(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công mô hình sử dụng iot giám sát bệnh nhân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH SỬ DỤNG IOT GIÁM SÁT BỆNH NHÂN GVHD: NGUYỄN NGÔ LÂM SVTH: LÊ TRỌNG LÀNH MSSV: 114119154 SVTH: NGUYỄN LÊ SƠN MSSV: 14119168 SKL005440 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2019 an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH SỬ DỤNG IOT GIÁM SÁT BỆNH NHÂN SVTH : MSSV : SVTH : MSSV : Khóa : Ngành : GVHD: LÊ TRỌNG LÀNH 114119154 NGUYỄN LÊ SƠN 14119168 2014 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH ThS NGUYỄN NGƠ LÂM Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Trọng Lành MSSV: 14119154 Nguyễn Lê Sơn MSSV: 14119168 Ngành: Công nghệ kỹ thuật máy tính Lớp: 14119CL1 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm ĐT: 01267828599 Ngày nhận đề tài: 15/9/2018 Ngày nộp đề tài: 15/1/2019 Tên đề tài: Thiết kế thi cơng mơ hình sử dụng IoT giám sát bệnh nhân Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kit Phát Triển ARM STM32F103; Đồ án môn học 2: Thiết kế thi công hệ thống SMART ROOM Nội dung thực đề tài: Thiết kế thi cơng mơ hình sử dụng IoT giám sát bệnh nhân thông qua đo thân nhiệt nhịp tim bệnh nhân Giám sát quản lí liệu, thơng tin bệnh nhân qua Web Server sử dụng Firebase Sản phẩm: Mơ hình hệ thống thiết bị y tế gồm hai client hệ thống để thu thập liệu từ bệnh nhân thông tin bệnh nhân hiển thị lên hình qua Web server với mạng nội GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Lê Trọng Lành MSSV: 14119154 Nguyễn Lê Sơn MSSV: 14119168 Ngành: Công nghệ kỹ thuật máy tính Tên đề tài: Thiết kế thi cơng mơ hình sử dụng IoT giám sát bệnh nhân Họ tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: ……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 Giáo viên hướng dẫn an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Lê Trọng Lành MSSV: 14119154 Nguyễn Lê Sơn MSSV: 14119168 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật máy tính Tên đề tài: Thiết kế thi cơng mơ hình sử dụng IoT giám sát bệnh nhân Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: ……………… (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 Giáo viên phản biện an LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài này, nhóm sinh viên thực xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy/Cô khoa Đào tạo Chất lượng cao, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, người truyền đạt cho em kiến thức quý báu, dẫn định hướng cho nhóm trình học tập Đây tiền đề để nhóm hồn thành đề tài sự nghiệp sau Đặc biệt, nhóm xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Ngô Lâm tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm suốt thời gian thực đồ án tốt nghiệp Nhóm xin phép gửi đến thầy lịng biết ơn lời cảm ơn chân thành sâu sắc Kiến thức, kinh nghiệm tâm nghề nghiệp thầy khơng giúp đỡ nhóm hồn thành tốt đề tài mà cịn gương để nhóm học tập noi theo đường sau Bên cạnh đó, nhóm xin cảm ơn