Nghiên cứu và thiết kế thiết bị đo điện tim, điện cơ và nồng độ oxy trong máu giám sát trên điện thoại dùng Android và Internet

Nhận thấy tiềm năng phát triển của nhu cầu trên, đặc biệt là việc kết hợp sử dụng điện thoại thông minh để giám sát sức khỏe của cá nhân, nhóm em quyết định thực hiện đề tài: “Nghiên cứu

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Với nhu cầu thông tin ngày càng tăng của con người, mạng Internet đã ra đời để đáp ứng nhu cầu đó Hiện nay, mạng Internet đã trở nên phố biến trên toàn cầu và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Với sự phát triển nhanh chóng các dịch vụ và ứng dụng việc thông tin qua mạng Internet ngày càng tiện lợi, tiết kiệm thời gian, đảm bảo an toàn, bảo mật và tiết kiệm chi phí đƣợc sử dụng Với chất lƣợng mạng viễn thông nhƣ hiện nay đã tạo điều kiện cho các ứng dụng về truyền và nhận dữ liệu từ xa ngày càng phát triển.

Song song với đó nhu cầu về kiểm tra sức khỏe tại nhà cũng ngày càng đƣợc quan tâm hơn Thực tế ở nước ta cho thấy rằng việc đi đến bệnh viện để kiểm tra sức khỏe mất khá nhiều thời gian và công sức Thay vào đó, việc kiểm tra sức khỏe ngay tại nhà và bác sỹ có thể kiểm tra thông qua mạng Internet là một nhu cầu cần thiết Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, sản phẩm điện thoại thông minh trở nên rất thông dụng Với giá thành ngày càng hạ và chức năng không ngừng đƣợc nâng cao, nó dần trở thành một thiết bị không thể thiếu của mỗi gia đình Cho nên, việc kiểm tra sức khỏe thông qua điện thoại thông minh là một ý tưởng hay và khả thi Thấy đƣợc điều đó nhóm em quyết định thực hiện đề tài này.

MỤC TIÊU

Mục tiêu chính của đề tài là đọc dữ liệu từ các module đo điện tim, điện cơ, nồng độ Oxy trong máu hiển thị lên màn hình điện thoại Android Có thể lưu trữ kết quả đo trong bộ nhớ điện thoại và gửi đƣợc kết quả đo lên Google Drive để tiện theo dõi từ xa.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Thiết kế giao diện đo trên ứng dụng Android

- Gửi dữ liệu lên Google Drive từ ứng dụng Android

- Lập trình khối đo điện cơ ( EMG - Electromyography)

- Lập trình khối đo điện tim sử dụng (ECG - Electrocardiography)

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2

- Lập trình khối đo nồng độ bão hòa Oxy trong máu.

GIỚI HẠN

- Sử dụng từng mạch đo có sẵn để lập trình

- Giám sát kết quả đo qua giao diện trên Android và trên Google Drive

- Gửi kết quả đo vào địa chỉ Google Drive đã được cài đặt trước.

BỐ CỤC

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục của đồ án

- Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết của board Arduino, điện tâm đồ (ECG), điện cơ đồ (EMG), độ bão hòa oxy trong máu (SpO2), hệ điều hành Android Trình bày tổng quan về các module AD82832, Muscle Sensor v3 và CJMCU-30100, lý thuyết các chuẩn giao tiếp UART, I2C.

- Chương 3: Tính Toán Thiết Kế.

Chương này trình bày các yêu cầu, lý do và lựa chọn linh kiện cho hệ thống Trình bày sơ đồ kết nối của toàn hệ thống.

- Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Chương này gồm các phần chính: thi công hệ thống, đóng gói và thi công hệ thống, lập trình hệ thống.

- Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét Và Đánh Giá.

Chương này trình bày kết quả của cả quá trình nghiên cứu của toàn bộ đề tài, đánh giá những sai số, độ ổn định của hệ thống.

- Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Chương này trình bày ngắn gọn những kết quả đã thu được, hướng phát triển của đề tài đã làm để làm tăng khả năng của đề tài

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

LÝ THUYẾT ĐIỆN TÂM ĐỒ, ĐIỆN CƠ ĐỒ VÀ ĐỘ BÃO HÒA OXY

2.1.1 Điện tâm đồ (ECG) Điện tâm đồ (Electrocardiography, viết tắt ECG hoặc EKG) là quá trình ghi lại hoạt động điện của tim trong một khoảng thời gian sử dụng các điện cực đặt trên da Những điện cực phát hiện những thay đổi điện nhỏ trên da do tim phát ra trong hoạt động co bóp Điện lực rất nhỏ, chỉ tính bằng milivôn Điện tâm đồ (ECG) đƣợc chia ra làm 2 quãng cơ bản đó là quãng PR và quãng

QT như hình 2.1 [1] bên dưới:

Hình 2.1 Quãng PR và quãng QT. a Quãng PR

Quãng PR là hình dạng sóng đầu tiên đƣợc tạo ra bởi một xung điện đi từ Tâm nhĩ phải sang Tâm nhĩ trái Vì vậy Tâm Nhĩ Phải là nơi đầu tiên thấy đƣợc xung điện Xung điện gây ra hiện tƣợng khử cực ở đây Kích Tâm Nhĩ Phải co lại và hút máu đã khử hết Oxy từ cả 2 đường là Tĩnh mạch chủ trên và Tĩnh mạch chủ dưới vào Tâm thất phải Khi xung điện đi qua đỉnh tim nó sẽ kích cho Tâm nhĩ trái co lại Tâm nhĩ trái có nhiệm vụ mang máu chứa Oxy từ phổi vào Tâm thất trái

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 thông qua các Tĩnh mạch phổi trái và phải Các tĩnh mạch trong hình 2 có màu đỏ tƣợng trƣng cho việc vận chuyển máu có Oxy b Quãng QT

QRS là tiến trình phức tạp Trong quãng QRS, cả hai Tâm thất trái và phải bắt đầu bơm Tâm thất phải bơm máu hết Oxy vào phổi thông qua các động mạch trái và phải Các động mạch trong hình 2 có màu xanh tƣợng trƣng cho việc vận chuyển máu hết Oxy Tâm thất trái cũng bắt đầu bơm máu mới (có chứa Oxy) vào động mạch chủ vào phần còn lại của cơ thể Kết thúc sự co bóp này đoạn ST xuất hiện Đoạn ST khá lặng bởi vì đó là lúc các tâm thất đợi để đƣợc tái phân cực Cuối cùng, sóng T xuất hiện báo hiệu việc tái phân cực, hoặc nới lỏng các tâm thất

Hình 2.2 [1] bên dưới là sơ đồ tim:

Hình 2.2 Sơ đồ tim c Hệ thống các chuyển đạo

Cơ thể con người là một môi trường dẫn điện, vì thế dòng điện do tim phát ra được truyền đi khắp cơ thể, biến cơ thể thành điện trường của tim Nếu đặt 2 điện cực lên bất cứ điểm nào đó của điện trường này, ta thu được dòng điện thể hiện điện thế giữa hai điểm đó gọi là chuyển đạo hay đạo trình (Lead) Nó thể hiện trên máy ghi bằng một đường cong điện tâm đồ có hình dạng khác nhau tuỳ thuộc vị trí đặt điện cực Do đó cần thiết phải qui chuẩn vị trí đặt điện cực để đạt đƣợc hiệu quả cao nhất.[2]

Hiện nay người ta đặt điện cực theo 12 cách thu được 12 chuyển đạo thông dụng gồm 3 chuyển đạo mẫu, 3 chuyển đạo đơn cực các chi và 6 chuyển đạo trước tim Tại mỗi chuyển đạo ta đƣợc một dạng sóng điện tim đồ khác nhau Ở đây chỉ đề cập đến chuyển đạo mẫu nhƣ sau: còn gọi là các chuyển đạo lƣỡng cực các chi hay lƣỡng cực ngoại biên Vì cả hai điện cực của chúng đều là những điện cực thăm dò, đƣợc đặt nhƣ hình 2.3 [2] sau:

Chuyển đạo I: điện cực âm ở cổ tay phải, điệc cực dương ở cổ tay trái, gọi là chuyển đạo I, viết tắt là D1

Chuyển đạo II: Điện cực âm ở cổ tay phải, dương ở cổ chân trái, gọi đó là chuyển đạo 2 viết tắt là D2

