Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Thiết kế hệ thống truyền tín hiệu sinh học với Photon Particle Kit

STA mode to :{} UARTconnect A P wireless router4 User Device mobile phone Hình 1-2: Kết nối Iot [18] WiFi low power series 1.2 Muc tiêu và nhiệm vụ cua đề tàiNắm bắt được xu hướng trên,

TRAN ANH HUY

THIET KE HE THONG TRUYEN TIN HIEU SINH HOC

VOI PHOTON PARTICLE KIT

CHUYEN NGANH : VAT LY KY THUAT

MA SO : 60520401

LUAN VAN THAC SY

Công trình được hoàn thành tại: Trường Dai học Bách Khoa-DHQG- HCMCán bộ hướng dẫn khoa hỌC: .- c- 6s EE 2x SE xxx scsveed

Cán bộ chấm nhận Xét 1: - ¿G6 kSkESESESEEESSESEEESESEEeEseserecee

Cán bộ chấm nhận Xét 2: -G- + St E382 ESESEEESESEEEErkrkreree

Luan văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai hoc Bách Khoa, ĐHQGTp.HCM ngày tháng năm

Thành phân Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lýchuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HOI DONG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆTNAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: TRAN ANH HUY MSHV: 7140320Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số: 60520401Ngày sinh: 23/10/1986 Nơi sinh: Bình thuậnI TÊN DE TÀI:

THIẾT KE HE THONG TRUYEN TÍN HIỆU SINH HOC

VOI PHOTON PARTICLE KITIl NHIỆM VU VA NOI DUNG:

- Tim hiểu về tín hiệu sinh hoc ECG và SpO2.- _ Thiết kế mạch thu nhận các tín hiệu ECG và SpO2.- Két nối tín hiệu thu được với Module Photon Particle Kit.- Truyén tín hiệu lên máy tính sử dụng công nghệ IoT qua mạng Wifi

Ill NGÀY GIAO NHIEM VU :

IV NGAY HOAN THANH NHIEM VU:V CÁN BO HUONG DAN : PGS.TS Huynh Quang Linh

Tp HCM, ngay thang năm 2017

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON

(Ho tén va chit ky) (Ho tén va chit ky)

TRUONG KHOA K.H.U.D(Ho tén va chit ky)

LỜI CÁM ƠN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Thiết kế hệ thống truyền tín hiệu sinh học vớiPhoton Particle Kit” là kết quả của quá trình cỗ gắng không ngừng của bản thânvà được sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy, bạn bè đồng nghiệp và ngườithân Qua trang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ tôitrong thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua.

Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với PGS.TS Huỳnh QuangLinh đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tải liệu thông tin khoa họccần thiết cho luận văn nảy

Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, khoaKhoa Học Ứng Dụng đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứukhoa học của minh.

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vi công tac và đặc biệt

là hai bạn KS Nguyễn Minh Đức và KS Đặng Anh Khoa đã giúp đỡ tôi trong quátrình hồ trợ và thực hiện luận văn này.

TÁC GIÁ

Ks Trần Anh Huy

TÓM TẮTIoT (Internet of Things) là mạng kết nối của các đối tượng vật lý - thiết bị vớicác thiết bịxử lý kỹ thuật số theo mô hình cảm biến - mạng — thiết bị cho phép cácđối tượng này thu thập vatrao đối dữ liệu với nhau IoT cho phép các đối tượng cảmnhận, thông tin và kiểm soáttừ xa qua các co sở hạ tang mạng Ngày nay,sản phẩmloT đã có thé vận hành thành công với chi phí thấp và kích thước nhỏ gọn Trongnội hàm đó, luận văn xây dựng và thử nghiệm mô hình chân đoán từ xa theo nguyênlý IoT thực hiện việc truyền nhận các tín hiệu sinh học (EEG và SpO2) sử dụngPhoton Particle Kit ứng dụng trong việc chăm sóc sức khỏe từ xa Mô hình bướcđầu cho thấy tính khả thi hữu ích của giải pháp, đồng thời đặt ra nhiều vẫn đề cầnhoàn thiện dé đạt đến sản phẩm thực tế.

ABSTRACTlol (Internet of Things) is a network connecting physical objects - deviceswith digital devices according to the model “sensor — network— devices’, thatenables these objects to connect and exchange data IoT allows a lot of objects tosense, communicate and control remotely through the network infrastructure.Nowadays, IoT products have been capable to operate successfully with low costand compact size In the scope of this thesis, atelediagnostic model based on [oTprinciple that enables the transmission of biological signals such as EEG and SpO2using Photon Particle Kit were designed and succesfully tested Such system canbeused in tele-healthcare application The pilottesting model showed the realpossibility of the solution, and proposed simultaneously many problems to beimproved in order to meet the usability of a commercial product.

LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướngdẫn khoa học của PGS.TS Huỳnh Quang Linh Các nội dung nghiên cứu, kết quảtrong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nảo trước đây.Những số liệu trong các bảng biểu phục vu cho việc phân tích, nhận xét, đánh giáđược chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phan tài liệutham khảo.

MỤC LỤCNội dung TrangCHƯƠNG 1: MO ĐẦUU 5° 5< s49 E9 RE 03880308030103080 08 s09 12

1.1 Lý do lựa chọn đề tài: 5 tt SH ngờ 121.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của dé tài: - ¿5c S5 2c Sex xrtekerrrrrrrrree 13

CHƯƠNG 2: TONG QUAN LÝ THUY ÊT -2 5-s<ssevsseeesserese 15

2.1 Tín hiệu điện tim - c1 11321999011 nọ HH vn 152.1.1 Cau tạo chung của tỉIm ¿5-5-5222 St 3 E23 2E EEEEErkrrerred 152.1.2 Cơ chế hoạt động của tim cecccccceccecscsssesescscssesesesssessesesessssseseseseees l62.1.3 Tính chất tín hiệu điện tim - - 2 2 52+E+E+E2EE£E£E£ESEzrErkrererree 182.1.3.1 Trục điện tim _ - << Ăn S111 11 1 và 182.1.3.2 NIT G6 182.1.3.3 Thất đô tr th Heo 182.2 Máy đo điện tim - - - G5 000199 ke 22

2.2.1 Tổng quan về máy đo điện tim - ¿5-5 2 2522252 2£+x+£zezxerersereee 222.2.2 Nguyên lý đo điện tim Ă Ăn reg 222.2.3 Các đạo trình 1111011000000 111111111111 ng v4 232.2.3.1 Các đạo trình chuẩn -.- -:- sec S112 E11 SE vn ekeecrei 242.2.3.2 Các đạo trình đơn cực CI -ccs s1 5555<<eeeeeees 242.2.3.3 Cac đạo trình trước tim (đạo trình ngựcC) «5555 <<< <<<5 252.2.4 Các đặc trưng của tín hiệu điện tim - «5555 5S SSssssssesesss 262.2.4.1 Biên độ và thời gian tỒn Ẩi ch n ng SE ve rreesed 262.2.4.2 Nhiễu nnHHnHHHH HH 27

2.3 Tín hiệu sinh hoc SỊD(Ö2 o9 9.996 9899999999698 98899999999666686699996 272.3.1 Phương pháp đo SpO2 ngờ 272.3.2 Ứng dụng của SpO2 ¿t2 St t3 1 191111211111 1111111111111 282.4 Tong quan về các công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây 312.4.1 Công nghệ BluefOotth - - cờ 312.4.2 Công nghệ EE Gv 322.4.3 Công nghệ Z⁄1gbee - - - - cọ nọ ng 32

2.4.5 Công nghhỆ ÏO ÏÌ - << 990000 352.5 HTTP Request với Á.J Á X - G55 6999 9.06 8999.00 00090666866969686666966 392.3.1 JAVAASCTIDE G0 ọ ọ 392.5.2 Viết chương trình web dùng JavaSCrip( - 25555 cc+cccsceseece¿ 392.5.3 Á CA Ôn Họ l0 000000600008 00000090 402.5.4 Tạo đôi tượng XMLHIttp Request 255555552 Scccsececesrered 402.5.5 Sử dụng đối tượng XMLHttp Request yêu cau dữ liệu bat đồng bộ 41

