HỆ THỐNG THEO DÕI, GIÁM SÁT NHỊP TIM CHO NGƯỜI LỚN TUỔI QUA MẠNG INTERNET

` 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: HỆ THỐNG THEO DÕI, GIÁM SÁT NHỊP TIM CHO NGƯỜI LỚN TUỔI QUA MẠNG INTERNET GVHD: ThS. NGÔ QUỐC CƯỜNG SVTH : LÊ PHAN MINH ĐỨC – 12141743 Khóa : 2012 Ngành : ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG (ĐT – VT) Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2017`i Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 9 năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Phan Minh Đức MSSV: 12141743 Ngành: Điện tử Viễn thông Lớp: 12141CLVT Giảng viên hướng dẫn: ThS. Ngô Quốc Cường ĐT: 01215595101 Ngày nhận đề tài: 2392016 Ngày nộp đề tài: 1322017 1. Tên đề tài : Hệ thống theo dõi, giám sát nhịp tim qua mạng Internet dành cho người lớn tuổi. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị nhà kính qua Web Server, A SVM Algorithm for Investigation of TriAccelerometer Based Falling Data. 3. Nội dung thực hiện đề tài: Thiết kế và xây dựng hệ thống đo đạc, giám sát nhịp tim qua nền tảng Web, cập nhật dữ liệu liên tục và báo động trong trường hợp có sự cố xảy ra. 4. Sản phẩm: Một thiết bị nhỏ gọn có thể mang trên người liên tục thu thập, đo đạc dữ liệu và gửi về khối trung tâm để giám sát, báo động khi có sự cố. TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: Lê Phan Minh Đức MSSV: 12141743 Ngành: Điện tử Viễn thông. Tên đề tài: Hệ thống theo dõi, giám sát nhịp tim qua mạng Internet dành cho người lớn tuổi. Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS. Ngô Quốc Cường. NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 2. Ưu điểm: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 3. Khuyết điểm: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? ....................................................................................................................................... 5. Đánh giá loại: ....................................................................................................................................... 6. Điểm:……………….(Bằng chữ: ........................................................................... ) ....................................................................................................................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giáo viên hướng dẫn CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc iii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: Lê Phan Minh Đức MSSV: 12141743 Ngành: Điện tử Viễn thông Tên đề tài: Hệ thống theo dõi, giám sát nhịp tim qua mạng Internet dành cho người lớn tuổi. Họ và tên Giáo viên phản biện: .................................................................................... ....................................................................................................................................... NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 2. Ưu điểm: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 3. Khuyết điểm: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? ....................................................................................................................................... 5. Đánh giá loại: ....................................................................................................................................... 6. Điểm:……………….(Bằng chữ: ....................................................................................... ) ....................................................................................................................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giáo viên phản biện CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc iv LỜI CẢM ƠN Để có thể hoàn thành đề tài này, em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Đào tạo chất lượng cao nói riêng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh nói chung đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm em học tập. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy Ngô Quốc Cường đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp. Bên cạnh đó, em cũng xin cảm ơn các anh, chị khóa trước cũng như các bạn sinh viên trong lớp 12141CLVT đã nhiệt tình đóng góp ý kiến và chia sẻ kinh nghiệm để giúp em hoàn thành đề tài này. Cuối cùng, do kiến thức, thời gian thực hiện còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để có thể hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơnv TÓM TẮT Hiện nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, con người đã, đang và dần dần sẽ có nhiều bước tiến dài, thực hiện được những việc mà trước đây tưởng chừng như không thể. Nhìn chung, tất cả những nỗ lực đó đều để phục vụ cho nhu cầu, đời sống con người ngày càng đầy đủ, tiện nghi hơn. Với Việt Nam nói riêng, là một nước đang phát triển, mặt bằng cuộc sống người dân còn nhiều khó khăn, lạc hậu, việc áp dụng các kỹ thuật nhằm đảm bảo cho đời sống, sức khỏe con người một cách đơn giản, dễ dàng tiếp cận là cần thiết. Nghiên cứu này hướng đến một sản phẩm mang tính ứng dụng cao, xây dựng hệ thống cho phép giám sát, theo dõi sức khỏe người dùng một cách dễ dàng và tiện dụng. Cụ thể là xây dựng hệ thống theo dõi thông số nhịp tim, đảm bảo phát hiện được sự cố xảy ra với người dùng một cách tức thời, qua đó có những biện pháp xử lý kịp lúc, tránh tình trạng đáng tiếc xảy ra do phát hiện chậm trễ. Để đáp ứng được yêu cầu đề ra, cần tìm hiểu các đặc trưng, ý nghĩa thông số của tín hiệu nhịp tim, qua đó tìm ra phương pháp thích hợp để giảm thiểu sai số đo đạc. Trong đề tài này, em sử dụng dữ liệu từ cảm biến nhịp tim truyền về board Arduino Pro Mini để xử lý, sau đó giao tiếp với board Arduino Mega 2560 qua sóng RF để hiển thị bằng nền tảng Web. Bên cạnh, việc giám sát, phát hiện báo động sự cố sẽ được thực hiện thông qua môi trường mạng Internet cũng như mạng di động nhằm đảm bảo được tính tức thời.vi ABSTRACT Nowadays, science and technology are developing faster and faster than ever. We, human being, has been taking several giant steps from time to time, therefore, be able to accomplish many incredible tasks which were impossible in the past. In general, all of those conations was nothing more but to guarantee a attendance on human’s desire. As a developing country, Vietnamese’s standard of living, as well as technology level, is generally considered as low and under development. Therefore, those technical application for serving people’s life and health are very crucial, and they also must be easy to approach and make use at the