ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
VÕ QUỐC BẢO
THIẾT KẾ THIẾT BỊ NHẬN DẠNG TƯ THẾ NGỒI VÀ NHỊP TIM THEO THỜI GIAN THỰC DÀNH CHO
GHẾ THÔNG MINH Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
Mã số: 8520401
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2Cơng trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trung Hậu
PGS.TS Huỳnh Quang Linh Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Thế Thường
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Mai Hữu Xuân
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM ngày 09 tháng 7 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch Hội đồng: TS Lý Anh Tú
2 Thư ký: TS Nguyễn Xuân Thanh Trâm 3 Phản biện 1: TS Nguyễn Thế Thường 4 Phản biện 2: TS Mai Hữu Xuân 5 Ủy viên: TS Lưu Gia Thiện
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên: Võ Quốc Bảo MSHV: 2170961
Ngày tháng năm sinh: 14/06/1996 Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật Mã số: 8520401 I TÊN ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ THIẾT BỊ NHẬN DẠNG TƯ THẾ NGỒI VÀ NHỊP TIM THEO THỜI GIAN THỰC DÀNH CHO GHẾ THÔNG MINH
DESIGN OF A SMART DEVICE FOR POSTURE RECOGNITION AND PHYSIOLOGICAL SIGNAL MONITORING Ò HUMAN BODY IN SMART CHAIR APPLICATION
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1 Nghiên cứu tổng quan về tư thế ngồi và nhịp tim Cơ sở sinh học
Mối liên quan giữa tư thế ngồi với các triệu chứng đau và những ảnh hưởng đến sức khỏe Đo nhịp tim bằng phương pháp quang học
2 Thiết kế thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và đo nhịp tim theo thời gian thực
3 Đánh giá tính chính xác, hiệu quả của thiết bị thơng qua việc so sánh kết quả nhận diện tư thế ngồi và tư thế thực tế, so sánh kết quả nhịp tim với thiết bị khác có sẵn trên thị trường 4 Đưa ra các kết luận quan trong từ kết quả đạt được và mở ra các hướng đi tiếp theo III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
1 TS Nguyễn Trung Hậu – Bộ môn Vật lý Kỹ thuật Y sinh – Khoa Khoa học Ứng dụng – Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG
2 PGS.TS Huỳnh Quang Linh - Bộ môn Vật lý Kỹ thuật Y sinh – Khoa Khoa học Ứng dụng – Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG
Tp HCM, ngày 12 tháng 06 năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 01 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 02 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
TS Nguyễn Trung Hậu PGS TS Huỳnh Quang Linh PGS TS Huỳnh Quang Linh TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
Trang 4i
LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành khố cao học và thực hiện luận văn tốt nghiệp này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ hướng dẫn về chuyên môn cũng như sự hỗ trợ về mọi mặt của các thầy cô, các anh chị đồng nghiệp, bạn bè và đặc biệt là từ phía gia đình Từ đáy lịng mình, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng sâu sắc và lời cám ơn chân thành đối với:
TS Nguyễn Trung Hậu, PGS TS Huỳnh Quang Linh người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và cố vấn về các vấn đề chun mơn cũng như hồn thiện nội dung, hình thức của luận văn này
Phịng thí nghiệm Kỹ thuật Y sinh và thầy Lê Cao Đăng đã hỗ trợ cơ sở vật chất trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và tiến hành thí nghiệm
Nhà trường và q thầy cơ đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong q trình học tập và hồn thành khố học
Tập thể các anh chị em học viên cao học Vật lý Kỹ thuật khóa 2020, 2021, 2022 đã cùng chia sẻ những khó khăn và nhiệt tình giúp đỡ, động viên trong thời gian qua
Cha mẹ, anh chị em và bạn bè đã giúp đỡ và là nguồn động viên tinh thần rất lớn đối với tôi trong suốt thời gian qua
Một lần nữa, tôi xin gửi đến tất cả lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất!
Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 05 năm 2023 Học viên
Trang 5ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
THIẾT KẾ THIẾT BỊ NHẬN DẠNG TƯ THẾ NGỒI VÀ NHỊP TIM THEO THỜI GIAN THỰC DÀNH CHO
GHẾ THÔNG MINH
Trang 6iii
ABSTRACT
DESIGN OF A SMART DEVICE FOR POSTURE RECOGNITION AND PHYSIOLOGICAL SIGNAL MONITORING OF HUMAN BODY
IN SMART CHAIR APPLICATION
Trang 7iv
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Trung Hậu và PGS.TS Huỳnh Quang Linh Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực, chính xác và chưa từng được công bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác Những dữ liệu trong các bảng biểu và hình ảnh sử dụng phục vụ cho việc giải thích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo
Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 05 năm 2023 TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Trang 8v
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
TÓM TẮT LUẬN VĂN ii
ABSTRACT iii
LỜI CAM ĐOAN v
MỤC LỤC v
DANH MỤC HÌNH ẢNH vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 3
2.1 Tổng quan về tư thế ngồi 3
2.1.1 Tư thế ngồi đúng 4
2.1.2 Các tư thế ngồi sai và ảnh hưởng đến cơ thể 8
2.1.3 Các tư thế ngồi cần nhận dạng 11
2.2 Tổng quan về tín hiệu PPG 12
2.2.1 Kỹ thuật Photoplethysmography (PPG) 12
2.2.2 Nguyên lý đo PPG 13
2.3 Thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực 14
2.3.1 Tổng quan thiết bị nhận dạng tư thế ngồi theo thời gian thực 14
