, oxy MAX30100
Hình 3.1-4: Cảm biến nhịp tim MAX30100
Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30100 là thiết bị lý tưởng để đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu, phù hợp cho nhiều ứng dụng y sinh Sản phẩm này sử dụng phương pháp đo quang phổ hiện đại với thiết kế và chất liệu mắt đo chuyên biệt từ hãng Maxim, đảm bảo độ chính xác và độ bền cao Cảm biến hỗ trợ giao tiếp I2C và đi kèm với bộ thư viện dễ sử dụng trên Arduino, giúp người dùng dễ dàng triển khai trong các dự án.
Tích hợp IC MAX30100 của Maxim, đây chính là bộ cảm biến quang học gồm hai LED, được tối ưu và giảm nhiễu
Sử dụng nguyên lý đo sự hấp thụ quang học của máu
Tốc độ lấy mẫu và trạng thái LED có thể lập trình được phục vụ cho mục đích tiết kiệm năng lượng Giao tiếp thông qua kết nối I2C
Siêu tiết kiệm năng lượng, giúp tăng tuổi thọ pin cho các ứng dụng đeo tay
Giải pháp tích hợp đo nhịp tim và oxy trong máu trong cùng một thiết bị
Đo được nhịp tim và nồng độ Oxy trong máu
Điện áp sử dụng: 1.8~5.5VDC
Nhỏ gọn, siêu tiết kiệm năng lượng, thích hợp cho các thiết bị đo nhỏ gọn, dễ dàng đeo tay
Giao tiếp: I2C, mức tín hiệu TTL
Kích thước: 1.9 cm x 1.4 cm x 0.3 cm
Hình 3.1-5: Sơ đồ chân Max30100
Bảng 2: Thứ tự sơ đồ chân Max30100
Thứ tự chân Ký hiệu Loại Mô tả
1 VIN Power Nguồn cấp 1.8V - 5.5V (khuyên dùng 5V)
4 INT Output Chân INT của MAX30100
5 IRD Chân IR_DRV của MAX30100
Thứ tự chân Ký hiệu Loại Mô tả
6 RD Chân R_DRV của MAX30100
7 GND Power Điện áp đất 0V
Nguyên lý chung hoạt động:
Máy SpO2 sử dụng đèn chiếu với hai bước sóng (đèn LED đỏ và tia hồng ngoại gần) cùng cảm biến để thu tín hiệu phản hồi Oxy được hấp thụ vào phổi và truyền vào máu, nơi hemoglobin đóng vai trò chính trong việc vận chuyển oxy đến các cơ quan trong cơ thể Để đo nồng độ oxy trong máu, thiết bị giống như cái kẹp được gắn trên ngón tay, dái tai hoặc ngón chân Chùm ánh sáng nhỏ xuyên qua máu tại vị trí này để xác định lượng oxy bằng cách đo sự thay đổi trong khả năng hấp thụ ánh sáng của máu đã oxy hóa hoặc khử.
Hình 3.1-6: Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhịp tim, oxy
Hình 3.1-7:Tín hiệu hấp thụ từ đầu dò ngón tay đo oxy xung
Hình 3.1-7 minh họa dạng sóng hấp thụ đo được từ cảm biến ánh sáng trong đầu dò ngón tay để đo oxy xung, sử dụng chùm tia đỏ ( = 660 nm) và chùm tia hồng ngoại (= 940 nm) Các dạng sóng đặc và dạng chấm phản ánh đặc tính hấp thụ riêng biệt của từng chùm tia.
Hầu hết các nhà sản xuất máy đo oxy xung xác định % SpO2 dựa trên tỷ lệ cường độ quang học (r) giữa cường độ truyền qua của tia đỏ (Ird) và tia hồng ngoại (Iir), được đo bằng các cảm biến trong đầu dò Công thức tính r là r = 𝐼𝑟.
Trong nhiều trường hợp, một phương trình thực nghiệm hoặc bảng tra cứu giữa r và %SpO2 được thiết lập để sử dụng, nhằm đảm bảo giá trị chính xác trong quá trình áp dụng.
%SpO2 có thể được xác định từ các chỉ số Ird và Iir đo được, với mối tương quan giữa r và %SpO2 được xác minh thông qua việc đọc đồng thời tỷ số r từ máy đo oxy xung và lấy mẫu máu động mạch để phân tích Máy đo oxy xung được hiệu chỉnh bằng các thuật toán tương tự và áp dụng cảm biến trên trán bệnh nhân, cho phép đo oxy não liên tục và không xâm lấn, nhằm theo dõi độ bão hòa oxy trong máu ở vùng não dưới trán, giúp phát hiện tình trạng giảm cung cấp oxy cho não trong quá trình phẫu thuật hoặc chấn thương.