same time. This research aimed for a highly applicable product, designing and constructing a system that allows us to supervise user’s health easily at anytime. In specific, we will construct a system which is able to detect immediately whether user’s health is in instant need of help based on heart beat value, and so to have an act in advance, avoid unwanted outcomes due to lateness. To do so, reasearching significant features of a heart beat signal is needed to minimize mismeasure. In this research, the data from heart beat sensor is processed by Arduino Pro Mini board, then transmitted using RF signal to Arduino Mega 2560 to display on a Web Server. Besides, supervising, detecting and alerting will be executed in the Internet and mobile networks to ensure instantaneity.vii MỤC LỤC Trang phụ bìa 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 TÓM TẮT .................................................................................................................. v ABSTRACT ............................................................................................................. vi MỤC LỤC ............................................................................................................... vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... x DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... xi DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH.................................................... xii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..................................................................................... 1 1.1. GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY. ............................. 1 1.1.1. Đặt vấn đề. ........................................................................................... 1 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước. ....................................................... 1 1.1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. ...................................................... 2 1.1.4. Tính cấp thiết của đề tài. ..................................................................... 3 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU. ......................................................................... 3 1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. ............................................. 3 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. ................................................................ 3 1.5. BỐ CỤC ĐỒ ÁN. .......................................................................................... 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. ....................................................................... 5 2.1. ARDUINO MEGA 2560 BOARD. ............................................................... 5 2.1.1. Giới thiệu Arduino Mega 2560 Board. ............................................... 5 2.1.2. Chi tiết thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560. .................................. 6 2.2. ARDUINO PRO MINI. ................................................................................. 8 2.3. ARDUINO SHIELDS. .................................................................................. 8 2.4. ARDUINO IDE. .......................................................................................... 10 2.5. CHUẨN GIAO TIẾP GIỮA ARDUINO BOARD VỚI CÁC MODULE. 12 2.5.1. Chuẩn giao tiếp I2C. .......................................................................... 12viii 2.5.2. Chuẩn giao tiếp SPI. .......................................................................... 14 2.6. TÍN HIỆU NHỊP TIM. ................................................................................ 16 2.6.1. Các quá trình điện học của tim. ......................................................... 17 2.6.2. Sự hình thành các dạng sóng của tim. ............................................... 18 2.6.3. Tín hiệu ECG. .................................................................................... 21 2.6.4. Các phương pháp đo tín hiệu ECG. .................................................. 22 2.7. MODULE TRUYỀN NHẬN KHÔNG DÂY. ............................................ 24 2.8. MODULE THỜI GIAN THỰC. ................................................................. 26 2.9. MODULE SIM900A MINI. ........................................................................ 26 2.10. PIN LIION 18650 VÀ MODULE SẠC TP4056. ................................... 28 2.11. NGÔN NGỮ HTML. ............................................................................... 30 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. .................................. 32 3.1. Yêu cầu và sơ đồ khối hệ thống. ................................................................. 32 3.1.1. Yêu cầu hệ thống. .............................................................................. 32 3.1.2. Sơ đồ khối và chức năng các khối. .................................................... 32 3.1.3. Hoạt động của hệ thống. .................................................................... 34 3.2. Thiết kế phần cứng hệ thống. ...................................................................... 35 3.2.1. Khối nguồn. ....................................................................................... 35 3.2.2. Khối cảm biến. .................................................................................. 35 3.2.3. Khối truyền nhận không dây. ........................................................... 39 3.2.4. Khối xử lý. ......................................................................................... 41 3.2.5. Khối thời gian thực. ........................................................................... 41 3.2.6. Khối giao tiếp mạng di động và Internet. .......................................... 45 3.2.7. Sơ đồ kết nối hệ thống. ...................................................................... 45 3.3. Lập trình phần mềm. .................................................................................... 46 3.3.1. Giải thuật đo nhịp tim. ....................................................................... 46 3.3.2. Khối thu thập dữ liệu. ........................................................................ 52 3.3.3. Khối xử lý trung tâm. ........................................................................ 54 3.3.4. Thiết kế giao diện Web. .................................................................... 