Thiết kế hệ thống đo spo2, nhiệt độ, nhịp tim cho người già có cảnh báo cho người thân theo thời gian thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO SpO2, NHIỆT ĐỘ, NHỊP TIM CHO NGƯỜI GIÀ CÓ CẢNH BÁO CHO NGƯỜI THÂN THEO THỜI GIAN THỰC S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2022-162 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: LÊ DUY LINH SKC008126 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Thiết kế hệ thống đo SpO2, nhiệt độ, nhịp tim cho người già có cảnh báo cho người thân theo thời gian thực SV2022-162 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ Thuật SV thực hiện: Lê Duy Linh Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 19142CL4 – Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Năm thứ: /Số năm đào tạo: Ngành học: CNKT Điện – Điện Tử Giảng viên hướng dẫn: ThS Võ Đức Dũng TP Hồ Chí Minh, Tháng 11 Năm 2022 MỤC LỤC TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Phương pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Thân nhiệt 1.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng lên thân nhiệt 1.1.2 Nhiệt độ chuẩn thể 1.2 Nhịp tim 1.2.1 Tổng quan nhịp tim 1.2.2 Phương pháp thủ công 1.2.3 Phương pháp sử dụng điện cực 10 1.2.4 Phương pháp đo quang học 10 1.3 Tổng quan SpO2 11 1.3.1 Nồng độ oxy máu 11 1.3.2 Triệu chứng nồng độ oxy máu thấp 12 1.3.3 Đo nồng độ oxy máu cách nào? 12 1.3.4 Nguyên lý đo SpO2 hồng ngoại 13 1.3.5 Tầm quan trọng thông số SpO2 thời đại dịch 13 1.4 Giới thiệu phần mềm 14 1.4.1 Phần mềm arduino IDE 14 1.4.2 Nền tảng Google Firebase 16 1.4.3 1.5 MIT App Inventor 18 Giới thiệu phần cứng 21 1.5.1 Module Wemos D1 Mini ESP8266 21 1.5.2 Mạch Thu Phát Wifi ESP8266 UART ESP-01S Ai-Thinker 22 1.5.3 Cảm Biến Nhiệt Hồng Ngoại Không Tiếp Xúc MLX90614 24 1.5.4 Cảm Biến Nhịp Tim Và Oxy Trong Máu MAX30100 25 1.5.5 Màn Hình Oled 0.96 Inch Giao Tiếp I2C 27 1.5.6 Pin Sạc Lithium Polymer Lipo UNI 103450 3.7V 2000mAH 29 1.5.7 Mạch Sạc Pin TP4056 Lithium Battery Charge Controller Micro USB 29 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 32 2.1 Giới thiệu 32 2.2 Sơ đồ khối 32 2.3 Chức khối lựa chọn linh kiện 32 2.3.1 Khối trung tâm xử lý 32 2.3.2 Khối đo nhiệt độ 33 2.3.3 Khối đo nhịp tim SpO2 35 2.3.4 Khối hiển thị 38 2.3.5 Khối nguồn 39 2.4 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 40 CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG 42 3.1 Giới thiệu 42 3.2 Thi công hệ thống 42 3.2.1 Mạch in PCB 42 3.2.2 Thi công mạch lắp ráp 43 3.2.3 Lập trình hệ thống 46 3.2.4 Lập trình MIT App Inventor 53 3.3 Hướng dẫn sử dụng hệ thống 59 3.3.1 Thao tác thiết bị 59 3.3.2 Thao tác phần mềm 60 3.4 Báo giá sản phẩm 63 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 65 4.1 Kết đạt 65 4.1.1 Phần cứng 65 4.1.2 Phần mềm 66 4.2 Kết thực nghiệm 68 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71 5.1 Kết luận 71 5.2 Hướng phát triển 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Đo thân nhiệt trực tràng Hình Đo thân nhiệt miệng Hình Đo thân nhiệt hõm nách Hình Đo nhịp tim tay Hình Đo nhịp tim ống nghe Hình Đo nhịp tim điện cực 10 Hình Nguyên lý đo nhịp tim quang học 11 Hình Giao diện khởi tạo IDE Arduino 15 Hình Giao diện