anh, chị khóa trước bạn sinh viên lớp 14119CL1 nhiệt tình đóng góp ý kiến chia sẻ kinh nghiệm để giúp nhóm hồn thành đề tài Cuối cùng, mặc dù cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt đảm bảo thời hạn kiến thức hạn hẹp chắn sẽ khơng tránh khỏi thiếu sót, mong Thầy/Cơ bạn sinh viên thơng cảm Nhóm mong nhận ý kiến Thầy/Cô bạn sinh viên Nhóm xin chân thành cảm ơn! iv an LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, giới điện tử số phát triển cách nhanh chóng mạnh mẽ, cụ thể vi xử lí ngày trở nên đa dạng ứng dụng gần gũi với Cùng với sự phát triển đa dạng ngành công nghiệp vi điều khiển nên tài nguyên vi xử lý nâng cao để đáp ứng ứng dụng khác thực tế Các thiết bị IoT ngày ứng dụng rộng rãi lĩnh vực đời sống xã hội Mặc dù khái niệm IoT trở nên quen thuộc ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống người, đặc biệt ở nước phát triển có khoa học cơng nghệ tiên tiến Tuy nhiên, công nghệ chưa áp dụng cách rộng rãi ở nước ta, điều kiện kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song hứa hẹn đích đến tiêu biểu cho nhà nghiên cứu, cho mục đích phát triển đầy tiềm Công nghệ IoT ngày trở nên có ảnh hưởng lĩnh vực chăm sóc sức khỏe cách giúp nhà cung cấp dịch vụ y tế dễ dàng theo dõi bệnh nhân lần thăm khám, đồng thời giúp đưa phác đồ điều trị tương lai cách hiệu kịp thời Nhờ bệnh nhân chăm sóc tốt Chính thế, nhóm lựa chọn đề tài THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH SỬ DỤNG IOT GIÁM SÁT BỆNH NHÂN nhằm tìm hiểu thêm sự quan trọng vi xử lý, Web Server, Firebase đáp ứng nhu cầu cấp thiết xã hội Bên cạnh việc đo nhiệt độ thể, nhịp tim thơng số thể tình trạng trực tiếp sức khỏe, việc giám sát cần thiết để nắm bắt kịp thời tình trạng sức khỏe bệnh nhân, nhằm đưa giải pháp điều trị xác kịp thời v an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv LỜI NÓI ĐẦU v MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1.6 BỐ CỤC ĐỒ ÁN CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CÔNG NGHỆ IOT 2.1.1 Mơ hình hệ thống IoT 2.1.2 Các chuẩn truyền thông thiết bị IoT 2.1.3 Ứng dụng IoT – nâng cao chất lượng ngành y tế 2.2 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN STM32F103C8T6 2.2.1 Giới thiệu sơ lược STM32F103C8T6 2.2.2 Cấu hình chi tiết STM32F103C8T6 10 2.3 GIỚI THIỆU KIT RF THU PHÁT WIFI ESP8266 NODEMCU 11 2.4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LM35 13 2.5 CẢM BIẾN NHỊP TIM PULSE SENSOR 14 2.6 LCD TEXT LCD1602 18 vi an 2.7 CHUẨN GIAO TIẾP I2C 20 2.8 CHỨC NĂNG ADC CỦA VI ĐIỀU KHIỂN STM32F103C8T6 23 2.9 GIAO TIẾP UART 23 2.10 PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG WEB SERVER 24 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 27 3.1 YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 27 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 27 3.1.2 Sơ đồ khối chức khối 27 3.1.3 Hoạt động hệ thống 28 3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG 29 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 29 3.2.2 Khối Client 29 3.2.2.1 Khối xử lý trung tâm Client 29 3.2.2.2 Khối cảm biến thân nhiệt 31 3.2.2.3 Khối cảm biến đo nhịp tim 32 3.2.2.4 Khối hiển thị 32 3.2.2.5 Khối Wifi 33 3.2.2.6 Khối nút nhấn khẩn cấp 34 3.2.4 Khối Server 35 3.