69 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ. ................................... 72 4.1. Kết quả phần cứng. ...................................................................................... 72ix 4.1.1. Khối thu thập dữ liệu. ........................................................................ 72 4.1.2. Khối xử lý trung tâm. ........................................................................ 73 4.2. Kết quả phần mềm. ...................................................................................... 74 4.3. Ưu và nhược điểm của hệ thống. ................................................................. 62 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG. ..................................... 76 5.1. Kết luận. ....................................................................................................... 76 5.2. Phạm vi ứng dụng và hướng phát triển. ...................................................... 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79 PHỤ LỤC: HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG SẢN PHẨM ............................................ 80x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IC Integrated Circuit Mạch tích hợp IO InputOutput Ngõ vàongõ ra PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter Truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ LDR LightDependent Resistor Quang trở LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng I2C InterIntegrated Circuit Vi mạch tích hợp truyền thông nối tiếp SPI Serial Peripheral Interface Chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ SDA Serial Data Line Dây truyền dữ liệu SCL Serial Clock Line Dây truyền xung clock MISO Master In Slave Out Ngõ dữ liệu truyền từ Slave về Master MOSI Master Out Slave In Ngõ dữ liệu truyền từ Master về Slave HTML Hyper Text Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản HTTP Hyper Text Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản ADC Analog Digital Converter Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số RHR Resting Heart Rate Nhịp tim ở trạng thái bình thường ECG Electrocardiogram Điện tâm đồ RTC Real Time Clock Đồng hồ thời gian thựcxi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các Icon và chức năng tương ứng của Arduino IDE. ............................. 11 Bảng 2.2. Chỉ số RHR phụ thuộc giới tính và độ tuổi. ............................................ 16 Bảng 2.3. Chỉ số THR đối với trạng thái hoạt động của cơ thể. .............................. 17 Bảng 2.4. So sánh giữa lập trình timer phần mềm và RTC. .................................... 26 Bảng 2.5. Một số lệnh AT cơ bản. ........................................................................... 28 Bảng 3.1. Các chân chức năng của nRF24L01. ....................................................... 41 Bảng 3.2. Sơ đồ chân kết nối khối thu thập dữ liệu................................................. 45 Bảng 3.3. Sơ đồ chân kết nối khối xử lý trung tâm. ................................................ 46 Bảng 4.1. Nhịp tim tương ứng với các hoạt động, trạng thái cơ thể thực tế đo được .................................................................................................................................. 62xii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH Hình 1.1. Một vài phần mềm chăm sóc và theo dõi sức khỏe tại nhà. ...................... 2 Hình 1.2. Một số sản phẩm theo dõi sức khỏe. ......................................................... 2 Hình 2.1. Arduino Mega 2560 R3. ............................................................................ 5 Hình 2.2. Sơ đồ các chân chức năng trên Arduino Mega 2560................................. 6 Hình 2.3. Arduino Pro Mini. ..................................................................................... 8 Hình 2.4. Arduino Ethernet Shield. ........................................................................... 9 Hình 2.5. Arduino Motor Shield L298. ..................................................................... 9 Hình 2.6. Arduino SIM808 Shield. ......................................................................... 10 Hình 2.7. Giao diện Arduino IDE.. ......................................................................... 11 Hình 2.8. Mô hình chuẩn giao tiếp I2C.. ................................................................. 12 Hình 2.9. Quá trình giao tiếp giữa 2 thiết bị sử dụng bus I2C ................................ 14 Hình 2.10. Independent Slave ................................................................................. 15 Hình 2.11. Daisy Chain ........................................................................................... 15 Hình 2.12. Các thế tác động ngang màng (tâm thất). .............................................. 18 Hình 2.13. Xung truyền qua các cơ tim. .................................................................. 19 Hình 2.14. Chu kỳ trơ của tim. ................................................................................ 20 Hình 2.15. Dạng sóng tín hiệu điện tim. ................................................................. 21 Hình 2.16. Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền qua ngón tay........................................ 23 Hình 2.17. Các dải tần của tín hiệu vô tuyến. ......................................................... 24 Hình 2.18. Truyền tín hiệu bằng sóng RF tần số thấp. ............................................ 25 Hình 2.19. Truyền tín hiệu bằng sóng RF tần số cao. ............................................. 25 Hình 2.20. Module SIM900A Mini. ........................................................................ 27 Hình 2.21. Sơ đồ chân chức năng của SIM900a Mini. ........................................... 27 Hình 2.22. Pin Liion 18650. ................................................................................... 29 Hình 2.23. Module sạc TP4056. .............................................................................. 29 Hình 2.24. Sơ đồ mạch sạc pin TP4056 .................................................................. 29 Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống. ................................................................................ 33 Hình 3.2. Sơ đồ sạc pin sử dụng IC TP4056. .......................................................... 35 Hình 3.3. LED và LDR dùng trong cảm biến SENS11574. .................................. 36 Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý cảm biến SENS11574. ................................................ 