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN CỨU VÀ NỘI DUNG THỰC?f.\); 8N ô.ô.ô.ôỶôê AA 44

3.1 Thiết kế vi mạch thu nhận, xứ lý tín hiệu sinh học ECG -.«- 443.1.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch thu tín hiệu ECG - - 2 <+s+scs¿ 443.1.2 4n 00 ‹.-‹+151 453.1.3 Mạch khuếch đại Vi Sai ¿-¿- - + 25226 SE 3S SE 1 E51 12121111 ecxrk 463.1.4 Loc thông cao , lọc thông thấp, triệt giải 50Hz, khuếch đại tầng cuối vàđỊCH áp nọ 47

3.1.5 Khối hồi tiếp về chan phải - + ¿2E + 2 2 SE2E£E#ESEEEE£ErEeErrersrered 483.1.6 Module xử lý HY-LPC1788-CORE BOARD - c2 483.2 Thiết kế vi mạch thu nhận, xử lý tín hiệu SpO2 - 5< << << << 503.2.1 Sơ đồ khối tổng quát - ¿+ 5£ S62 EE 3932121521 212121 21211 1x cxyeU 503.2.2 Êpi na 513.2.3 Mach điều khiển LED 0 sessceeseesesseessesseeseceseeseseseceneesusenneensesneensenneenes 533.2.4 Mach khuéch dai đdòng-áấpp - - HH ngờ 563.2.5 Mạch khuếch đại và offset cscsessssessseseeseeseeseseseceseeseeesneenseceeenseeseenes 613.2.6 Kết quả thurc té cccccccccccscsscsescssscssescscscscssssescscscsscsessscscsssssscsessssssseseess 633.3 Module tích hop ECG VÀ SPO2 XB-XDXY A1-V1 s-<-5cs< se: 673.4 Vận hành các mô hình và lựa chon mô hình phù hợp s« 70

3.4.1 Vận hành vi mạch ECG và kết quả thu được - «<< <<<<««2 703.4.2 Vận hành vi mach SpO2 và kế quả thu được - «<< <<<<««2 713.4.3 Hình anh va kích thước của các Module trong vi mach thiết kế 723.4.4 Vận hành Module tích hop ECG và SpO2 XB-XDXYAI-VI và kết

3.4.5 Lựa chọn m6 hình phù hop - - -« - « «5s S999 11111 ke 723.5 Module Photon Particle KKTẨ s .< <5 << 5 5< 950 899506 88556688656688856 743.5.1 Tổng quan về Photon Particle KÍ( - ¿5-5 2 255252 £s+x+xe£e+xsxezscxee 743.5.2 So đồ khối tổng quát và sơ đồ kết nối schematic - -5-5- 753.5.3 Khối nguồn cung cấp và dòng điện tiêu thụ - 5555525555: 753.5.4 Khối xử lý Module PO ¿5-5222 2E£ESEEEEEEEEEEEEerkrkrkrrrrrrree 773.5.5 Khối thu phát sóng RLE - ¿6 +22 SE EE£E£EEEEE E112 1 1E EErrre, 78S804 '/000 090 79

3.6 Giao diện và chức năng các chan mo rộng ngoại vi của photon Particle kit 793.6.1 Giao diện chân mở rộng ngoại vi cua photon Particle KIt 793.6.2 M6 tả chức năng chân mở rộng ngoại vi của photon Particle Kit 813.7 Layout của Photon Particle Kit dc c G G 9 0000000066669 0000000 823.7.1 Cac lớp Layout cua Photon Particle K1f «« «5555 <2 823.7.2 Kích thước cua Photon Particle Kit cccccssssssccccccceeeceeeseeeeesssnnneeeeees 833.8 Kết nói Photon Particle Kit va Module ecg XB-XDXYA1-VI 843.9 Những kết qua dat QC 5-5-5 5c << << e9 95 5EsEsEsesesesessee 853.10 Hạn chế của dé tài - 5-5-5 << << << 9 99931 1E E4 4625550556 86CHƯƠNG 4: KET LUẬN VA HƯỚNG PHÁT TRIEN - 87TÀI LIEU THAM KH ÁOO 2 5° << S2 S2 95s se zsessssese 88

DANH MỤC HÌNH VEHình 1-1: Konekt Line - - + <2 + 111301618031 1803 1183 11185 111 kg ra 12Hình 1-2: Kết nối IOI - ¿56652223922 1239212321521 2321111 2111111111111 re 13Hình 2-3: Cau tạo chung của tm ¿6-5-5223 22x E2 2312211 EEeErkrrerred 15Hình 2-4: Hệ thông dẫn truyền của tim ee.c.ccccccccscsccsssessssssessesesesscsesecsssesssssseeeseseeeees 16Hình 2-5: Cac giai đoạn cua điện thế hoạt động - - - HH ng 17Hình 2-6: Các giai đoạn của điện thế hoạt động - - - HH ng 18Hình 2-5: Sự hình thành sóng ÏP - - - << s0 re 19Hình 2-6: Sự hình thành sóng CQÔ Q9 ng kh 19Hình 2-7: Sự hình thành sóng R, Š -G Ăn re 20Hình 2-8: Sự hình thành sóng 'ÏÏ - - - << 5G E000 ng re 21Hình 2-9: Phức bộ điện tâm dO voc cecccescsssccscecessssecscscecsecevecsceccesvevscsceesevsceceeeeseees 22Hình 2-10: Hình dạng sóng khử cực và tal CỰC - Ăn 3111111 ke 23Hình 2-7: Tam giác EInthOV€T - - c0 0n ke 24Hình 2-8: Các đạo trình đơn cực CHI + 5 5511111111111 11111111155 1 xe rea 25Hình 2-9: Các đạo trình trước tIm + 2233311111111 11111111155 xxx erxa 26Hình 2-14: Đồ thị điện tim chuẩn -G- G5611 SE 1v SE vs rersed 27Hình 2-15: Phương pháp đo SpO2 che 28Hình 2-16: Tính hap thụ của tế bào Hemoglobine - 5-5 2 255225 £szs+zscs2 29Hình 2-17: các chuẩn kết nối không dây - ¿- - 52522252 S*‡E+Eezezterrerrerered 32Hình 2-18 Các tầng vật lý của công nghệ Zigbee ¿55 2 ccccxsrsreererered 33Hình 2-19: Giao thức kết nối băng công nghệ [OT - + 2 555252 s+s+sscs2 38Hình 3-1: Sơ đồ khối mạch thu tín hiệu ECG 6+ k+E2k+EeEsEsEeEeeeersesed 45Hình 3-2 : Khối ôn định điện áp 5Vdc và 3.3V dc ¿-5-ccccccccccecxcrsree 45Hình 3-3: Mạch khuếch đại vi Sai - - G6 xxx 11121 1 E11 2v ng reerei 46Hình 3-4: Chip AD620 - 5-5 12.21 1 11 2121211210121111 0111010111111 1111x111 errrk 47Hình 3-5: Khối lọc thông cao, thông thấp, triệt giải 50Hz, khuếch đại tầng cuối và4019005201177 -.- 47Hình 3-6: Khối hồi tiếp về chân phải ¿5-2552 S2SE‡ESE‡E£EcEctexersrrrrerered 48

Hình 3-8 : Sơ đô khối tổng quát mach thu tín hiệu SpO2 - + 52552 50

Hình 3-9: Vi điều khiến MSP430F5338 được đóng gói dưới dạng chân QFP100 52

Hình 3-10: Dinh dòng qua LED dùng trở ballast bang đặc tuyến V-I của LED 53

Hinh 3-11: Mach dién tao nguồn GONG CO DAN oe 1 54

Hình 3-12: Mach cầu H dùng điều khiến tat mở và cường độ chiếu sáng của LEDs 55

Hình 3-13: So đồ lắp linh kiện khi dùng OPA381 o ssssssesssssssssssssseesssssssssssseesssssessssssseeseeeeeen 57Hình 3-14: Ngõ ra của Opamp chuyền đổi dòng-áp khi không có tụ điện CF 58