2.3.2 Phần cứng của thiết bị 16
2.4 Thiết bị đo nhịp tim theo thời gian thực 24
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26
3.1 Lý thuyết thống kê, dữ liệu và các phương pháp học máy 26
3.1.1 Tổng quan về thống kê, dữ liệu và đại lượng đo lường độ tập trung và phân tán của dữ liệu 26
3.1.2 Các phương pháp học máy 30
Trang 9vi
3.3 Thiết kế mơ hình thiết bị 45
3.3.1 Vị trí đặt cảm biến 45
3.3.2 Thiết kế mạch in 47
3.4 Phương pháp thu dữ liệu 49
3.4.1 Viết chương trình thu và lưu dữ liệu 50
3.4.2 Thu dữ liệu của đối tượng 51
3.5 Phương pháp phân tích dữ liệu và mơ hình học máy 55
3.5.1 Huấn luyện mơ hình 56
3.5.2 Đánh giá mơ hình 57
3.5.3 Nhúng mơ hình vào vi điều khiển 57
3.5.4 Thiết kế mơ hình thiết bị nhận diện nhịp tim theo thời gian thực 57
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 61
4.1 Kết quả 61
4.1.1 Trực quan hóa dữ liệu 61
4.1.2 Kết quả huấn luyện mơ hình 62
4.1.3 Thiết bị đo nhịp tim theo thời gian thực 66
4.1.4 Thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực 68
4.2 Bàn luận 72
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO 74
Trang 10vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Minh họa mặt cắt ngang của cột sống [21] 3
Hình 2.2 Mơ hình cơ xương tồn thân AnyBody ở tư thế đứng (A) và chế độ xem dọc mô tả trục đứng dọc (SVA) (B), kiểu thắt lưng Roussouly (RT) (C), độ dốc xương cùng (SS) và tỷ lệ vùng chậu (PI) ( D) [35] 7
Hình 2.3 Các tư thế ngồi được khảo sát trong nghiên cứu của Casas [31] 8
Hình 2.4 Kết quả hệ thống bản đồ áp suất [30] 10
Hình 2.5 Sơ đồ minh họa của photoplethysmography Đèn LED chiếu sáng da và ánh sáng không hấp thụ sẽ được phát hiện bởi đi-ốt quang (a) Đối với phương pháp phản xạ (b) Đối với phương pháp truyền qua [51] 13
Hình 2.6 Sơ đồ tổng quát của thiết bị nhận dạng tư thế ngồi theo thời gian thực 14
Hình 2.7 Cảm biến lực dạng phim FSR-402 17
Hình 2.8 Tương quan giữa lực và trở kháng của cảm biến lực FSR [54] 18
Hình 2.9 Mơ hình mạch chia áp và giá trị điện trở phù hợp 19
Hình 2.10 Sơ đồ chân IC LM324 20
Hình 2.11 Sơ đồ chân của vi điều khiển WeMos Lolin32 21
Hình 2.12 Tiến bộ công nghệ ứng dụng học máy theo thời gian [55] 23
Hình 2.13 Sơ đồ của mạch đọc tín hiệu PPG [56] 25
Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn trực quan hình dáng phân phối của dữ liệu 28
Hình 3.2 Minh họa độ lệch chuẩn của dữ liệu 29
Hình 3.3 Minh họa mơ hình phân loại gắn nhãn hình ảnh ảnh [58] 31
Hình 3.4 Ví dụ về dưới khớp và quá khớp dữ liệu [58] 36
Hình 3.5 SVM phân loại biên lớn [59] 37
Hình 3.6 Sự nhạy cảm của biên cứng với các điểm ngoại lai [59] 38
Hình 3.7 Vai trị của siêu tham số [59] 38
Hình 3.8 Phương pháp thêm đặc trưng để tập dữ liệu trở nên tuyến tính 39
Hình 3.9 Mơ hình cây quyết định phân loại hoa Diên vĩ 41
Hình 3.10 Minh họa mơ hình Rừng ngẫu nhiên trong bài toán phân loại hoa Diên vĩ 43
Hình 3.11 Tổng qt hóa hoạt động của một node [58] 44
Trang 11viii
Hình 3.13 Sơ đồ bố trí cảm biến 46
Hình 3.14 Bố trí cảm biến trên đệm 47
Hình 3.15 Lưu đồ biểu diễn đường đi của tín hiệu thu từ cảm biến lực 47
Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch in 48
Hình 3.17 Thiết kế mạch in 49
Hình 3.18 Các bước thu và lưu dữ liệu 50
Hình 3.19 Quy trình thu dữ liệu 52
Hình 3.20 Ngồi thẳng lưng: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 52
Hình 3.21 Ngồi cong lưng: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 53
Hình 3.22 Ngồi nghiêng trái: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 53
Hình 3.23 Ngồi nghiêng phải: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 54
Hình 3.24 Ngồi chéo chân trái: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 54
Hình 3.25 Ngồi chéo chân phải: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 55
Hình 3.26 Ngồi ngả lưng ra sau: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 55
Hình 3.27 Lưu đồ huấn luyện một mơ hình phân loại 56
Hình 3.28 Thiết bị thu và xử lý tín hiệu PPG 57
Hình 3.29 Tín hiệu thơ sau khi chuyển dịng thành áp 58
Hình 3.30 Tín hiệu sau khi đã loại bỏ thành phần DC và khuếch đại lần 1 58
Hình 3.31 Tín hiệu PPG sau khi đi qua mạch lọc thông dải 59
Hình 3.32 Tín hiệu trước khi đưa vào vi điều khiển 59
Hình 4.1 Trực quan hóa dữ liệu bằng PCA 2D 61
Hình 4.2 Trực quan hóa dữ liệu bằng PCA 3D 61
Hình 4.3 Trực quan hóa dữ liệu bằng t-SNE 2D 61
Hình 4.4 Trực quan hóa dữ liệu bằng t-SNE 3D 62
Hình 4.5 Ma trận nhầm lẫn của mơ hình ANN 63
Hình 4.6 Ma trận nhầm lẫn của mơ hình SVM 64
Hình 4.7 Ma trận nhầm lẫn của mơ hình Cây quyết định 65
Hình 4.8 Ma trận nhầm lẫn của mơ hình Rừng ngẫu nhiên 65
Trang 12ix
Hình 4.11 So sánh nhịp tim thu đươc từ mạch PPG và cảm biến DFRobot 67
Hình 4.12 Biểu đồ Bland-Altman của tín hiệu nhịp tim 68
Hình 4.13 Kết quả nhận diện tư thế ngồi và nhịp tim được gửi về điện thoại 69
Hình 4.14 Hình ảnh thực tế khi đối tượng ngồi thẳng lưng và cong lưng 69
Hình 4.15 Hình ảnh thực tế của đối tượng khi ngồi nghiêng trái và nghiêng phải 70
Hình 4.16 Thống kê các tư thế ngồi của đối tượng trong thòi gian khảo sát 70
Hình 4.17 Biểu đồ nhịp tim của đối tượng trong thời gian khảo sát 71
Trang 13x
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Tổng hợp các tư thế ngồi xấu được phân loại trong luận văn và ảnh hưởng của
chúng 12