36 Hình 3.5. Trước và sau khi bổ sung bộ lọc ở Output. ............................................. 37 Hình 3.6. LED Kingbright. ...................................................................................... 38 Hình 3.7. LDR APDS9008. ................................................................................... 38 Hình 3.8. Cảm biến nhịp tim SENS11574. ............................................................ 38xiii Hình 3.9. Module nRF24L01. ................................................................................. 39 Hình 3.10. Sơ đồ khối và chân nRF24L01. ............................................................. 41 Hình 3.11. Module thời gian thực DS1307. ............................................................ 42 Hình 3.12. Sơ đồ khối và chân của DS1307............................................................ 42 Hình 3.13. Giá trị các Timekeeper Register. ........................................................... 43 Hình 3.14. Mối liên hệ giữa các bit trong thanh ghi control. .................................. 44 Hình 3.15. Frame dữ liệu của chuẩn I2C dùng trong DS1307. ............................... 44 Hình 3.16. Sơ đồ tổng quát hệ thống. ...................................................................... 45 Hình 3.17. Dạng sóng PPG. .................................................................................... 47 Hình 3.18. Dạng sóng PPG trong chu kỳ đập của tim. ........................................... 47 Hình 3.19. Lưu đồ giải thuật đo nhịp tim. ............................................................... 50 Hình 3.20. Chu kỳ cập nhật các biến sử dụng. ........................................................ 51 Hình 3.21. Lưu đồ giải thuật khối thu thập dữ liệu. ................................................ 53 Hình 3.22. Lưu đồ giải thuật khối xử lý trung tâm. ................................................ 55 Hình 3.23. Giao diện truy cập router. ...................................................................... 56 Hình 3.24. Cấu hình Port Forwarding cho router. ................................................... 57 Hình 3.25. Xem địa chỉ WAN IP. ........................................................................... 57 Hình 3.26. Giao diện trang Web theo dõi nhịp tim. ................................................ 58 Hình 4.1. Khối thu thập dữ liệu. .............................................................................. 59 Hình 4.2. Khối xử lý trung tâm. .............................................................................. 60 Hình 4.3. Các trạng thái của giá trị HR. .................................................................. 61 Hình 5.1. Hướng mở rộng hệ thống. ....................................................................... 64 Hình 5.2. Hệ thống mở rộng cho ứng dụng thực tế. ................................................ 651 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN. 1.1. GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY. 1.1.1. Đặt vấn đề. Ngày nay, nhịp sống con người ngày càng tăng cao, cuộc sống ngày càng bận rộn, yếu tố sức khỏe vốn luôn là thiết yếu lại không nhận được nhiều sự coi trọng. Con người nói chung, tại Việt Nam nói riêng, do là một nước đang phát triển, đa phần mọi người đều bị cuốn vào công việc mưu sinh hàng ngày mà bỏ qua yếu tố sức khỏe của bản thân và người thân, dẫn đến những hậu quả đáng tiếc do phát hiện chậm trễ. Theo như số liệu thống kê năm 2015 1, mỗi năm Việt Nam có hơn 200.000 người bị đột quỵ (tai biến mạch máu não), hơn 50% trong số đó tử vong và 90% số người sống sót sau đột quỵ phải sống chung với các di chứng về thần kinh và vận động. Trong ba năm trở lại, số bệnh nhân phải nhập viện vì đột quỵ đang có chiều hướng tăng lên từ 1,7% 2,5%. Trong đó, tỷ lệ nam giới mắc phải cao gấp 4 lần nữ giới. Nghiêm trọng hơn, độ tuổi bị tai biến mạch máu não đang dần trẻ hóa, từ 40 45 tuổi so với trước đây là 50 60 tuổi. số lượng bệnh nhân bị tàn tật do đột quỵ có xu hướng tăng mạnh với nhiều di chứng nặng nề 2. Việc phòng ngừa tình trạng nói trên là một quá trình dài và khi sự cố xảy ra, nếu được phát hiện ngay lập tức, cơ hội để cứu chữa người bệnh và giảm thiểu khả năng di chứng tàn tật là rất nhiều. Qua đó, vấn đề được đặt ra là làm thế nào để có thể theo dõi sức khỏe người bệnh lâu dài cũng như phát hiện ngay khi có sự cố xảy ra 2. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước. Mặc dù trình độ khoa học kỹ thuật trong nước về lĩnh vực y tế đang có những bước tiến lớn, song do là một nước đang phát triển, việc chăm lo đảm bảo cho sức khỏe người dân cũng có nhiều hạn chế và chưa được thật sự chú trọng. Hơn nữa, chỉ có số ít bộ phận người dân với mức sống trên trung bình và cao là có thể sử dụng những dịch vụ y tế tốt nhất 3. Tính đến thời điểm hiện tại, vẫn chưa có một thiết bị hay hệ thống nào được đưa vào sử dụng nhằm chăm sóc sức khỏe dành cho đại bộ phận người dân 3. Những nguyên nhân dẫn đến tình trạng trên:  Người dân với mức sống dưới trung bình không có đủ chi phí trang trải cho những dịch vụ chăm sóc sức khỏe cần thiết.  Mặt bằng chung mức sống thấp khiến con người xem nhẹ và không có sự quan tâm đúng mức dành cho sức khỏe của bản thân.  Hạn chế về cơ sở hạ tầng vật chất: các loại máy móc y sinh hiện đại chỉ tập trung chủ yếu ở những bệnh viện trung ương.2  Hạn chế về yếu tố công nghệ: hiện tại những loại cảm biến nhỏ gọn cho phép thu thập các thông số cần thiết để đánh giá sức khỏe một cách liên tục là vẫn đang được nghiên cứu. 1.1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Với những nước phát triển như Mỹ, Anh, Úc,…việc theo dõi chăm sóc sức khỏe là tối cần thiết và rất được chú trọng. Có rất nhiều phần mềm theo dõi sức khỏe được lập trình với giao diện thân thiện người dùng, rất dễ sử dụng trên smartphone hay tablet, PC, laptop,…như Axxess, AxisCare, FasterNotes, Alora Homecare Software,…kết hợp với các bệnh viện 8. Hình 1.1. Một vài phần mềm chăm sóc và theo dõi sức khỏe tại nhà. Các tập đoàn, công ty lớn cũng rất chú trọng đến mảng y sinh với các sản phẩm phần cứng theo dõi sức khỏe như Apple Apple Watch, Xiaomi – Mi Band, Samsung – Gear Fit Wearables,…đi kèm với các phần mềm hỗ trợ tích hợp trên smartphone, tablet,… Hình 1.2. Một số sản phẩm theo dõi sức khỏe. Bên cạnh đó, dịch vụ chăm sóc tận nhà là một ngành nghề rất tiềm năng với thu nhập cao, được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi tại các nước tiên tiến 9. Qua đó, có thể kết luận rằng về