Chuyển đạo III: Điện cực âm ở tay trái, điện cực dương ở chân trái., gọi đó là chuyển đạo 3, viết tắt là D3

Hình 2.3 Sơ đồ mắc các chuyển đạo Điện cực đặt ở chân phải là dây nối đất để tránh ảnh hưởng nhiễu

2.1.2 Điện cơ (EMG) a Khái niệm Đo điện cơ là một kỹ thuật ghi lại hoạt động điện của cơ Khi cơ hoạt động sẽ sinh ra dòng điện Dòng điện này thường tỉ lệ với mức độ hoạt động của cơ Đo điện cơ còn đƣợc gọi là điện cơ đồ Đo điện cơ có thể được dùng để phát hiện bất thường hoạt động điện của cơ xảy ra ở bất kỳ bệnh lý nào bao gồm bệnh loạn dƣỡng cơ, viêm cơ, bệnh thần kinh gây đau, tổn thương thần kinh ngoại biên ( tổn thương thần kinh cẳng tay, chân ), xơ cứng cột bên teo cơ ( còn gọi là bệnh Lou Gehrig ), nhƣợc cơ, thoát vị đĩa đệm và các bệnh khác Đo điện cơ thường được thực hiện khi người bệnh bị yếu cơ mà không giải thích đƣợc Đo điện cơ giúp phân biệt giữa bệnh cơ mà trong đó nguyên nhân gây bệnh xuất phát từ cơ và yếu cơ do rối loạn thần kinh Đo điện cơ cũng có thể sử dụng để phát hiện yếu cơ thật sự, ngược với yếu cơ do đau làm người bệnh không dám cử động nhiều b Các loại đo điện cơ

Có 2 kiểu đo điện cơ là đo điện bên trong cơ và đo điện ở bề mặt da Đo điện bên trong cơ (là cách thường dùng nhất) (hình 2.4), cắm một kim điện cực xuyên qua da vào bên trong cơ để đo hoạt động điện

Hình 2.4 Đo điện cơ bên trong Đo điện cơ ở bề mặt (hình 2.5) bằng cách đặt một điện cực lên bề mặt da (mà không cắm điện cực vào sâu bên trong cơ) để đo hoạt động điện của cơ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 Đo điện bên trong cơ là dạng cổ điển của đo điện cơ trên bề mặt

Hình 2.5 Đo điện cơ bên ngoài 2.1.3 Độ bão hòa oxy trong máu (SpO 2 ) a Sự vận chuyển khí oxy của máu

Oxy là một nguyên tố rất cần cho sự sống Đối với cơ thể người, oxy cần cho quá trình hô hấp, cho các quá trình oxy hóa xảy ra bên trong cơ thể

Một trong những chức năng của máu là đối vơi cơ thể là vận chuyển Máu vận chuyển các chất dinh dƣỡng, khí oxy từ phổi đến các mô, cacbon dioxyt từ các mô đến phổi,

Khí oxy đƣợc vận chuyển theo máu thông qua hai dạng: hòa tan và kết hợp với hemoglobin (hemoglobin là một protein kết lại trong hồng cầu)

Dạng hòa tan: Khả năng hòa tan của oxy trong máu rất nhỏ so với lƣợng oxy vận chuyển ở dạng kết hợp cung cấp cho mô

Dạng kết hợp: khí oxy đƣợc vận chuyển trong máu ở dạng kết hợp là kết quả của một loạt các phản ứng thuận nghịch xảy ra giữa oxy và hemoglobin (Hb) để tạo thành Oxyhemoglobin (HbO2) Sự kết hợp giữa oxy và hemoglobin tỉ lệ thuận với phân áp của oxy trong máu Khi oxy trong máu tăng dần từ 0 – 100mmHg, tỷ lệ % hòa tan của HbO2 cũng tăng dần tới 97% Ngƣợc lại, khi phân áp oxy giảm từ 100 –

0 mmHg thì tỷ lệ % bão hòa của HbO2 cũng giảm dần theo thứ tự đó Nồng độ bão hòa oxy trong máu: do khí oxy vận chuyển dưới dạng hòa tan rất nhỏ so với dạng

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 kết hợp nên nồng độ bão hòa oxy trong máu chủ yếu đƣợc xác định bởi tỷ lệ % hòa tan của HbO2.[4] b Các phương pháp đo nồng độ oxy trong máu

Có nhiều phương pháp đo nồng độ oxy trong máu, các phương pháp phổ biến bao gồm:

Phương pháp dùng điện cực oxy

Phương pháp cộng hưởng điện tử từ tính

Phương pháp chụp tia pozitron

Phương pháp đo Pulse Oxymetry là phương pháp đo dựa vào xung nhịp tim, phương pháp có các ưu điểm sau:

- Biết ngay kết quả đo

- Chỉ cần một thao tác đo

- Cách thức đo đơn giản và không hề xâm phạm cơ thể

- Độ tin cậy khá cao

Do đó nội dung của đồ án sẽ tập trung vào phương pháp này c Nguyên lý Pulse Oxymetry về hấp thụ ánh sáng của máu

Hai dạng chủ yếu của hemoglobin có trong máu mà ảnh hưởng nhiều nhất đối với ánh sáng là oxyhemoglobin (HbO2) và reducoxyhemoglobin (Hb), HbO2 và Hb có quang phổ hấp thụ khác nhau với các bước sóng ánh sáng khác nhau

HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID

Android là hệ điều hành di động mã nguồn mở miễn phí do Google phát triển dựa trên nền tảng Linux Bất kì một hãng sản xuất phần cứng nào cũng đều có thể tự do sử dụng hệ điều hành Android cho thiết bị của mình, miễn là thiết bị ấy đáp ứng đƣợc các tiêu chuẩn cơ bản do Google đặt ra (có cảm ứng chạm, GPS, 3G, …).[5]

2.2.2 Lịch sử của hệ điều hành Android

Ban đầu, Android là hệ điều hành cho các thiết bị cầm tay dựa trên lõi Linux do công ty Android Inc (California, Mỹ) Công ty này sau đó đƣợc Google mua lại vào năm 2005 và bắt đầu xây dựng Android Platform Các thành viên chủ chốt hiện tại ở Android Inc gồm có : Andy Rubin, Rich Miner, Nick Sears and Christ White

Và sau tiếp, vào cuối năm 2007, thuộc về liên minh Thiết bị Cầm tay Mã nguồn mở (Open Handset Alliance) gồm các thành viên nổi bật trong ngành viễn thông và thiết bị cầm tay nhƣ: Texas Instruments, Broadcom Corporation, Google, HTC, Intel, LG, Marvell Technology Group, Motorola, Nvidia, Qualcomm, Samsung Electronics, Sprint Nextel, T-Mobile, ARM Holdings, Atheros Communications, Asustek Computer Inc, Garmin Ltd, Softbank, Sony Ericsson, Toshiba Corp, and Vodaphone Group, …

Mục tiêu của Liên minh này là nhanh chóng đổi mới để đáp ứng tốt hơn cho nhu cầu người tiêu dùng và kết quả đầu tiên của nó chính là nền tảng Android Android đƣợc thiết kế để phục vụ nhu cầu của các nhà sản xuất, các nhà khai thác và các lập trình viên thiết bị cầm tay

Vào cuối năm 2008, Google cho phát hành một thiết bị cầm tay đƣợc gọi là Android Dev Phone 1 có thể chạy đƣợc các ứng dụng Android mà không bị ràng buộc vào các nhà cung cấp mạng điện thoại di động Mục tiêu của thiết bị này là cho phép các nhà phát triển thực hiện các cuộc thí nghiệm trên một thiết bị thực có thể chạy hệ điều hành Android mà không phải kí một bản hợp đồng nào Vào khoảng cùng thời gian đó thì Google cũng cho phát hành một phiên bản vá lỗi 1.1 của hệ điều hành này Ở cả hai phiên bản 1.0 và 1.1 Android chƣa hỗ trợ Soft- keyboard mà đòi hỏi các thiết bị phải sử dụng bàn phím vật lý Android cố định vấn đề này bằng cách phát hành SDK 1.5 vào tháng 4 năm 2009, cùng với một số tính năng khác Chẳng hạn nhƣ nâng cao khả năng ghi âm truyền thông, vật dụng, và các live folder