chức hình lập trình Arduino IDE 15 Hình 10 Nền tảng ứng dụng Google Firebase 17 Hình 11 Logo ứng dụng MIT App Inventor 19 Hình 12 Cách sử dụng MIT App Inventor 20 Hình 13 Module Wemos D1 Mini ESP8266 21 Hình 14 sơ đồ chân ESP8266 Wifi SoC 22 Hình 15 Mạch Thu Phát Wifi ESP8266 UART ESP-01S Ai-Thinker 23 Hình 16 sơ đồ chân ESP8266 UART ESP-01S 23 Hình 17 Cảm biến nhiệt GY-906-DCC MLX90614 24 Hình 18 Cảm Biến Nhịp Tim Và Oxy Trong Máu MAX30100 26 Hình 19 Màn Hình Oled 0.96 Inch Giao Tiếp I2C 28 Hình 20 Pin Sạc Lithium Polymer Lipo UNI 103450 29 Hình 21 Mạch Sạc Pin TP4056 30 Hình 22 Sơ đồ nối chân Mạch Sạc Pin TP4056 30 Hình Sơ đồ khối hệ thống 32 Hình 2 Mạch nguyên lý cảm biến MLX90614 34 Hình Sơ đồ mạch kết nối NodeMCU ESP8266 với MLX90614 35 Hình Nguyên lý hoạt động led hồng ngoại 36 Hình Sơ đồ nguyên lý cảm biến MAX30100 37 Hình Sơ đồ mạch khối đo nhịp tim nồng độ oxy máu 38 Hình Sơ đồ mạch kết nối NodeMCU ESP8266 với Oled 39 Hình Sơ đồ ngun lý tồn mạch 41 Hình Mạch in PCB tồn hệ thống 43 Hình Mặt trước mạch sau hàn 44 Hình 3 Mặt sau mạch sau hàn 44 Hình mặt trước thiết bị sau thi cơng hồn chỉnh 45 Hình mặt sau thiết bị sau thi công 45 Hình mặt bên thiết bị sau thi công 46 Hình dây đai cố định thiết bị 46 Hình Lưu đồ giải thuật tồn hệ thống 47 Hình Lưu đồ giải thuật chương trình đo nhịp tim SpO2 48 Hình 10 Kết đo nhịp tim SpO2 Serial Port Arduino IDE 49 Hình 11 Lưu đồ chương trình đo nhiệt độ 50 Hình 12 Kết đo nhiệt độ Serial Port Arduino IDE 51 Hình 13 Lưu đồ chương trình truyền liệu lên firebase 52 Hình 14 Các giá trị cảm biến gửi lên Firebase 52 Hình 15 Giao diện thiết kế MIT App Inventor 53 Hình 16 Giao diện lập trình MIT App Inventor 54 Hình 17 Giao diện bắt đầu mở App MIT App Inventor 54 Hình 18 Giao diện hình thiết kế MIT App Inventor 55 Hình 19 Giao diện hình MIT App Inventor 55 Hình 20 Giao diện hình MIT App Inventor 56 Hình 21 Khối lệnh hình bắt đầu 56 Hình 22 Các khối lệnh hình 57 Hình 23 Khối lệnh hình 57 Hình 24 Các khối lệnh chức hình 58 Hình 25 Khối lệnh với chức trở hình trước 58 Hình 26 Thiết bị sau đeo bật nguồn 59 Hình 27 Mã QR để tải App 60 Hình 28 Icon App THEODOISK 60 Hình 29 Giao diện thứ 61 Hình 30 Giao diện thứ 61 Hình 31 Giao diện Thông tin đề tài 62 Hình 32 Giao diện Giá Trị Đo 63 Hình Thiết bị sau hoàn thiện 65 Hình hình hiển thị thiết bị đo 66 Hình Giao diện hiển thị thông tin đề tài nhóm NCKH app thiết bị Android 66 Hình 4 Giao diện hiển thị giá trị đo App thiết bị Android 67 Hình giao diện Giá Trị Đo phát thông số báo động phát cảnh báo 67 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Nhiệt độ thể vị trí đo độ tuổi khác Bảng Bảng đánh giá ưu – nhược điểm tảng Google Firebase 18 Bảng bảng đánh giá ưu – nhược điểm MIT App Inventor 20 Bảng Mô tả chân cảm biến MAX30100 27 Bảng Danh sách linh kiện, module sử dụng hệ thống 64 Bảng Bảng so sánh kết đo nhịp tim sinh viên thiết bị đo sinh viên so với máy đo nhịp tim OROM HEM- 8712 68 Bảng Bảng so sánh kết đo SpO2 sinh viên thiết bị đo sinh viên so với máy theo dõi bệnh nhân INFINIUM OMNI II 69 Bảng Bảng so sánh kết đo nhiệt độ thể sinh viên thiết bị đo sinh viên so với máy theo dõi bệnh nhân INFINIUM OMNI II 69 DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT NCKH : Nghiên Cứu Khoa Học IoT : Internet of Things SpO2 : Saturation of Peripheral Oxygen GVHD : Giảng viên hướng dẫn SV : Sinh viên SVTH : Sinh viên thực _ 3.3.2 Thao tác phần mềm Tải App: quét mã QR để tải App Hình 27 Mã QR để tải App Truy cập: Sau tải app điện thoại, nhấn vào icon App để khởi động Hình 28 Icon App THEODOISK Giao diện khởi động: Sau mở ứng dụng, hình có xuất đoạn nhạc Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 60 _ Hình 29 Giao diện thứ Giao diện sau nhấn bắt đầu (giao diện thứ 2): Sau ta nhấn bắt đầu, App hiển thị cho ta lựa chọn: Xem thông tin đề tài xem số liệu đo Sau xem xong, ta nhấn icon mũi tên để quay lại giao diện bắt đầu Hình 30 Giao diện thứ Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 61 _ Giao diện Thông tin đề tài: Sau ta nhấn vào, App dẫn ta đến mục Thông Tin Đề Tài Tại đây, App hiển thị Tên Đề Tài, Giảng Viên hướng dẫn đề tài Nhóm Sinh Viên thực đề tài Sau xem xong, ta nhấn icon mũi tên để quay lại giao diện thứ Hình 31 Giao diện Thơng tin đề tài Giao diện Giá Trị Đo: Sau ta nhấn vào, App dẫn ta đến mục Giá Trị Đo Tại đây, App hiển thị thông số đo bệnh nhân sử dụng thiết bị Nếu giá trị đo nhỏ lớn mức độ cho phép, giá trị đổi sang màu đỏ xuất icon cảnh báo Sau xem xong, ta nhấn icon mũi tên để quay lại giao diện thứ Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 62 _ Hình 32 Giao diện Giá Trị Đo 3.4 Báo giá sản phẩm Bảng chi phí linh kiện module sử dụng cho sản phẩm: Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 63 _ Tên Linh Kiện STT Đơn Giá Số Lượng Giá Module Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 92.000 92.000 Mạch thu phát wifi ESP8266 uart ESP-01 45.000 45.000 Cảm biến nhịp tim MAX30100 54.000 54.000 Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc GY-906 MLX90614ESF 380.000 380.000 Màn hình LCD Oled 0.96 inch 76.000 76.000 Công tắc 1.000 1.000 Hộp nhựa 90x70x28MM 16.000 16.000 Pin lipo 200mAh 3.7V 70.000 140.000 Mạch sạc bảo vệ pin lithium TP4056 1A cổng TYPE-C 11.000 11.000 10 Dây đai thiết bị 30.000 30.000 Tổng 845.000 Bảng Danh sách linh kiện, module sử dụng hệ thống Nhận xét & Đánh giá: Sản phẩm nhóm sau hồn thiện có tổng chi phí gần 850.000đ Giá tương đối hợp lý so với thiết bị đo nhiệt độ, nhịp tim nồng độ oxy máu có thị trường Tuy nhiên, q trình thi cơng nhóm cịn hạn chế kiến thức phí hồn thành sản phẩm có tốn bảng báo giá sản phẩm nêu Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 64 _ CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 4.1 Kết đạt Nhóm hồn thành việc thiết kế thi cơng thiết bị đo nhiệt độ, nhịp tim nồng độ oxy máu mục tiêu đề Kết hợp với gửi liệu lên Firebase cảnh báo qua điện thoại thay đổi màu sắc sau đo giá trị Nhờ thiết bị giám sát tình trạng bệnh nhân liên tục cảnh báo kịp thời cho người thân Thiết bị thiết kế nhỏ gọn, tiện lợi đồng hồ đeo tay, thuận lợi cho việc đo giám sát liên tục 4.1.1 Phần cứng Thiết bị sau hoàn thành có phần cứng hình: Hình Thiết bị sau hoàn thiện Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 65 _ Hình hình hiển thị thiết bị đo 4.1.2 Phần mềm Hình Giao diện hiển thị thơng tin đề tài nhóm NCKH app thiết bị Android Tại giao diện thông tin đề tài hiển