Hình 3-15 : Ngõ ra của Opamp khi có tụ điện Cf đúng với tính toán - 58

Hình 3-16 : Ngõ ra của Opamp khi được gan tụ Cf cao hon tính toán - 59

Hình 3-17: Dap ứng của Opamp với một xung dòng điện photodiode - 59

Hình 3-18: Ngõ ra của Opamp bị méo dạng s- 2s «+ e+s+k+kkeEeEs ke 60Hình 3-19: Tín hiệu đã phục hôi sau khi chỉnh lại tần số cắt -ccz-cccxe 61Hình 3-20: Biên độ dinh-dinh của tín hiệu thô thu được ở tầng đầu tiên 6lHình 3-21: Sơ đồ mạch tang khuếch đại và offset tiếp theo đùng OPA333 62

Hình 3-22: Biên độ dinh-dinh của tín hiệu đã tăng đáng ké sau khi qua tang thứ 2 63

Hình 3-23: Tín hiệu thô thu từ LED hồng ngoại -c22cccc+e22Ccvvveeceerrrrrrre 63Hình 3-24: Tín hiệu thô thu từ LED d0 5-5-5 55 SE SEEeESEEeEeEerkkesrkrkrsrkrkrkee 63Hình 3-25 : Tín hiệu từ LED hồng ngoại sau khi khuếch đại va offset - 64Hình 3-26: Tín hiệu tir LED đỏ sau khi khuếch đại va offset - 2-2: G1Hình 3-27: Tín hiệu sau khi được lọc nhiễu FIR của LED hồng TOạiI <c<c«- 64Hình 3-28: Tín hiệu sau khi được lọc nhiễu FIR của LED đỏ we.ceecsecsseessssssssescssecsecesseeseees 65Hình 3-29: Tín hiệu trừ nền của LED hồng ngoại cc2£©vccz++£vvvvsceerd 65Hình 3-30: Tín hiệu trừ nền của LED đỏ 22-©£©+£9EE++£9EE+E+EEEEEevEEEEevEExesvvrxeeere 65Hình 3-31: Kết quả tìm chu ky trên tín hiệu nhịp mạch: 5-55 «<< e£sxsseeees 66Hình 3-32: Module ECG XB-XDXYAI-V1 mặt trước - -<<<<- 67Hình 3-33: Module ECG XB-XDXYAI-V1 mặt sau -<<<<<<<2 67Hình 3-34: Tín hiệu ECG khi chưa sử dụng thuật toán lọc SO cv sec ree 70Hình 3-35: Tín hiệu ECG sau khi qua bộ lọc TẢ 70Hình 3-36: Tín hiệu SpO2 sau khi lọc nhiỄU G6 SE S3 SE vs eeseeeed 7]Hình 3-37: Tín hiệu SpO2 và ECG cùng hiền thị trên phan mềm Demo của máy tính

Hình 3-38: Module ECG (13CMX8.5 CM) - << SSSS 211111 3 1111115555 72Hình 3-39: Module SpO2 (L1CMX8 CM) - << «s5 «s99 111 ke 72Hình 3-40: Vi mạch thiết kế hoàn tất (17.5cmx15.5cmx9 CM) ¿5s s52 72Hình 3-41: Chương trình giao tiếp với máy vi tính của module ECG XB-XDXYAI-V1 = ăẼăẼăẽăăăăẽăẽăẽăẽăẽăẽă.ẽ 73Hình 3-42: Photon Particle KTẨ - 3030303010101 SH ng 1 1 ke 74Hình 3-43: Sơ đô khối tổng quát của Photon Particle Kit 5- 5555552 75Hình 3-44 : Khối nguồn cung cấp cho Photon KÍt 5- 52 255225 >szs+zscs2 76Hình 3-45: Khối xử lý Module PO của Photon Particle Kit - 5 - 5<: 77Hình 3-46: Mạch thu phát song RF của Photon Particle KIt - - - 78Hình 3-47 : Khối User I/O của Photon Particle KÍ( -¿-5- 52 c2 s+s+s+cscee 79Hình 3-48: Giao diện các chân mở rộng cua Photon Particle KIf 80Hình 3-49: Lớp trên và lớp GND Photon Particle KIf < <<<<<<<<<++2 32Hình 3-50 :Lớp giữa và lớp dưới của Photon Particle KIf ««<<< +2 83Hình 3-51 : Kích thước cua Photon Particle Kit (don vi tinh bang In) S3Hình 3-52: Sơ đồ kết nối IoT của bộ truyền tín hiệu sinh học - 84Hình 3-53: Máy tính hiển thị tín hiệu sinh học qua công nghệ IoT 84Hình 3-54 : Giá trị hiển thị trên màn hình OLEÌD 2 ¿+ E2 E+E+E+E+E££sesxd S5Hình 3-55: Mô hình thực Ế - G93 5191 91 E5 5111515111 5 1126 1 11181511 crei 85Hình 3-56: Tín hiệu SpO2 hiền thị trên máy tính - 52 55s+cscs+cszscs2 84

DANH MỤC BANG BIEU

Bang 3-1 : So sánh giữa vài thông số opamp quan trọng cho ứng dụng oxy nhịp¡19:0 ằằ ốồ.Ầ 56Bảng 3-2: Sơ đỗ chân giao tiẾp 55222223 3 1212121121111 211111 111111111 te 68Bang 3-3: Sơ đô kết nối điện cực ECG ¿- + 252 52t 2xx 2EEeErkerrrrkererred 68Bảng 3-4: Sơ đô kết nối sensor SPO2 ¿- 5-5222 2E 2EEEEEEEEEEEEEerrrkrrererred 68Bang 3-5 : M6 tả chức năng các chan của Photon Particle Kt - 80

CHƯƠNG 1: MO DAU1.1 Lý do lựa chọn đề tài

Internet vạn vật (IoT) được xem như một bước ngoặt quyết định làm thay

đổi cơ bản bộ mặt thé giới hiện đại mà chúng ta đang sống Đó là viễn cảnh mà mọi

vật đều có thé kết nối với nhau thông qua Internet và các hệ thống mang máy tính.Các doanh nghiệp đang có xu hướng ứng dụng sản phẩm công nghệ IoT vào sanxuất ngày càng nhiều bởi thị trường sáng tạo tiềm năng va chi phí sản xuất ngàycàng thấp [1], [23]

Hệ thông IoT cho phép người dùng tiến xa hơn vào việc tự động hoá, phântích, tích hợp thế giới vật lý - ảo Thế giới công nghệ mới này giúp cải thiện tamnhìn, tính chính xác, nang tầm các công nghệ về cảm biến, kết nối, robot dé đạt hiệuquả cao nhất [16], [24], [26]

Trong lĩnh vực đó, nhiều công ty như Konekt Line, TinkeringTech CellStick,Mbed Cellular Kit đang đầu tư nghiên cứu va phát triển hệ thống sản phẩm baogom ca phan cứng lẫn dịch vu, đặc biệt các dich vụ mang đám mây (cloud services)(hình 1.1).

== KONEKT

Hình 1-1: Konekt Line [17].Các IoT kit sẽ kết nối với Access Point (modem) để kết nối Internet chuyển datađến cloud services Các thiết bị có khả năng truy cập Internet sẽ lay data từ cloud về(hình 1.2).

STA mode to :{} UART

connect

A P wireless

router4 User Device

mobile phone

Hình 1-2: Kết nối Iot [18]

WiFi low power series

1.2 Muc tiêu và nhiệm vụ cua đề tàiNắm bắt được xu hướng trên, dé tài luận văn này được thực hiện nhằm mụctiêu nghiên cứu thiết kế một hệ thong thử nghiệm thu nhận tín hiệu sinh học (một sốdạng tín hiệu sinh ton như ECG, SpO2) và truyền tải từ xa qua mạng Internet, nhưbước đầu ứng dụng Iot trong lĩnh vực y tế từ xa (telemedicine)

Với mục tiêu trên, dé tài dé ra những nhiệm vụ sau:- Nghiên cứu tong quan về tín hiệu sinh hoc, cách thức thu nhận dữ liệu từ các tinhiệu trên; tong quan về các tiêu chuẩn mạng, công cụ kỹ thuật SỐ phục vụ hệ thốngtrên.

