Khi bệnh nhân sử dụng mô hình giường bệnh thông minh, các thông số sức khỏe sẽ được tự động thu thập và cập nhật lên cơ sở dữ liệu.. Từ những đề tài trên nhóm quyết định thiết kế ra một
TỔNG QUAN
GIỚI THIỆU
Công nghệ thời điểm hiện tại đạt được sự phát triển đa chiều và đột phá liên tục Trong lĩnh AI, đã đạt được những tiến bộ đáng kinh ngạc, mở ra cánh cửa cho ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ tự động hóa sản xuất đến y tế và tài chính IoT đang kết nối mọi thứ từ thiết bị gia đình đến các thiết bị công nghiệp, tạo ra một mạng lưới thông tin toàn cầu Blockchain, với khả năng tạo ra các hệ thống phi tập trung và an toàn, đang được sử dụng trong lĩnh vực tài chính, chuỗi cung ứng và nhiều ứng dụng khác
Công nghệ 5G đang mở ra cơ hội mới cho việc truy cập internet nhanh hơn và kết nối mạng không dây ở mức độ chưa từng có Trong lĩnh vực của truyền thông và giải trí, VR và AR đang mang lại trải nghiệm mới cho người dùng
Với sự phát triển của công nghệ hiện đại, IoT đã giúp tích hợp công nghệ vào chăm sóc sức khỏe trở nên dễ dàng Các thiết bị y tế kết nối như đồng hồ thông minh, cảm biến y tế và thiết bị đo sức khỏe tự động và liên tục theo dõi sức khỏe của người dùng Nhân viên y tế thu thập dữ liệu nhịp tim, huyết áp, hoạt động vận động và các chỉ số khác để theo dõi sức khỏe bệnh nhân từ xa, qua đó cá nhân hóa chăm sóc Việc này không chỉ cải thiện quản lý bệnh mà còn giảm tải cho hệ thống y tế và ngăn ngừa nhập viện không cần thiết.
Trong bối cảnh học tập và nghiên cứu, đã xuất hiện nhiều sáng kiến và thiết bị được sinh viên và nhà nghiên cứu phát triển Ví dụ tiêu biểu là đề tài "Development of a Smart Hospital Bed Based on, Deep Learning to Monitor Patient Conditions" [1] tích hợp chức năng đo thân nhiệt, nhịp tim, SpO2 trên giường bệnh Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho nhân viên y tế theo dõi các thông số của bệnh nhân Tuy nhiên, nhược điểm của sáng kiến này là giường bệnh không thể tự di chuyển mà phải đẩy bằng người.
Autonomous Remote Controlled Smart Bed For Hospitals” [2] ở đề tài này giường bệnh ngoài việc được tích hợp các cảm biến để theo dõi sức khỏe bệnh nhân còn được trang bị thêm động cơ để di chuyển để để có thể tự di chuyển mà không cần đến người đẩy
Từ những đề tài trên nhóm quyết định thiết kế ra một mô hình giường bệnh thông minh có chức năng đo được thân nhiệt, nhịp tim và nồng độ oxi trong máu của bệnh nhân, ngoài ra có thêm động cơ nâng bằng nút nhấn để bệnh nhân có thể nâng cao đầu nằm cho thoải mái nhất Phần đầu giường sẽ được trang bị một màn hình Oled hiển thị các thông số sức khỏe để bệnh nhân có thể thuận tiện quan sát Các dữ liệu đo được từ bệnh nhân sẽ được gửi lên Web giúp nhân viên y tế quan sát từ xa.
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài “Thiết kế và thi công mô hình giường bệnh thông minh” sau khi hoàn thành mô hình sẽ có chức năng:
- Đo các thông số nhịp tim, SpO2 của bệnh nhân
- Đo được giá trị thân nhiệt của bệnh nhân
- Hiển thị được các thông số sức khỏe trên màn hình led
- Bệnh nhân có thể điều chỉnh được độ nâng của giường theo ý muốn
- Cập nhật thông số sức khỏe của bệnh nhân lên Web.
GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài được giới hạn với những nội dung sau đây:
- Giới hạn nghiên cứu của đề tài ở mức độ thiết kế mô hình, có kích thước khoảng 1/10 so với giường bệnh thực tế
- Về phần cứng của mô hình, nhóm tập trung về Arduino Uno, ESP32-CAM, các cảm biến thu thập dữ liệu từ người bệnh và các chuẩn giao tiếp
- Mô hình chưa có tính năng bảo mật.
BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Đề tài có các nội dung như sau
- Chương 1 Tổng quan: Giới thiệu về mục tiêu, giới hạn của đề tài
- Chương 2 Cơ sở lý thuyết: Nghiên cứu về phần cứng hệ thống mô hình giải pháp kỹ thuật, các giao thức
- Chương 3 Thiết kế và xây dựng hệ thống: Sơ đồ khối, thiết kế phần cứng, sơ đồ nguyên lý
- Chương 4.Thi công hệ thống: Thi công mô hình, lưu đồ hoạt động
- Chương 5 Kết quả - kết luận và hướng phát triển: Kết quả lý thuyết, kết quả thực tế, nhận xét và đánh giá hệ thống Kết luận và hướng phát triển.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GIỚI THIỆU VỀ NHỮNG CHỈ SỐ PHẢN ÁNH SỨC KHỎE CON NGƯỜI
Sức khỏe con người là một trong những yếu tố quan trọng nhất đối với cuộc sống hằng ngày và chất lượng cuộc sống Sức khỏe không chỉ bao gồm sự vắng mặt của bệnh tật, mà còn liên quan đến tình trạng thể chất, tinh thần và xã hội tổng thể của một cá nhân Trong thế giới hiện đại ngày nay, nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sức khỏe con người, bao gồm chế độ ăn uống, môi trường sống, tình trạng tâm lý, và việc luyện tập thể dục Ngoài ra việc theo dõi các chỉ số như là thân nhiệt, nhịp tim, nồng độ O2 trong máu hằng ngày cũng rất quan trọng Để duy trì sức khỏe tốt, chúng ta cần phải chú trọng đến việc cân đối giữa các yếu tố này.
Thân nhiệt
Thân nhiệt, một chỉ số quen thuộc nhưng lại ẩn chứa nhiều ý nghĩa Đó là sự cân bằng giữa sinh nhiệt và thải nhiệt, là dấu hiệu của sự hoạt động ổn định của cơ thể Nhiệt độ của người trưởng thành trung bình là 37°C Da, bộ phận có vai trò quan trọng trong việc điều hòa thân nhiệt, không chỉ giúp cơ thể chúng ta thích nghi với môi trường mà còn bảo vệ cơ thể khỏi các yếu tố gây hại từ bên ngoài Da cũng giúp cơ thể nhận biết được các kích thích từ môi trường, từ đó có những phản ứng phù hợp Khi thân nhiệt tăng lên,cần được chú ý và xử lý kịp thời
Thân nhiệt cao có thể gây ra một số vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như:
• Chuột rút nhiệt: Khi thân nhiệt tăng, cơ thể có thể mất nước và muối, dẫn đến chuột rút Triệu chứng bao gồm mồ hôi, mệt mỏi, đau cơ, và khát nước
• Kiệt sức do nhiệt: Đây là tình trạng nghiêm trọng hơn, khi cơ thể không thể làm mát bản thân Triệu chứng bao gồm đau đầu, nôn mửa, chóng mặt, yếu, da lạnh, và nước tiểu sẫm màu
• Sốt: Hiện tượng cơ thể bị nhiễm các loại virus, vi khuẩn nên cơ thể có xu hướng chống lại các loại virus, vi khuẩn đó bằng cách tăng nhiệt độ cơ thể Nếu thân nhiệt đo được trên 38℃ là biểu hiện của sốt (kể cả do Covid-19).
