Đồ án tốt nghiệp đề tài thiết kế đồng hồ đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu, đếm số bước chân và calories tiêu thụ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ ĐO NHỊP TIM, NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU, ĐẾM SỐ BƯỚC CHÂN VÀ CALORIES TIÊU THỤ Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải Sinh viên thực hiện: Lê Ngọc Toàn Mã số sinh viên: 20164105 Lớp: ĐTTT.05 – K61 Hà Nội, 7-2021 Tieu luan Tieu luan Đánh giá báo cáo đồ án tốt nghiệp (Dùng cho giảng viên hướng dẫn) Giảng viên đánh giá: PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải Họ tên sinh viên: Lê Ngọc Toàn MSSV: 20164105 Tên đồ án: Thiết kế đồng hồ đo nhịp tim, nồng độ oxy máu, đếm số bước chân kalo tiêu thụ Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thưc nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt 5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu phương pháp thực dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai 5 Có khả phân tích đánh giá kết (15) Kỹ viết (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến đồ án, có lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Tieu luan Kỹ viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) 10a Có báo khoa học đăng chấp nhận đăng/đạt giải SVNC khoa học giải cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học (quốc tế/trong nước) từ giải trở lên/ Có đăng ký phát minh sáng chế 10b Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học không đạt giải từ giải trở lên/Đạt giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chuyên ngành TI contest 10c Khơng có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng /50 Điểm tổng quy đổi thang 10 * Nhận xét thêm Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét thái độ tinh thần làm việc sinh viên) Ngày: / /2021 Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) Tieu luan Đánh giá báo cáo đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán phản biện) Giảng viên đánh giá: Họ tên sinh viên: Lê Ngọc Toàn MSSV: 20164105 Tên đồ án: Thiết kế đồng hồ đo nhịp tim, nồng độ oxy máu, đếm số bước chân kalo tiêu thụ Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thưc nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt 5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu phương pháp thực dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến đồ án, có lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Có khả phân tích đánh giá kết (15) Kỹ viết (10) Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) Tieu luan 10a Có báo khoa học đăng chấp nhận đăng/đạt giải SVNC khoa học giải cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học (quốc tế/trong nước) từ giải trở lên/ Có đăng ký phát minh sáng chế 10b Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học không đạt giải từ giải trở lên/Đạt giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chuyên ngành TI contest 10c Khơng có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng /50 Điểm tổng quy đổi thang 10 Nhận xét khác cán phản biện Ngày: / /2021 Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) Tieu luan LỜI NÓI ĐẦU Sự bùng nổ Cách Mạng Công Nghiệp 4.0 (Industry 4.0) chủ đề đưa thảo luận nghiên cứu nhiều tổ chức quốc gia giới vài năm trở lại Xu hướng công nghệ làm thay đổi tư người công nghiệp truyền thống, mở thời kỳ mà máy móc thiết bị thay hồn toàn người lĩnh vực sản xuất công nghiệp, thương mại, quản lý công việc đơn giản thường ngày với nhiều ưu điểm tốc độ tiện ích mà mang lại Kéo theo sau phát triển vũ bão liệu (Big Data), trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) hay với Mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things - IoT), thứ coi tảng cốt lõi cho phát triển tương lai Tuy giới thiệu sớm vào năm 1999 Kevin Ashton, đến năm gần đây, IoT thực bùng nổ mạnh mẽ với việc hàng tỷ thiết bị kết nối với có xu hướng tăng nhanh vài năm tới, tạo lượng liệu