- Thiết kế module thiết bi thu nhận tín hiệu ECG và SpO, và kết nối với module thuphát wifi (Photon Kit).

- Thử nghiệm giao tiếp wifi với máy tính và xây dựng giao diện cho web browserghi nhận các thông tin tín hiệu thu nhận được.

Các hệ thống tương tự như trên hứa hẹn khả năng ứng dụng rộng rãi cho cácloại tín hiệu sinh học khác nhau,đáp ứng nhu cau cấp thiết chăm sóc sức khỏe côngđồng trong ngành y tế [24] [25],[27]

CHƯƠNG 2: TONG QUAN LÝ THUYET

2.1 Tin hiệu diện tim2.1.1 Cấu tạo chung của timTim là một khối cơ rỗng gồm 4 buồng dày mỏng không đều nhau, co bóp khácnhau Bao bên ngoài là một túi gọi là bao tim Được chia thành bốn ngăn gồm tâmnhĩ phải, tâm thất phải ở nửa bên trái của tim Giữa tâm nhĩ và tâm thất có lỗ nhĩthất, tại đó có một van gọi là van nhĩ thất Van nhĩ thất phải là van ba lá và van nhĩthất trái là van hai lá Van nhĩ thất không cho máu chảy ngược từ tâm thất về tâmnhĩ Máu từ tâm thất đi ra động mạch, tại đó có van hình bán nguyệt (van tô chim).Mau từ tinh mạch về tâm nhĩ đi qua lỗ tĩnh mach, tại đây không có van đóng mở|5]

Tinh mach _ _

chu dưới

Hình 2-1: Cau tao chung của timTim có một hệ thống dan truyền đặc biệt có kha năng tự phát xung, giúp timhoạt động Xung điện này chính là cơ sở cho việc thu nhận tín hiệu điện tim Hệthong dẫn truyền của tim gôm có:

e Nút xoang nhĩ (SA node): năm ở tâm nhĩ phải chỗ tĩnh mạch chủ trên đồvào tâm nhĩ phải, là nút tạo nhịp cho toàn bộ trái tim.

e Nút nhĩ thất (AV node): nằm ở bên phải của vách liên nhĩ, cạnh lỗ xoangtinh mach vanh.

e Bó His: di từ nút nhĩ thất tới vách liên thất thi được chia thành hai nhánhphải và trái chạy dưới nội mạc tới hai tâm thất, đến đó chúng phân nhánhthành mang Purkinje chạy giữa các sợi cơ tim.

Nút xoang nhĩ : SN(SA node) = (| \

Vì vậy để các sóng có thể được truyền xuống tâm thất, nó phải đi qua một hệthống dẫn truyền cơ tim đặc biệt Ở quả tim bình thường, con đường duy nhất đểcác sóng khử cực có thể xuống được hệ thống dẫn truyền tâm thất đó là đi qua nútnhĩ thất

: ) JA \ Bo Hisnhi that

Hình 2-3: Các giai đoạn của điện thé hoạt động [2]Đề cho tâm thất có đủ thời gian làm đầy máu sau khi tâm nhĩ co, nút nhĩ thấtsẽ làm chậm lại sự dẫn truyền của các sóng khử cực này Sau thời gian delay nhỏnày, các sóng khử cực sẽ được dẫn truyền xuống tâm thất thông qua bó His Bó Hisnăm ở vách liên thất và được chia tiếp thành nhánh phải và nhánh trái Các nhánhphải và nhánh trái này sẽ dẫn truyền các sóng khử cực vào khối cơ tim lần lượt củatâm thất phải và tâm thất trái Điểm can chú ý ở đây là vách liên thất là phan đầutiên của khối cơ thất được khử cực, và quá trình này diễn ra nhờ sự di chuyển củasóng khử cực từ nhánh trái qua nhánh phải Hướng di chuyền từ trái qua phải củaquá trình khử cực vách liên thất này là rất quan trong dé ta có thể hiểu được một sốbất thường quan trọng trên ECG Khi quá trình khử cực vách xảy ra, sóng khử cựcsẽ tiếp tục di chuyển nhanh xuống phan còn lại của tâm thất phải và trái Trongthành của hai tâm thất, các sóng khử cực sẽ đi ra từ các sợi tận cùng của hệ thốngdẫn truyền và di chuyển từ nội tâm mạc hướng ra thượng tâm mạc của quả tim,đồng thời cũng di chuyển ngược theo thành sau của tâm thất lên rãnh nhĩ thất Phancuối cùng của tâm thất được khử cực đó là phan trên cùng của vách liên thất Vàmột lần nữa, nó cũng được khử cực nhờ các sóng khử cực di chuyển từ trái quaphải.

Quá trình tái cực của tim không thật sự đồng bộ giữa các tế bào với nhau Cáctế bào cơ tim sẽ tái cực với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào vị trí giải phẫu của nótrong quả tim Những tế bào ở vùng thượng tâm mac sẽ có tốc độ tái cực nhanh nhất

và vì thế nó sẽ tái cực đầu tiên sau khi tâm thất co Tốc độ tái cực tế bào sẽ chậmdần khi đi từ thượng tâm mạc vào nội tâm mạc Nói cách khác, các sóng tái cực sẽdi chuyén trong tam that theo hướng ngược lại với sóng khử cực Quá trình tai cựcsẽ bắt đầu từ thượng tâm mạc và sẽ lan truyền từ thượng tâm mạc vào nội tâm mạcở tâm thất.

Nội a Thuong

R tam mactam mac

Hình 2-4: Cac giai đoạn của điện thé hoạt động [2]2.1.3 Tinh chất tín hiệu điện tim

2.1.3.1 Trục điện cua timKhái niệm trục điện cua tim có nghĩa la hướng trung bình của dòng điện diễnra trong quá trình hoạt động của tim Thuật ngữ thường xuyên được sử dụng làvecto thay vi dùng “trục điện” Hướng của trục điện có thể có nghĩa là hướng tứcthời của vectơ điện tim [14].

Pham vi thông thường của trục điện nằm giữa 30° và -110° trong mặt phăngtrước và giữa 30° và -30° trong mặt phang ngang

2.1.3.2 Nhĩ đồLà dang sóng ứng với giai đoạn khử cực của tâm nhĩ.Như đã trình bày ở trên, xung điện phát ra từ nút xoang nhĩ sẽ lan tỏa làm khửcực tâm nhĩ với hướng từ trên xuống và từ phải qua trái tạo thành một vectơ hợp với

phương ngang một góc 49”, đây cũng chính là hướng của vectơ khử cực Máy đo

điện tim sẽ thu nhận xung điện này dưới dạng sóng dương, có độ lớn khoảng0.25mV, gọi là sóng P.

>,

kK% Giai doan khi? cực

Giai đoạn khử cực bắt đầu từ phần giữa mặt trái liên thất đi xuyên qua mặtphải vách này, tạo ra vectơ khử cực đầu tiên hướng từ trái qua phải Máy đo điệntim thu được một sóng âm, có biên độ nhỏ khoảng 0.2 mV, được gọi là sóng Q [3].

Sau đó xung điện sẽ truyền xuống và khử cực đồng thời cả hai tâm thất theohướng xuyên qua bé dày cơ tim Lúc nay vectơ khử cực hướng nhiều về bên tráihơn vì tâm thất trái dày hơn và còn vì trục giải phẫu của tim hướng về bên trái Dođó, vectơ khử cực chung hướng từ phải qua trái tạo nên sóng dương cao hơn gọi làsóng R.

Sau cùng, quá trình khử cực vùng đáy thất lại hướng từ trái sang phải Máy ghiđược sóng âm nhỏ gọi là sóng S.

