Hệ thống IoT (Internet of Things) là một hệ thống được thiết kế để kết nối các thiết bị thông minh và thu thập dữ liệu từ chúng. Để triển khai một hệ thống IoT hiệu quả, cần phải đáp ứng các tiêu chí dự án như độ chính xác khi được kết hợp với các công thức dựa trên y học, dễ dàng sử dụng, giao diện dễ tiếp cận để có thể tiếp cận với mọi lứa tuổi người dùng và hơn hết là xử lý nhanh chóng đưa ra kết quả thu thập dữ liệu trong thời gian ngắn nhất có thể để đảm bảo tính an toàn cho sức khỏe người dùng. Sử dụng machine learning Fuzzy logic để phân tích đưa ra đánh giá khách quan
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG BÀI TẬP LỚN MÔN GIẢI PHÁP VÀ HỆ THỐNG IOT TIÊN TIẾN Chủ đề: Mô hệ thống chống sốc nhiệt y tế thông minh dựa tảng IoT Hà Nội – 2023 Nhóm 05_Mơ hệ thống chống sốc nhiệt LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại mà công nghệ phát triển với tốc độ chóng mặt, Internet of Things (IoT) lĩnh vực quan tâm đặc biệt IoT cung cấp chế để kết nối thiết bị thông minh với để giải vấn đề khác đời sống Trong năm gần đây, tình trạng sốc nhiệt trở thành vấn đề đáng lo ngại Sốc nhiệt xảy thể người điều tiết nhiệt độ bên trong, mơi trường q nóng hoạt động thể chất mức Điều dẫn đến vấn đề sức khỏe nghiêm trọng chí gây tử vong Trong bối cảnh đó, chúng tơi định nghiên cứu phát triển thiết bị đeo thể có khả phát sốc nhiệt, tảng IoT Thiết bị đo nhiệt độ thể, nhiệt độ môi trường độ ẩm, phát nguy sốc nhiệt dựa thông số Chúng tin thiết bị đeo thể giúp giảm thiểu trường hợp sốc nhiệt nâng cao chất lượng sống người sử dụng Với lý trên, định chọn đề tài " Mô hệ thống chống sốc nhiệt y tế thông minh dựa tảng IoT " Việc nghiên cứu phát triển thiết bị không đáp ứng nhu cầu xã hội mà cịn đóng góp vào phát triển công nghệ IoT lĩnh vực y tế sức khỏe Nhóm 05_Mơ hệ thống chống sốc nhiệt Mục lục LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Nguồn gốc tính thực tiễn toán 1.2 Đánh giá nghiên cứu có sẵn CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG 2.1 Phần cứng 2.1.1 Cảm biến nhịp tim Max30100 .10 2.1.2 Cảm biến DHT11 11 2.1.3 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 12 2.1.4 Vi xử lý Arduino Uno R3 12 2.1.5 Vi xử lý ESP8266 .13 2.2 Phần mềm 15 2.2.1 Arduino IDE .15 2.2.2 ThingSpeak 16 2.2.3 MIT App Inventor .17 2.2.4 HiveMQ 18 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19 3.1 Mục tiêu hệ thống 19 3.2 Nguyên lý hoạt động 19 3.3 Cơ sở lý thuyết 21 3.3.1 Giá trị cảm biến 21 3.3.2 Giá trị Heat Stroke Risk Level 23 3.4 Xây dựng app 26 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .27 CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT VÀ THẢO LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 Nhóm 05_Mơ hệ thống chống sốc nhiệt DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Giới thiệu Iot y tế Hình 2: Giới thiệu phát