2.2.3 DELVING với máy ảo DALVIK

Dalvik là máy ảo giúp các ứng dụng java chạy đƣợc trên các thiết bị di động Android Nó chạy các ứng dụng đã đƣợc chuyển đổi thành một file thực thi Dalvik (dex) Định dạng phù hợp cho hệ thống mà thường bị hạn chế về bộ nhớ và tốc độ xử lí Dalvik được thiết kế và viết bởi Dan Bornstein, người đã đặt tên cho nó sau khi đến thăm một ngụi làng đỏnh cỏ nhỏ cú tờn là Dalvik ở đảo Eyjafjửrður, nơi mà một số tổ tiên của ông sinh sống

Từ góc nhìn của một nhà phát triển, Dalvick trông giống nhƣ máy ảo Java (Java Virtual Machine) nhƣng thực tế thì hoàn toàn khác Khi một nhà phát triển viết một ứng dụng dành cho Android, anh ta thực hiện các đoạn mã trong môi trường Java Sau đó, nó sẽ được biên dịch sang các bytecode của Java, tuy nhiên để thực thi đƣợc ứng dụng này trên Android thì nhà phát triển phải thực thi một công cụ có tên là dex Đây là công cụ dùng để chuyển đổi bytecode sang một dạng gọi là

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 12 dex byte code “Dex” là từ viết tắt của “Dalvik excutable” đóng vai trò nhƣ cơ chế ảo thực thi các ứng dụng Android

2.2.4 Kiến trúc của hệ điều hành Android

Mô hình sau thể hiện một cách tổng quát các thành phần của hệ điều hành Android Mỗi một phần sẽ được đặc tả một cách chi tiết dưới đây: a Tầng Applications

Android đƣợc tích hợp sẵn một số ứng dụng cần thiết cơ bản nhƣ: contacts, browser, camera, Phone, … Tất cả các ứng dụng chạy trên hệ điều hành Android đều đƣợc viết bằng Java b Tầng Application Framework

Bằng cách cung cấp một nền tảng phát triển mở, Android cung cấp cho các nhà phát triển khả năng xây dựng các ứng dụng cực kỳ phong phú và sáng tạo Nhà phát triển đƣợc tự do tận dụng các thiết bị phần cứng, thông tin địa điểm truy cập, các dịch vụ chạy nền, thiết lập hệ thống báo động, thêm các thông báo ghi các thanh trạng thái và nhiều, nhiều hơn nữa

Hình 2.8 Cấu trúc stack hệ thống Android

Nhà phát triển có thể truy cập vào các API cùng một khuôn khổ đƣợc sử dụng bởi các ứng dụng lõi Các kiến trúc ứng dụng đƣợc thiết kế để đơn giản hóa việc sử dụng lại các thành phần; bất kỳ ứng dụng có thể xuất bản khả năng của mình và ứng dụng nào khác Sau đó có thể sử dụng những khả năng (có thể hạn chế bảo mật được thực thi bởi khuôn khổ ) Cơ chế này cho phép các thành phần tương tự sẽ được thay thế bởi người sử dụng

Cơ bản tất cả các ứng dụng là một bộ các dịch vụ và các hệ thống, bao gồm: Một tập rất nhiều các View có khả năng thừa kế lẫn nhau dùng để thiết kế phần giao diện ứng dụng nhƣ: grid view, table view, linear layout, …

“Content Provider” cho phép các ứng dụng có thể truy xuất dữ liệu từ các ứng dụng khác (chẳng hạn nhƣ Contacts) hoặc là chia sẻ dữ liệu giữa các ứng dụng đó

“Resouce Manager” cung cấp truy xuất tới các tài nguyên không phải là mã nguồn, chẳng hạn nhƣ: localized strings, graphics, và layout files

“Notifycation Manager” cho phép tất cả các ứng dụng hiển thị các custom alert trong status bar

“Activity Manager” đƣợc dùng để quản lý chu trình sống của ứng dụng và điều hướng các Activity c Tầng Library

Android bao gồm một tập các thƣ viện C/C++ đƣợc sử dụng bởi nhiều thành phần khác nhau trong hệ thống Android Điều này đƣợc thể hiện thông qua nền tảng ứng dụng Android Một số các thư viện cơ bản được liệt kê dưới đây:

CÁC CHUẨN GIAO TIẾP

Thuật ngữ USART trong tiếng anh là viết tắt của cụm từ: Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter [8], nghĩa là bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ Cần chú ý rằng khái niệm USART (hay UART nếu chỉ nói đến bộ truyền nhận không đồng bộ) thường để chỉ thiết bị

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 17 phần cứng (device, hardware), không phải chỉ một chuẩn giao tiếp USART hay UART cần phải kết hợp với một thiết bị chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một onCreate() Activity starts onStart() onResume()

Another activity comes in front of the activity onPause()

The activity is no longer visible onStop() onDestroy()

Activity is shut down onRestart()

The activity comes to the foreground

User navigates back to the activity

Hình 2.10 Chu kỳ sống của Activity chuẩn giao tiếp nào đó Ví dụ, chuẩn RS232 (hay COM) trên các máy tính cá nhân là sự kết hợp của chip UART và chip chuyển đổi mức điện áp Tín hiệu từ chip UART thường theo mức TTL: mức logic high là 5V, mức low là 0V Trong khi đó, tín hiệu theo chuẩn RS232 trên máy tính cá nhân thường là -12V cho mức logic high và +12 cho mức low Ở đây sử dụng theo mức logic TTL của USART

Truyền thông nối tiếp: trong tuyền thông nối tiếp dữ liệu đƣợc truyền từng bit trên 1 (hoặc một ít) đường truyền Vì lý do này, cho dù dữ liệu có lớn đến đâu

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 18 cũng chỉ dùng rất ít đường truyền Để đảm bảo tính chính xác, bộ truyền và bộ nhận cần có những tiêu chuẩn nhất định Để quá trình truyền thành công thì việc tuân thủ các tiêu chuẩn truyền là hết sức quan trọng Dưới đây sẽ trình bày các khái niệm quan trọng trong phương thức truyền thông này

Tốc độ baud (baud rate): là số bit truyền trong 1 giây Để việc truyền và nhận không đồng bộ xảy ra thành công thì các thiết bị tham gia phải có cùng khoảng thời gian dành cho 1 bit truyền Hay nói cách khác là tốc độ truyền phải đƣợc cấu hình như nhau trước

Khung truyền (Frame): do truyền nối tiếp không đồng bộ rất dễ mất hoặc sai lệch dữ liệu, quá trình truyền thông theo dạng này phải tuân theo một số quy cách nhất định Bên cạnh tốc độ baud, khung truyền là một yếu tốc quan trọng tạo nên sự thành công khi truyền và nhận Khung truyền bao gồm các quy định về số bit trong mỗi lần truyền, các bit “báo” nhƣ bit Start và bit Stop, các bit kiểm tra nhƣ Parity, ngoài ra số lƣợng các bit trong một dữ liệu cũng đƣợc quy định bởi khung truyền

Start bit: start là bit đầu tiên đƣợc truyền trong một frame truyền, bit này có chức năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp đƣợc truyền tới Start bit là bit bắt buộc phải có trong khung truyền

Dữ liệu: dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gởi và nhận Data không nhất thiết phải là gói 8 bit, với AVR bạn có thể quy định số lƣợng bit của data là 5, 6, 7, 8 hoặc 9 (tương tự cho hầu hết các thiết bị hỗ trợ UART khác) Trong truyền thông nối tiếp UART, bit có trọng số nhỏ nhất (LSB – Least Significant Bit, bit bên phải) của dữ liệu sẽ được truyền trước và cuối cùng là bit có trọng số lớn nhất (MSB – Most Significant Bit, bit bên trái)

Parity bit: parity là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền đúng không (một cách tương đối) Có 2 loại parity là parity chẵn (even parity) và parity lẻ (odd parity) Parity chẵn nghĩa là số lƣợng số 1 trong dữ liệu bao gồm bit parity luôn là số chẵn Ngƣợc lại tổng số lƣợng các số 1 trong parity lẻ luôn là số lẻ Ví dụ, nếu dữ liệu của bạn là 10111011 nhị phân, có tất cả 6 số 1 trong dữ liệu này, nếu parity chẵn đƣợc

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 19 dùng, bit parity sẽ mang giá trị 0 để đảm bảo tổng các số 1 là số chẵn (6 số 1) Nếu parity lẻ đƣợc yêu cầu thì giá trị của parity bit là 1