thị tên đề tài Nghiên Cứu Khoa Học, Giảng viên hướng dẫn đề tài thơng tin Nhóm sinh viên thực đề tài Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 66 _ Hình 4 Giao diện hiển thị giá trị đo App thiết bị Android Tại giao diện Giá Trị Đo, App hiển thị giá trị nhiệt độ thể, nhịp tim nồng độ SpO2 mà thiết bị đo thời điểm Hình giao diện Giá Trị Đo phát thông số báo động phát cảnh báo Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 67 _ Khi App phát giá trị đo bất thường, thấp vượt ngưỡng giá trị sức khoẻ cho phép, App phát tín hiệu cảnh báo cách đổi màu giá trị đo xuất Icon cảnh báo 4.2 Kết thực nghiệm Sau tiến hành hiệu chỉnh mạch, tiến hành đo so sánh kết với thiết bị đo kiểm chứng độ xác có bán thị trường Thiết bị sử dụng để so sánh kết đề tài máy đo nhiệt độ, huyết áp OROM HEM- 8712 với máy theo dõi bệnh nhân INFINIUM OMNI II người đo lần đo Trung bình Trung bình Trung bình thiết bị đo nhịp tim sinh viên thực (nhịp/phút) thiết bị đo nhịp tim OROM HEM- 8712 (nhịp/phút) sai số tỉ lệ sai số (%) Sinh Viên 81 83 2.41 79 78 1.28 80 82 2.44 81 82 1.22 80 78 2.56 80.2 80.6 0.4 0.50 Sinh Viên 77 78 1.28 70 69 1.45 81 78 3.85 79 76 3.95 73 72 1.39 76 74.6 1.4 1.88 Sinh Viên 79 82 3.66 82 80 2.50 78 76 2.63 81 84 3.57 86 87 1.15 81.2 81.8 0.6 0.73 Bảng Bảng so sánh kết đo nhịp tim sinh viên thiết bị đo sinh viên so với máy đo nhịp tim OROM HEM- 8712 Nhận xét: Sau tiến hành so sánh kết đo nhịp tim với máy đo huyết áp, nhịp tim OROM HEM- 8712, ta thấy chênh lệch hai thiết bị tương đối nhỏ, sai số không cao (1,88%) Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 68 _ người đo lần đo thiết bị đo SpO2 sinh viên thực (%) Trung bình 96 96 96 96 96 96 Trung bình 97 97 97 97 96 96.8 Trung bình 97 96 96 96 97 96.4 thiết bị đo SpO2 INFINIUM OMNI II (%) Sinh Viên 99 98 98 98 98 98.2 Sinh Viên 99 98 99 99 99 98.8 Sinh Viên 98 98 98 99 99 98.4 sai số tỉ lệ sai số (%) 2 2 2.2 3.03 2.04 2.04 2.04 2.04 2.24 2 2.02 1.02 2.02 2.02 3.03 2.02 2 2 1.02 2.04 2.04 3.03 2.02 2.03 Bảng Bảng so sánh kết đo SpO2 sinh viên thiết bị đo sinh viên so với máy theo dõi bệnh nhân INFINIUM OMNI II người đo lần đo thiết bị đo nhiệt độ sinh viên thực (oC) Trung bình 34 33.4 34.3 33.7 34.3 33.94 Trung bình 32.5 31.4 32.1 31.3 32 31.86 Trung bình 33.1 32.9 33.7 33.1 33.5 33.26 thiết bị đo nhiệt độ INFINIUM OMNI II (oC) Sinh Viên 33.5 33.7 33.5 33 33.5 33.44 Sinh Viên 32 31.7 31.7 31.7 31.2 31.66 Sinh Viên 32.7 33.5 33.4 33 33.7 33.26 sai số tỉ lệ sai số (%) 0.5 0.3 0.8 0.7 0.8 0.5 1.49 0.89 2.39 2.12 2.39 1.50 0.5 0.3 0.4 0.4 0.8 0.2 1.56 0.95 1.26 1.26 2.56 0.63 0.4 0.6 0.3 0.1 0.2 1.22 1.79 0.90 0.30 0.59 0.00 Bảng Bảng so sánh kết đo nhiệt độ thể sinh viên thiết bị đo sinh viên so với máy theo dõi bệnh nhân INFINIUM OMNI II Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 69 _ Nhận xét: Sau tiến hành so sánh kết đo SpO2 nhiệt độ máy theo dõi bệnh nhân INFINIUM OMNI II, ta thấy chênh lệch hai thiết bị tương đối nhỏ, sai số không cao ( 2% kết đo SpO2 1.5% kết đo nhiệt độ) Lý giải sai số thiết bị: - Các linh kiện sử dụng thường dùng nhiều nghiên cứu, chưa tối ưu nên khơng thể xác linh kiện thiết kế riêng thiết bị đo doanh nghiệp sản xuất thị trường - Trong q