triển thiết bị đeo tay Hình 3: Q trình phát triển hồn thành thiết bị .9 Hình 4: Sơ đồ mơ hình mạch kết nối Hình 5: Cảm biến nhịp tim Max30100 .10 Hình 6: Cảm biến DHT11 11 Hình 7: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 12 Hình 8: Vi xử lý Arduino Uno R3 13 Hình 9: Vi xử lý ESP8266 14 Hình 10: Arduino IDE 16 Hình 11: ThingSpeak 17 Hình 12: MIT App Inventor .17 Hình 13: Giao thức MQTT 18 Hình 14: Sơ đồ nguyên lý hệ thống 20 Hình 15: Bảng số Heat Index 21 Hình 16: Kết đầu ứng dụng Androi cho mức độ nguy hiểm tổn thương nắng nóng khác 28 Hình 17: Các liệu đẩy lên ThingSpeak 29 Hình 18: Biểu đồ nhịp tim người dùng 30 Hình 19: Biểu đồ nhiệt độ thể người dùng .30 Hình 20: Biểu đồ HI người dùng 31 Hình 21: Biểu đồ số sốc nhiệt người dùng .31 Nhóm 05_Mơ hệ thống chống sốc nhiệt CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Nguồn gốc tính thực tiễn toán Ngày nay, IoT dần sử dụng nhiều lĩnh vực y tế, cung cấp nhiều giải pháp sản phẩm kết nối với mạng IoT để cải thiện chất lượng chăm sóc, giảm thiểu chi phí tăng tính hiệu dịch vụ y tế Việc áp dụng IoT lĩnh vực chăm sóc sức khỏe mang lại lợi ích khơng cho bệnh nhân mà cịn cho nhà cung cấp dịch vụ y tế, cách tạo diện lớn tăng tính hiệu việc cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe Một số ứng dụng IoT chăm sóc sức khỏe ứng dụng y tế di động thiết bị đeo cho phép bệnh nhân thu thập liệu sức khỏe họ Các bệnh viện sử dụng IoT để theo dõi vị trí thiết bị y tế, nhân viên bệnh nhân Hình 1: Giới thiệu Iot y tế Theo Báo cáo Khí hậu Toàn cầu tháng năm 2020 Trung tâm Thông tin Môi trường Quốc gia (NCEI) công bố, nhiệt độ bề mặt đại dương đất liền toàn cầu trung bình vào tháng năm 2020 đạt nhiệt độ cao ghi nhận kể từ kỷ lục toàn cầu bắt đầu ghi nhận vào năm 1880 [1] Hơn nữa, nhiệt độ bề mặt đại dương đất liền tồn cầu trung bình tăng 0,54 độ C so với nhiệt độ 10 năm trước [2] Những phát nhiệt độ toàn cầu tăng lên đáng kể thập kỷ gần Nhiệt độ cao dẫn đến nhóm bệnh rối loạn chức thể từ bệnh nhẹ nhiệt miệng đến bệnh nặng (say nóng), chí trường hợp nguy kịch dẫn đến đột quỵ nhiệt Đột quỵ nhiệt định nghĩa tình trạng nhiệt độ thể 40,5 độ C kèm theo rối loạn chức hệ thần kinh trung ương (CNS) Đột quỵ nhiệt tình trạng nguy hiểm cho sức khỏe, đặc biệt người độ tuổi cao người có bệnh lý Tình trạng nhiệt độ thể vượt ngưỡng an tồn gây rối Nhóm 05_Mơ hệ thống chống sốc nhiệt loạn chức hệ thần kinh trung ương, ảnh hưởng đến trình trao đổi chất dẫn đến hậu nghiêm trọng suy tim, suy thận, đột tử Tuy nhiên, phát điều trị kịp thời, đột quỵ nhiệt kiểm sốt ngăn chặn hậu nghiêm trọng Vì thế, việc phát sớm cung cấp biện pháp điều trị kịp thời vô quan trọng việc ngăn chặn hậu nghiêm trọng đột quỵ nhiệt Việc sử dụng thiết bị đeo tay phát đột quỵ nhiệt giúp giám sát nhiệt độ thể cung cấp cảnh báo có bất thường, từ giúp người sử dụng