khổng lồ phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp khác Không thể phủ nhận IoT mang lại nhiều lợi ích to lớn cho người nhiều lĩnh vực Với cơng nghệ IoT người làm thực tối ưu hóa dây chuyền sản xuất quản lý chuỗi cung ứng doanh nghiệp, cải thiện chất lượng dịch vụ phục vụ khách hàng nhà bán hàng, điều tiết hệ thống giao thông vận tải, điều khiển thiết bị ngơi nhà mình, đặc biệt ứng dụng hữu ích IOT việc theo dõi giám sát sức khoẻ người Với Việt Nam quốc gia phát triển, mặt sống người dân cịn nhiều khó khăn, lạc hậu, việc áp dụng ứng dụng IOT nhằm đảm bảo cho đời sống, sức khỏe người cách đơn giản, dễ dàng tiếp cận cần thiết Đề tài em chọn sản phẩm mang tính ứng dụng vào thực tiễn, thiết kế thiết bị đo để theo dõi, giám sát sức khỏe người dùng cách dễ dàng tiện dụng Cụ thể thiết bị đo thông số nhịp tim, nồng độ oxy máu, đếm số bước chân tính lượng calories tiêu thụ giúp cho việc phát cố xảy với người dùng cách tức thời, qua có biện pháp xử lý kịp thời lúc, tránh tình trạng đáng tiếc xảy phát dấu hiệu thể chậm trễ Chính thế, em định tìm Tieu luan hiểu thiết kế sản phẩm “ ĐỒNG HỒ ĐO NHỊP TIM, NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU, ĐẾM SỐ BƯỚC CHÂN VÀ TÍNH LƯỢNG CALORIES TIÊU THỤ ” Trong trình thực hiện, hạn chế kiến thức khả tiếp cận vấn đề hạn chế kinh nghiệm nên khó tránh khỏi sai sót Rất mong nhận góp ý từ Thầy (Cơ) để em hoàn thành đề tài cách đầy đủ Trong q trình thực đề tài này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Hồng Hải, Viện Điện tử - Viễn thơng, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn em để em hồn thành u cầu đề tài Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, tháng năm 2021 Sinh Viên Thực Hiện Lê Ngọc Tồn Tieu luan LỜI CAM ĐOAN Tơi Lê Ngọc Toàn, mã số sinh viên 20164105, sinh viên lớp KT21.05, khóa 61 Giảng viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hồng Hải Tơi xin cam đoan tồn nội dung trình bày đồ án Nghiên cứu xây dựng thuật toán định vị sử dụng cảm biến quán tính kết q trình tìm hiểu nghiên cứu Các liệu nêu đồ án hoàn toàn trung thực, phản ánh kết đo đạc thực tế Mọi thơng tin trích dẫn tuân thủ quy định sở hữu trí tuệ; tài liệu tham khảo liệt kê rõ ràng Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm với nội dung viết đồ án Hà Nội, Ngày tháng 07 năm 2021 Người cam đoan Lê Ngọc Tồn Tieu luan Tieu luan Thuật đốn đếm số bước chân Hình 3.16 Lưu đồ thuật tốn đếm số bước chân Trong đó: • xavg, yavg, zavg tham số gia tốc góc calibrate ban đầu • xaccl,yaccl,zaccl tham số góc đo thời điểm đo • Totave tính cơng thức: • Threshold tham số chuẩn đặt cố định ( totave > threshold tính bước chân) 41 Tieu luan Thuật tốn tính Calories tiêu thụ B Kh i t = 0, d = 0, v = 0, c gi e Se =0 c gi e c gi e S > 60 S e < 150 = ( e 0,6/60).3,6 S e < 400 = ( e 0,75/60).3,6 S = ( e 0,9/60).3,6 d = /3600 Cal = 0,0175.MET.M a a h h Hình 3.17 Lưu đồ thuật tốn tính lượng Calories tiêu thụ 42 Tieu luan Trong đó: • t: Thời gian đo giây (s) • v: Vận tốc (km/h) • d: Qng đường (km) • calo: Cơng thức tính calo tiêu thụ đề cập phần 2.4.2 3.5 Kết luận chương Chương đưa yêu cầu chức phi chức đề tài, từ lựa chọn linh kiện, phân tích thiết kế thành phần đề tài Phần thiết kế bao gồm thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ chi tiết chức sơ đồ thuật toán Các sơ đồ, thiết kế trình bày từ tổng quan đến chi tiết để thuận lợi cho trình thực đề tài giảm thiểu sai sót 43 Tieu luan CHƯƠNG TRIỂN KHAI, KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Chương trình bày chi tiết trình phát triển chức năng, thiết kế mạch in PCB, lập trình firmware, kết đạt đưa đánh giá đề tài 4.1 Thiết kế mạch PCB (sử dụng Altium designer 20) Altium Designer công cụ vẽ mạch điện tử mạnh Được phát triển hãng Altium Limited Altium designer phần mềm chuyên nghành sử dụng thiết kế mạch điện tử Hình 4.1 Phần mềm Altium designer 20 Altium Designer có giao diện thiết kế, quản lý chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên cho tài liệu thiết kế Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, dây tự động theo thuật toán tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc tìm giải pháp thiết kế chỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo tham số Mở, xem in file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ thông tin linh kiện, netlist, liệu vẽ, kích thước, số lượng… Hệ thống thư viện linh kiện phong phú, chi tiết hoàn chỉnh bao gồm tất linh kiện nhúng, số, tương tự… Đặt sửa đối tượng lớp khí, định nghĩa luật thiết kế, tùy chỉnh lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện PCB Mơ mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực khơng gian chiều [11] Từ đó, thấy Altium designer có nhiều điểm mạnh so với phần mềm khác đặt luật thiết kế, quản lý đề tài mô dễ dàng, giao diện thân thiện,… 44 Tieu luan Thiết kế mạch nguyên lý (Schematic) Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Tiến hành Layout Hình 4.3 Mạch layout mặt trước mặt sau 45 Tieu luan Hình 4.4 Mạch 3D Kết thiết kế thực tế thu Hình 4.5 Mặt trước mặt sau mạch 46 Tieu luan 4.2 Lập trình Firmware Sử dụng Adruino IDE để lập trình Arduino IDE phần mềm mã nguồn mở chủ yếu sử dụng để viết biên dịch mã vào module Arduino Nó có phiên cho hệ điều hành MAC, Windows, Linux chạy tảng Java kèm với chức lệnh có sẵn đóng vai trò quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa biên dịch mã môi trường Arduino IDE hỗ trợ để lập trình trực tiếp cho số linh kiện Atmega328, ESP8266, NodeMCU, Mỗi module chứa vi điều khiển bo mạch lập trình chấp nhận thông tin dạng mã Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần bản: Trình chỉnh sửa Trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã yêu cầu phần sau sử dụng để biên dịch tải mã lên module Arduino Môi trường hỗ trợ ngôn ngữ C C ++ [12] Hình 4.6 Giao diện Arduino IDE 47 Tieu luan Kết firmware đạt Hình 4.7 Kết đạt 4.3 Đánh giá Kịch thực nghiệm Sử dụng thiết bị đồng hồ thông minh khác có thị trường làm thiết bị chuẩn để so sánh với thiết bị đề tài về: • Chức đo nhịp tim • Chức đếm số bước chân • Chức tính tốn lượng calo tiêu thụ • Chức tính tốn qng đường di chuyển • Hiển thị xác thời gian hình Đồng hồ thông minh dùng để so sánh đồng hồ Mi Band hãng Xiaomi Xiaomi hãng sản xuất thiết bị điện tử lớn giới, Mi Band đưa thị trường tháng năm 2019 nên thông số Mi Band đo hồn tồn tin cậy 48 Tieu luan Hình 4.8 Hình minh hoạ phương pháp đo Kết Thực nghiệm Bảng 4.1 Kết thực nghiệm Xiaomi Mi Band Thiết bị đo đề tài Số Quãng Số Lần Nhịp Calo Thời gian Nhịp bước đường di bước đo tim tiêu thụ (Ngày, giờ, tim chân chuyển chân (BPM) (kcal) phút) (BPM) (bước) (m) (bước) Quãng Calo đường Thời gian tiêu di (Ngày, giờ, thụ chuyển phút) (kcal) (m) 74 251 160 27/06/2021 10:24 72 247 5,41 180 27/06/2021 10:24 73 302 190 27/06/2021 10:25 71 298 6,11 210 27/06/2021 10:25 74 350 222 27/06/2021 10:25 73 346 7,02 240 27/06/2021 10:25 70 410 259 27/06/2021 10:26 68 405 8,06 280 27/06/2021 10:26 72 464 293 27/06/2021 10:27 72 459 9,01 320 27/06/2021 10:27 73 511 323 27/06/2021 10:27 73 505 9,93 350 27/06/2021 10:27 49 Tieu luan 71 569 358 27/06/2021 10:28 70 563 10,87 390 27/06/2021 10:28 72 622 10 392 27/06/2021 10:29 71 616 11,78 430 27/06/2021 10:29 72 681 11 429 27/06/2021 10:30 72 674 12,86 470 27/06/2021 10:30 10 69 753 13 473 27/06/2021 10:30 70 746 13,95 520 27/06/2021 10:30 Hình 4.9 Biểu đồ thể kết thực nghiệm Đánh giá kết Sau sử dụng thiết bị đồng hồ Xiaomi Mi Band để so sánh với sản phẩm đồ án thấy chênh lệch kết lần đo Nguyên nhân dẫn đến khác nằm việc lựa chọn linh kiện đồng hồ Mi Band sản phẩm đồ án khác Mặt khác, thuật toán xử lý tính tốn Mi Band sản phẩm đồ án khác dẫn đến kết đo hai thiết bị có chênh lệch Tuy nhiên, chênh lệch tương đối hai thiết bị khơng đáng kể hồn tồn chấp nhận 50 Tieu luan Từ cho thấy tính xác sản phẩm đồ án tốt nghiệp thử nghiệm thực tiễn, có khả áp dụng