Bảng 2.2 Tổng hợp các bài viết liên quan về “ghế thông minh” [53] 15
Bảng 2.3 Thông số của cảm biến FSR-402 18
Bảng 2.4 Thông số của IC LM324 20
Bảng 2.5 Thông số vi điều khiển Wemos Lolin32 21
Bảng 3.1 Ma trận nhầm lẫn nhận diện số 5 trong tập tin MNIST [59] 34
Bảng 3.2 Tóm tắt một số kernel thông dụng 40
Trang 14xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT TỪ VIẾT TẮT TỪ ĐẦY ĐỦ
1 LBP Low back pain
2 WDI Weight Distribution Index
3 PPG Photoplethysmography
4 HRV Heart Rate Variability
5 OLED Organic Light Emitting Diode
6 n/a Not Availabel
7 FSR Force Sensing Resistor
8 IC Integrated Circuit
9 Op-Amp Operational Amplifier
10 Lipo Lithium-Ion Polymer
11 IoT Internet of Things
12 GPIO General-purpose Pins
13 I2C Inter-Integrated Circuit
14 SCL Serial Clock Line
15 SDA Serrial Data Line
16 ML Machine Learning
17 SVC Support Vector Machine
18 ID3 Iterative Dichotomiser 3
19 ANN Artificial Neural Network
20 CSV Comma-separated values
21 PCA Principal Compoment Analysis
Trang 151
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
Mối liên hệ giữa tư thế ngồi và cơn đau ngày càng trở thành một chủ đề được quan tâm khi lối sống ít vận động ở con người hiện đại ngày càng tăng Sự phát triển của các cơng cụ tiện ích, các thiết bị điện tử phục vụ cho mục đính giải trí như điện thoại di động, tivi, máy tính,… cũng làm giảm các hoạt động thể chất ở con người, và khi sử dụng các thiết bị này cũng kéo dài thời gian ngồi hằng ngày của con người Trong nhiều năm, tư thế ngồi đã được xác định là một trong những yếu tố rủi ro chính phát triển bệnh đau thắt lưng (LBP) [1, 2] Tỷ lệ phổ biến của bệnh đau thắt lưng đã và đang ảnh hưởng đến nền kinh tế của các nước công nghiệp hóa theo nhiều cách [3, 4] Tỷ lệ phổ biến của LBP được báo cáo trong những nghề đòi hỏi người lao động phải ngồi trong phần lớn thời gian trong ngày làm việc cao hơn đáng kể so với tỷ lệ phổ biến của dân số nói chung [5, 6] Cần lưu ý rằng tư thế không đúng, đặc biệt là khi ngồi và ngồi lâu, được coi là yếu tố quan trọng nhất dẫn đến sự xuất hiện và duy trì LBP, cũng như căng cơ ở cổ [7, 8] Bên cạnh đó, việc giữ những tư thế ngồi khơng đúng kết hợp với cuộc sống ít vận động trong thời gian dài có thể làm tăng nguy cơ chấn thương do gập cơ [9], và có thể gây ra các rối loạn cơ xương như đau lưng với chức năng phổi suy giảm [10], đau thắt lưng hoặc chấn thương [11], đau cơ và mô liên kết của gân [12], tăng tải trọng cột sống [13], thay đổi vị trí cột sống cổ [14] Bên cạnh đó cịn lt do tỳ đè ở một số bệnh nhân [15] Bản thân việc ngồi với tư thế duy trì lưng thẳng với ít sự thay đổi tư thế hoặc vị trí khơng cho thấy mối liên hệ gia tăng với sự hiện diện của bệnh đau thắt lưng [16] Từ đây có thể thấy việc mất cân bằng trong tư thế ngồi cũng như việc duy trì tư thế xấu sẽ gây nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe của các cá nhân và gây ra các bệnh khác nhau
Trang 162
dụng [20] Điều này có thể là do người ngồi cảm thấy không cần phải điều chỉnh lại ghế một khi họ thấy rằng nó đã thoải mái Có thể thấy tư thế mà người ngồi cho là thoải mái nhất là do cảm nhận chủ quan của chính họ, chưa có cơng cụ giúp người ngồi nhận ra tư thế ngồi hiện tại và điều chỉnh cho phù hợp
Mục tiêu đề tài: tìm ra giải pháp cải thiện sự mất cân bằng trong tư thế ngồi, giúp người dùng nhận ra và hạn chế các tư thế ngồi xấu, cũng như nhắc nhở người dùng vận động sau một khoảng thời gian ngồi liên tục Đồng thời theo dõi sự thay đổi các thông số sinh tồn của cơ thể trong thời gian ngồi Từ đó tránh những ảnh hưởng xấu phát sinh từ việc ngồi đến sức khỏe mỗi cá nhân Chúng tôi đã thực hiện đề tài: Thiết kế thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực dành cho ghế thông minh
Nhiệm vụ: để thực hiện mục tiêu trên, đề tài đưa ra những nhiệm vụ sau:
Nghiên cứu về tư thế ngồi: tổng quan, thực trạng, đưa ra tư thế ngồi đúng và tư thế ngồi xấu, cùng với những hưởng đến sức khỏe
Tìm hiểu và nghiên cứu cơ sở và nguyên lý của thiết bị
Thiết kế chế tạo thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực
Tìm hiểu về các phương pháp học máy, học sâu được sử dụng để phân loại tư thế ngồi, các tiêu chí lựa chọn phương pháp phù hợp với đề tài
Trang 173
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan về tư thế ngồi
Lưng là một cấu trúc phức tạp gồm xương, cơ và các mô khác tạo thành lưng hoặc phần sau của thân người, từ cổ đến xương chậu Ở trung tâm là cột sống, không chỉ nâng đỡ trọng lượng của phần trên cơ thể mà còn chứa đựng và bảo vệ tủy sống – cấu trúc hệ thống thần kinh mỏng manh mang tín hiệu điều khiển chuyển động của cơ thể và truyền đạt cảm giác Xếp chồng lên nhau là khoảng 30 xương - đốt sống - tạo thành cột sống, còn được gọi là xương sống Mỗi xương này chứa một lỗ hình trịn, khi xếp chồng lên nhau thẳng hàng với tất cả các xương khác, sẽ tạo ra một kênh bao quanh tủy sống Tủy sống đi xuống từ đáy não và kéo dài (ở người lớn) đến ngay bên dưới khung xương sườn
Hình 2.1 Minh họa mặt cắt ngang của cột sống [21]
Trang 184
thần kinh ở lưng dưới và chân kéo dài nhiều inch xuống cột sống trước khi thốt ra ngồi Bó rễ thần kinh lớn này được gọi là Cauda Equina (đuôi ngựa) Khoảng cách giữa các đốt sống được duy trì bởi các miếng sụn tròn, xốp gọi là đĩa đệm Chúng tạo sự linh hoạt ở lưng dưới và hoạt động như bộ giảm xóc xuyên suốt cột sống để đệm xương khi cơ thể di chuyển Các dây chằng và gân giữ cố định các đốt sống và gắn các cơ vào cột sống