Hình 2-7: Sự hình thành sóng R, S [14]Nói tóm lại, quá trình khử cực tâm thất gồm ba sóng Q, R, S biến thiên phứctạp gọi là phức bộ QRS.

s Giai doan tdi cực

Sau khi tâm thất khử cực xong sẽ chuyển sang giai đoạn tái cực chậm Giaiđoạn này thể hiện trên đồ thị ECG dưới dạng một đoạn thăng gọi là đoạn S-T Sauđó là giai đoạn tái cực nhanh tạo nên sóng T.

SỰ TAI CỰC Ở TÂM CÁC TÂM THẤT ĐÃ

THAT (450 ms) ĐƯỢC TAI CỰC (600ms)

Li 1

400 600 [ms]

Vectơ tái cực cũng có chiều từ trên xuống dưới và từ phải qua trái làm phátsinh sóng dương thấp gọi là sóng T Sóng T này không đối xứng và còn được gọi làsóng chậm vì nó kéo dài khoảng 0.2 giây.

Sau khi sóng T kết thúc có thể thấy một sóng chậm, nhỏ gọi là sóng U Đâyđược gọi là giai đoạn muộn của quá trình tái cực.

Tóm lại, thất đồ được chia làm hai giai đoạn:e Giai đoạn khử cực gom phức bộ PQRS được gọi là pha đầue - Giai đoạn tái cực gồm ST,T và U gọi là pha cuối

: segment

tq£——— S-T ——>)

intervalinterval

¡ QRS ;interval

Hình 2-9: Phức bộ điện tâm đồ [14]2.2 May do điện tim

2.2.1 Tong quan về máy đo điện timMáy đo điện tim là một thiết bị dùng để ghi nhận sự biến thiên của dòng điệndo tim phát ra Thiết bị sử dụng các điện cực gan trên da bệnh nhân dé thu nhận cáctín hiệu điện phát ra từ tim, sau đó tín hiệu sẽ được khuếch đại, lọc nhiễu và xử lýđể vẽ đồ thị dạng sóng của tín hiệu điện tim Từ dạng sóng nảy bác sĩ có thể chânđoán các bệnh liên quan đến tim.

2.2.2 Nguyên ly đo điện tim

Các đạo trình của máy đo điện tim được thiết kế để có thể chi nhận được cácsóng của quá trình khử cực và tái cực khi chúng di chuyển qua tâm nhĩ và tâm thất.Các đạo trình bao gom các điện cực ghi nhận các tín hiệu điện thế được đặt trên cơthể bệnh nhân và các đạo trình khác nhau sẽ chi nhận các tín hiệu điện thế ở nhữngvùng khác nhau của quả tim Do đó, ECG có thé cho chúng ta các thông tin về cácquá trình bệnh lý ảnh hưởng đến những vùng giải phẫu khác nhau của tim.

Ở bất cứ đạo trình ECG nào, đường thắng năm ngang khi không có dòng điệnnào đi qua đạo trình đó và được gọi là đường đăng điện Tất cả các máy ECG đượccài đặt sao cho nêu có một sóng khử cực có chiều di chuyển hướng về phía của mộtđạo trình nào đó, nó sẽ biểu hiện băng một sóng dương trên đạo trình đó Nếu sóngkhử cực di chuyển ngược hướng với một đạo trình, sẽ biểu hiện bang một sóng âmtrên đạo trình đó Ngược lại, do dòng điện tái cực có chiều ngược với dòng điện khửcực, cho nên nếu một sóng tái cực có chiều di chuyển hướng về phía một đạo trìnhnào đó, sẽ cho một sóng âm trên đạo trình đó, và nếu sóng tái cực di chuyển ngượchướng thì sẽ cho một sóng dương.

Depolarisation

)_A_

Repolarisation

Cơ thé người là một môi trường dẫn điện, do đó dòng điện do tim phát ra đượcdẫn truyền qua cơ thé và tới da Nếu ta đặt hai điện cực lên hai điểm bat kỳ trên data sẽ thu được hiệu điện thế của hai điểm đó, ta gọi đó là một chuyển đạo hay mộtđạo trình (lead) Các vi trí đặt điện cực khác nhau sẽ phan ánh tín hiệu điện tim ởnhững vi trí khác nhau của tim và sẽ cho ra dạng sóng điện tim đặc thù cho vi trí đó.Trong ECG có tất cả 12 đạo trình, bao gồm 3 đạo trình chuẩn, 3 đạo trình đơn cựccác chi và 6 đạo trình trước ngực [3].

2.2.3.1 Các đạo trình chuẩnCòn gọi là đạo trình lưỡng cực các chi hay lưỡng cực ngoại biên

—_ Đạo trình I: điện cực âm ở tay phải, điện cực dương ở tay trái— Đạo trình II: điện cực âm ở tay phải, điện cực dương ở chân trái— Đạo trình HI: điện cực âm ở tay trái, điện cực dương ở chân tráiCó thể thay trục của ba đạo trình chuẩn tạo thành một tam giác, ta gọi nó làtam giác Einthoven Nói một cách gần đúng, tâm của tam giác chính là vị trí củatim.

Right arm Left arm

Lead Il Lead Ill

Hình 2-11: Tam giác Einthoven [14]2.2.3.2 Cac dao trình don cực chi

Ta thay các đạo trình chuẩn đều được cấu tạo bởi hai điện cực, tuy nhiên khi tamuốn nghiên cứu điện thế riêng biệt của một điểm thì ta phải biến một điện cựcthành trung tính Muốn vậy, người ta nối điện cực âm với một điểm gọi là điểmtrung tâm Wilson (Wilson Central, CT) có điện thế bằng không Trung tâm Wilsonđược tạo ra băng cách nối một điện trở 5kQ từ mỗi đầu của các đạo trình chi Điệncực thăm dò còn lại (điện cực dương) được đặt vào vùng cần thăm dò Khi điện cựcthăm dò được đặt ở các chi, ta gọi nó là các đạo trình đơn cực chi Có ba đạo trìnhđơn cực chi:

— aVR: đạo trình đơn cực chi tay phải—_ aVL: đạo trình đơn cực chi tay trái— aVF: đạo trình đơn cực chi chân trái

Hình 2-12: Các đạo trình đơn cực chỉ [14]2.2.3.3 Các đạo trình trước tim (đạo trình ngực)Các đạo trình trước tim cũng tương tự như các đạo trình đơn cực chi, cực âmnối với điểm trung tam Wilson, còn cực dương nối với các điện cực đặt trước ngực.Có 6 điện cực đặt trước ngực, kí hiệu từ V1 đến V6, được đặt trên thành ngực theomột vòng cung (Hình 2.14) V1 nằm ở khoảng gian sườn 4, phía bên phải xương ức,V2: năm ở khoảng gian sườn 4, phía bên trái xương ức, và cứ thế V3, V4, V5 cách

những khoảng đều nhau cho đến V6 năm ở khoảng gian sườn 5 trên đường náchgiữa.

Hình 2-13: Các đạo trình trước tim [14]2.2.4 Các đặc trưng cua tín hiệu điện tim

2.2.4.1 Biên độ và thời gian tồn tại

>,

“ Bién do:Tín hiệu điện tim có biên độ khoảng 100mV tại tim (điện thế hoạt động),nhưng khi đến da biên độ chỉ còn khoảng ImV Do đó tín hiệu điện tim thu được cóbiên độ khoảng ImV Trong đó, sóng R có biên độ lớn nhất, các sóng khác có biênđộ nhỏ hơn Sóng U có biên độ nhỏ nhất, chỉ khoảng 0.1 mV

“se Thời gian tồn tại của các sóng:° P-R: 0.12 đến 0.2 giây

° Q-T: 0.35 đến 0.44 giây° S-T: 0.05 đến 0.15 giây° QRS: 0.09 giây

Có thé thay phức bộ QRS có thời gian tôn tại rất ngắn, do đó thiết bi đo cần cóđộ nhạy cao.