Dạng sóng do tín hiệu xung động mạch ( 1 = 660 nm) Dạng sóng do tín hiệu xung động mạch ( 2 = 940 nm)
LED đỏ và Hồng ngoại
Độ bão hòa oxy và tốc độ xung có thể được xác định thông qua nguyên tắc hấp thụ ánh sáng, kết hợp với các đặc tính của các chất khác trong quang phổ hấp thụ Việc sử dụng nhiều bước sóng ánh sáng cho phép thu thập dữ liệu về các thông số máu, bao gồm tổng lượng hemoglobin, carboxyhemoglobin, methemoglobin và hàm lượng oxy.
Màn hình Oled
Màn hình OLED 0.96 inch với giao tiếp I2C mang đến khả năng hiển thị sắc nét và sang trọng trong điều kiện ánh sáng ban ngày Sản phẩm không chỉ tiết kiệm năng lượng tối đa mà còn có mức chi phí hợp lý Giao tiếp I2C đảm bảo chất lượng đường truyền ổn định và dễ dàng kết nối chỉ với 2 chân GPIO.
Điện áp sử dụng: 2.2~5.5VDC
Góc hiển thị: lớn hơn 160 độ
Số điểm hiển thị: 128x64 điểm
Độ rộng màn hình: 0.96 inch
Cảm biến nhiệt độ LM35
Hình 3.1-9: Cảm biến nhiệt độ LM35
LM35 là cảm biến nhiệt độ tương tự với điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ, cho phép dễ dàng chuyển đổi sang giá trị nhiệt độ bằng độ C Sử dụng công nghệ bán dẫn, LM35 có khả năng đo nhiệt độ trong khoảng từ -55 đến 150 độ C Cảm biến này yêu cầu nguồn điện áp từ 4-20V và cung cấp tín hiệu đầu ra điện áp 0-5V tương ứng với dải nhiệt độ hoạt động.
Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cung cấp một giá trị điện áp tại chân VOUT (chân giữa) tương ứng với mỗi mức nhiệt độ Để sử dụng, bạn cần cấp điện áp 5V cho chân bên trái của cảm biến và nối chân bên phải với đất Sau đó, đo hiệu điện thế ở chân giữa để xác định nhiệt độ trong khoảng từ -55ºC đến 150ºC tương ứng với điện áp đo được.
Điện áp hoạt động: 4~20VDC
Cụng suất tiờu thụ: khoảng 60àA
Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C
Kích thước: 4.3 × 4.3mm Ưu điểm của LM35:
Không yêu cầu bất kỳ hiệu chuẩn bên ngoài nào
Lớp vỏ cũng bảo vệ nó khỏi bị quá nhiệt
Cảm biến này được ưa chuộng bởi chi phí thấp và độ chính xác cao, trở thành lựa chọn lý tưởng cho những người đam mê chế tạo mạch điện tử, các nhà DIY và sinh viên.
*Nguyên lý hoạt động của LM35:
Công thức để chuyển đổi điện áp sang nhiệt độ độ o C cho LM35 là:
Nhiệt độ đo được ( o C) = Điện áp được đọc bởi bộ ADC/10 mV
Hình 3.1-10: Mạch cơ bản của cảm biến LM35
Cảm biến LM35 trong cấu hình mạch này có khả năng đo nhiệt độ dương từ 2°C đến 150°C Để sử dụng, chỉ cần cấp nguồn cho LM35 và kết nối đầu ra trực tiếp với bộ chuyển đổi tương tự sang số.
Hình 3.1-11:Mạch đo nhiệt độ toàn dải
Trong cấu hình mạch như trên, chúng ta có thể đo nhiệt độ toàn dải từ -55 o C đến
Cấu hình mạch ở 150 o C khá phức tạp nhưng cho kết quả cao Để chuyển đổi mức điện áp âm sang dương, cần kết nối một điện trở bên ngoài (R1) Giá trị của điện trở này có thể được tính toán theo công thức được ghi dưới cấu hình mạch.