Bắt đầu từ đỉnh, cột sống có bốn vùng đốt sống:
Bảy đốt sống cổ hoặc cổ (được dán nhãn C1-C7)
Mười hai đốt sống ngực hoặc lưng trên (được dán nhãn T1-T12) Năm đốt sống thắt lưng (được dán nhãn L1-L5), được gọi là lưng dưới Xương cùng và xương cụt, một nhóm xương hợp nhất với nhau ở đáy cột sống
Trong phạm vi của luận văn này việc phân định tư thế ngồi chủ yếu dựa vào hình dạng của lưng đối tượng khi ngồi Các tác động của tư thế ngồi đến các thành phần của lưng cũng sẽ được xem xét Từ đó đưa ra nhận định về tư thế ngồi đúng và tư thế ngồi xấu, xác định dữ liệu đầu ra của bài toán phân loại
2.1.1 Tư thế ngồi đúng
Tư thế cơ thể không chỉ được coi là sự sắp xếp không gian của các bộ phận cơ thể riêng lẻ và dáng người, mà còn là cách duy trì tư thế đứng thẳng Thuật ngữ tâm khối là điểm mà khối lượng của cơ thể được phân bố đều nhau, cũng là điểm cân bằng của cơ thể [22] Mặc dù trọng tâm tổng thể của cơ thể khi đứng được đặt khá cao (nằm ngay dưới đốt sống cùng S2, khoảng 55% chiều cao của cơ thể), nhưng tư thế thẳng đứng vẫn được duy trì tự động, ngay cả trong các tình huống thay đổi liên quan đến các hoạt động hàng ngày khác nhau
Trang 195
giữa các cá nhân, tư thế của nhiều người đáp ứng các tiêu chí trên và không gây ra bất kỳ bệnh tật nào
Sự sắp xếp không gian của các đoạn cơ thể phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc bình thường của bộ phận hỗ trợ hệ thống xương khớp và sự điều chỉnh hiệu quả của tư thế cơ thể Trong điều kiện bình thường, hai yếu tố này đảm bảo sự đối xứng trong mặt phẳng phía trước giữa lực nén và lực kéo tác động lên cả hai bên của trục cơ thể, điều này rất quan trọng đối với việc điều chỉnh tư thế cơ thể Trong mặt phẳng đứng dọc (sagittal plane – mặt phẳng cắt theo đường giữa của cơ thể, chia cơ thể thành bên trái và bên phải), điều quan trọng là mối quan hệ giữa các hình chiếu của trọng tâm của các phần cơ thể phía trên và các khớp bên dưới các phần cơ thể Chúng thường rất gần với các trục quay của các khớp, do đó các mơ-men xoắn liên quan đến trọng lực là tương đối nhỏ Kết quả là, việc duy trì tư thế thẳng đứng của cơ thể khơng địi hỏi các cơ phản trọng lực phải căng quá mức [23]
Một tư thế ngồi tốt phải có đường cong cột sống thắt lưng cong tương tự như tư thế đứng [24, 25], các chuyên gia về công thái học ủng hộ tư thế ngồi thẳng [26, 27] Tư thế ngồi thẳng lưng được mô tả là đầu và thân thẳng đứng, hai chân dưới cong một góc khoảng 90° ở hông và đầu gối, đồng thời bàn chân đặt chắc chắn trên sàn [28] Tư thế này cũng được áp dụng trong các nghiên cứu của Castanharo và cộng sự trong việc định lượng tải trọng tác động lên cột sống thắt lưng của các đối tượng khi được yêu cầu điều chỉnh từ tư thế ngồi cong lưng sang tư thế ngồi thẳng lưng [29] Tương tự với nghiên cứu chứng minh tầm quan trọng của tư thế ngồi bằng cách đo áp lực ngồi của Lee và các cộng sự [30] Ngồi ra tiêu chí cho tư thế ngồi thẳng lưng trên còn được áp dụng trong các khảo sát và đánh giá [31, 32, 33]
Trang 206
của chuyển động bị ngăn cản Trong khi đó nội lực là các lực tương tác giữa các phần tử vật chất của vật thể xuất hiện khi vật rắn bị biến dạng dưới tác động của ngoại lực [34] Các thành phần của nội lực bao gồm: nén, kéo, uốn, xoắn, cắt Cụ thể hơn khi xem xét cột sống trong tư thế ngồi, thành phần ngoại lực tác động là tải trọng của cơ thể Tải trọng từ phần đầu sẽ truyền xuống cột sống cổ, qua cột sống ngực đến cột sống thắt lưng… và tiếp tục truyền xuống ghế Tải trọng trên mỗi đốt sống sẽ tăng dần theo chiều từ trên xuống dưới Hai đốt sống thắt lưng L4 và L5 vốn có nhiệm vụ hỗ trợ phần trên cơ thể để trong việc thực hiện các động tác xoay, gập hoặc vặn người Ngồi ra, chính hai đốt này cũng duy trì đường cong tự nhiên của cột sống để tạo tư thế đứng thẳng cho cơ thể Do nằm ở vị trí thấp nhất của thắt lưng nên L4, L5 phải chịu nhiều áp lực từ phần thân trên của cơ thể và đây chính là lý do khiến cho nó dễ bị thối hóa, bị tổn thương Khi so sánh tải trọng trên các đốt sống lưng trong trường hợp ngồi thẳng lưng và các tư thế ngồi cong lưng, dễ dàng nhận thấy khi đốt sống bị lệch so với tư thế thẳng thì áp lực mà đĩa đệm và đốt sống đó phải chịu sẽ lớn hơn so với ngồi thẳng lưng Việc thay đổi áp lực và sự phân bố của nó có thể khiến cho đĩa đệm giữa các đốt sống phình ra và chèn vào không gian chứa tủy sống hoặc rễ thần kinh và gây đau Hai đốt sống này còn liên kết với nhiều bộ phận trong cơ thể nên nếu khi xảy ra tình trạng thối hóa sẽ dễ gây nên các bệnh lý khác ở cột sống Bên cạnh đó việc khi ở tư thế cong lưng sẽ kích hoạt các cơ vùng lưng nhiều hơn, cơ thể cần tiêu hao nhiều năng lượng hơn để tăng cường hoạt động của các nhóm cơ lưng, và nếu giữ tư thế đó kéo dài sẽ gây căng và mỏi cơ
Trang 217
Hình 2.2 Mơ hình cơ xương tồn thân AnyBody ở tư thế đứng (A) và chế độ xem dọc mô tả trục đứng dọc (SVA) (B), kiểu thắt lưng Roussouly (RT) (C), độ dốc xương cùng (SS) và tỷ lệ vùng chậu (PI) ( D) [35]
Trang 228
liên quan đến nguy cơ phồng và thoát vị đĩa đệm [36] và nguy cơ gãy đốt sống ở bệnh nhân lỗng xương và giảm mật độ khống của xương [37]
2.1.2 Các tư thế ngồi sai và ảnh hưởng đến cơ thể