nhà y tế đưa biện pháp phòng ngừa điều trị kịp thời Khi công nghệ ngày phát triển nhanh chóng, cơng nghệ Internet vạn vật (IoT) ngày nhiều nhà nghiên cứu ý Nó triển khai nhiều dự án thuộc lĩnh vực khác nhau, đặc biệt lĩnh vực chăm sóc sức khỏe IoT cho thiết bị chăm sóc sức khỏe cá nhân hệ thống Y tế điện tử (E-Health) Điều chứng tỏ công nghệ IoT quan trọng việc cải thiện hiệu suất, hiệu lực hiệu hệ thống chăm sóc sức khỏe Vì thế, việc phát triển thiết bị đeo phù hợp với môi trường dựa IoT để phát đột quỵ nhiệt tiềm ẩn cách xác hiệu điều hoàn toàn phù hợp thiết yếu nhu cầu sống Hình 2: Giới thiệu phát triển thiết bị đeo tay Đúng vậy, việc phát triển thiết bị đeo phù hợp với môi trường dựa IoT để phát đột quỵ nhiệt giải pháp tiềm để phòng ngừa điều trị bệnh liên quan đến tình trạng nhiệt độ thể Thiết bị đeo tay phát đột quỵ nhiệt Nhóm 05_Mơ hệ thống chống sốc nhiệt tích hợp cảm biến nhiệt độ để đo lường nhiệt độ thể Dữ liệu đo truyền tải đến hệ thống thông qua kết nối Internet để phân tích xử lý Hệ thống đưa cảnh báo nhiệt độ thể người dùng vượt giới hạn an tồn đưa biện pháp phịng ngừa điều trị kịp thời Tuy nhiên, việc phát triển thiết bị đeo tay phát đột quỵ nhiệt đòi hỏi độ xác tin cậy cao Các cảm biến nhiệt độ phải chọn lọc đảm bảo tính ổn định để đo lường xác nhiệt độ thể Thiết bị đeo tay cần thiết kế để có tính di động cao, dễ dàng sử dụng phù hợp với nhiều loại người dùng khác Ngoài ra, hệ thống kết nối Internet cần đảm bảo tính đáng tin cậy an tồn để truyền tải liệu đo Để đảm bảo tính đáng tin cậy thiết bị, cần phải có tiêu chuẩn quy định yêu cầu kỹ thuật an toàn để giúp đảm bảo an toàn cho người sử dụng Từ nhu cầu sẵn có, nghiên cứu phát triển thiết bị phát sốc nhiệt triển khai, song cách thức thực liệu chưa có độ xác tin cậy Tuy nhiên, từ sai số điểm hạn chế từ nghiên cứu trước, chúng tơi đưa phương pháp đo lường, tính tốn đưa kết luận cuối cách hiệu xác Phần nhóm chúng tơi phân tích chi tiết phần “1.2 Đánh giá nghiên cứu có sẵn” 1.2 Đánh giá nghiên cứu có sẵn Đã có số thiết bị phát sốc nhiệt phát triển đưa vào thực tiễn nhiều năm trở lại Một dự án phát triển dựa công nghệ IoT thực Iksan Jaya cộng sự, hệ thống phát đột quỵ nhiệt sử dụng Wemos D1 Mini làm vi xử lý phát đột quỵ nhiệt dựa nhiệt độ thể cách sử dụng cảm biến DS18B20 Nó sử dụng mơ-đun Wi-Fi ESP8266 để truyền liệu đến sở liệu MySQL hiển thị liệu trang web phát triển phần mềm Bootstrap thông qua máy tính cá nhân (PC) [3] Tuy nhiên, việc phát đột quỵ nhiệt hệ thống khơng xác khơng xem xét yếu tố quan trọng khác nhịp tim nhiệt độ xung quanh Các nghiên cứu khác P O Antonio công phát triển hệ thống phát đột quỵ nhiệt dựa theo công nghệ IoT cách đo đạc nhịp tim nhiệt độ thể cảm biến nhịp tim Pulse Sensor cảm biến nhiệt độ DS18B20 Hệ thống sử dụng vi xử lý Arduino Mini 05 mô-đun Wi-Fi ESP8266 để truyền liệu đến