Hình 2-14: Đồ thị điện tim chuẩn [2]2.2.4.2 Nhiéu:

Tín hiệu ECG thu được là tong hợp cua tín hiệu điện tim và các tín hiệu nhiều.Các tín hiệu hiệu nhiễu này làm thay đổi dạng sóng điện tim Có nhiều nguồn gâynhiêu như:

e Nhiéu DC: do su tiép XÚC gitta cơ thé bệnh nhân với điện cực tạo nên.Biên độ của tín hiệu nhiễu này có thé lên đến 500mV, rất lớn so với tínhiệu ECG nên cần phải loại bỏ chúng

e _ Nhiễu điện lưới 50/60 Hz: do tín hiệu điện xoay chiều gây rae Nhiễu cao tan: do các thiết bị có tần số cao đặt gần đó gây rae Nhiễu cơ: do sự rung của cơ hoặc do sự hô hấp gây ra

2.3 Tin hiệu sinh học SpO22.3.1 Phuong pháp do SpO2Mau là thành quan trọng nhất, thành phan của máu là Hemoglobine (Hb) sẽvận chuyển oxy từ phối đến các nơi cần thiết trong cơ thé dé đảm bảo sự sống Sựvận chuyển đó xảy ra khi Hb kết hợp với oxy tạo thành HbO, (Hemoglobine có gắnOXV).

Pulse oximeter (P.O.) là một quang pho kế đo được hai bước sóng (thường là660 nm và 940 nm) đỏ và hồng ngoại (infrared), và có kha nang do thé tich(plethysmographic) Nhờ sự thay đối trong việc hap thu ánh sáng mỗi khi có sự thayđối thé tích donhip mach (pulse), người ta có thé xác định được tỉ lệcủa O2Hb vàRHb.Nguyên tắc cơ bản của P.O là phân biệt được máu động mạch có nhịpmach(pulsatile blood flow) với máu cua tinh mạch va mao mạch Bình thường, néucó sụthay đổi trong hap thu ánh sáng theo nhịp mạch thì đó là do máu động mach.

Phat tia sáng đỏ va hông ngoại

> Tớivixử ý

Cam biến ánh sáng

Bộ phan cảm biến trong máy đo SpO2

Hình 2-15: Phương pháp đo SpO2 [14|Tính hấp thụ quang của các tế bào Hemoglobine:HbO; hấp thụ nhiều tiahồngngoại hon và dé cho nhiều tia sáng đỏ di qua hơn.Hb thì hấp thụ nhiều tiasángđỏ hơn, và để cho nhiều tia hồng ngoại đi qua hơn

Ty lệ HbO»›/ (HbO›+HP) gọi là độ bão hoa oxy trong máu — SpÒ, nói cachkhác là tỷ lệ phần trăm Hemoglobine của máu kết hợp với Oxy

2.3.2 Ứng dụng của SpO2

sò Ngộ độc CO

CO là một khí độc, có nhiều khi đốt than CO thay thé oxy ở vị trí gan vao sắttrên phân tử Hb, cho nên ngộ độc CO sẽ làm tăng COHb (hemoglobine có gắncarbonmonoxide) và giảm HbOs Đương nhiên sẽ làm giảm độ bão hòa oxy trongmáu động mạch Tuy nhiên, phương pháp này cần phải kiểm chứng chắc chắn băngcách lay máu động mạch gửi đến phòng xét nghiệm dé đo SaO và COHb

>,

“ Huyết áp thấp

Mặc dù máy đo oxy dựa vào mạch đập dựa trên dòng chảy của máu khi mạchdap, nhưng SpO2 vẫn là một sự phản ánh chính xác của SaOs khi áp lực mach máugiảm thấp đến 30mmHg Mach mờ dan cũng không anh hưởng đến SpOs đo từ ngón

s Thiếu mắuThiếu máu tức là hemoglobine trong máu giảm thấp hơn bình thường Khikhông có giảm oxy máu, máy đo oxy dựa vào mạch đập cho kết quả SpO2 vẫnchính xác khi nồng độ Hb giảm 2-3g/dL Nếu thiếu máu nghiêm trọng hơn (Hb từ2,5 - 9 g/dL), SpO› đo được sẽ thấp hơn SaO2 khoảng 0,5%

“se Sac t6 daAnh hưởng của sắc tố da đối với SpO khác nhau ở các báo cáo Ở bệnh nhânda sam mau, trong một nghiên cứu, SpO, thấp giả tạo; trong khi đó, ở một nghiêncứu khác, SpOs cao giả tạo (SpOs-SaOz=3,5%) khi SaO2 thấp hơn 70%

Độ bóng của móng tay cũng ảnh hưởng ít đến SpO›, khi móng tay sơn mauđen hay nâu SpO; sẽ thấp hơn 2% so với SaO›„ nhưng ảnh hưởng nay có thé đượcloại bỏ bằng cách mắc đầu dò ở 2 bên của ngón tay.

Yếu tố có ảnh hưởng nhất đến SpO, đó là xanh methylene Nó sẽ làm giảmSpO, đến 65% khi tiêm xanh methylene vao tĩnh mạch Vì xanh methylene đượcdùng dé chữa bệnh Methemoglobin cho nên không dùng SpOs cho các bệnh nhân bịbệnh Methemoglobin.

s Phát hiện giảm thông khí

Thử nghiệm lâm sàng cho thấy SpOs là một dau hiệu nhạy cho việc đánh giátình trạng thông khí khi bệnh nhân đang thở khí trời nhưng khi bệnh nhân được thởoxy hỗ trợ thì không

Khi SpOs (hoặc SaO»›) trên 90%, PaO (áp lực riêng phần của oxy trong máuđộng mạch) trên 60mmHg; đường cong thé hiện sự gia tăng của SpO> theo PaO, bắtđầu det, và sau đó sự gia tăng mạnh cua PaO, chỉ ảnh hưởng it đến sự gia tang củaSpO> Thở oxy sẽ day đường cong tăng của SpO, theo PaO, càng det hơn (SpOsluôn trên 98% khi thở oxy), từ đó dù PaO, có thay đổi lớn đi nữa thì cũng ít ảnhhưởng đến SpO2

Có xu hướng sử dụng oxy một cách rộng rãi trong ICU (và đơn vị hồi sức saugây mề) thậm chí khi SpO, trên 90% Bởi vì chưa có tài liệu nào chứng minh lợi íchcủa việc phải đưa SpOs lên trên 90%, nên việc cho thở oxy cần được hạn chế khiSpO, của bệnh nhân đã trên 92% khi thở khí trời Điều này sẽ tránh được việc ngộđộc oxy và sẽ bảo tồn được độ nhạy của SpO; trong việc đánh giá thông khí khôngthích hợp.

2.4 Tổng quan về các công nghệ truyền nhận dữ liệu không dâyNgành điện tử toàn cầu đang dân hướng đến phát triển công nghệ không dâynhằm dễ dàng điều khiến, nâng cao chất lượng kết nối và tiện ích cho người sửdụng Những sản phẩm gia dụng, phụ kiện điện tử thông minh cũng vay, con ngườiđang dan hướng tới một xã hội thiết bị không dây điều khiến, kết nối và chia sẻ dữliệu từ xa.

24.1 Công nghệ BluetoothBluetooth là một đặc tả công nghiệp cho truyền thông không dây tầm gầngiữa các thiết bị điện tử Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảngcách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mang cá nhan không dây(Wireless Personal Area Nefwork-PANs).