lĩnh vực ứng dụng công nghệ vào lĩnh vực y tế, tình hình3 ngoài nước vượt trội hơn trong nước về mọi mặt, không còn ở giai đoạn nghiên cứu, mà đã bước sang giai đoạn ứng dụng và triển khai. 1.1.4. Tính cấp thiết của đề tài. Các thông số để có thể đánh giá được gần đúng tình trạng sức khỏe bao gồm: nhịp tim, huyết áp, nhiệt độ cơ thể. Tuy nhiên, với những hạn chế như trình độ, thời gian của thực hiện đồ án, yếu tố về công nghệ, đồ án sẽ chỉ tập trung vào giá trị nhịp tim để nghiên cứu và xử lý, đồng thời đối tượng sử dụng là người cao tuổi. Nhu cầu chăm sóc, theo dõi sức khỏe cho người cao tuổi là luôn cần thiết. Song vấn đề về thời gian chăm sóc của đa phần hộ gia đình lại khá eo hẹp, do đó nhiều người lựa chọn phương án viện dưỡng lão hoặc kiểm tra định kì tại bệnh viện. Điều này thường đi ngược lại ý muốn của phần lớn người cao tuổi, đồng thời cũng bất tiện về việc đi lại, chi phí, lựa chọn bệnh viện để thực hiện kiểm tra định kì. Từ đó, vì những lý do nêu trên, em hướng đến việc vừa đáp ứng được nhu cầu muốn ở nhà với gia đình của người cao tuổi, đồng thời vừa không tốn quá nhiều thời gian, việc di chuyển đi lại, chi phí chăm sóc của người thân. 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU. Thiết kế và thi công mô hình hệ thống theo dõi, giám sát nhịp tim đảm bảo tính chính xác, nhỏ gọn, tức thời và có thể hoạt động liên tục, đồng thời gửi các thông số dữ liệu đo được qua mạng Internet và mạng di động để nâng cao khả năng giám sát, theo dõi. 1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. Đối tượng nghiên cứu về phần mềm là các giải thuật để đo được nhịp tim chính xác, tức thời, đảm bảo hệ thống hoạt động đúng chức năng và thông tin tới người dùng qua mạng Internet, mạng di động, cách thức lập trình arduino và nhúng vào board Arduino Mega 2560. Còn về phần cứng là các linh kiện điện tử, module chức năng, cảm biến nhịp tim,…và board Arduino Mega 2560. Phạm vi nghiên cứu trong khuôn khổ mô hình nhỏ áp dụng cho một người dùng, tuy nhiên có khả năng mở rộng thành hệ thống lớn. Ngoài ra, do kiến thức về lập trình Web còn rất nhiều hạn chế nên không tạo được cơ sở dữ liệu, lưu trữ, truy xuất dữ liệu,…để theo dõi trong thời gian dài. 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Tìm hiểu các thông số chính của tín hiệu nhịp tim, từ đó xây dựng được giải thuật phù hợp nhằm giảm thiểu sai số đo đạc. Kiểm tra tính chính xác của phép đo bằng các thiết bị đang được sử dụng trên thị trường. Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống giám sát nhịp tim.4 1.5. BỐ CỤC ĐỒ ÁN. Chương 1: Tổng quan. Giới thiệu sơ lược về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước hiện nay cũng như tính cấp thiết của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Đề cập đến các lý thuyết cần thiết để tính toán và xây dựng hệ thống. Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống, Trình bày sơ đồ hệ thống, sơ đồ từng khối và giải thích nguyên lý hoạt động hệ thống. Đưa ra các phương pháp chọn lựa phần cứng, xác định lựa chọn phù hợp với yêu cầu của hệ thống. Tính toán đưa ra giải thuật, thuật toán phần mềm. Chương 4: Kết quả thực hiện và đánh giá. Trình bày kết quả đạt được về phần cứng cũng như phần mềm, đánh giá hệ thống. Chương 5: Kết luận và phạm vi ứng dụng. Ưu và nhược điểm của đề tài, khả năng ứng dụng và mở rộng.5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 2.1. ARDUINO MEGA 2560 BOARD. 2.1.1. Giới thiệu Arduino Mega 2560 Board. Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì không sử dụng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý. Thay vào đó, nó sử dụng ATmega16U2 lập trình như là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB. Ngoài ra, Arduino Mega2560 cơ bản vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, nên cũng sử dụng Arduino IDE để lập trình. Arduino Mega 2560 là phiên bản nâng cấp của Arduino Mega hay còn gọi là Arduino Mega 1280. Sự khác biệt lớn nhất với Arduino Mega 1280 chính là chip nhân. Arduino Mega 2560 phiên bản hiện đang được sử dụng rộng rãi và ứng dụng nhiều hơn. Với chip ATmega2560 có bộ nhớ flash memory 256 KB, 8KB cho bộ nhớ SRAM, 4 KB cho bộ nhớ EEPROM. Giúp cho người dùng thêm khả năng viết những chương trình phức tạp và điều khiển các thiết bị lớn hơn như máy in 3D, điều khiển robot. Bên cạnh, Arduino Mega 2560 cũng có hỗ trợ để tương tác với MatLab, vì nó còn được tích hợp sẵn thư viện dành cho MatLab. Ngoài ra, tất cả các shield mở rộng dùng trên Arduino Uno đều sử dụng được trên Arduino Mega 2560, cho phép đa dạng ứng dụng hơn. Mặc định, trên Arduino Mega 2560 Board hỗ trợ.  Vi điều khiển: Atmega2560.  Điện áp hoạt động: 5V.  Nguồn ngoài (jack tròn DC): 7 – 9V.  Nguồn ngoài (tối đa): 6 – 20V.  54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM).  16 chân analog,  Xung clock 16 MHz. Hiện tại được sử dụng phổ biến nhất là Arduino Mega 2560 R3. Hình 2.1. Arduino Mega 2560 R3.6 2.1.2. Chi tiết thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560. Hình 2.2. Sơ đồ các chân chức năng trên Arduino Mega 2560. Các thông số kỹ thuật cần lưu ý khi sử dụng Arduino Mega 2560: Cấp nguồn. Arduino Mega 2560 có thể được cấp nguồn thông qua kết nối USB hoặc nguồn ngoài. Nguồn ngoài có thể là từ jack cắm 2.1mm trên board hoặc dùng pin kết nối vào 2 chân Vin và Gnd ở phần POWER connnector. Nếu sử dụng nguồn ngoài, cần lưu ý nguồn đã qua ổn áp để đảm bảo dòng ổn định, ngoài ra về mức điện áp: Arduino Mega 2560 có thể hoạt động với áp nguồn ngoài từ 6 – 20V, tuy nhiên, nếu áp cấp dưới 7V, chân cấp nguồn 5V trên board sẽ cho áp thấp hơn, dẫn đến board hoạt động không ổn định, nếu cấp trên 12V, sẽ khiến các linh kiện hoạt động ở trại thái quá áp, dẫn đến nóng và tình trạng hư hỏng cho board. Vì vậy nếu sử dụng nguồn ngoài, áp nên cấp là từ 7 – 12V. Các ngõ vào ra. 54 chân digital có 2 trạng thái hoạt động: INPUT và OUTPUT thông qua các hàm pinMode(INPUTOUTPUT), digitalWrite() và digitalRead(). Các chân digital này hoạt động với mức điện áp 5V. Dòng cấp trên mỗi chân digital IO là 40mA. Ngoài ra, mỗi chân digital có sẵn 1 điện trở kéo lên 20 – 50 Kohm, mặc định không sử dụng. Bên cạnh, Arduino Mega 2560 còn cung cấp 1 chân cấp áp cho các module kết nối đặc trưng hoạt động ở mức 3.3V. Dòng ra chân này là 50mA. Có 16 chân ngõ vào analog, A0 – A15, sử dụng thông qua hàm analogRead(). Mỗi chân được kết nối với bộ chuyển đổi ADC 10bit, đồng nghĩa khoảng điện áp từ 0 – 5V sẽ mang giá trị chuyển đổi từ 0 – 1023, bước nhảy là 4.97 mV. Khoảng chuyển đổi và bước nhảy có thể được thay đổi qua hàm alanogReference(). Tuy nhiên, cần lưu ý, trong số 54 chân digital, có một vài chân chức năng mặc định. Serial: D0 (RX), D1 (TX); Serial1: D19 (RX), D18 (TX); Serial2: D17 (RX), D16 (TX); Serial3: D15 (RX), D14 (TX). Các chân này được dùng cho việc truyền nhận dữ liệu TTL, được bật qua hàm Serial.begin(), Serial1.begin(), Serial2.begin() và Serial3.begin(). Chân 0 và 1 được kết nối với đầu USB khi nạp chương trình cho board. Đồng nghĩa nếu cấp nguồn cho board qua cổng USB, bất kì module nào sử dụng chuẩn kết nối TTL sẽ không thể dùng chân D0 và D1. External Interrupt: D2 (interrupt 0), D3 (interrupt 1), D18 (interrupt 5), D19 (interrupt 4), D20 (interrupt 3), and D21 (interrupt 2). Các chân ngắt ngoài, cho phép thực hiện ngắt khi ở mức thấp, cạnh lên hoặc cạnh xuống hoặc có sự thay đổi giá trị, cấu hình qua hàm attachInterrupt().  