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 35 3.3.1 Yêu cầu phần mềm: 35 3.3.2 Lưu đồ giải thuật hệ STM32F103C8T6 36 3.3.2.1 Lưu đồ giải thuật hệ thống 36 3.3.2.2 Lưu đồ giải thuật chương trình đo thân nhiệt 37 3.3.2.3 Lưu đồ giải thuật chương trình đo nhịp tim 38 3.3.2.4 Lưu đồ chương trình hiển thị LCD gửi liệu 40 3.3.3 Lưu đồ giải thuật hệ ESP8266 NodeMCU 41 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 42 4.1 KẾT QUẢ 42 4.2 KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ 45 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 46 vii an 5.1 KẾT LUẬN 46 5.2 HẠN CHẾ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI GẦN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC 49 vii i an 3.3.2.3 Lưu đồ giải thuật chương trình đo nhịp tim Giải thích lưu đồ: Bắt đầu - Đầu tiên, khai báo biến phục vụ đo nhịp tim Khai báo biến - Khởi tạo timer3 - Timer3 16bit đếm lên có hệ số presaler = 128, đếm lên, chu kì Khởi tạo timer3 đếm 125 (0 đến 124) - Đếm timer3 đến đến 124 0.2 mili giây chu kì timer3 KT Timer3 đếm lên đến 125 phải 16*10^(-6) giây suy tần số timer3 phải 62500 HZ Đ - Muốn có tần số timer3 62500HZ = 8*10(6) chia 128 ngắt - Khi timer3 tràn thực chương trình ngắt Kết thúc 38 an Giải thích lưu đồ: Bắt đầu  Đầu tiên đọc lưu liệu ở chân A0 ADC1 cảm biến nhịp tim Đọc liệu adc1  Xác định điểm cực đại xung nhịp tim  Tìm điểm cực đại Kiểm tra có xung nhịp tim hay khơng  Nếu có thì lưu trữ thời gian từ cực đại trước đến cực đại xung nhịp tim KT có xung nhịp tim hay khơng S  Có thể lưu nhiều giá trị tính trung bình để chống nhiễu Đ  Số nhịp phút BPM = 60s chia thời gian lưu ở Lưu trử thời gian cực đại Số nhịp phút = 60s chia thời gian Kết thúc 39 an 3.3.2.4 Lưu đồ chương trình hiển thị LCD gửi liệu Giải thích lưu đồ: Bắt đầu - Đầu tiên chuyển liệu số nhịp tim thân nhiệt thành Xử lý liệu liệu kiểu chuỗi ký tự - Sau kiểm tra I2C2 hoạt động hiển thị lên KT I2C2 hoạt động S LCD sau Dòng 1: NHIP TIM: Dịng 2: THAN NHIET: Đ - UART1 hoạt động gửi liệu Hiển thị liệu lên LCD KT UART1 hoạt động Tiếp theo kiểm tra xử lý qua NodeMCU S Đ Gửi liệu cho NodeMCU Kết thúc 40 an 3.3.3 Lưu đồ giải thuật hệ ESP8266 NodeMCU Giải thích: Bắt đầu - Đầu tiên định nghĩa thư viện, biến phục vụ Định nghĩa thư viện, khai báo biến - Kết nối wifi cho NodeMCU - Tạo JSON “BENH NHAN 1” - Kiểm tra có liệu gửi đến Kết nối wifi NodeMCU nhận xử lý liệu - Tạo JSON Dữ liệu xử lý thành hai thông số nhiệt độ nhịp tim - “NHIET DO” “NHIP TIM” S KT liệu gủi đến Gán liệu cho đối tượng JSON “BENH NHAN 1” Đ Update JSON “BENH NHAN 1” lên FireBase - Nhận liệu Kết thúc chu kì Gán dữ liệu vào đối tượng JSON Update JSON lên FireBase Kết thúc 41 an CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 