Mặc dù tư thế ngồi thẳng thích hợp liên quan đến việc nghiêng xương chậu ra trước, thắt lưng cong và thư giãn lồng ngực, giúp giảm áp lực lên các đĩa đệm, nhưng hầu hết mọi người có xu hướng ngồi ở tư thế cong lưng trong thời gian dài, điều này thường đi kèm với tư thế biến dạng cột sống và xương chậu Khi tư thế được duy trì với cổ hoặc lưng cong về phía trước, các cơ dọc sống lưng được kích hoạt quá mức và tải trọng liên tục lên các cơ này có thể làm tăng nguy cơ đau cổ và lưng [38, 39] Trong các nghiên cứu trước đây so sánh tư thế ngồi của bệnh nhân LBP và những người khỏe mạnh, tư thế của bệnh nhân bị đau thắt lưng cho thấy góc uốn của thắt lưng tăng lên [40] và giảm độ bền của cơ thân [41]so với tư thế ngồi thẳng lưng
Trong nghiên nghiên cứu của Casas và các cộng sự [31], tác giả đã tiến hành khảo sát các tư thế ngồi và sự ảnh hưởng đến các triệu chứng đau lưng và cổ như sau:
Trang 239
(C) Ngồi thẳng lưng, với bàn chân đặt trên sàn; (D) Ngồi ngả lưng ra sau với bàn chân được đặt trên sàn (E) Lưng cong và bàn chân được đặt trên một chiếc ghế khác; (F) Cong lưng kết hợp với bắt chéo chân; (G) Lưng thẳng kết hợp với bắt chéo chân; (H) Ngả lưng ra sau và bàn chân được gác trên một chiếc ghế khác Trong nghiên cứu này tư thế (C) tham chiếu để phân tích, vì tư thế này giúp duy trì các đường cong sinh lý, ổn định hệ cơ và phân bổ trọng tâm đối xứng, có thể coi là tư thế tối ưu Các tư thế ngồi còn lại được coi là tư thế rủi ro có thể gây đau lưng Trải nghiệm đau được đo lường bằng bảng câu hỏi mô tả trải nghiệm đau ở các vùng giải phẫu (cổ, lưng và lưng dưới), thời gian nhớ lại (12 tháng, 4 tuần và ngày khảo sát), thời gian tiến triển (Cấp tính < 4 tuần, phụ cấp tính 4 - 12 tuần và mãn tính > 12 tuần), cường độ (thang điểm tương tự trực quan), hạn chế hoặc khơng có khả năng thực hiện các hoạt động học tập và phương pháp điều trị đau đã thực hiện Theo đó, kết quả về trải nghiệm đau cho thấy tần suất tăng khi thời gian nhớ lại tăng, tỷ lệ đau cổ cao hơn (79,8%) Trải nghiệm đau cho thấy cường độ tương tự đối với ba vùng giải phẫu; đau mãn tính nhiều hơn ở vùng lưng dưới (45%) Hạn chế hoạt động học tập do đau chiếm tỷ lệ từ 22,7 đến 29,8% Tự dùng thuốc là cách kiểm soát cơn đau phổ biến nhất
Các yếu tố liên quan đến đau cổ và lưng vào ngày khảo sát bao gồm: thời gian ngồi trước máy tính ≥ 21 giờ/tuần, tư thế ngồi cong lưng kết hợp với bắt chéo chân (F) Tư thế ngồi này cũng được ghi nhận có mối liên hệ tích cực với đau cổ cũng như đau lưng cấp tính và mãn tính Mối liên quan tích cực của tư thế ngồi cong lưng kết hợp với bắt chéo chân (F) với các triệu chứng đau có thể được giải thích là do khi ngồi ở tư thế này hoạt động của cơ cổ và cơ dựng sống tăng lên, cũng như làm tăng áp lực lên cột sống cổ Ngoài ra tư thế này cũng làm giảm tình trạng ưỡn sống cổ, tăng căng các rễ thần kinh và áp lực đĩa đệm, góp phần gây đau cổ [42] Snijders và các cộng sự báo cáo rằng nhiều người áp dụng tư thế bắt chéo chân khi ngồi trong thời gian dài tại nơi làm việc và trong nhiều môi trường [43] Tư thế ngồi bắt chéo chân đã được báo cáo là làm tăng độ nghiêng của xương chậu so với tư thế ngồi thẳng [44]
Trang 2410
Lee và các cộng sự [30] đã nghiên cứu chứng minh tầm quan trọng của tư thế ngồi đúng bằng cách đo áp lực ngồi Một hệ thống lập bản đồ áp suất được sử dụng để đo áp suất khi ngồi ở các tư thế ngồi thẳng lưng (tư thế đúng), ngồi nghiêng bên trái Trong thí nghiệm này chỗ ngồi của ghế được chia thành 4 phần với các hướng (A: trước, P: sau, L: trái, R: phải), áp lực ngồi được đo ở tư thế viết Các đối tượng đã viết một cái gì đó trong khi các phép đo được thực hiện Các thành phần áp suất trung bình trong mỗi vùng của ghế tương ứng với 𝑋 , 𝑋 , 𝑋 , 𝑋 Để so sánh ngồi nghiêng một bên với tư thế ngồi thẳng, chỉ số phân bổ trọng lượng (Weight Distribution Index - WDI) được vận dụng để phân tích áp lực trung bình trong mỗi tư thế
Hình 2.4 Kết quả hệ thống bản đồ áp suất [30]
Trang 2511
tức là tư thế cúi xuống Chỉ số phân bố trọng lượng thấp hơn ở các tư thế ngồi nghiêng so với ở tư thế ngồi đúng cho thấy rằng ở tư thế không đúng, áp lực được chuyển đến khu vực phía trước, có thể gây nghiêng xương chậu ra sau Giá trị thấp hơn của chỉ số phân bố trọng lượng trái/ phải ở tư thế ngồi nghiêng một bên so với tư thế ngồi đúng cho thấy áp lực ngồi bên trái tăng lên, có thể gây nghiêng khung chậu trái Kết quả đo phân bố trọng lượng đối với áp lực ngồi trước, sau, trái và phải cho thấy tư thế ngồi nghiêng một bên có thể gây nghiêng xương chậu ra sau cũng như nghiêng xương chậu trái Vì vậy, nó dễ gây mất cân bằng khung xương chậu hơn so với các tư thế còn lại Nghiêng khung chậu sau và nghiêng khung chậu bên có thể gây ra chứng gù lưng và vẹo cột sống tương ứng Góc nghiêng tăng cũng có thể kích hoạt các cơ đối diện với hướng nghiêng [48] , do đó tư thế ngồi nghiêng có thể gây ra các triệu chứng bệnh lý như bất đối xứng vùng chậu Sự bất đối xứng vùng chậu và chứng vẹo cột sống vơ căn có thể dẫn đến tình trạng bất đối xứng về tư thế, phân bổ trọng lượng không đều và mất cân bằng cơ bắp [49] , hoặc thậm chí gây ra sự mất cân bằng thể chất nghiêm trọng hơn Do đó, điều quan trọng là duy trì tư thế ngồi đúng để đảm bảo cột sống và xương chậu khỏe mạnh