Bluetooth có thé đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s Bluetooth hỗ trợ tốc độtruyền tải dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10 m—100 m Khác với kết nốihồng ngoại (IrDA), kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng giải tan24 GHz.Cũng như khác với Wifi hay các sóng radio khác hoạt động ở 1 băng tangcó định [32], Bluetooth triển khai theo khái niệm "nhảy tần trải phố" (FrequencyHopping Spread Spectrum), có nghĩa là băng tần hoạt động của Bluetooth thay đổiliên tục với 79 kênh (từ 2.400 GHz đên 2.480 GHz) Điều này, về mặt lý thuyết,đảm bảo bluetooth chống lại việc nghe lén rất hiệu quả vì hacker phải biết chính xácđược kênh nao dé nghe, mà kênh này lại thay đổi liên tục (khoảng 800 lần mỗi giây)tùy vào sự đồng ý giữa 2 thiết bị đang giao tiếp với nhau

Bluetooth thực hiện giao tiếp với nhau theo kiểu chủ-tớ (Master-Slave), vàthông thường 1 chủ có thé nối với 7 thiết bị tớ cùng 1 lúc thành một hệ thống mangmini Dĩ nhiên các thiết bị có thé đổi vai trò, tùy vào điều kiện tiếp nối Ví dụ: 1 cáitai nghe khởi đầu kết nối với điện thoại bắt buộc phải đóng vai chủ Master, nhưngsau đó sẽ hoạt động như la 1 tớ Slave sau khi kết nối hoàn tất Sau đó thông tinđược truyền đi theo phương thức giao chuyên gói (Packet Switching) như hình dưới

sau:

Gia sử ta có Ï mang 6 thiết bị, User 1 muốn gửi thông tin đến User 5, và User

nhỏ 54321 và User 2 chia thông tin của mình thành 4 gói 4321 Các gói thông tinnày được truyền đến người nhận băng đường truyền khác nhau, không nhất thiết làđi trực tiếp User 1 => User 5 mà có thé qua đường User 1 => User 2 => User 4 =>User 5 Như vậy thông tin có thé truyền đi rất nhanh chóng Sau khi tất cả các góiđã được nhận được ở điểm đến chúng sẽ được sắp xếp lại theo thứ tự ban đầu.

User2

« User 3

User +

User 4User §

Hình 2-17: Các chuẩn kết nối Bluetooth [32]2.4.2 Công nghệ RE

Tần số vô tuyến (RF) là dải tần số nam trong khoảng 3 kHz tới 300 GHz [33],tương ứng với tần số của các sóng vô tuyến và các dòng điện xoaychiéu mang tín

hiệu v6 tuyến RF thường được xem là dao động điện chứ không phải là dao động

cơ khí, dù các hệ thong RF cơ khí vẫn tổn tại

2.4.3 Công nghệ ZigbeeCông nghệ ZigBee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chứcIEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Tiêu chuẩn 802.15.4 nàysử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngan, và cau trúc của 802.15.4 có 2 tang là tangvật lý và tang MAC (medicum Access Control) Công nghệ ZigBee vì thế cũngdùng sóng radio và có 2 tầng [34] Hơn thế nữa ZigBee còn thiết lập các tầng khácnhờ thế mà các thiết bị của các nhà sản xuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu chuẩn cóthê kêt nôi với nhau và vận hành trong vung bao mật của hệ thông.

Nhờ chức năng điều khiến từ xa không dây, truyền dữ liệu 6n định, tiêu thunăng lượng cực thấp, công nghệ mở đã giúp công nghệ ZigBee trở nên hấp dẫn sửdụng cho các ứng dụng, đặc biệt là ứng dụng trong nhà thông minh công nghệzIgbee hiện nay.

ZigBee có kiến trúc nhiều tầng như chuẩn 802.15.4, là có tầng vật lý và tangMAC [34], hoạt động ở 1 trong 3 dai tầng sóng:

e Dai 915MHz cho khu vực Bac Mỹ.e Dai 868 MHzcho Châu Âu, Nhậte Va dải 2.4GHz cho các nước khác.Ở dai 2.4GHz, có đến 16 kênh tín hiệu khác nhau và tốc độ đường truyền dữliệu có thé đạt tới 250kbps.Trong khi đó dai 868 MHz chỉ có 1 kênh tín hiệu và tốc

Application Support Layer (APS)

sub-MAC Layer

Hình 2-18: Các tang vật ly của công nghệ Zigbee [35]Ngoài 2 tầng vật lý và tầng MAC xác định bởi tiêu chuẩn 802.15.4 ở, tiêuchuẩn ZigBee còn có thêm các tầng trên của hệ thống bao gồm: tầng mạng, tầng hỗtrợ ứng dụng, tang đối tượng thiết bị và các đối tượng ứng dụng (hình 2-18)

e Tang vật lý: có trách nhiệm điều biến, hoàn điều biết và gói tín hiệu vàokhông gian đồng thời giữ cho việc truyền tín hiệu được mạnh trong môitrường nhiều.

e Tang MAC: sử dụng như công nghệ đa truy cập nhận biết song mangCSMA để xác định hình dạng đường truyền để tránh va chạm xác định vàxác định hình dang mang, giúp hệ thống mạnh và vững chắc.

e Tầng mạng — NWK là | tang phức tạp của ZigBee, giúp tìm, kết nỗi mạng vàmở rộng hình dạng từ chuẩn 802.15.4 lên dạng lưới Tầng này xác địnhđường truyền lên ZigBee, xác định dia chỉ ZigBee thay vì địa chỉ tang MACbên dưới.

e Tầng hỗ trợ ứng dụng — APS là tầng kết nối với tang mang và là nơi cài đặtnhững ứng dụng cần cho ZigBee, giúp lọc bớt các gói dữ liệu trùng lắp từtầng mạng

e Tang đối tượng thiết bị - ZDO có trách nhiệm quản lý các thiết bị, định hìnhtang hỗ trợ ứng dụng va tầng mạng, cho phép thiết bị tìm kiếm, quản lý cácyêu cầu và xác định trạng thái của thiết bị

e Tầng các đối tượng ứng dụng người dùng — APO: là tầng mà ở đây ngườidùng tiếp xúc với thiết bị, tầng này cho phép người dùng có thể tuỳ biếnthêm ứng dụng vao hệ thống

244 Công Nghệ Wi-FiWi-Fi viết tat từ Wireless Fidelity hay mang 802.11 là hệ thống mạng khôngdây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio.Truyền thông qua mạng không dây là truyền thông vô tuyến hai chiều.Cụ thé: Thiếtbị adapter không dây (hay bộ chuyến tín hiệu khôngdây) của máy tính chuyểnđổi dữ liệu sang tín hiệu vô tuyến và phát những tín hiệu này di bằng một ăng-ten.Thiết bị router không dây nhận những tín hiệu này và giải mã chúng Nó gởithông tin tới Internet thông qua kết nỗi hữu tuyến Ethernet.Quy trình này vẫn hoạtđộng với chiều ngược lại, router nhận thông tin từ Internet, chuyên chúng thành tínhiệu vô tuyến và gởi đến adapter không dây của máy tính.Các sóng vô tuyến sửdụng cho WiFi gan giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điệnthoại di động và các thiết bị khác Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyểnđổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại [36]

Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics

nó sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng; 6 chuẩn thông dụng của WiFihiện nay là 802.1 Ia/b/g/n/ac/ad.

Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt với sóng vô tuyến khác ở chỗ [37]:Chúng truyền va phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz Tan số nàycao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bịcầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theonhiều đữ liệu hơn

Các chuẩn 802.11:Chuẩn 802.1 1b là phiên bản dau tiên trên thị trường Đây là chuân chậmnhất và rẻ tiên nhất, và nó trở nên ít phd biến hơn so với các chuẩn khác.802.11b phát tín hiệu ở tần số 2.4GHz, nó có thé xử lý đến 11megabit/giay, và nó sử dụng mã CCK (complimentary code keying).Chuan 802.11g cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so vớichuẩn 802.11b, tốc độ xử ly đạt 54 megabit/gidy Chuan 802.11g nhanhhơn vi nó sử dụng mã OFDM (orthogonal frequency-divisionmultiplexing), một công nghệ mã hóa hiệu quả hơn.

Chuẩn 802.11a phát ở tần số 5 GHz và có thé đạt đến 54 megabit/ giây.Nó cũng sử dụng mã OFDM Những chuẩn mới hơn sau này như802.11n còn nhanh hơn chuẩn 802.11a, nhưng 802.11n vẫn chưa phải làchuẩn cuối cùng

Chuan 802.11n cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so vớichuẩn 802.1 1a, tốc độ xử ly đạt 300 megabit/giây

Chuẩn 802.1 lac phát ở tần số 5 GHzChuẩn 802.1 lad phát ở tần số 60 GHz.WiFi có thể hoạt động trên cả ba tần số và có thé nhảy qua lại giữa cáctần số khác nhau một cách nhanh chóng Việc nhảy qua lại giữa các tầnsố giúp giảm thiểu sự nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nốikhông dây cùng một lúc.