PWM: từ D2 – D13 và từ D44 – D46, cấp xung PWM 8 – bit qua hàm analogWrite().  SPI: D50 (MISO), D51 (MOSI), D52 (SCK), D53 (SS). Các chân hỗ trợ cho chuẩn giao tiếp SPI, được nối với ICSP header trên board.  LED: D13. Chân 13 được nối với LED có sẵn trên board, sáng ở mức cao và ngược lại.  I2C: D20 (SDA), D21 (SCL). 2 chân hỗ trợ chuẩn giao tiếp I2C, khi sử dụng cần gọi thư viện Wire có sẵn trong Arduino IDE.  AREF: chân được dùng khi sử dụng hàm analogReference().  Reset: reset board khi ở mức thấp. Arduino Mega 2560 được lập trình và nạp chương trình qua Arduino IDE, có hỗ trợ tính năng tự động ngắt nếu xảy ra ngắn mạch hoặc quá dòng khi cấp nguồn bằng USB, mặc dù đa số các cổng USB trên PC hoặc Laptop đều có sẵn tính năng này. Nếu dòng cấp qua USB lớn hơn 500 mA, kết nối sẽ tự động ngắt cho đến khi dòng ổn định trở lại.8 2.2. ARDUINO PRO MINI. Arduino Pro Mini là một board vi xử lý có giá thành thấp và kích thước nhỏ gọn, tiêu tốn ít năng lượng, rất thích hợp cho việc thiết kế các ứng dụng, mạch chức năng di động, có thể hoạt động trong thời gian dài với nguồn cấp là pin. Một số thông số kỹ thuật của Arduino Pro Mini:  Chip: ATmega328.  Có 2 phiên bản: 3.3V 8MHz và 5V 16MHz.  Điện áp nguồn cấp: 5V.  Dòng tối đa chân nguồn 5V: 500mA.  Dòng ra trên mỗi chân IO: 40mA.  14 chân digital IO (6 chân PWM).  06 chân analog Input. Chi tiết các chân chức năng trên Arduino Pro Mini: Phần Programming Header: được dùng để kết nối với mạch nạp, giúp ta có thể nạp chương trình cho Arduino Pro Mini qua cổng USB trên PC, Laptop. 14 chân digital IO: có thể được cấu hình là INPUT hoặc OUTPUT với các hàm pinMode(INPUT OUTPUT), digitalWrite() và digitalRead() như trong Arduino Mega 2560. Tuy nhiên, một số chân chức năng cần lưu ý.  Serial: D0 (RX), D1(TX). Dùng cho việc truyền nhận dữ liệu TTL.  PWM: D3, D5, D6, D9, D10, D11.  SPI: D13 (SCK), D12 (MISO), D11 (MOSI), D10 (SS). Chân D13 đồng thời được nối với LED tích hợp sẵn trên board, sáng ở mức cao và ngược lại. 06 chân analog Input: A0 – A3: Dùng để đọc giá trị analog ngõ vào, dùng ADC 8bit, tức cho 256 giá trị trong khoảng 0 – 5V. 2.3. ARDUINO SHIELDS. Khi làm việc với Arduino, một chức năng không thể bỏ qua đó là Arduino Shields. Arduino Shields là các bo phần cứng có thể được gắn chồng lên các Arduino Board để mở rộng khả năng ứng dụng cho dự án. Mỗi Shield chức năng sẽ có thư viện riêng để có thể hoạt động đúng chức năng, khi lập trình cần lưu ý để tránh trường hợp các thư viện xung đột lẫn nhau. Ngoài ra, mỗi Shield sử dụng một số chân trên Arduino Board, nên cũng cần lưu ý trường hợp trùng chân. Một số Arduino Shield thông dụng: Hình 2.3. Arduino Pro Mini.9 Arduino Ethernet Shield. Hình 2.4. Arduino Ethernet Shield. Sử dụng chip W5100 cho tốc độ và khả năng kết nối ổn định, thư viện cho Ethernet Shield được tích hợp sẵn trong Arduino IDE. Thích hợp cho các ứng dụng điều khiển thiết bị qua môi trường Ethernet, Internet.  Điện áp hoạt động: 5V (cấp từ Arduino Board).  Chip Ethernet: W5100 với buffer nội 16K.  Tốc độ: 10100Mb.  Giao tiếp với Arduino qua bộ giao tiếp SPI. Arduino Motor Shield L298. L298 Motor Shield có thể điều khiển 02 động cơ DC hoặc 01 động cơ bước, được thiết kế tiện dụng, không cần kết nối thêm các jumper.  Điện áp hoạt động: 6.5V – 12V.  Công suất tối đa: 25W.  Driver: L298N tích hợp 02 mạch cầu  H.  Dùng chân D10 – D13 trên Arduino  Board để điều khiển động cơ. Hình 2.5. Arduino Motor Shield L298.10 Arduino SIM808 Shield. Hình 2.6. Arduino SIM808 Shield. Dùng cho các dự án giao tiếp, điều khiển qua mạng di động. Được thiết kế tiện dụng cho việc kết nối và lập trình ứng dụng trên Arduino Board, dùng kèm thư viện GSM. Arduino SIM808 Shield dùng tập lệnh AT từ hãng SIMCOM để điều khiển các hoạt động nghe, gọi, nhắn tin,…  Nguồn cấp: 6V – 12V.  Điều khiển bằng giao tiếp UART, tập lệnh AT.  Tích hợp Bluetooth.  GSM. o Quad – band GSM 850 900 1800 1900 MHz. o GPRS multi – slot class 12 10.  GPS. o 22 kênh tracking GPS L1 CA code. o Độ nhạy: Tracking – 165 dbm Cold starts: 147 dbm. o Độ chính xác: Horizontal Position < 2.5 cm CEP. 2.4. ARDUINO IDE. Arduino IDE (Intergrated Development Environment) là một môi trường giao diện phần mềm được phát triển dựa trên nền Java, sử dụng ngôn ngữ C nhằm mục đích dễ dàng lập trình và tải chương trình cho Arduino Board. Quá trình và chương trình cài đặt tương đối dễ dàng, có thể được tìm thấy trên trang chủ của Arduino (www.arduino.cc). Tuy nhiên cần lưu ý:  Cài đặt JRE (Java Runtime Environment). Như đã trình bày, do Arduino IDE được viết trên nền Java, nếu chưa cài đặt JRE, Arduino IDE sẽ không hoạt động được.11  Cài đặt Driver. Để Arduino Board và PC, Laptop có thể giao tiếp được với nhau, cần cài đặt Driver trước tiên. Hình 2.7. Giao diện Arduino IDE.  Vùng lệnh: bao gồm các nút lệnh (File, Edit, Sketch, Tools, Help). Bảng 2.1. Các Icon và chức năng tương ứng của Arduino IDE. Icon Chức năng Biên dịch chương trình trong vùng viết chương trình. Biên dịch và nạp chương trình vào Board qua cổng kết nối đang chọn. Mở trang mới. Mở các chương trình đã lưu. Lưu chương trình đang soạn. Mở cửa sổ giao diện Serial Monitor để quan sát quá trình hoạt động của Board.  Vùng viết chương trình: nơi soạn thảo các đoạn mã, tên chương trình được hiển thị ngay dưới icon bar.12  Vùng thông báo (debug): những thông báo từ IDE tương tác với người dùng sẽ được hiển thị tại vùng này. Góc dưới cùng bên phải cho biết cổng và thiết bị đang được chọn kết nối, lưu ý rằng nếu cổng và thiết bị không được chọn đúng, chương trình sẽ không thể được nạp. 2.5. CHUẨN GIAO TIẾP GIỮA ARDUINO BOARD VỚI CÁC MODULE. Để giao tiếp giữa Arduino Board với các module chức năng, cần lưu ý đến các chuẩn giao tiếp giữa chúng để có thể lập trình đúng, cũng như nắm bắt cách thức hoạt động của hệ thống một cách rõ ràng. Trong đề án này sẽ đề cập sơ lược đến 2 chuẩn giao tiếp mà em sử dụng. Khi làm việc với các chuẩn giao tiếp, cần phân biệt đâu là thiết bị chủ (master), đâu là thiết bị tớ (slave). Ở trường hợp cụ thể này, Arduino Board là master, các module cũng như shield là slave. 