4.1 KẾT QUẢ Qua trình thiết kế phần cứng, chọn lựa linh kiện, nhóm tiến hành kiểm tra kết nối module, linh kiện với cho sản phẩm hình bên Hình 1: Mặt trước mơ hình hệ thống Mặt trước hệ thống gồm có LCD, nút nhấn khẩn cấp led khẩn cấp Hình 2: Mặt mơ hình hệ thống Mặt hệ thống gồm có cảm biến nhiệt độ cảm biến nhịp tim 42 an Hình 3: mặt sau mơ hình hệ thống Mặt sau hệ thống module WIFI ESP8266 NodeMCU Hình 4 LCD hiển thị kết hệ thống chạy Giải thích liệu hiển thị LCD: - LCD hiển thị hàng là: “NHIP TIM: ” giá trị nhịp tim thu từ cảm biến PULSE SENSOR - LCD hiển thị hàng là: “THAN NHIET: ” giá trị nhiệt độ thu từ cảm biến LM35 43 an Hình 5: Dữ liệu FireBase Dữ liệu hiển thị nhiệt độ nhịp tim bệnh nhân Nút nhấn khẩn cấp nhấn Kết đạt được: Qua trình nghiên cứu, nhóm thực đề tài đạt vấn đề sau: Đã hiểu ứng dụng cảm biến nhiệt độ, cảm biến nhịp tim Lập trình xử lý việc đo thân nhiệt thông qua cảm biến nhiệt độ LM35 lấy liệu nhịp tim cảm biến nhịp tim dạng quang Pulse Sensor Chuyển tiếp liệu từ STM32f103 đến esp8266 thông qua UART để cập nhật sở liệu hiển thị lên web Mơ hình thực nhu cầu đặt ra:  Giám sát thân nhiệt, nhịp tim bệnh nhân - Có thể đo nhiệt độ thể - Có thể đo nhịp tim  Hiển thị thông tin bệnh nhân lên hình hiển thị  Có nút nhấn khẩn cấp để báo hiệu cần thiết  Hiển thị thông tin bệnh nhân lên web Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống: Mạch hoạt động tốt ở điều kiện nhiệt độ trung bình (khơng q lạnh q nóng) Mạch phải đặt ở nơi khơ ráo, cảm biến đặt ở nơi cần đo Mạch phải cấp nguồn hoạt động liên tục, phải có 44 an máy tính có khả thường xun kết nối với Web Server để xem liệu trực quan Trong giới hạn đề tài nhóm giới hạn nghiên cứu sau: • Thực việc xác định trạng thái sức khỏe bệnh nhân • Lập trình xử lý việc đo thân nhiệt thông qua IC cảm biến nhiệt độ LM35 lấy liệu nhịp tim cảm biến nhịp tim dạng quang Pulse Sensor • Chuyển tiếp liệu từ STM32f103 thông qua UART đến esp8266 để cập nhật sở liệu hiển thị lên web • Thơng tin bệnh nhân hiển thị web thông qua firebase 4.2 KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ  Nhịp tim Sử dụng phương pháp bắt mạch thủ cơng tìm số nhịp đập phút  Thân nhiệt Sử dụng nhiệt kế để lấy liệu thân nhiệt so sánh với kết thực 45 an CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 5.1 KẾT LUẬN Qua đề tài “Thiết kế thi cơng mơ hình IoT giám sát bệnh nhân”, nhóm thực nghiên cứu vấn đề sau:  Nghiên cứu tổng quát ứng dụng IoT y tế, hệ thống chăm sóc sức khỏe thơng minh thực tế  Tìm hiểu ngơn ngữ C cho lập trình ARM board nhúng STM32f103C8T6  Theo dõi hệ thống đồng thời qua hình LCD hiển thị trực tiếp thơng qua Realtime Database Firebase  Hệ thống hoạt động đo thân nhiệt nhịp tim bệnh nhân thơng qua cảm biến  Hệ thống có nút nhấn khẩn cấp để báo hiệu cần thiết  Có thể truyền nhận liệu thơng qua UART vi điều khiển STM32f103 với esp8266 5.2 HẠN CHẾ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI GẦN Hạn chế:  