Stop bits: stop bits là một hoặc các bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu đã đƣợc gởi xong Sau khi nhận đƣợc stop bits, thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Stop bits là các bits bắt buộc xuất hiện trong khung truyền

Khung truyền phố biến nhất là: Start bit + 8 bit dữ liệu + 1 stop bit

I 2 C (viết tắt của Inter-Integrated Circuit) là một giao thức nối tiếp dùng hai dây để kết nối các thiết bị tốc độ thấp nhƣ vi điều khiển, EEPROM, chuyển đổi A/D và D/A và các thiết bị ngoại vi tương tự khác trong hệ thống nhúng Nó được phát minh bởi Philips và hiện nay đƣợc sử dụng trong hầu hết các nhà sản xuất IC lớn

Giao diện I 2 C: I 2 C sử dụng chỉ hai dây: SCL (serial clock) và SDA (serial data) Cả hai cần đƣợc kéo lên mức cao với một điện trở lên nguồn Vcc Điều đó có nghĩa là khi bus rảnh thì cả hai dây đều ở mức cao

- Thiết bị truyền (Transmitter): là thiết bị truyền dữ liệu lên bus

- Thiết bị nhận (Receiver): là thiết bị nhận dữ liệu từ bus

- Thiết bị chủ (Master): là thiết bị tạo xung clock, bắt đầu giao tiếp, gửi lệnh I 2 C và kết thúc giao tiếp

- Thiết bị tớ (Slave): là thiết bị lắng nghe lệnh từ bus Điều kiện Start và Stop: Mỗi lệnh của I2C đƣợc khởi tạo từ thiết bị chủ với một điều kiện START và kết thúc bằng một điều kiện STOP Ở cả hai điều kiện, dây SCL phải ở mức cao (hình 2.11)

- Điều kiện START: khi SDA có sự chuyển mức logic từ cao sang thấp

- Điều kiện STOP: khi SDA có sự chuyển mức logic từ thấp sang cao

Hình 2.11 Điều kiện START và STOP trong I 2 C

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

GIỚI THIỆU

Yêu cầu của đề tài là có thể đo đƣợc các thông số về điện tim, điện cơ, nồng độ oxy trong máu sau đó lưu trữ kết quả đo cho việc theo dõi

Dựa trên yêu cầu thì phần thiết kế gồm :

 Thiết kế giao diện ở thiết bị Android để hiển thị kết quả đo, thông tin người dùng, lưu trữ kết quả đo, gửi kết quả qua Google Drive theo nhu cầu người dùng

 Lấy đƣợc dữ liệu từ các module ECG, EMG, SpO2 để hiển thị.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Trên cơ sở những yêu cầu và mục đích của đề tài Thiết bị đƣợc chia thành 4 khối cơ bản: Khối cảm biến, Khối xử lý, Khối thiết bị android, Khối lưu trữ trên Internet (hình 3.1)

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát

Khối cảm biến: Là khối nhận tín hiệu đầu vào cho thiết bị Người dùng và môi trường sẽ tác động lên khối này

Khối lưu trữ trên Internet

Nguồn của điện thoại Thiết bị Android

Khối xử lý: Xử lý tín hiệu nhận đƣợc từ khối cảm biến sau đó truyền dữ liệu sang Khối thiết bị android qua cáp USB OTG

Khối thiết bị Android : Nhận dữ liệu từ khối xử lý sau đó hiển thị, đồng thời cũng cấp nguồn cho Khối xử lý Từ đây có thể lưu vào bộ nhớ trong hoặc theo ý muốn có thể lưu trên khối Lưu trữ trên internet

Khối lưu trữ trên Internet: Lưu kết quả đo được lên Google Drive

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch

 Lựa chọn: do những yêu cầu đã trình bày trong chương 2, nhóm đã chọn cảm biến:

- SparkFun Single Lead Heart Rate Monitor - AD8232 để đo điện tim

- Muscle Sensor v3 để đo điện cơ

- CJMCU-30100 dùng đo nồng độ oxy trong máu

 Tổng quan các module trong khối cảm biến: a Module AD8232

Là module chủ yếu đo hoạt động điện của tim với giá thành thấp Tín hiệu điện này có thể đƣợc vẽ thành biểu đồ giống nhƣ điện tâm đồ với ngõ ra analog Các điện tâm đồ thường có rất nhiều nhiễu module có tích hợp IC AD8232 đóng vài trò nhƣ là opamp giúp nhận đƣợc tín hiệu rõ ràng từ các quãng PR và QT dễ dàng Đặc điểm:

- Phát hiện mất tín hiệu điện cực

- Có jack 3.5mm để kết nối điện cực

Hình 3.2 minh họa hình ảnh thực tế module AD8232

Hình 3.2 Hình ảnh thực tế và sơ đồ kết nối của module AD8232

Module gồm 9 kết nối đƣợc nối ra từ IC AD8232 (bảng 3.1)

Bảng 3.1 Chân kết nối và chức năng từng chân

Tổng quan về IC AD8232:

AD8232 đƣợc tích hợp khối điều hòa tín hiệu cho ECG và các ứng dụng đo lường thuộc về y sinh Nó được thiết kế để chọn lựa, khuếch đại, và lọc các tín hiệu sinh học nhỏ, nhƣ là các chuyển động hoặc cách sắp đặt điện cực từ xa Thiết kế này cho phép bộ chuyển đổi ADC nguồn cực thấp hay là vi điều khiển có thể lấy tín hiệu ở ngõ ra dễ dàng

Các đặc tính của IC AD8232:

- Dũng cung cấp thấp : 170àA (thụng thường)

- Tỉ lệ nén tín hiệu cách chung (CMRR) : 80 dB

- Cấu hình dùng cho 2 hoặc 3 điện cực

- Độ lợi tín hiệu cao (G0) với khả năng ngăn dòng một chiều

- Bộ lọc thông cao bậc 2 có thể điều chỉnh đƣợc

- Bộ lọc thông thấp bậc 3 điều chỉnh đƣợc với độ lợi tinh chỉnh

- Phát hiện gián đoạn khi đo : có thể lựa chọn ac hay dc

- Có tích hợp bộ khuếch đại tín hiệu Righ leg drive (RLD)

- Nhiệt độ bảo quản : -65 ᴼC đến +125 ᴼC

- Nhiệt độ hoạt động: -40 ᴼC đến +85 ᴼC

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc của IC AD8232

Sơ đồ chân của IC AD8232 (hình 3.4):

Hình 3.4 Sơ đồ chân của IC AD8232

Tên và chức năng các chân của IC AD8232 đƣợc mô tả trong bảng 3.2

Bảng 3.2 Chức năng các chân IC AD8232

1 HPDRIVE High-Pass Drive output Kết nối chân này với tụ điện ở bộ lọc thông cao đầu tiên

2 +IN Kết nối với điện cực tay trái

3 -IN Kết nối với điện cực tay phải

4 RLDFB Hồi tiếp từ terminal cho mạch điện right leg drive (RLD)

5 RLD Kết nối với điện cực chân phải

6 SW Kết nối với ngõ ra bộ lọc thông cao thứ 2

7 OPAMP+ Operational Amplifier Noninverting Input (Ngõ vào

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 28 không đảo)

8 REFOUT Sử dụng chân này nhƣ chân mass ảo cho bất cứ điểm nào trong mạch cần tín hiệu tham chiếu

9 OPAMP- Operational Amplifier Inverting Input (Ngõ vào đảo)

10 OUT Chân xuất tín hiệu nhịp tim Có thể kết nối với ngõ vào

LOD- Ơ chế độ gián đoạn DC : chân LOD- lên mức cao khi điện cực ở chân –IN mất kết nối Ngƣợc lại sẽ xuống mức thấp Ở chế độ gián đoạn AC : chân LOD- luôn ở mức thấp

LOD+ Ơ chế độ gián đoạn DC : chân LOD+ lên mức cao khi điện cực ở chân+IN mất kết nối Ngƣợc lại sẽ xuống mức thấp Ở chế độ gián đoạn AC : chân LOD+ lên mức cao khi 1 trong 2 chân +IN hay –IN mất kết nối, và xuống mức thấp khi cả 2 chân đƣợc kết nối

13 SDN Shutdown Control Input Kết nối với mức thấp để chuyển sang chế độ tắt nguồn điện thấp

AC/DC Leads Off Mode Control Input Nối với mức thấp để sử dụng chế độ phát hiện gián đoạn DC Nối với mức cao để chuyển sang chế độ phát hiện gián đoạn AC