24.5 Công nghệ IoTHệ thông IoT cho phép người dùng tiến sâu vào việc tự độnghóa,phântích tíchhợp.Giúpchoviệc cải thiện tầm nhìn, tính chính xác, nâng tầmcáccôngnghệ về cảm biến, kết nối, robot để đạthiệu quả cao nhất [22], {[23|.Các hệthống loT phát triển, khai thác các tiến bộ của phần mềm, giảm giá thành khi xâydụng phẳncứng và tận dụng các công nghệ hiện đại Những cải tiễn này làm thayđổi cách vận hành của quátrình sản xuất sản phẩm, dịch vu, xã hội, kinh tế và ảnhhưởng đền cả chính trị.

+ Những điểm mau chốt của loTNhững van dé quan trọng nhất của hệ thong IoT bao gồm trí thông minh nhântạo, kết nỗi, cảm biến và các thiết bị nhỏ nhưng mang tính cơ động cao, chúng đượcmồ tả sơ lược như bên dưới [16]:

Af (Artifical Intelligence) - Hệ thong loT về cơ ban được hiểu là làm cho mọithiết bị trở nênthông minh, nghĩa là nó giúp nâng cao mọi khía cạnh của cuộc sôngbăn ø những đỡ liệu thuthập được, thông qua các thuật toán tính toán nhân tạo và kếtnối mạng Một ví dụ đơn giản nhưhộp đựng gạo của bạn, khi biết rằng gạo sắp hết,hệ thống tự động đặt một đơn hàng mới chonhà cung cấp

Connectivity - Là một đặc trưng cơ bản của IoT, hiện nay các mang thiết bịđang trở nên phố Internet Of Things (loT) cho người mới bat đầu 7/155bién, nhiềumạng thiết bị ngày càng nhỏ hơn, rẻ hơn và được phát triển phù hợp với thực tếcũngnhư nhu câu của người dùng

Sensors - loT sẽ mat đi sự quan trọng của mình nếu không có sensors Cáccảm biến hoạtđộng giống như một công cụ giúp loT chuyển từ mạng lưới các thiếtbị thụ động sang mạng lướicác thiết bị tích cực, đông thời có thể tương tác VỚI thégiới thực.

Active Engagement Ngày nay, phân lớn các tương tác của những công nghệkết nối xảy ra lcách thụ động loT được cho là sẽ dem đến những hệ thông mangtích tích cực về nội dung, sanpham cũng như các dịch vụ gan két

Small Devices - Nhu đã được dự đoán từ trước, các thiết bị ngày càng đượctối ưu với mục đíchnâng cao độ chính xác, khả năng mở rộng cũng như tính linh

% JoT - Những lợi ích mang lạiNhững lợi ich ma loT' đem lại được dan trải hau hết đến các tất cả các lĩnh vực

trong đời sống, kinhdoanh Dưới đây hệt kê ngăn gọn một số tính năng hữu ích

của loT [21]:Cai thiện việc gắn kết khách hàng - Hệ thông IoT giúp phân tích các điểmmù hiện tại, tìm ranhững sai sót về độ chính xác loT thay đối điều này démang lainhiều sự gắn kết hon và hiệuquả hon với người dùng Một ứng dụng tại các cửahàng, dich vụ iBeacon giúp tăng số lượngsản phẩm tới người tiêu dùng bang cáchchi dẫn người dùng tới khu vực cụ thé trong cửa hàngvà đưa ra các gợi ý về sanphẩm Chúng cung cap các thông tin chỉ tiết, các đánh giá về sảnphâm Bên cạnh đóchúng cũng có khả năng cho phép người dùng chia sẻ các sản phẩm quamạng xã hội

Tối wu hóa công nghệ - giúp nâng cao trải nghiệm của khách hàng cũng nhưcải thiện việc sửdụng thiết bị và hỗ trợ cải tiến công nghệ

Giảm sự hao phí - [oT giúp việc quản lí tài nguyên ở các lĩnh vực được cải

thiện 1 cách rõ ràng.Các phân tích hiện tại thường cung cấp cho chúng ta cái nhìn ởkhía cạnh bên ngoài, trong khiloT cung cấp các dữ liêu, thông tin thực tế dé quản lítài nguyên một cách hiệu quả hơn.

Tăng cường việc thu thập dir liệu - Thông thường, việc thu thập dir liệu bịhạn chế do thiétké hệ thông mang tính thụ động loT phá vỡ sự ràng buộc, giới hancủa thiết kế và tạo ra | hìnhảnh chính xác của tất cả mọi thứ

Những ứng dung của IoT- vào các lĩnh vực trong đời sống là vô cùng phongphú va đa dạng Chúng tasẽ cùng điểm qua một số ứng dụng điển hình đã mang lại"tiếng tăm" cho IoT:

Smart Home - Theo thống kê, smart home là ứng dụng liên quan đến IoTđược tìm kiếm nhiềunhất trên Google Smart Home là 1 ngôi nhà với rất nhiễu tínhnăng tự động như bật máy điềukhông khí khi bạn sắp về tới nhà, tắt đèn ngay khibạn rời khỏi nhà, mở khóa khi người than tronggia đình dang ở cửa nha, mở garagekhi bạn lái xe đi làm về còn rất nhiều những tính nănggiúp nâng cao chất lượngcuộc song khi sử dung smart home

Vat dụng mang theo trên người - Có thé kế đến một số thiết bi như DashbonMask, đây là Ichiéc smart headphone giúp ban vừa có thể nghe nhạc với âm thanhcó độ trung thực cao vừacó thể xem phim HD với máy chiếu ảo, hoặc AMPLSmartBag ba lô có pin dự phòng có thé sạcđiện cho các thiết bi di động, kế cả máytính.

Connected cars - Giúp nâng cao những trải nghiệm cho người dùng xe ôfô, |chiếc Connectedcar có thé tối ưu các hoạt động của nó như thông báo khi hết nhiênliệu, đưa ra các cảnh báokhi có vật tới gần hoặc mới đây nhất là xe điện tự lái củahang Tesla

2.5 HTTP Request với AJAX

2.5.1 JavaScriptLa chuong trinh chay voi chế độ thông dịch ở cả client và server Ở client, cácscript bố sung vào trang web cho phép tạo ra các trang web tương tác, có nhữnghiệu ứng động dựa vào mô hình đối tượng trình duyệt (BOM: browser objectmodel) [48] Còn ở server, cho phép phát triển nhanh và dễ dàng các chương trìnhđơn giản hon là các ngôn ngữ lập trình dạng biên dịch như C, C++,Java,C#, v.v Tuy nhiên hiện nay hầu hết các ứng dụng thường gặp thì Javascript được chạy ởphía client.

e JavaScript có thé làm được gì ?Tập hợp các công cụ cho phép tạo ra các trang web tương tác, có thểthay đổi nội dung và thé hiện

Điều khiến trình duyệt.Xử lý dữ liệu trong các ứng dụng cilent-side, kiểm tra tính hợp lệ dữ liệutrong các form.

Lưu các trạng thái trong cookies.e JavaScript không thé làm được gì ?

Không đọc / ghi fileKhông hé trợ mạng.Không tạo ra các đối tượng đồ họa.2.5.2 Viết chương trình web dùng JavaScriptToàn bộ mã JavaScript được đặt bên trong cặp thẻ <SCRIPT> va </SCRIPT>.Khi trình duyệt xu | tệp tin HTML, gặp thẻ <SCRIPT> nó sẽ đọc toàn bộ các dònglệnh cho đến khi gặp thẻ </SCRIPT>, thông dịch và thực hiện lệnh, nếu có lỗi sẽthông báo trên cửa sô alert.

Ví dụ : Một trang web được viết có chương trình JavaScript<HTML>

<HEAD><SCRIPT language="JavaScript"><!- dau mã JavaScript đôi với những trình duyệt cũ ->