Nhịp tim [17]
Nhịp tim là chỉ số thể hiện sự hoạt động của trái tim, có ảnh hưởng trưc tiếp đến sức khỏe con người Một nhịp tim bình thường và ổn định không chỉ cho thấy trái tim đang hoạt động tốt, mà còn là dấu hiệu của một cơ thể bình thường
Khi nhịp tim quá cao, gọi là tachycardia, trái tim phải làm việc nhiều hơn để bơm máu, có thể dẫn đến mệt mỏi, khó thở và đau ngực Trong một số trường hợp nghiêm trọng, tachycardia có thể gây ra đột quỵ hoặc đau tim
Ngược lại, khi nhịp tim chậm quá mức, gọi là nhịp tim chậm, tim không thể cung cấp đủ lượng máu cần thiết cho cơ thể Tình trạng này có thể gây chóng mặt, mệt mỏi và hôn mê.
Nhịp tim không đều, hay còn gọi là loạn nhịp tim, xảy ra khi nhịp tim không đều đặn Tình trạng này có thể làm giảm hiệu suất hoạt động của tim, dẫn đến các triệu chứng như mệt mỏi, khó thở và đau ngực.
Nồng độ O2 trong máu [18]
Nồng độ O2 trong máu, hay độ bão hòa oxy trong máu, là một chỉ số quan trọng cho thấy sức khỏe của hệ thống hô hấp và tuần hoàn của con người Dưới đây là một số thông tin chi tiết:
Oxy cần thiết cho sự sống, và cơ thể chúng ta cần một lượng nhất định oxy để hoạt động đúng cách Tất cả các tế bào trong cơ thể đều cần oxy để tạo ra năng lượng một cách hiệu quả, và cơ thể cần năng lượng để thực hiện tất cả các quá trình của nó, chẳng hạn như tiêu hóa và thậm chí cả suy nghĩ Ảnh hưởng của nồng độ O2 thấp đến sức khỏe: Mức độ oxy thấp trong máu (hypoxemia) có thể dẫn đến nhiều tình trạng nghiêm trọng và gây tổn thương cho các hệ thống cơ quan riêng biệt, đặc biệt là não và tim Khi khả năng của phổi vận chuyển oxy vào máu bị suy giảm, nồng độ oxy trong máu giảm, có thể đặt các cơ quan trong cơ thể vào tình trạng nguy hiểm
Mức nồng độ O2 bình thường: Đối với hầu hết người trưởng thành khỏe mạnh, mức độ bão hòa oxy bình thường nằm trong khoảng từ 95% đến 100% Duy trì một mức độ oxy trong máu từ 75–100 mm Hg hoặc 95–100% là cần thiết cho một trái tim, não, và thận khỏe mạnh.
MỘT SỐ LINH KIỆN VÀ MODULE SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG
Buzzer là một thành phần dùng để tạo ra âm thanh Nó được thiết kế để phát ra các âm thanh đơn giản hoặc chuỗi âm thanh ngắn
Buzzer thường có kích thước nhỏ, dễ sử dụng và có giá thành thấp, làm cho chúng trở thành một thành phần phổ biến trong các ứng dụng điện tử Ứng dụng phổ biến của buzzer: cảnh báo và báo động, đồ chơi và sản phẩm điện tử, hệ thống nhúng, xe hơi, xe máy,…
Hình 2.1: Hình ảnh Buzzer Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của Buzzer:
Module MAX30100 là cảm biến đo nhịp tim và SpO2 Được sản xuất bởi công ty Maxim Integrated và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế
Module này có thể đo nhịp tim từ 0 đến 250 nhịp/phút và đo SpO2 từ 0% đến 100% Với bộ dò và mạch xử lý tích hợp, nó giao tiếp qua I2C, hỗ trợ ngắt tín hiệu, đèn LED điều chỉnh và chế độ tiết kiệm năng lượng MAX30100 chủ yếu được dùng trong thiết bị y tế di động để đo nhịp tim và SpO2
MAX30100 không có bộ nhớ lưu trữ lớn như RAM hay Flash như một vi điều khiển, nhưng nó có các thanh ghi nội bộ và bộ nhớ đệm để lưu trữ tạm thời dữ liệu đo lường trước khi truyền đi