15 FR Fast Restore Control Input Kết nối mức cao để kích hoạt chế độ khôi phục nhanh, nếu không thì nối mức thấp

18 REFIN Reference Buffer Input Dùng để đặt mức tham chiếu cho bộ đệm

19 IAOUT Instrumentation Amplifier Output Terminal

HPSENSE High-Pass Sense Input for Instrumentation Amplifier Kết nối với chuyển tiếp R hoặc C để đặt góc tần số của mạch ngăn DC

EP Kết nối với GND hoặc để trống

Sơ đồ nguyên lý của IC AD8232 (hình 3.5):

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý của IC AD8232

IC bao gồm các khối : Bộ khuếch đại thiết bị đo (IA), bộ khuếch đại thuật toán (A1), bộ khuếch đại điều khiển chân phải (A2), bộ đệm tham chiếu trung gian (A3)

Từ sơ đồ nguyên lý của module và sơ đồ nguyên lý của IC AD8232:

Ban đầu tín hiệu sẽ vào bộ khuếch đại IA qua 2 chân +IN và –IN, tại ngõ ra của IA sau một thời gian tín hiệu đƣợc khuếch đại lên Tiếp theo, tín hiệu đồng thời qua 2 mạch lọc thông cao bậc 2 loại bỏ tín hiệu với tần số nhỏ hơn 0.5 Hz và mạch lọc thông thấp bậc 2, mạch khuếch đại thuật toán A1, loại bỏ các tín hiệu với tần số lớn hơn 40Hz Cuối cùng tín hiệu cần lấy nằm ở chân OUT (10) b Module Muscle Sensor v3

Module có khả năng đo tín hiệu sau khi lọc và khuếch đại tín hiệu điện của nó cho ngõ ra từ 0-VS phụ thuộc vào nhóm cơ đang đo Đặc điểm:

- Cải thiện độ lợi điều chỉnh đƣợc

- Có cổng kết nối trên board

Hình ảnh thực tế của module Muscle Sensor v3 (hình 3.6):

Hình 3.6 Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân và của module Muscle Sensor v3

Cảm biến tính toán các hoạt động của cơ nhờ việc phát hiện sự thay đổi điện áp dựa theo mô hình đo điện cơ EMG (electromyography) đƣợc sử dụng nhiều trong y học Với thiết kế nhỏ gọn (chỉ 2,54cm x 2,54cm), chúng ta có sử dụng cảm biến này trong nhiều ứng dụng thực tế khi ở đó đòi hỏi sự gọn nhẹ Cảm biến sử dụng IC AD8221 để phát hiện và tính toán các hoạt động của cơ

Bảng 3.3 Chân kết nối và chức năng từng chân

+V S Nguồn cung cấp dương GND Nối đất

-VS Nguồn cung cấp âm SIG Tín hiệu

Nguyên lý hoạt động của module :

Tín hiệu vào từ các điện cực qua IC AD8221 tín hiệu sẽ đƣợc lọc nhiễu Sau đó tín hiệu qua tầng RECTIFY, ở đây tín hiệu được chỉnh lưu toàn kỳ Tiếp theo tín hiệu đƣợc làm phẳng bởi khối SMOOTH Cuối cùng tín hiệu đƣợc khuếch đại ở khối SIG

Tổng quan: Là một khối khuếch đại hiệu suất cao, có độ lợi lập trình đƣợc Cho tỉ lệ nén tín hiệu cách chung (CMRR) tần số cao lớn nhất của ngành công nghiệp trong phân lớp của nó CMRR của các khối khếch đại trên thị trường rơi vào khoảng 200 Hz Ngƣợc lại, IC AD8221 duy trì mức CMRR tối thiểu 80 dB đến

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 31 tần số cắt 10 kHz cho các khối với độ lợi G=1 CMRR lớn cho phép AD8221 loại bỏ các sóng hài mà không cần thêm các mạch lọc IC AD8221 phù hợp với các ứng dụng cần thu thập dữ liệu chính xác, nghiên cứu y sinh

Hình 3.7 Sơ đồ chân của IC AD8221

Hình 3.8 CMRR của AD8221 so với sán phẩm khác Đặc điểm:

Có thể đặt độ lợi với điện trở ngoài (độ lợi từ 1 đến 1000)

 CMRR tối thiểu 80dB đến 10kHz (G=1)

 Nhiễu ớt : nhiễu ngừ vào 0.25àV p-p (0.1Hz đến 10Hz)

 Điện ỏp offset ngừ vào tối đa 25àV

 Độ trụi ngừ vào offset tối đa 0.3 àV/°C

 Dòng phân cực ngõ vào tối đa 0.4nA

Công suất tiêu hao 200mW

Nhiệt độ bảo quản -65ᴼC đến 150ᴼC

Nhiệt độ hoạt động -40ᴼC đến 125ᴼC

Bảng 3.4 mô tả tên và chức năng các chân của IC AD8221

Bảng 3.4 Tên và chức năng các chân của IC AD8221

Số chân Tên Mô tả

2 RG Cài đặt độ lợi Đặt điện trở ở chân RG để đặt độ lợi

3 R G Cài đặt độ lợi Đặt điện trở ở chân RG để đặt độ lợi

4 +IN Ngõ vào không đảo

6 REF Điện áp tham chiếu

8 +VS Nguồn cung cấp dương c Module SpO 2

Cảm biến MAX30100 là một cảm biến tích hợp đo oxy trong máu và nhịp tim Cảm biến này kết hợp hai LED (đỏ và hồng ngoại), một bộ tách sóng quang để phát hiện nồng độ oxy và nhịp tim Cảm biến của thể đƣợc ứng dụng trong các thiết bị điện tử đeo đƣợc, thiết bị kiểm tra sức khỏe Điện áp hoạt động từ 1.8V đến 3.3V và có thể thiết lập chế độ ngủ với dòng tiêu thụ không đáng kể bằng phần mềm, cho phép cấp điện để duy trì kết nối trong mọi lúc

Hình 3.9 Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân và sơ đồ kết nối của cảm biến MAX30100

Bảng 3.5 Tên và chức năng các chân của cảm biến MAX30100

Số thứ tự Tên chân Chức năng

3 SDA Đường dữ liệu I 2 C, hai chiều

4 PGND Nối đất của khối LED Driver

5 IR_DRV Cathode LED hồng ngoại và điểm kết nối của LED Driver Để thả nổi trong mạch

6 R_DRV Cathode LED đỏ và điểm kết nối của LED Driver Để thả nổi trong mạch

9 R_LED+ Nguồn cung cấp (kết nối chân Anode) cho LED đỏ

10 IR_LED+ Nguồn cung cấp (kết nối chân Anode) cho LED hồng ngoại

11 V DD Ngõ vào cấp điện cho analog

12 GND Nối đất của analog

13 INT Ngắt tác động mức thấp

THI CÔNG HỆ THỐNG

GIỚI THIỆU

Sau quá trình tính toán và thiết kế chọn các thiết bị hợp lý nay tiến hành thi công thi công PCB, lắp ráp và test mạch.

THI CÔNG HỆ THỐNG

Sau khi thiết kế xong sơ đồ nguyên lý và tiến hành vẽ mạch PCB 1 lớp với kích thước board là 70 x 40 mm Hình 4.1 mô tả sơ đồ đi dây của board mạch Hình 4.2 mô tả hình dạng 3D của board mạch

Hình 4.1 Sơ đồ đi dây

Hình 4.2 Mô hình 3D của mạch

Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện

STT Tên linh kiện Giá trị Loại Chú thích

3 Hàng rào cái 2 cái Lỗ vuông

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra

Quy trình lắp ráp – kiểm tra mạch :

Bước 1:Rửa board đồng sạch sẽ bằng thuốc rửa mạch sau khi ủi mạch và tiến hành khoan lổ

Bước 2: Dùng đồng hồ chỉnh thang đo điện trở x1 để kiểm tra ngắn mạch Bước 3 : Tiến hành khoan mạch

Bước 4: Tiến hành hàn trở và led vào, đo kiểm tra led còn sáng hay không

Bước 5: Hàn tất cả các hàng rào

Bước 6: Gắn board arduino vào mạch vừa hàn xong Đo kiểm tra từng chân từ arduino ra port đã kết nối hết chƣa

Bước 7: Cuối cùng cắm cáp USB OTG kết nối board Arduino với điện thoại xem đã hoạt động hay chƣa.

ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển

Sau khi kiểm tra mạch hoạt động tốt ta tiến hành đóng hộp Sau đây là sơ đồ bố trí linh kiện hiển thị ra bên ngoài hộp Hình 4.3 đến 4.5 là hình vẽ phác thảo hộp

Hình 4.3 Sơ đồ bố trí mặt trái, phải (dưới) Hình 4.4 Sơ đồ bố trí mặt sau, trước (dưới).

Hình 4.5 Sơ đồ bố trí mặt trên

Hình 4.6 đến 4.8 là hình dạng thực tế sau khi thi công

Ta kết nối điện thoại với mô hình thông qua cổng Mini USB, LED báo PIN dùng để kiểm tra PIN còn dùng đƣợc hay không, nếu đƣợc LED sẽ sáng Cân chỉnh độ lợi EMG qua lỗ nhỏ Độ lợi EMG Công tắc PIN dùng để bật tắt PIN khi đo EMG

Người dùng đo điện tim bằng cách gắn điện cực vào lỗ tròn ECG, đo điện cơ bằng cách gắn điện cực vào lỗ tròn EMG và đo độ bão hòa oxy trong máu bằng cách đặt ngón tay vào khe vuông SpO2

LED báo PIN Độ lợi EMG

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG

Lưu đồ giải thuật chương trình của thiết bị Android:

Khi kết nối board với điện thoại Android qua cáp USB OTG xong Sau đó khởi động ứng dụng, đăng nhập thành công và chấp nhận kết nối người dùng sẽ đƣợc chuyển đến giao diện điều khiển (hình 4.9) Khi không sử dụng nữa người dùng tự tắt ứng dụng và ngắt kết nối với board

Chức năng chương trình con Giao diện Login (hình 4.10): người dùng đang ở giao diện màn hình đăng nhập của ứng dụng

Chức năng chương trình con Giao diện Điều khiển (hình 4.11 và 4.12): người dùng ở giao diện màn hình điều khiển, cho phép người dùng sử dụng từ các chức năng chính đến các chức năng phụ a Chương trình con giao diện LOGIN Đầu tiên khi vào giao diện LOGIN, chương trình bật trạng thái để nhận biết khi nào board kết nối với điện thoại, tạo biến lưu số điện thoại được lưu gần nhất ở trong Database Phone, tạo biến lưu user và password được thay đổi gần nhất ở trong Database Login Tiếp theo nếu người dùng nhấn nút Login chương trình sẽ so sánh dữ liệu đang có ở ô User, password với các biến đã lưu User, Password trước đó kể cả người dùng có để trống chúng, nếu thông tin user, password trùng khớp với các biến lưu thì người dùng sẽ được đưa sang giao diện Điều khiển nếu không sẽ xuất các thông báo tương ứng

Nếu người dùng nhấn nút Emergency Call, chương trình lập tức gọi cho số điện thoại mà đã đƣợc cài sẵn

Nếu người dùng nhấn dòng chữ Change password, chương trình sẽ yêu cầu người dùng xác nhận mật khẩu cũ, nhập mật khẩu mới, nếu thông tin xác nhận trùng khớp thì mật khẩu mới sẽ được cập nhật ngược lại sẽ xuất thông báo tương ứng

Kết nối board với điện thoại

Chấp nhận kết nối Đăng nhập thành công

Trở về giao diện LOGIN Đ Tắt ứng dụng

Hình 4.9 Lưu đồ chương trình chính

Chức năng chương trình con Kiểm tra Database phone:

Mục đích của chương trình này là cho lần đầu sử dụng ứng dụng, người dùng chưa cài đặt số điện thoại cho trường hợp gọi khẩn nên chương trình này gán một số điện thoại mặc định cho người dùng

Chức năng chương trình con Kiểm tra Database Login:

Mục đích của chương trình này là cho lần đầu sử dụng ứng dụng, người dùng chưa cài đặt user và password, chương trình chỉ chạy một lần duy nhất lúc mới cài đặt ứng dụng, yêu cầu người dùng cài đặt user, password cho các lần sử dụng về sau

Chức năng chương trình con Đổi password, hiện giao diện cho người dùng thao tác đổi mật khẩu

Kiểm tra Database Login Điền User, Password

Nhấn chữ Change password Đổi password

Gọi số điện thoại đƣợc lưu ở Database Phone

Nhận biết khi có kết nối của Board

So sánh với User, Password trong Database Login

Hình 4.10 Chương trình con giao diện LOGIN

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 48 b Chương trình con giao diện Điều khiển

Khi người dùng ở giao diện Tab New Tests, chương trình xét người dùng đã điền thông tin cá nhân ở các Edit Text hay chƣa, các nút ECG, EMG, SpO2 sẽ cho phép ấn nếu người dùng đã điền đầy đủ thông tin, ngược lại các nút này sẽ bị vô hiệu hóa

Chương trình xét tiếp có dữ liệu ở các Intent khác truyền qua hay không nếu có thì nút SAVE sẽ cho phép ấn, ngƣợc lại nút SAVE bị vô hiệu hóa

Chương trình lúc này sẽ xét các nút ECG, EMG, SpO2, SAVE xem có nút nào cho ấn hay chưa Nếu chưa thì chương trình tiếp tục chờ thỏa điều kiện cho các nút và đợi sự kiện nhấn nút Call và nhấn giữ nút, nếu cho phép ấn:

Trường hợp các nút nút ECG, EMG, SpO2 cho phép nhấn và người dùng nhấn

1 trong 3 nút, chương trình sẽ gửi tín hiệu điều khiển tương ứng cho board Arduino và đưa người dùng sang giao diện tương ứng để đo

Trường hợp nút SAVE cho phép nhấn và người dùng có nhấn, chương trình sẽ xuất hiện cảnh báo save dữ liệu, gồm 2 lựa chọn hoặc chỉ lưu trong bộ nhớ trong của máy, hoặc vừa lưu trên Google Drive vừa lưu trong bộ nhớ trong

Nếu người dùng ấn Call, chương trình lập tức gọi cho số điện thoại được lưu gần nhất Nếu người dùng nhấn giữ Call, chương trình hiện giao diện đặt số điện thoại cho lần gọi kế tiếp Hình 4.11 minh họa chương trình của giao diện điều khiển Đối với tab UTILITIES (hình 4.12), có các biểu tƣợng theo các nhu cầu của người dùng, nếu người dùng nhấn 1 trong các biểu tượng thì chương trình sẽ chuyển người dùng đến giao diện tương ứng với biểu tượng đó Đối với tab HISTORY (hình 4.12), khi người dùng ấn bất kỳ item (item này mang kết quả đo tương ứng với tên của nó) chương trình sẽ chuyển người dùng sang giao diện phù hợp với các kiểu đo để xem kết quả đo Còn nếu người dùng muốn xóa kết quả nào đó chỉ cần ấn giữ item đó khoảng 2s và chấp nhận xóa khi có thông báo xác nhận

Khai báo các đối tƣợng sử dụng

Khai báo các Intent Ánh xạ cho các đối tƣợng

Chờ nhận dữ liệu từ các Intent khác

Lưu lại thời gian hiện tại

Có thông tin ở các Edit Text

Không cho nhấn ấn nút ECG, EMG, SpO2

Cho nhấn ấn nút ECG, EMG, SpO2

Có dữ liệu từ activity khác truyền qua

Không cho ấn nút SAVE

Vẫn còn thông tin ở các Edit Text

Xuất cảnh báo người dùng

Gửi tín hiệu điều khiển cho board

Cho ấn ECG, EMG, SpO2 Đ Đ

Gọi số điện thoại đƣợc lưu ở Database Phone Đ

S Nhận biết khi có kết nối của Board Đặt lại số điện thoại cho lần gọi kế tiếp

Hình 4.11 Lưu đồ giao diện điều khiển, tab NEW TESTS

Vào danh bạ của điện thoại

Vào tin nhắn của điện thoại

Hiển thị danh sách các bài hát có trong điện thoại

Hiển thị màn hình Google Search

Truy cập đường dẫn đăng nhập FaceBook Đ Đ Đ Đ Đ Đ

Nhấn giữ bất kì item S

Kiểu đo là ECG hoặc EMG

Giao diện kết quả đo ECG, EMG

Giao diện kết quả đo SpO2 Đồng ý xóa

Hình 4.12 Tab UTILITIES và tab HISTORY a Chương trình con Đổi password:

Chương trình này thực hiện chức năng thay đổi mật khẩu

Trong chương trình, để thay đổi mật khẩu người dùng nhấn vào nút Change, điền đầy đủ thông tin, sau đó điền mật khẩu cũ và rồi nhập mật khẩu mới Để thay đổi được mật khẩu, người dùng cần nhập đầy đủ thông tin, điền đúng mật khẩu cũ và nhập nhập mật khẩu mới hai lần giống nhau Ngƣợc lại chương trình sẽ xuất thông báo về thông tin mà người dùng nhập chưa đúng

Lưu đồ của chương trình được thể hiện qua hình 4.13

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 51 Đổi password

Nhấn Change Điền đủ thông tin hay chƣa Đ

Xác nhận có nhập đúng password hiện tại hay không Đ

So sánh xác nhận nhập password mới 2 lần. Đ

Xuất thông báo nhập đủ thông tin

Xuất thông báo nhập sai mật khẩu cũ S

Xuất thông báo password mới nhập lần 2 không trùng khớp lần 1 S

Cập nhật mật khẩu mới Đ

Hình 4.13 Lưu đồ chương trình con Đổi password b Chương trình con Kiểm tra Database Login:

Database Login này lưu trữ thông tin về user, password

Lúc đầu chương trình kiểm tra xem trong Database đã có dữ liệu user, password hay chưa Nếu có thì lấy user,password ra để lưu vào các biến dùng để so sánh với user, password mà người dùng vừa nhập, nếu chưa có thì chương trình sẽ chạy giao diện cho người dùng tự tạo user, password cho mình, và sử dụng cho tới khi ứng dụng bị xóa Lưu đồ chương trình được thể hiện qua hình 4.14

Kiểm tra Database Login Đã cài đặt user, password

Gán user,password vào biến để so sánh Đ

Khởi động giao diện tạo User,Password S

Hình 4.14 Lưu đồ chương trình con Kiểm tra Database Login c Chương trình con Kiểm tra Database Phone:

Database nay lưu trữ thông tin về số điện thoại khẩn cấp (do người dùng đặt),

ID của folder ngày (ở Google Drive), ID của folder tháng (ở Google Drive), và ngày (sử dụng để giúp chương trình phân biệt giữa ngày lưu thông tin gần nhất và ngày hiện tại)

Chương trình kiểm tra xem trong Database có chứa dữ liệu hay không, nếu không các giá trị mặc định – ngày, số điện thoại gọi khẩn, ID của folder ngày, ID của folder tháng – để người dùng sử dụng, ngược lại sẽ lấy các dữ liệu đó ra sau đó gán hoặc cập nhật cho các biến, chương trình sẽ sử dụng các biến này để so sánh, hoặc cho một các chức năng khác (nhƣ là dùng ID để gửi dữ liệu vào đúng folder, ngày để phân biệt với ngày hiện tại, số điện thoại để gọi)

Lưu đồ chương trình được thể hiện qua hình 4.15

Có dữ liệu trong Database chƣa

Cập nhật dữ liệu cho các biến

Lưu các giá trị mặc định cho Database S

Lấy dữ liệu ra Đ Bắt đầu

Hình 4.15 Lưu đồ chương trình con Kiểm tra Database Phone d Chương trình con Kiểm tra Database Note:

Chương trình kiêm tra các kết quả lưu trong bộ nhớ, khi kết quả được lưu lớn hơn 2 tháng thì sẽ tự động bị xóa Hình 4.16 mô tả lưu đồ chương trình con

Kết quả đo lưu quá 2 tháng

Hình 4.16 Lưu đồ kiểm tra Database Note

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 54 e Chương trình con cảnh báo SAVE:

VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC

4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng Ứng dụng này đã đƣợc cấp sẵn một tài khoản Google và không thể thay đổi

Bước 1: Kết nối thiết bị với điện thoại Chấp nhận kết nối khi được yêu cầu

Bước 2: Mở ứng dụng và cài đặt ban đầu:

- Lần đầu sử dụng: tạo user, password cho những lần sử dụng kế tiếp Sau đó ấn nút LOGIN để vào giao diện chính

- Những lần sau: Nhập user, password đúng với đã tạo từ trước Sau đó ấn nút LOGIN Nếu muốn đổi mật khẩu nhấn nút Change Password và làm theo yêu cầu

- Nhấn nút EMERGENCY CALL để lập tức gọi số điện thoại đã đặt trước mà không cần đăng nhập

Bước 3: Sử dụng các tính năng và một số cài đặt ban đầu ở giao diện điều khiển

Thiết lập mặc định cho 2 nút CALL và Google Drive:

Nút CALL ở tab NEW TEST: Giữ nút CALL (khoảng 2s) cho đến khi hiện giao diện đổi số điện thoại, số điện thoại này dùng để gọi khẩn cấp Nhập số điện thoại cần gọi sau đó nhấn OK Nút Google Drive ở tab UTILITIES: sau khi nhấn nút ứng dụng sẽ yêu cầu chọn tài khoản Google nào muốn sử dụng Tài khoản này sẽ không thể thay đổi cho đến khi xóa ứng dụng

- Những lần sử dụng sau:

Chọn Tab NEW TEST nếu muốn đo Chọn Tab UTILITIES, để thao tác nhanh các tính năng khác mà không cần thoát ứng dụng Chọn Tab HISTORY, khi cần xem lại các kết quả đo

Bước 4: Đo và lưu kết quả đo:

Chuyển sang tab NEWTEST Điền đầy đủ thông tin nhƣ: First name, Last name, PID (lúc này các nút đo sẽ sáng lên báo hiệu đã sẵn sàng đo) Chọn kiểu đo mà mình muốn đo

Sau khi nhấn nút, ứng dụng chuyển đến giao diện thích hợp với từng kiểu đo

Nhấn biểu tƣợng trở về ở góc trái phía trên màn hình ứng dụng để trở về giao diện điều khiển Tùy theo kiểu đo sẽ phải đo theo thời gian khác nhau ECG và phải đo trên 7s, SpO 2 phải lưu trên 3s thì mới lưu kết quả được

Lúc này nếu có kết quà lưu nút SAVE sẽ sáng lên Nhấn SAVE nếu muốn lưu kết quả, ngược lại nếu muốn chọn kiểu đo khác thì tiếp tục nhấn các biểu tượng đo tương ứng *Lưu ý ứng dụng chỉ lưu kết quả của kiểu đo lần cuối (ví dụ: nếu lúc đầu chọn đo ECG, có kết quả đo nhƣng không SAVE mà chọn đo tiếp SpO 2 thì nếu nhấn SAVE ứng dụng chỉ SAVE kết quả của SpO 2 và bỏ qua ECG)

Hai lựa chọn khi lưu: tick vào ô Also save on Google Drive nếu muốn chuyển kết quả đo lên Google Drive và lưu vào bộ nhớ trong Nếu không tick thì ứng dụng chỉ lưu vào bộ nhớ trong và bỏ qua bước chuyển lên Google Drive

Bước 5: Xem kết quả trên Google Drive:

- File này năm trong đường dẫn Tháng\Ngày Folder Tháng sẽ có định dạng [Tháng / ], Folder Ngày có định dạng [Ngày

] và file sẽ có định dạng [//][Name: - ID: ][]

- Đối với kiểu đó ECG, EMG:

Vì 2 kiểu đo này quan sát qua biểu đồ nên:

Quét khối 2 cột Time và dữ liệu

Click chọn biểu tượng Explore góc phải phía dưới màn hình, như hình 4.33

Hình 4.33 Chọn biểu tượng Explore góc phải phía dưới màn hình

Chọn hình đầu tiên, click biểu tƣợng Insert chart, nhƣ hình 4.34

Hình 4.34 Click biểu tƣợng Insert chart

Click dấu mũi tên chọn Advanced edit, nhƣ hình 4.35

Hình 4.35 Chọn Advanced edit Ở tab Chart types, tick vào ô Use column E as labels, nhƣ hình 4.36

Hình 4.36 Chọn Use column E as labels

Chuyển sang tab Customization, nhƣ hình 4.37

Hình 4.37 Giao diện tab Customization Điền tên biểu đồ vào ô Title, nhƣ hình 4.38

Hình 4.38 Điền tên biểu đồ vào ô Title

Chọn trục ngang, tại palette Axis xổ mục chọn Horizontal Điền vào ô Title để đặt tên cho trục ngang Xuống mục Gridlines, chỉnh Major là 10 và Minor là 5 (Có thể chọn thêm giá trị min và max cho biểu đồ dễ nhìn) (hình 4.39)

Hình 4.39 Điều chỉnh trục ngang

Chọn trục đứng, tại palette Axis xổ mục chọn Left vertical Sau đó chỉnh tương tự như trục ngang (hình 4.40)

Hình 4.40 Điều chỉnh trục đứng Ấn Update để hoàn tất

Hình 4.41 Ấn Update để hoàn tất.