2.5.1. Chuẩn giao tiếp I2C. Đầu năm 1980 Phillips đã phát triển một chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây được gọi là I2C. I2C là tên viết tắt của cụm từ InterIntergrated Circuit. Đây là đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau. I2C mặc dù được phát triển bởi Philips, nhưng nó đã được rất nhiều nhà sản xuất IC trên thế giới sử dụng. I2C trở thành một chuẩn công nghiệp cho các giao tiếp điều khiển, có thể kể ra đây một vài tên tuổi ngoài Philips như: Texas Intrument(TI), MaximDallas, analog Device, National Semiconductor ... Bus I2C được sử dụng làm bus giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại Vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM... chip nhớ như: RAM tĩnh (Static Ram), EEPROM, bộ chuyển đổi tương tự số (ADC), số tương tự (DAC), IC điểu khiển LCD, LED... Hình 2.8. Mô hình chuẩn giao tiếp I2C. I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:  Một đường xung clock (SCL) chỉ do Master phát đi ( thông thường ở 100kHz và 400kHz. Mức cao nhất là 1Mhz và 3.4MHz).  Một đường dữ liệu (SDA) theo 2 hướng.13 Có rất nhiều thiết bị có thể cùng được kết nối vào một bus I2C, tuy nhiên sẽ không xảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị, bởi mỗi thiết bị sẽ được nhận ra bởỉ một địa chỉ duy nhất với một quan hệ master slave tồn tại trong suốt thời gian kết nối. Mỗi thiết bị có thể hoạt động như là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu hay có thể vừa truyền vừa nhận. Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là master hay slave. Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ (duy nhất) để phân biệt, nó còn được cấu hình là thiết bị master hay slave. Đó là vì trên một bus I2C thì quyền điều khiển thuộc về thiết bị master. Thiết bị master nắm vai trò tạo xung clock đồng bộ cho toàn hệ thống, khi giữa hai thiết bị master slave giao tiếp thì thiết bị master có nhiệm vụ tạo xung clock đồng bộ và quản lý địa chỉ của thiết bị slave trong suốt quá trình giao tiếp. Thiết bị master giữ vai trò chủ động, còn thiết bị slave giữ vai trò bị động trong việc giao tiếp. Về lý thuyết lẫn thực tế I2C sử dụng 7 bit để định địa chỉ, do đó trên một bus có thể có tới 27 địa chỉ tương ứng với 128 thiết bị có thể kết nối, nhưng chỉ có 112 , 16 địa chỉ còn lại được sử dụng vào mục đích riêng. Bit còn lại quy định việc đọc hay ghi dữ liệu (1 là write, 0 là read). Có một lưu ý nhỏ về xung clock. Bản chất của I2C là dữ liệu trên đường SDA chỉ được ghi nhận ở sườn lên của chân CLK. Do vậy xung clock có thể không cần chính xác tốc độ là 1MHz hay 3.4Mhz. Lợi dụng điểm này có thể sử dụng 2 chân GPIO để làm chân giao tiếp I2C mềm mà không nhất thiết cần một chân CLK tạo xung với tốc độ chính xác. Quá trình truyền dữ liệu giữa 2 thiết bị chế độ Master Slave dùng bus I2C diễn ra như sau: Thiết bị master tạo xung START (tức là đường SDA thay đổi từ mức cao xuống mức thấp và đường SCL đang ở mức cao) để bắt đầu quá trình giao tiếp. Thiết bị master gửi địa chỉ của thiết bị slave muốn giao tiếp cùng với bit RW và đợi xung ACK phản hồi. Địa chỉ của thiết bị slave được định nghĩa bởi 7 bit, ngoài ra có thể đánh địa chỉ dưới dạng 10 bit nếu sau lệnh START gửi chuỗi 11110 ra đường SDA. Bit RW dùng để điều khiển hướng truyền – bit “0” là truyền từ master tới slave, ngược lại bit “1” là truyền từ slave tới master. Việc thiết lập bit RW do thiết bị master quy định. Khi nhận được xung báo ACK từ thiết bị slave xác nhận đúng địa chỉ thì bắt đầu thực hiện truyền dữ liệu. Dữ liệu được gửi theo từng byte. Mỗi byte gồm 8 bit và sau mỗi byte đều bắt buộc có một xung ACK để đảm bảo quá trình truyền nhận diễn ra chính xác. Số lượng byte là không giới hạn. Xung ACK được định nghĩa là14 SDA kéo xuống mức thấp. Ngoài ra, khi không nhận được đúng địa chỉ hay khi muốn kết thúc quá trình giao tiếp thiết bị nhận sẽ gửi một xung NACK tức là SDA ở mức cao. Kết thúc quá trình truyền, thiết bị master sẽ gửi xung STOP hoặc thiết bị slave gửi xung NACK để báo hiệu kết thúc. Xung STOP tương tự như xung START nhưng trạng thái của đường SDA thay đổi từ mức thấp lên mức cao. Ngoài ra, trong một quá trình giao tiếp có thể lặp lại xung START kèm theo một địa chỉ mới để bắt đầu một giao tiếp khác. Hình 2.9. Quá trình giao tiếp giữa 2 thiết bị sử dụng bus I2C. Điểm mạnh của I2C chính là hiệu suất và sự đơn giản của nó: một khối điều khiển trung tâm có thể điều khiển cả một mạng thiết bị mà chỉ cần hai lối ra điều khiển. 2.5.2. Chuẩn giao tiếp SPI. SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất. Đây là kiểu giao tiếp Master – Slave, trong đó có 1 chip Master điều phối qua trình truyền thông và các chip Slaves được điều khiển bởi Master, vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave. SPI hoạt động ở chế độ song công (full duplex), tức tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này.  SCK (Serial Clock): xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi. Đây là điểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết trong chuẩn UART. Sự tồn tại của chân SCK giúp quá trình truyền ít bị lỗi, cho phép ta tăng tốc độ truyền lên rất cao.15  MISO – Master Input Slave Output: với thiết bị Master thì đây là đường Input, với Slave là đường Output. Chân MISO của Master và Slave được kết nối với nhau.  MOSI – Master Output Slave Input: ngược lại đường MISO, tức với thiết bị Master thì là đường Output, Slave là Input. Chân MOSI của Master và Slave cũng được kết nối với nhau.  SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giao tiếp, trên các thiết bị Slave khi chân SS ở mức cao, chúng sẽ không giao tiếp với Master, ngược lại với mức thấp. Trong một hệ thống, các thiết bị Slave luôn chỉ có 01 chân SS, thiết bị Master có thể có 01 hay nhiều chân SS tùy vào người thiết kế. Trường hợp 1 Master giao tiếp với nhiều Slave, SPI cung cấp 2 kiểu kết nối: Independent Slave và Daisy Chain. Với kiểu Independent Slave, 3 đường SCK, MISO, MOSI được nối chung giữa các Slave về Master, số lượng chân SS trên Master bằng với số lượng Slave mà nó giao tiếp. Tại một thời điểm, Master chỉ có thể cho 1 trong số các chân SS xuống mức thấp (các chân còn lại ở mức cao) để chọn ra Slave mà nó muốn giao tiếp. Với kiểu Daisy Chain, 2 đường SCK, SS được nối chung giữa các Slave về Master, ngõ ra của Slave thứ nhất được nối với ngõ vào của Slave thứ hai và cứ như vậy, cho đến thiết bị Slave cuối cùng, ngõ ra của nó sẽ được nối vào chân MISO của Master. Về quá trình hoạt động, mỗi thiết bị Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8bit, cứ mỗi xung nhịp do Master tạo ra trên đường SCK, 1 bit trong thanh ghi của Master được truyền đến Slave qua đường MOSI, đồng thời 1 bit dữ liệu trong thanh ghi của Slave cũng sẽ được truyền đến Master qua đường MISO. Hình 2.10. Independent Slave. Hình 2.11. Daisy Chain.16 2.6. TÍN HIỆU NHỊP TIM. Nhịp tim (Heart Rate HR) là số nhịp đập của tim trên một đơn vị thời gian, thường được tính bằng nhịpphút. Nhịp tim có thể thay đổi theo nhu cầu hấp thụ Oxi và bài tiết CO2 của cơ thể, ví dụ như lúc tập thể dục và lúc ngủ 5. Chỉ số HR bình thường là khác nhau giữa các cá thể, phụ thuộc vào giới tính, độ tuổi, tình trạng sức khỏe,...Sự thay đổi của chỉ số HR có thể là dấu hiệu cho thấy một sự thay đổi của trạng thái tim, qua đó có thể phản ánh tình trạng sức khỏe cơ thể 10. Resting Heart Rate (RHR) là chỉ số nhịp tim khi cơ thể ở trạng thái nghỉ ngơi, do đó tim không cần phải hoạt động nhiều để bơm máu đi kháp cơ thể, RHR được đo chính xác nhất vào thời điểm vừa ngủ dậy lúc sáng sớm. Ở trạng thái đang ngồi hoặc nằm, thư giãn và cơ thể không bệnh tật, chỉ số RHR vào khoảng 60 – 100 BPM. Tuy vậy, RHR thấp hơn 60 không đồng nghĩa với sự bất ổn nào đó trong cơ thể, đó có thể là dấu hiệu của tác dụng phụ khi dùng thuốc, hoặc đối với vận động viên, những người hoạt động nhiều, có thể trạng tốt, cơ tim của họ không cần phải hoạt động mạnh để giữ được cho các cơ quan chức năng trong cơ thể hoạt động ổn định. Ngoài ra, các yếu tố bên ngoài cũng gây ảnh hưởng đến HR 10:  Nhiệt độ môi trường: khi nhiệt độ tăng cao, tim đập mạnh hơn và truyền máu đi nhiều hơn, chỉ số HR sẽ tăng nhưng thường không quá 10 BPM.  Trạng thái cơ thể: HR thường không đổi ở trạng thái nghỉ ngơi, đứng hoặc ngồi. Tuy nhiên, vào khoảng 15 – 20s khi vừa đứng lên, HR sẽ tăng lên một chút trước khi ổn định trở lại. Yếu tố cảm xúc, tinh thần cũng ảnh hưởng đến HR: lo lắng, căng thẳng hay quá xúc động sẽ khiến HR tăng cao.  Kích thước cơ thể: với những người nặng cân, RHR thường sẽ cao hơn, nhưng cũng không vượt quá 100 BPM.  Tác dụng phụ khi sử dụng thuốc: các loại thuốc kiềm hãm cơ thể tiết ra adrenaline (beta blocker) sẽ làm chậm HR, quá liều lượng thuốc làm tăng HR. Bảng 2.2. Chỉ số RHR phụ thuộc giới tính và độ tuổi. Women’s RHR Chart (BPM) Age 18 25 26 35 36 45 46 55 56 65 65+ Athele 54 60 54 59 54 59 54 60 54 59 54 59 Excellent 61 65 60 64 60 64 61 65 60 64 60 64 Good 66 69 65 68 65 69 66 69 65 68 65 68 Above AV 70 73 69 72 70 73 70 73 69 73 69 72 Average 74 78 73 76 74 78 74 77 74 77 73 76 Below AV 79 84 77 82 79 84 78 83 78 83 77 8417 Poor 85+ 83+ 85+ 84+ 84+ 84+ Men’s RHR Chart (BPM) Age 18 25 26 35 36 45 46 55 56 65 65+ Athele 49 55 49 54 50 56 50 57 51 56 50 55 Excellent 56 61 55 61 57 62 58 63 57 61 56 61 Good 62 65 62 65 63 66 64 67 62 67 62 65 Above AV 66 69 66 70 67 70 68 71 68 71 66 69 Average 70 73 71 74 71 75 72 76 72 75 70 73 Below AV 74 81 75 81 76 82 77 83 76 82 74 79 Poor 82+ 82+ 83+ 84+ 82+ 80+ Target Heart Rate (THR) là chỉ số nhịp tim nhắm đến khi cơ thể ở trạng thái hoạt động như làm việc, tập thể dục, vận động cơ thể,…, do đó tim cần hoạt động co bóp mạnh để cung cấp đủ lượng máu nuôi các cơ quan. Chỉ số THR thường được sử dụng để theo dõi trong quá trình luyện tập, bảo đảm các bài tập không quá sức. Bảng 2.3. Chỉ số THR đối với trạng thái hoạt động của cơ thể. Age THR Zone 5085% (BPM) Average Maximum HR 100% (BPM) 20 100 170 200 30 95 162 190 35 93 157 185 40 90 153 180 45 88 149 175 50 85 145 170 55 83 140 165 60 80 136 160 65 78 132 155 70 75 128 150 Do đó, theo dõi chỉ số HR của một người trong thời gian dài sẽ cho ta biết được phần nào tình trạng sức khỏe, thói quen hàng ngày, chất lượng cuộc sống của họ, qua đó có những biện pháp cải thiện kịp thời. 2.6.1. Các quá trình điện học của tim. Tim là tổ chức cơ rỗng, tại đó sự co bóp một cách tuần tự các cơ sẽ tạo ra áp lực đẩy máu đi qua các bộ phận khác nhau trên cơ thể. Mỗi nhịp tim được kích thích bởi xung điện từ các tế bào nút xoang tại tâm nhĩ. Các xung điện truyền đến các bộ18 phận khác của tim và làm cho tim co bóp 4. Việc ghi tín hiệu điện tim là ghi lại các tín hiệu điện này (tín hiệu ECG). Năng lượng chuyển hóa được sử dụng để tạo ra môi trường trong giàu Kali nhưng ít Natri so với thành phần ngoại bào Natri cao và Kali thấp. Do có sự không cân bằng tồn tại điện thế tĩnh trên màng tế bào, bên trong chừng 90mV so với bên ngoài. Khi tế bào bị kích thích (bằng cách cho dòng điện vốn làm tăng tạm thời thế ngang màng), các tính chất của màng thay đổi theo chu trình, pha thứ nhất của nó là độ thẩm mạnh đối với Natri, dòng Natri lớn (sớm) chảy vào trong do các gradient khuếch tán và điện. Hình 2.12. Các thế tác động ngang màng (tâm thất). Dòng chảy tạo ra dòng điện như hình 2.14 4. Trong khi di chuyển tiếp, tế bào về cơ bản có tính chất như nguồn lưỡng cực điện. Dòng Natri chuyến tiếp này chịu trách nhiệm về dòng mạch điện nội tại và là một phần của dòng điện đó. Theo cách này, hoạt động mở rộng tiếp tới các tế bào lân cận. Khi màng hồi phục (trở về các tính chất nghỉ), thế tác động của tế bào kết thúc và nó trở lại trạng thái nghỉ và có khả năng được tái kích thích. Nói một cách ngắn gọn khi có dòng Natri, Kali chảy qua màng tim thì có điện thế được sinh ra. 2.6.2. Sự hình thành các dạng sóng của tim. Tính dẫn truyền Tim là một khối cơ rỗng gồm 4 buồng, dày mỏng không đều nhau, cấu trúc phức tạp làm cho tín hiệu điện của tim phát ra thực chất là tổng hợp của các sợi cơ tim, phức tạp hơn của một tế bào hay một sợi cơ. Nút xoang nhĩ (SA) là một chùm nhỏ tế bào (khoảng 3x10 mm) nằm ở cuối thành của tâm nhĩ, ngay dưới điểm gắn vào của tĩnh mạch trên (đóng vai trò khởi phát). Nó cung cấp tín hiệu kích thích truyền xung ra cơ nhĩ làm cho nhĩ khử cực, nhĩ bóp trước đấy máu xuống tâm thất. Vận tốc truyền đối với thế năng động của nút SA là khoảng 30cms trong mô tâm nhĩ. Sau đó nút nhĩ thất (AV node: Aschoff Tawara node) nhờ tiếp nhận xung động sẽ truyền qua bó His. Có một bộ dãy mô19 chuyên biệt nằm giữa nút SA và AV, ở đó vận tốc truyền nhanh hơn vận tốc trong mô tâm nhĩ khoảng 51cms, con đường truyền dẫn bên trong này mang tín hiệu đến các tâm thất. Do tâm thất phải hoạt động đáp ứng lại một động năng trước khi tâm nhĩ rỗng nên ở mức