• Bộ Nhớ FIFO Buffer: có kích thước 16x16-bit (32 byte)
Kích thước: 16 x 16-bit (32 byte) FIFO lưu trữ tạm thời các mẫu dữ liệu đo lường (nhịp tim và nồng độ oxy) trước khi chúng được đọc qua giao tiếp I2C Dữ liệu trong FIFO có thể bao gồm các mẫu đo từ cả LED đỏ và LED hồng ngoại
MAX30100 có nhiều thanh ghi nội bộ để cấu hình và đọc dữ liệu Các thanh ghi này lưu trữ các thông tin về trạng thái, cấu hình, và kết quả đo lường Địa chỉ I2C: MAX30100 sử dụng địa chỉ I2C cố định là 0x57 để giao tiếp
Hình 2 2: Hình ảnh module MAX30100 Bảng 2.3: Thông số module MAX30100
Bảng 2.4: Chức năng các chân cảm biến MAX30100
Người dùng có thể sử dụng datasheet của cảm biến MAX30100 trong việc lập trình điều khiển, tuy nhiên có thể sử dụng thư viện để hỗ trợ việc lập trình giao tiếp giữa cảm biến nhịp tim – nồng độ SpO2 với
Arduino được dễ dàng hơn
2.2.3 Module cảm biến thân nhiệt MLX90614 [16]
Cảm biến nhiệt hồng ngoại MLX90614 của Melexis đo nhiệt độ không tiếp xúc ở khu vực rộng, với nhiệt độ từ -70 đến 380 độ C, độ chính xác cao và độ phân giải tốt Thiết bị có thể đo nhiều điểm nhiệt độ cùng lúc, giúp xác định đặc điểm nhiệt của các vùng khác nhau trên đối tượng Ứng dụng của MLX90614 rất đa dạng, bao gồm y tế (đo nhiệt độ cơ thể), công nghiệp (kiểm soát nhiệt độ sản xuất), ô tô (giám sát nhiệt độ động cơ) và nhiều lĩnh vực khác.
giúp hỗ trợ việc lập trình điều khiển với khối xử lý trung tâm trở nên đơn giản hơn
Cảm biến MLX90614 có một số bộ nhớ EEPROM và RAM tích hợp để lưu trữ các tham số hiệu chuẩn và cấu hình
• EEPROM: Dung lượng 17 x 16-bit (words) EEPROM được sử dụng để lưu trữ các tham số hiệu chuẩn, cấu hình thiết bị, và các hệ số bù trừ Các tham số hiệu chuẩn bao gồm các hằng số để tính toán nhiệt độ từ tín hiệu hồng ngoại, được nhà sản xuất nạp sẵn vào EEPROM
• RAM: Dung lượng 3 x 16-bit (words) RAM được sử dụng để lưu trữ các giá trị nhiệt độ tức thời và dữ liệu đo lường trước khi truyền qua giao tiếp I2C hoặc PWM
Hình 2 3: Hình ảnh module cảm biến MLX90614 Bảng 2.5: Bảng thông số cảm biến MLX90614
Bảng 2.6: Chức năng các chân của cảm biến MLX90614
Người dùng có thể dùng datasheet của cảm biến MLX90614 trong việc lập trình điều khiển, tuy nhiên có thể sử dụng thư viện giúp hỗ trợ việc lập trình giao tiếp giữa cảm biến nhiệt hồng ngoại với Arduino dễ dàng hơn
2.2.4 Module cảm biến rung SW1801P [13]
Module cảm biến SW1801P là một loại cảm biến tiếp xúc, thường được sử dụng để phát hiện sự mở hoặc đóng của các cổng, nắp, hay vật liệu khác Đây là một module dựa trên nguyên lý công tắc (switch) và được thiết kế để dễ dàng tích hợp vào các ứng dụng điện tử
Module có độ nhạy cao, cho phép phát hiện các sự tiếp xúc nhỏ hoặc từ xa Module cảm biến SW1801P được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và ứng dụng khác nhau, bao gồm thiết bị điện tử gia dụng, thiết bị y tế, ô tô, máy tính và các ứng dụng công nghiệp khác
Module cảm biến SW1801P có thông số áp hoạt động từ 3.3V – 5V DC, dòng hoạt động là 15mA, có ngõ ra là tín hiệu số
Hình 2 4: Hình ảnh module cảm biến SW1801P
Bảng 2.7: Chức năng từng chân của cảm biến SW1801P