thực tế Đánh giá tiêu khác Các tiêu lựa chọn yêu cầu chức phi chức sản phẩm, nêu mục 3.1 Bảng 4.2 Đánh giá tiêu khác sản phẩm Thiết kế Kết đạt Đánh giá Tiêu thụ lượng thấp Công suất tiêu thụ 0,37W-1,16W OK Có chức sạc pin Đã sạc pin OK Kích thước nhỏ gọn 3cm x 3,5cm x 2,5cm OK Trọng lượng nhẹ 100g OK Sản phẩm hàn đều, dây gọn gàng Sản phẩm đạt yêu cầu hàn OK đều, dây gọn gàng Dễ dàng tháo lắp, sửa chữa, thay Sản phẩm đạt yêu cầu dễ OK linh kiện dàng tháo lắp, sửa chữa linh kiện Đánh giá tính xác chức Chưa chuẩn bị thiết bị đo nồng Pending đo nồng độ oxy máu độ oxy máu khác để so sánh Hình 4.10 Biểu đồ dịng điện điện áp 51 Tieu luan Hình 4.11 Biểu đồ cơng suất tiêu thụ Tiến hành đo dịng điện điện áp trung bình thời điểm khác nhau, thời điểm cách 12 giây Ở chế độ hoạt động không đo nhịp tim oxy máu, thiết bị đếm bước chân, calories quãng đường Lúc điện áp sử dụng khoảng 3,74V-3,75V, dòng điện khoảng 0,10A-0,11A, công suất tiêu thụ khoảng 0,37W-0,41W Khi thiết bị đo nhịp tim oxy máu điện áp khơng có thay đổi nằm khoảng 3,74V-3,75V, nhiên dòng điện nằm khoảng 0,26A-0,31A, công suất tiêu thụ khoảng 0,97W-1,16W 52 Tieu luan KẾT LUẬN Qua trình tìm hiểu, thiết kế tiến hành thực đề tài đồ án tốt nghiệp, em tiếp thu nhiều kiến thức bổ ích, kinh nghiệm thực hành thực tế Em hoàn thành đề tài cho thấy tính khả thi đề tài việc theo dõi, giám sát sức khoẻ người dùng cách dễ dàng tiện dụng, có tính ứng dụng thực tiễn Trong tương lai, nghiên cứu tiếp để phát triển sản phẩm với nhiều tính như: • Bổ sung thêm thư viện tính tốn cho cảm biến • Đo bước chân lượng calo tiêu thụ nhiều hoạt động thể khác phức tạp hơn, với nhiều địa hình • Đơn giản hóa cách thay thế, ghép nối cảm biến vào thiết bị phục vụ cho nhu cầu sửa chữa dễ dàng • Kết nối internet gửi liệu cảnh báo tới thiết bị quản lý khác, tính có ích y tế, chăm sóc sức khoẻ hay huấn luyện thể lực quản lý thông số quan trọng thể từ xa 53 Tieu luan TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Nguyễn Vinh (2003), “sổ tay điện tâm đồ”, NXB Y học [2] Trần Đỗ Trịnh, “Hướng dẫn đọc điện tim”, NXB Đại Học Y Dược Huế [3] https://datasheetspdf.com/pdf/1349970/MaximIntegrated/MAX30102/1, truy cập cuối ngày 27/06/2021 [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Accelerometer, truy cập cuối ngày 27/06/2021 [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Gyroscope, truy cập cuối ngày 27/06/2021 [6] https://www.healthline.com/health/10000-steps-calories-burned, truy cập cuối ngày 27/06/2021 [7] https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-what-is-an-mcu-and-how-domicrocontroller-units-work, truy cập cuối ngày 27/06/2021 [8] https://www.electronicshub.org/basics-i2c-communication/, truy cập cuối ngày 27/06/2021 [9] https://mechasolution.vn/Blog/bai-21-cam-bien-gia-toc-goc-nghieng-mpu6050, truy cập cuối ngày 27/06/2021 [10] https://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/392285/ATMEL/ATMEGA328P-AU.html, truy cập cuối ngày 27/06/2021 [11] https://www.pcbdirectory.com/news/altium-launches-altium-designer-20-withenhanced-interactive-router-capabilities, truy cập cuối ngày 27/06/2021 [12] http://arduino.vn/bai-viet/402-huong-dan-nap-chuong-trinh-don-gian-choarduino-uno-r3, truy cập cuối ngày 27/06/2021 54 Tieu luan Tieu luan ... Đánh giá báo cáo đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán phản biện) Giảng viên đánh giá: Họ tên sinh viên: Lê Ngọc Toàn MSSV: 20164105 Tên đồ án: Thiết kế đồng hồ đo nhịp tim, nồng độ oxy máu, đếm số bước. .. luan hiểu thiết kế sản phẩm “ ĐỒNG HỒ ĐO NHỊP TIM, NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU, ĐẾM SỐ BƯỚC CHÂN VÀ TÍNH LƯỢNG CALORIES TIÊU THỤ ” Trong trình thực hiện, hạn chế kiến thức khả tiếp cận vấn đề hạn chế... dụng vào thực tiễn, thiết kế thiết bị đo để theo dõi, giám sát sức khỏe người dùng cách dễ dàng tiện dụng Cụ thể thiết bị đo thông số nhịp tim, nồng độ oxy máu, đếm số bước chân tính lượng calories