trình đo sinh viên chưa đảm bảo khoảng cách đo, tư đo, vị trí đo xác Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 70 _ CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Qua 16 tuần thực đề tài, tìm hiểu đọc tài liệu chuyên ngành có liên quan trang mạng, diễn đàn, cộng đồng nước quốc tế thông qua mạng Internet, với hướng dẫn tận tình thầy GVHD ThS Võ Đức Dũng, đề tài nghiên cứu khoa học chúng em “Thiết kế hệ thống đo SpO2, nhiệt độ, nhịp tim cho người già có cảnh báo cho người thân theo thời gian thực” hoàn thành đạt mục tiêu ban đầu đề ra: - Thiết kế thi công thiết bị đo nhiệt độ, nhịp tim nồng độ SpO2 - Hiển thị kết đo hình Oled thiết bị giao diện App Android - Phát cảnh báo App giá trị đo vượt ngưỡng cho phép Ngoài thiết bị cịn có thêm vài ưu điểm khác như: - Thiết kế đai đeo để thiết bị giám sát liên tục - Thiết bị nhỏ gọn, tiện dụng - Có thể cắm sạc Type-C để sạc pin cho thiết bị 5.2 Hướng phát triển Để tăng tính thực tế hiệu hệ thống có khả phổ biến rộng thị trường hướng phát triển nhóm đề sau: - Thay hình lớn giúp phần hiển thị có kích thước rộng hơn, hiển thị rõ ràng - App điện thoại: thêm chức tạo thông tin nhân người dùng, có khả lưu trữ liệu, để người thân, bác sĩ theo dõi tình trạng sức khỏe người dùng dễ dàng Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 71 _ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N Xuân, "Các số sức khỏe bạn cần biết", 01/03/2020 [2] Nguyễn Văn Ngọc, “Nghiên cứu thiết kế mơ hình máy đo nhịp tim nồng độ oxy máu” Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật, Đại Học Đà Nẵng, 2013, 01/03/2020 [3] A K sinha, "Smart Blood Oxygen And Heart Rate Monitor With Automatic Data Saving System", 05/03/2020 [4] Phan Thị Mỹ Loan, Phạm Thị Diễm My, “Thiết kế thi cơng vịng đeo tay theo dõi nhiệt độ, gửi cảnh báo điện thoại”, 2020 [5] K Dimitrov, "A Minutes Contactless OLED Thermometer With Arduino", 07/03/2020 [6] Lê Mỹ Hà, Phạm Quang Huy, " Lập trình IOT với Arduino", nhà xuất niên, 07/03/2020 [7] “cach-do-nhip-tim-don-gian”, 03/05/2020 [8] BS.Bùi Mai Hương, “Nhận diện thủ phạm gây rối loạn nhịp tim”, 22/10/2019 [9] Markus MacGill, “What is the pulse and how I check it?”, 9/11/2019 [10] Phan Văn Minh, “Nghiên cứu khả đo nồng độ oxy máu nhịp tim phương pháp hấp thụ ánh sáng”, 01/04/2013 [11] Tarun Agarwal, Elprocus team, “Heartbeat Sensor – Working & Application”, 28/8/2013 [12] Nhóm Mắt Bão , “Firebase gì? Giải pháp lập trình khơng cần Backend từ Google”, 25/02/2021 [13] Lê Mỹ Hà, Phạm Quang Huy, Lập trình IOT với Arduino, NXB Thanh Niên, 2019 Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 72 _ [14] Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Minh Quân, “Giám sát nhịp tim qua điện thoại Android”, Đồ án tốt nghiệp, trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu, 7/2017 [15] Võ Đức Dũng, Nguyễn Thanh Hải, Nguyễn Thanh Nghĩa, Nguyễn Trường Duy, Giáo Trình Thực Tập Mạch Điện Tử Y Sinh ( Ngành Kỹ Thuật Y Sinh ), Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2019 [16] Nguyễn Đình Phú, Phan Vân Hồn, Trương Ngọc Anh, Giáo trình thực hành vi điều khiển PIC, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2018 Số hiệu đề tài: SV2022-162 Trang 73 S K L 0