2.1.3 Các tư thế ngồi cần nhận dạng
Trang 2612
Bảng 2.1 Tổng hợp các tư thế ngồi xấu được phân loại trong luận văn và ảnh hưởng của chúng
Tư thế ngồi xấu Ảnh hưởng đến cơ thể
Ngồi cong lưng Tăng tải trọng lên cột sống
Ngồi nghiêng trái Nghiêng và mất cân bằng khung xương chậu Ngồi nghiêng phải Nghiêng và mất cân bằng khung xương chậu Ngồi chéo chân (chân trái trên
chân phải) kết hợp cong lưng
Đau lưng và đau cổ
Ngồi chéo chân (chân phải trên chân trái) kết hợp cong lưng
Đau lưng và đau cổ
Ngồi ngả lưng ra sau (chân chạm sàn)
Đau lưng mãn tính
Nghiên cứu của Jia và Nussbaum [50] cho thấy ở người trưởng thành khỏe mạnh, việc duy trì tư thế ngồi trong ít nhất 30 phút có thể gây mỏi cơ Do đó chúng tôi bổ sung thêm nhận dạng trạng thái ghế trống khi khơng có người ngồi lên Việc nhận dạng ghế trống sẽ giúp xác định người ngồi có đứng dậy vận động sau mỗi 30 phút ngồi liên tục mà thiết bị ghế thông minh của chúng tôi đã khuyến nghị hay khơng
2.2 Tổng quan về tín hiệu PPG
2.2.1 Kỹ thuật Photoplethysmography (PPG)
Thời gian kể từ khi bắt đầu và kết thúc của một nhịp tim được gọi là chu kỳ tim Chu kỳ tim bao gồm hai giai đoạn: tâm trương và tâm thu Trong giai đoạn tâm trương hay còn gọi là giai đoạn thư giãn, máu chảy đến các tâm trương, làm giảm áp lực trong các mạch máu Ngược lại, trong giai đoạn tâm thu hay còn gọi là giai đoạn co bóp, máu được bơm ra khỏi tâm thất và phân phối khắp cơ thể, làm tăng áp lực trong mạch máu Có một số phương pháp và thiết bị thực hiện đo nhịp tim và theo dõi chu kì tim, điển hình là phương pháp Photoplethysmography (PPG) được sử dụng để đo chỉ số biến thiên nhịp tim (HRV - Heart Rate Variability)
Trang 2713
bằng các tia sáng PPG có thể đo nhịp tim, tức là sự thay đổi của dòng máu, phát hiện những thay đổi trong thể tích máu Vì sự thay đổi thể tích máu kết nối các phản ứng sinh lý với các sự kiện tuần hoàn trong các mạch máu ngoại vi, do đó, dạng sóng của nó mang các đặc điểm hình thái đều đặn
2.2.2 Nguyên lý đo PPG
Nguyên lý hoạt động của cảm biến PPG dựa trên sự phát ra tia hồng ngoại của đèn LED chiếu xuyên qua da và mạch máu Cảm biến PPG sẽ đo lượng ánh sáng hồng ngoại được hấp thụ hoặc phản xạ bởi máu Sự thay đổi thể tích máu đo được là do sự thay đổi áp suất trong các mạch máu, xảy ra trong suốt chu kỳ tim Cảm biến PPG hoạt động ở trên 2 chế độ khác nhau: truyền và phản xạ ánh sáng đi qua da và mạch máu
Hình 2.5 Sơ đồ minh họa của photoplethysmography Đèn LED chiếu sáng da và ánh sáng không hấp thụ sẽ được phát hiện bởi đi-ốt quang (a) Đối với phương pháp phản
xạ (b) Đối với phương pháp truyền qua [51]
Trang 2814
thay đổi về lượng máu (Hình 1.5), mặc dù nó khơng thể được sử dụng để định lượng lượng máu
2.3 Thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực 2.3.1 Tổng quan thiết bị nhận dạng tư thế ngồi theo thời gian thực
Trang 2915
các thiết bị di động Không chỉ nhận diện tư thế ngồi, tính tốn và theo dõi nhịp tim cũng là đề tài được quan tâm và kết hợp với ghế thơng minh
Có thể tóm lược một số nghiên cứu về ghế thông minh tiêu biểu trong bảng dưới đây:
Bảng 2.2 Tổng hợp các bài viết liên quan về “ghế thông minh” [53] Ghế (Các) loại cảm biến, số lượng, (vị trí) Thu thập và xử lý dữ liệu Các phương pháp phân loại Giao diện người dùng/ứng dụng Độ chính xác Tác giả Ghế văn phòng Cảm biến FSR: 4 (trên ghế), 2 (trên tựa lưng) A/D converter MCP 3008, Raspberry Pi RF; ERT; SVM n/a 98 % Lee 2019 Ghế văn phòng cảm biến lực: 6 (tại ghế ngồi), 4 (tại tựa lưng) vi điều khiển ESPino32, Arduino, cơ sở dữ liệu đa nền tảng MongoDB SVM; Bernoulli; Gaussian; MLP Classifier và Logistic Regression thiết bị di động (Bluetooth) 96.2 % Prueksanusak 2019 Ghế thường Cảm biến FSR: 4 (trên tựa lưng)
Trang 3016 Ghế văn phòng Cảm biến FSR: FS-L-0055-253-ST: 3 (trên ghế), 1 (trên tựa lưng), 2 (trên tay vịn) Arduino board, ADC board ANN two-layer; SVM PC 97.4 % -97,8 % 88.4 % Hu, 2020 Đệm ngồi (trên ghế văn phòng) cảm biến áp suất tùy chỉnh: 6 (trên ghế) Cảm biến độ nghiêng tương tự 4 cấp: 2 (dưới ghế) Arduino Pro mini; DAC; Module giao tiếp Bluetooth: HM-10 n/a Thiết bị thông minh iOS hoặc cổng (Bluetooth 4.0, iBeacon) n/a Park, 2016
Sau khi tham khảo những nghiên cứu về ghế thông minh của các tác giả đi trước, chúng tôi đã thiết kế thiết bị nhận dạng tư thế ngồi theo thời gian thực dựa trên sự phân bố áp lực khi ngồi và các mơ hình học máy Thiết bị của chúng tôi bao gồm 10 cảm biến áp lực được bố trí dưới đệm, việc sử dụng thêm đệm lót thay vì dán trực tiếp lên ghế như nhiều ngóm nghiên cứu khác sẽ giúp tăng sự thoải mái của người ngồi, đáp ứng thời gian ngồi làm việc lâu dài của người sử dụng Mục đích của chúng tôi là phân loại được 7 tư thế ngồi “thẳng lưng”, “cong lưng’, “nghiêng trái”, “nghiêng phải”, “chéo chân trái”, “chéo chân phải”, “ngả lưng ra sau” và trạng thái “ghế trống” Dữ liệu phân bố áp lực sẽ được ghi nhận bởi vi điều khiển, sau đó đưa vào máy tính để tiến hành huấn luyện thơng qua các kỹ thuật học máy và học sâu Mô hình phân loại sẽ được nhúng vào vi điều khiển, lúc này vi điều khiển sẽ nhận dữ liệu thô từ các cảm biến và dự đoán tư thế ngồi của người dùng theo thời gian thực Kết quả dự đoán sẽ được gửi qua điện thoại thông qua Bluetooth và hiển thị trên màn hình OLED (Organic Light Emitting Diodes)
Trang 3117