- Đối với kiểu đo SpO2: Chỉ cần xem thông tin trong biểu mẫu không cần hiện biểu đồ.

Bước 1: Chuẩn bị 3 miếng dán, 3 điện cực

Bước 2: Dán điện cực lên cơ thể theo từng kiểu đo

Bước 3: Kết nối thiết bị với điện thoại và chấp nhận kết nối

Bước 4: Chọn kiểu đo cần đo

Bước 6: Xem lại kết quả

KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

KẾT QUẢ

Sau thời gian tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành bằng tiếng Việt cũng như tiếng Anh, qua mạng internet cùng với sự hướng dẫn, góp ý tận tình của GVHD ThS Trương Ngọc Anh Nhóm chúng em cũng đã hoàn thành được đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu và thiết kế thiết bị đo điện tim, điện cơ và nồng độ oxy trong máu giám sát trên điện thoại dùng Android và Internet”

Sau đề tài đồ án này, nhóm em đã nghiên cứu và tích luỹ đƣợc thêm nhiều hiểu biết, kiến thức mới nhƣ:

 Hiểu biết sâu hơn về lập trình Android với phần mềm Android Studio nhƣ: Kết nối ứng dụng với Internet đƣa dữ liệu lên Google Drive dựa vào thƣ viện có sẵn; Sử dụng chức năng gọi; Tùy chỉnh nút nhấn; Hiểu hơn chức năng SharedPreferences; tạo, sử dụng các tab; Lưu dữ liệu với SQL Databases; tải và sử dụng thêm thƣ viện bên ngoài để hiển thị biểu đồ trên ứng dụng

 Biết cách sử dụng cáp USB OTG để kết nối, truyền nhận dữ liệu Biết cách truyền nhận, xử lý dữ liệu giữa board Arduino Nano với điện thoại hệ điều hành Android

 Nghiên cứu và biết cách kết nối Arduino với các module khác: module đo điện tim, module đo điện cơ, và module đo nồng độ Oxy trong máu và lắp vào mô hình để hoàn thành sản phẩm hoàn chỉnh

 Nghiên cứu biết đƣợc cách sử dụng module đo điện tim, module đo điện cơ, module đo nồng độ Oxy trong máu, nguyên lý hoạt động, các thông số kỹ thuật

Sau khi nghiên cứu, thi công thì đồ án của nhóm đã hoàn thành và thực hiện đƣợc các tính năng sau:

 Giao diện ứng dụng thân thiện, không gây khó khăn hay hiểu lầm cho người khi sử dụng Các nút nhấn, thông tin được hiển thị to rõ giúp dễ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 79 quan sát Nút nhấn đƣợc thiết kế thuận tiện vừa giúp dễ nhận biết vừa giúp người dùng tránh ấn nhầm

 Thiết bị đƣợc đóng hộp nhỏ gọn có giao diện dễ dàng sử dụng, kết nối

 Quan sát dữ liệu đo điện tim, đo điện cơ, đo nồng độ Oxy trong máu hiển thị trên màn hình điện thoại

 Có thể lưu trữ dữ liệu đo trên bộ nhớ trong của máy hay trên Google Drive theo ý muốn người dùng

 Cho phép xem lại các kết quả đã đo và lưu trữ chúng trong vòng 2 tháng mục đích tránh gây tràn bộ nhớ của điện thoại

 Người dùng có thể gọi khẩn cấp một số điện thoại do mình cài đặt Việc cài số điện thoại mới nhanh chóng, hiệu quả

 Sử dụng thêm một số tính năng khác của điện thoại mà không cần thoát ứng dụng

Sau đây là một số hình ảnh về mạch in để kết nối giữa Arduino với các module:

Hình 5.1 Mạch sau khi lắp ráp các module với Arduino Nano.

Hình 5.2 Sản phẩm hoàn tất đã đóng hộp

Hình 5.3 Hình dạng sóng ECG hiển thị trên màn hình điện thoại

Hình 5.4 Dữ liệu SpO2 hiển thị trên màn hình điện thoại

Hình 5.5 Giao diện khi nhấn nút SAVE, và tiến trình gởi dữ liệu khi chọn ô Also save on

Hình 5.6 Giao diện Google Drive chứa dữ liệu.

Hình 5.7 Biểu diễn đồ thị trên Google Drive

NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ

Sau thời gian nghiên cứu, thi công thì đồ án tốt nghiệp của nhóm với đề tài

“Thiết bị đo điện cơ, điện tim và nồng độ oxy trong máu giám sát trên điện thoại dùng android và Internet” đã cơ bản hoàn tất

Nhìn chung, mô hình đã hoạt động ổn định, đạt đƣợc khoảng 95% yêu cầu đề ra ban đầu Thiết bị dễ sử dụng, thuận tiện cho người dùng

Thiết bị sử dụng nguồn của điện thoại khi kết nối, ngoài ra còn có nguồn ± 9V cho module EMG, người dùng sẽ phải bật công tắc pin để sử dụng chức năng đo này Dạng sóng tương đối giống với các thiết bị có cùng chức năng

Chức năng gửi dữ liệu lên Google Drive khá ổn định, tên folder được lưu theo tháng hiện tại và ngày hiện tại, cách đặt tên folder và tên file giúp người dùng tiết kiệm thời gian trong việc tìm kiếm, ứng dụng có thể phân biệt các folder chứa kết quả tồn tại hay không phòng trường hợp người sử dụng vô tình xóa mất hoàn toàn folder đó trên Google Drive (vào thƣ mục Trash để xóa hẳn)

Tuy nhiên do sự hạn chế về kiến thúc, thiết bị nên không thể tránh khỏi hạn chế và một số sai sót:

Hạn chế lớn nhất là điện thoại Android do có Ram và bộ nhớ trong thấp nhƣng phải xử lý, hiển thị dữ liệu tốc độ cao, lưu trữ nhiều dữ liệu khi đo nên đôi lúc gây treo ứng dụng Nhóm đã khắc phục bằng cách lập trình cho bên điện thoại chỉ nhận lượng dữ liệu tương đối sau đó xóa các biến lưu tạm, hoặc tắt ứng dụng và chờ một lúc sau đó tiếp tục đo

Thiết bị chạy ổn định và đạt từ 90% đến 95% yêu cầu đặt ra ban đầu: thu thập được dữ liệu từ các module đo điện tim, điện cơ và nồng độ oxy; lưu và gửi thành công kết quả đo lên Google Drive Tuy nhiên, còn các lỗi còn xuất hiện khi đo ECG và EMG Khi đo ECG phải hạn chế cử động, chân cách đất, nhƣng nhóm khi đo vẫn còn nói chuyện, và tay cầm điện thoại để thao tác nên gây ra nhiễu do chuyển động, một phần do các miếng dán ở điện cực dán không chặt do đo lâu và đổ mồ hôi Đo nhiều lần máy có hiện tƣợng giật, treo do RAM yếu và bộ nhớ trong thấp, nên nhóm đã khắc phục bằng cách tắt ứng dụng và đợi một thời gian sau đó tiếp tục đo

So với các thiết bị ngoài thị trường thì mô hình còn kém chính xác Sau đây là một vài hình ảnh các thiết bị thực hiện chức năng đo ngoại thực tế

Hình 5.8 Kết quả đo điện tim của máy PRIMEDIC DEFIMONITOR EVO™

Hình 5.9 Máy đo điện cơ của hãng Allengers

Tiêu đề	Nghiên Cứu Và Thiết Kế Thiết Bị Đo Điện Tim, Điện Cơ Và Nồng Độ Oxy Trong Máu Giám Sát Trên Điện Thoại Dùng Android Và Internet
Tác giả	Lâm Nhựt Tân, Hồ Quốc Hiếu
Người hướng dẫn	Th.S Trương Ngọc Anh
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hcm
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2016
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	107
Dung lượng	4,64 MB