Sai số cảm biến nhịp tim chuyển từ thư viện nhà phát hành hỗ trợ cho Arduino sang ARM  Chưa xử lý nhiễu ánh sáng lúc đo nhịp tim  Mơ hình thiết kế chưa đẹp  Để lấy số liệu thân nhiệt xác thì phải khoảng thời gian lâu Hướng phát triển:  Trong tương lai tối ưu hóa để giảm sai số cảm biến  Đo đạt thêm số bệnh nhân như: huyết áp, lượng oxi máu, … 46 an  Có thể thiết kế ứng dụng Android để điều khiển quản lý hệ thống: đăng nhập vào hệ thống, tắt mở hệ thống, lưu lại lịch sử bệnh nhân, … 47 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://www.iotforall.com/iot-applications-in-agriculture/ [2] https://techinsight.com.vn/iot-giai-phap-cham-soc-suc-khoe-cho-tuong-lai/ [3] https://pulsesensor.com/pages/pulse-sensor-amped-arduino-v1dot1 [4] hhttps://healthplus.vn/nhip-tim-khi-nghi-ngoi-la-gi-nhip-tim-nhu-the-nao-labinh-thuong-d53084.html [5] https://kienltb.wordpress.com/2015/03/22/giao-tiep-i2c/ [6] https://tapit.vn/chuc-nang-adc-su-dung-vi-dieu-khien-stm32f103c8t6/ [7] https://laptrinharmst.blogspot.com/2018/03/bai-08-uart-trong-stm32f103.html [8] http://vn.apps-gcp.com/huong-dan-co-ban-ve-firebase-nen-tang-mbaas-uuviet-cua-google/ [9] https://arduino.esp8266.vn/ [10]Datasheet Esp8266 Node MCU [11]Datasheet LM35 [12]Datasheet STM32f103c8t6 48 an PHỤ LỤC  Các bước tạo project Firebase Bước 1: Tạo tài khoản chọn Get Started for free ấn vào đăng nhập, dùng tài khoản google Hình Đăng nhập vào Firebase Bước 2: Tạo project Hình 2: Tạo Project an Bước 3: Vào Database tạo đối tượng Hình 3: Tạo đối tượng Lưu ý: giá trị project phải để null tiến hành tạo đối tượng buzzer có giá trị hello hình nhấn enter click chuột vào add Hình 4: Tạo đối tượng Sau hoàn thành bước bắt đầu vào viết chương trình có cách để ghi liệu vào database firebase:  Quản trị (có key) phép ghi liệu vào database  Tự ghi liệu vào firebase an  Ghi liệu vào firebase Để sử ghi liệu vào cách này, cần phải cho phép database nhận liệu từ nguồn người quản trị:  tiến hành sửa giá trị Null thành true phép sử dụng chức Hình 5: Cấu hình cho FireBase nhận liệu  Code cấu hình đăng nhập vào firebase arduino Hình 6: Code đăng nhập vào FireBase  Firebase_host: địa database (tùy vào nơi đối tượng cần ghi liệu)  Firebase_auth: key bảo mật database (vì ví dụ khơng cần bảo mật, nên FIREBASE_AUTH để trống) Hình 7: Lấy Link liên kết FireBase an S an K L 0 ... công nghệ IoT hệ thống giám sát sức khỏe bệnh nhân với quy mô nhỏ, đề tài ? ?Thi? ??t kế thi cơng mơ hình sử dụng IoT giám sát bệnh nhân? ?? nhóm sinh viên thực thi? ??t kế nhằm hướng đến tương lai sử. .. tài ? ?Thi? ??t kế thi công mô hình sử dụng IoT giám sát bệnh nhân? ?? thực nhằm thi? ??t kế thi cơng hệ thống có chức năng: • Đo thân nhiệt bệnh nhân • Đo nhịp tim bệnh nhân • Quản lí liệu, thơng tin bệnh. .. tài: Thi? ??t kế thi cơng mơ hình sử dụng IoT giám sát bệnh nhân thông qua đo thân nhiệt nhịp tim bệnh nhân Giám sát quản lí liệu, thông tin bệnh nhân qua Web Server sử dụng Firebase Sản phẩm: Mơ hình