Hình 2.7 Cảm biến lực dạng phim FSR-402
Cảm biến là thiết bị biến đổi các tín hiệu vật lý đầu vào thành các tín hiệu điện đầu ra Trong một vài trường hợp, tín hiệu điện ngõ ra không được truyền trực tiếp mà đi qua một số bộ phận khuếch đại tín hiệu Với thiết bị ghế thông minh nhận dạng tư thế ngồi, cần đo sự thay đổi giá trị phân bố áp lực khi ngồi nên chúng tôi sử dụng cảm biến lực cảm ứng điện trở hoặc có tên gọi khác là điện trở cảm ứng lực (Force Sensing Resistor - FSR)
Nguyên lý hoạt động
Điện trở cảm ứng lực bao gồm một polyme dẫn điện, làm thay đổi điện trở theo cách có thể dự đốn được sau khi tác dụng lực lên bề mặt của nó Chúng thường được cung cấp dưới dạng tấm polyme hoặc mực có thể được áp dụng bằng cách in lụa Màng cảm biến bao gồm cả các hạt dẫn điện và không dẫn điện lơ lửng trong ma trận Các hạt có kích thước dưới micromet và được điều chế để giảm sự ảnh hưởng bởi nhiệt độ, cải thiện tính chất cơ học và tăng độ bền bề mặt Tác dụng một lực lên bề mặt của màng cảm biến làm cho các hạt chạm vào các điện cực dẫn điện, làm thay đổi điện trở của màng Như với tất cả các cảm biến dựa trên điện trở, các điện trở cảm biến lực yêu cầu một giao diện tương đối đơn giản và có thể hoạt động tốt trong môi trường khắc nghiệt vừa phải So với các cảm biến lực khác, ưu điểm của FSR là kích thước nhỏ (độ dày thường nhỏ hơn 0,5 mm), giá thành rẻ và khả năng chống sốc tốt
Trang 3218
rất lớn (cỡ Megaohms - M) Dưới tác dụng của lực trở kháng của cảm biến sẽ giảm dần, tùy vào mức độ của lực tác động Mối liên hệ này được minh họa trong Hình 2.3
Hình 2.8 Tương quan giữa lực và trở kháng của cảm biến lực FSR [54] Các thông số của cảm biến
Mục tiêu của thiết bị là nhận diện tư thế ngồi của các đối tượng có cân nặng tối đa 100kg Xét khối lượng của đối tượng, giới hạn cũng như khả năng đáp ứng của cảm biến Chúng tôi lựa chọn thiết kế ghế thông minh với 10 cảm biến FSR-402 với các thông số như sau:
Bảng 2.3 Thông số của cảm biến FSR-402
Tính năng Thơng số kỹ thuật
Diện tích cảm ứng Đường kính trịn 13mm
Tín hiệu trả về Điện trở biến thiên theo áp lực nhấn
Tầm đo 100g đến 10kg
Điện trở không tải 10 M
Dạng Film, độ dày 0.45 mm
Kích thước 60 x 19 x 0.45 mm Số lần nhấn 10 triệu lần
Nhiệt độ hoạt động -30 - +70 C
Trang 3319
giúp hình dung được sự phân bố áp suất trên bề mặt ghế khi ngồi, tăng độ chính xác của mơ hình phân loại
2.3.2.2 Mạch cầu chia áp
Để chuyển đổi lực thành điện áp, cảm biến sẽ được gắn với điện trở tạo thành mạch chia điện áp Đầu ra của mạch chia áp sẽ nhỏ hơn ra trị điện áp nguồn cấp vào mạch Cơng thức tính tốn giá trị điện áp ngõ ra của mạch:
𝑉 = 𝑅 𝑉
(𝑅 + 𝑅 ) (2.1)
Sơ đồ nguyên lý mạch chia áp và giá trị điện trở 𝑅 thích hợp được mơ tả theo Hình 2.4
Hình 2.9 Mơ hình mạch chia áp và giá trị điện trở phù hợp
Trang 3420
Bảng 2.4 Thơng số của IC LM324
Tính năng Thơng số kỹ thuật
Số lượng Op-Amp Tích hợp 4 Op-Amp trong 1 IC
Nguồn nuôi 3 – 32 VDC
Dịng điện hoạt động Từ 700 µA đến 800 µA
Băng thơng tối đa 1 MHz
Số chân 14
Nhiệt độ hoạt động 0 - +70 C
Hình 2.10 Sơ đồ chân IC LM324
Mỗi IC LM324 được tích hợp 4 mạch khuếch đại thuật toán (operational amplifier – Op-Amp), với nhu cầu thu dữ liệu từ 10 cảm biến lực FSR sẽ cần 3 IC LM324 Ngồi ra những thơng số của IC này đều đáp ứng tốt các nhu cầu của đề tài như nguồn cấp phù hợp với vi điều khiển, dịng điện hoạt động thấp để thiết bị có thể sử dụng trong thời gian dài khi cấp nguồn từ pin Lipo
2.3.2.3 Vi điều khiển
Trang 3521
(sau đây sẽ gọi tắt là Lolin32) là nền tảng phát triển ứng dụng với bộ phát Bluetooth / WiFi trên bộ điều khiển giao tiếp không dây ESP32
Sơ đồ chân và thơng số vi điều khiển
Hình 2.11 Sơ đồ chân của vi điều khiển WeMos Lolin32
Việc tiếp nhận và truyền dữ liệu kỹ thuật số giữa bộ điều khiển và các thiết bị ngoại vi được kết nối với các chân general-purpose pins (GPIO) dựa trên logic 3.3V Điện áp đầu vào/ra kỹ thuật số trong phạm vi +2,64V đến +3,6V thường được gọi là tín hiệu cấp cao hoặc logic 1 Điện áp trong phạm vi -0.3V đến +0.33V được gọi là tín hiệu cấp thấp hoặc logic 0
Bảng 2.5 Thơng số vi điều khiển Wemos Lolin32
Tính năng Thông số kỹ thuật
Điện áp hoạt động 3.3 V
Hỗ trợ pin Lipo 3.7 V
Đầu nối pin Loại PH-2 2.0mm
Chân In/Out kỹ thuật số 32 chân
Chân đầu vào tín hiệu tương tự 18 chân 12-bits ADC Chân đầu ra tín hiệu tương tự 2 chân 8-bits DAC
Trang 3622
Bộ nhớ 520 KiB SRAM
Wifi 802.11 b/g/n
Bluetooth v4.2 BR/EDR và BLE
Một số chân kết nối khác 3 UART, 3 SPI, 2 I2S, 2 I2C Dòng tiêu thụ ở chế độ chờ 5 µA
Kích thước Dài 58 mm, rộng 25.4 mm
Với điểm mạnh về kích thước nhỏ gọn, nhiều chân có chức năng chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số với độ phân giải cao, bộ vi xử lý mạnh mẽ, dung lượng bộ nhớ cao hơn nhiều vi xử lý khác Ngoài ra Lolin32 có sẵn cổng cắm cho loại pin Lipo và dòng tiêu thụ thấp giúp cho Lolin32 tiện lợi hơn trong q trình sử dụng khi khơng cần phải kết nối với bộ sạc liên tục Vì những lý do trên chúng tôi lựa chọn WeMos Lolin32 ESP-WROOM-32 thay cho những vi điều khiển khác để thực hiện đề tài luận văn này
Vai trò của vi điều khiển