Pin và mạch sạc bảo vệ
Pin sạc 3,7v Lithium Li-Polymer 502030 – 300mAh
Loại pin: Pin sạc / Lithium Li-polymer
Điện áp khi sạc đầy: 4,2V
Loại pin: Pin polymer lithium
Mạch Sạc Pin TP4056 Lithium Micro USB
Mạch sạc pin TP4056 Lithium Battery Charge Controller Micro USB là phiên bản cải tiến của mạch TP4056 Mini USB, bổ sung tính năng ngắt tải để bảo vệ pin khỏi hư hỏng khi điện áp giảm quá thấp Mạch này thích hợp cho việc sạc các loại pin Lithium có điện áp từ 3.7 đến 4.2VDC, như pin Lipo và pin 18650, với thiết kế nhỏ gọn và tiện lợi.
Kết nối Micro USB mang lại sự tiện lợi, với đèn báo cho biết trạng thái sạc và mức pin đầy Đây là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng sử dụng pin sạc như robot và mạch cảm biến không dây.
Ưu điểm Mạch sạc pin TP4056 có IC bảo vệ:
- Được tích hợp đèn LED báo đang sạc và đã sạc đầy
- Có thể điều chỉnh dòng sạc pin
- Sạc Pin 3.7V : Pin Ultrafire, Pin Lion 3.7V
- Chức năng bảo vệ xả cạn pin
- Cổng Sạc MicroUSB ( Cổng sạc điện thoại thông dụng hiện nay )
- Bảo vệ xả đến điện áp: 2.5V ( Tránh làm cạn Pin)
- Bảo Vệ Xả Quá Dòng: 3A
Khi pin được kết nối lần đầu, có thể không có điện áp giữa OUT+ và OUT– Nếu gặp trường hợp này, mạch bảo vệ có thể được kích hoạt bằng cách sạc với điện áp 5V Ngoài ra, khi pin bị ngắn mạch từ B+ đến B-, cần phải sạc pin để kích hoạt mạch bảo vệ.
Khi sử dụng bộ sạc, hãy đảm bảo rằng nó có công suất từ 1A trở lên để đảm bảo quá trình sạc diễn ra đúng cách Ổ cắm MICRO USB và pad + nằm cạnh ổ cắm USB MICRO là đầu vào nguồn 5V Kết nối B+ với điện cực dương của pin lithium và B- với điện cực âm của pin Đối với OUT+ và OUT-, chúng được kết nối với tải như điện thoại di động hoặc các thiết bị khác.
Kết nối pin với B + B-, lắp bộ sạc điện thoại vào ổ cắm USB, đèn đỏ đang sạc, đèn xanh đã đầy
Phương án triển khai xây dựng thiết bị
Nhóm em đã ưu tiên lựa chọn các linh kiện nhỏ gọn để đáp ứng nhu cầu sử dụng và tối giản kích thước cho thiết bị Các linh kiện được lựa chọn bao gồm những sản phẩm phù hợp với các yêu cầu cơ bản của bài toán.
Lựa chọn bộ điều khiển
Khi so sánh về chức năng và tốc độ làm việc, ESP32 nổi bật với nhiều ưu điểm, nhưng giá thành của nó cao gấp ba lần so với ESP8266 Tuy nhiên, với yêu cầu của đề tài, ESP8266 hoàn toàn đáp ứng được, vì vậy lựa chọn ESP8266 là quyết định hợp lý.
Cảm biến MAX30100 là lựa chọn phổ biến để đo nhịp tim và chỉ số SpO2 tại Việt Nam Mặc dù trên thế giới có nhiều loại cảm biến cao cấp hơn như MAX30205, nhưng sản phẩm này hiện không có mặt trên thị trường Việt Nam.
Do tình hình dịch bệnh phức tạp nhóm em lựa chọn MAX30100 với LM35 để đo nhiệt độ thay vì sử dụng MAX30205
Lựa chọn phương án hiển thị
Nhằm giảm kích thước mô hình nhóm lựa chọn sử dụng màn hình Oled 0.96 inch cho kích thước nhỏ và khả năng hiển thị tối ưu hơn
Lựa chọn phương án gia phần vỏ thiết bị
Vỏ thiết bị có cấu trúc phức tạp, đòi hỏi quy trình gia công tỉ mỉ Nhóm đã lựa chọn thiết kế mẫu 3D trên phần mềm và sử dụng máy in 3D để hoàn thiện vỏ sản phẩm, nhằm khắc phục những hạn chế về kinh nghiệm.
Chương 3 trình bày nội dung về các linh kiện cơ bản và đề ra phương án thực hiện xây dựng mô hình Chi tiết về quá trình xây dựng mô hình thực nghiệm được trình bày ở chương 4 của bài báo cáo