sở liệu MySQL hiển thị liệu trang web phát triển phần mềm Bootstrap thông qua máy tính cá nhân (PC) [4] [5] Khi số lấy thành cơng, chuyển dạng tin nhắn nhanh (SMS) cho người dùng thông qua giao thức HTTPS để cảnh báo sốc nhiệt Tuy số có phần khả quan, song cải thiện qua việc đo thêm số nhiệt độ độ ẩm xung quanh sử dụng logic mờ để tính tốn Qua việc đánh giá nghiên cứu có sẵn, chúng tơi thống đưa giải pháp tối ưu: Thiết kế thiết bị phát đột quỵ nhiệt qua việc đo nhịp tim, Nhóm 05_Mơ hệ thống chống sốc nhiệt nhiệt độ thể, nhiệt độ độ ẩm xung quanh từ đưa số có tên “Chỉ số sốc nhiệt” (Heat Stroke Risk Level) thông qua đo lường điều khiển phù hợp Các số thông báo áp dụng công nghệ IoT cách đưa chúng lên hệ thống máy chủ phù hợp sau báo cho người dùng thơng qua ứng dụng phát triển tảng Android Nhóm 05_Mơ hệ thống chống sốc nhiệt CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG Việc phát triển hoàn thiện thiết bị trải qua ba giai đoạn đề cập qua Hình 1: Hình 3: Quá trình phát triển hoàn thành thiết bị 2.1 Phần cứng Các phần cứng sử dụng báo cáo giới thiệu qua Hình Thiết bị bao gồm cảm biến nhịp tim Max30100, cảm biến nhiệt độ độ ẩm khơng khí DHT11, cảm biến nhiệt độ thể DS18B20 vi xử lý ESP8266, vi xử lý Arduino Uno R3 Hình 4: Sơ đồ mơ hình mạch kết nối Nhóm 05_Mơ hệ thống chống sốc nhiệt 2.1.1 Cảm biến nhịp tim Max30100 Cảm biến nhịp tim Max30100 có chức đo nhịp tim thể, có kích thước nhỏ gọn độ chuẩn xác cao Hình 5: Cảm biến nhịp tim Max30100 Đặc tính kỹ thuật MAX03100 - Điện áp hoạt động từ 1,8V đến 3,3V Dịng điện đầu vào 20mA Tích hợp loại bỏ nhiễu từ ánh sáng xung quanh Tốc độ lấy mẫu tín hiệu cao Xuất đầu liệu nhanh Max30100 cảm biến ánh sáng sử dụng để đo lường nhịp tim nồng độ oxy máu Cảm biến phát triển hãng Maxim Integrated, tích hợp sẵn linh kiện điện tử đo ánh sáng, xử lý tín hiệu giao tiếp, cho phép dễ dàng tích hợp vào dự án điện tử Max30100 sử dụng công nghệ đo ánh sáng không tiếp xúc (non-invasive) để đo lường thông qua da người sử dụng, cách chiếu sáng hai tia ánh sáng LED (đỏ xanh cây) lên da đo lường mức độ hấp thu ánh sáng huyết quản da Từ đó, cảm biến tính tốn nhịp tim nồng độ oxy huyết Cảm biến Max30100 có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng tích hợp vào dự án điện tử khác nhau, thiết bị đeo tay thông minh, thiết bị y tế, dự án IoT Ngoài ra, cảm biến có khả tiết kiệm lượng độ xác cao đo lường 10 Nhóm 05_Mơ hệ thống chống sốc nhiệt thực App cung cấp cảnh báo người dùng đặt độ nguy hiểm cao cho phép lựa chọn để ghi lại thông tin đo bất thường lên sở liệu Thingspeak Với liệu ghi lại Thingspeak, người dùng giám sát đưa giải pháp cho sức khỏe thể Tổng thể, hệ thống giải pháp giám sát sức khỏe thể thông minh tiện lợi, giúp người dùng theo dõi tình trạng sức khỏe thể đưa biện pháp phịng ngừa kịp thời Hình 14: Sơ đồ nguyên lý hệ thống 20