Các chân truyền được sử dụng để lấy dữ liệu từ cảm biến FSR bao gồm GPIO 36, GPIO 39, GPIO 32, GPIO 33, GPIO 34, GPIO 35, GPIO 32, GPIO 13, GPIO 02 và GPIO 15 Với độ phân giải 12-bits, thì tín hiệu tương tự đầu vào từ 0 – 3.3 V sẽ được mã hóa sang tín hiệu số với giá trị mã hóa là 0 – 4095 Độ phân giải cao sẽ giúp phát hiện được những thay đổi nhỏ của giá trị cảm biến lực trong những tư thế ngồi khác nhau Tổng hợp của các giá trị cảm biến trên ghế sẽ giúp chúng ta hình dung phân bố áp lực khi ngồi, và cũng là dữ liệu đầu vào của mô hình học máy Từ đó huấn luện mơ hình học máy tự động nhận diện tư thế ngồi
Trang 3723
Điện toán di động phát sinh cùng với sự xuất hiện của các thiết bị di động như máy tính bảng, điện thoại thơng minh và máy tính xách tay Điện tốn di động chủ yếu liên quan đến truyền thông không dây cho các thiết bị di động, được hưởng lợi từ những tiến bộ công nghệ như Bộ xử lý trung tâm công suất thấp, bộ nhớ nhỏ và công nghệ hiển thị công suất thấp Ngay sau đó, các hệ thống điện tốn di động bắt đầu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như rô-bốt, xe tự lái và thực tế tăng cường, đòi hỏi khả năng thực hiện các tác vụ thời gian thực trong thời gian rất ngắn mà không cần dựa vào điện tốn đám mây Q trình chuyển đổi sang nền tảng di động này đã châm ngòi cho việc tạo ra một loại mạng thần kinh mới có kích thước nhỏ hơn và ưu tiên hiệu quả của mơ hình hơn độ chính xác Hình 2.7 mơ tả sự tiến bộ của các công nghệ như vậy (Cloud ML, Mobile ML và TinyML) theo thời gian từ 2006 đến 2019
Hình 2.12 Tiến bộ cơng nghệ ứng dụng học máy theo thời gian [55]
Với sự phát triển của các mơ hình học máy và sự cải tiến của các thế hệ vi điều khiển đã cho phép nhúng mơ hình học máy vào trong thiết bị vi điều khiển Giờ đây vi điều khiển có thể vừa đọc tín hiệu cảm biến đầu vào, vừa chạy chương trình học máy, dự đốn và hiển thị kết quả tại chỗ Đề tài chúng tôi sử dụng giá trị của 10 cảm biến lực để làm dữ liệu đầu vào, việc tối ưu hóa dữ liệu đầu vào giúp chúng tơi có thể sử dụng trực tiếp vi điều khiển WeMos Lolin32 ESP-WROOM-32 để đưa ra kết quả dự đoán tư thế ngồi tại chỗ mà không cần phải chạy mô hình học máy trên máy tính hoặc đám mây (Cloud)
Trang 3824
Semiconductors, sử dụng để truyền nhận dữ liệu giữa các IC với I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu: vớiSCL - Serial Clock Line - Tạo xung nhịp đồng hồ do thiết bị chủ phát đi, vàSDA - Serial Data Line - Đường truyền nhận dữ liệu Giao tiếp I2C bao gồm quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị chủ và thiết bị lệ thuộc Cụ thể hơn trong đề tài này vi điều khiển Lolin32 sẽ đóng vai trị là thiết bị chủ, truyền kết quả nhận dạng tư thế ngồi cho thiết bị lệ thuộc là màn hình OLED
Ngồi hiển thị tại chỗ trên màn hình OLED, chúng tơi cịn tích hợp thêm chương trình truyền dữ liệu thông qua kết nối Bluetooth giữa vi điều khiển và điện thoại di động Vi điều khiển đóng vai trị là máy chủ, truyền kết quả nhận dạng tư thế ngồi sang điện thoại di động và hiển thị trên ứng dụng kết nối hai thiết bị
2.4 Thiết bị đo nhịp tim theo thời gian thực
Ngón trỏ được đặt trong một kẹp bao gồm đèn LED hồng ngoại gần và một đi-ốt quang Khi ánh sáng xuyên qua mơ ngón tay, đi-ốt quang sẽ tạo ra dịng điện tỷ lệ thuận với sự dao động của cường độ ánh sáng Độ sáng của đèn LED được giữ cố định sao cho sự thay đổi cường độ ánh sáng chỉ do lưu lượng máu trong ngón tay Dịng đi-ốt quang được đưa đến bộ khuếch đại trở kháng xuyên (TIA) để chuyển đổi dòng điện đầu vào thành điện áp và sau đó tín hiệu điện áp đầu ra được chuyển đến mạch loại bỏ dòng điện một chiều (DCR) DCR loại bỏ phần bù DC gây ra bởi sự biến dạng tín hiệu hơ hấp và ánh sáng xung quanh Tín hiệu sau đó được khuếch đại và lọc Bộ khuếch đại khuếch đại có thể lập trình (PGA) được sử dụng để khuếch đại thêm và bổ sung bù [56]
Trang 3925
Hình 2.13 Sơ đồ của mạch đọc tín hiệu PPG [56]
Trang 4026
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Lý thuyết thống kê, dữ liệu và các phương pháp học máy
3.1.1 Tổng quan về thống kê, dữ liệu và đại lượng đo lường độ tập trung và phân tán của dữ liệu
3.1.1.1 Khái niệm thống kê
Thống kê là một nhánh của toán học liên quan đến việc thu thập dữ liệu, phân tích, diễn giải hay trình bày, giải thích các dữ liệu Thống kê được vận dụng trong nhiều lĩnh vực học thuật khác nhau từ vật lý, đến các ngành khoa học xã hội [57]
Thống kê bao gồm thống kê mô tả, thống kê suy diễn và thống kê ứng dụng Cụ thể:
Thống kê mơ tả là phương pháp sử dụng để tóm tắt, mô tả một tập hợp dữ liệu dưới dạng số hoặc đồ thị Các công cụ mô tả thường dùng nhất là trung bình cộng và độ lệch chuẩn
Thống kê suy diễn được dùng để mô hình hóa các kiểu biến thiên trong dữ liệu, giải thích những biến thiên có vẻ ngẫu nhiên và rút ra kết luận về tổng thể nghiên cứu mà mà chúng ta thông thường không thể khảo sát hết
Thống kê mô tả và thống kê suy diễn tạo thành thống kê ứng dụng
Thống kê cùng với tốn giải tích và tốn ma trận là tiền đề cho các thuật toán máy học sau này
3.1.1.2 Dữ liệu
Trong một quá trình nghiên cứu cần phải có nhiều dữ liệu Việc thu thập dữ liệu địi hỏi nhiều thời gian, cơng sức và chi phí Dữ liệu có hai dạng bao gồm dữ liệu định lượng và dữ liệu định tính
Đối với các dữ liệu thu thập từ các nguồn có sẵn, thường là dữ liệu đã qua gộp, xử lý, gọi là dữ liệu thứ cấp Dữ liệu thứ cấp có ưu điểm là thu thập nhanh, ít tốn kém chi phí nhưng đơi khi ít chi tiết và khơng đáp ứng được nhu cầu của nghiên cứu