Bảng 2.8: Thông số kỹ thuật cảm biến rung SW1801P
Màn hình OLED là một loại công nghệ sử dụng các phân tử hữu cơ phát sáng để tạo ra hình ảnh Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động, đồ điện tử cá nhân và các ứng dụng khác
OLED với kích thước 0.96 inch cung cấp chất lượng hình ảnh tốt với độ tương phản cao, màu sắc trung thực và góc nhìn rộng.Năng lượng tiêu thụ của màn hình OLED là rất thấp, đặc biệt khi hiển thị hình ảnh đen
Giao Thức Giao Tiếp: SSD1306 hỗ trợ giao tiếp qua giao thức I2C và SPI Tùy thuộc vào giao thức lựa chọn, cách gửi khung dữ liệu sẽ khác nhau Để lập trình cho OLED, người dùng có thể dựa vào datasheet hoặc sử dụng thư viện và để việc lập trình giao tiếp phần cứng dễ dàng hơn Định dạng Dữ liệu: Mỗi byte dữ liệu tương ứng với một pixel trên màn hình OLED Bit 7 của byte đầu tiên chỉ định việc ghi dữ liệu vào RAM hoặc hiển thị trực tiếp lên màn hình Độ Phân Giải: Màn hình OLED SSD1306 có độ phân giải thường là 128x64 pixels, hoặc 128x32 pixels, tương ứng với số byte dữ liệu cần gửi
Hình 2 5: Hình ảnh OLED 128x64 Bảng 2.9: Thông số kỹ thuật OLED 128x64
Bảng 2.10: Chức năng từng chân của OLED
CÁC CHUẨN GIAO TIẾP
UART là giao thức truyền thông không đồng bộ, cho phép dữ liệu được truyền giữa các thiết bị theo dạng nối tiếp Giao thức này được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Trong giao tiếp UART, hai thiết bị được kết nối trực tiếp với nhau Thiết bị truyền UART sẽ chuyển đổi dữ liệu từ định dạng song song sang định dạng nối tiếp và gửi liên tục đến thiết bị nhận UART Thiết bị nhận UART sau đó sẽ chuyển đổi dữ liệu từ định dạng nối tiếp trở lại định dạng song song để sử dụng Giao thức UART sử dụng hai đường truyền để trao đổi dữ liệu:
Transmitter (Tx): Truyền dữ liệu từ thiết bị UART gửi
Receiver (Rx): Nhận dữ liệu từ thiết bị UART nhận
Hình 2 13: Hình ảnh chuẩn giao tiếp UART
UART hỗ trợ ba chế độ:
Full duplex: Cho phép truyền và nhận dữ liệu đồng thời giữa master và slave
Half duplex: Cho phép truyền hoặc nhận dữ liệu tại cùng một thời điểm
Simplex: Chỉ cho phép giao tiếp một chiều Ưu điểm:
• Đơn giản trong triển khai và sử dụng
• Phổ biến và tương thích với nhiều loại vi điều khiển, vi xử lý và module điện tử khác nhau
• Yêu cầu ít tài nguyên hơn so với một số giao thức truyền thông khác
• Tốc độ truyền thông của UART có thể bị hạn chế
• Chỉ hỗ trợ truyền dữ liệu không đồng bộ
• UART cần sử dụng nhiều dây dẫn hơn để truyền cùng một lượng dữ liệu do tính chất nối tiếp
Giao thức I2C, do Philips Semiconductors phát triển, là một giao thức truyền thông hai dây giữa các thiết bị điện tử Bus I2C sử dụng hai dây: dây SDA để truyền dữ liệu và dây SCL để đồng bộ hóa dữ liệu
I2C hoạt động theo mô hình master/slave, với master kiểm soát truyền dữ liệu và kết nối nhiều slave Mỗi thiết bị trên bus I2C có một địa chỉ duy nhất Giao thức này hỗ trợ nhiều tốc độ truyền thông và kết nối đồng thời nhiều thiết bị trên cùng một bus Tuy nhiên, tốc độ truyền của I2C thường chậm hơn so với SPI và có thể gặp khó khăn với dây dẫn dài
Các chế độ hoạt động của I2C:
Hình 2 14: Chế độ hoạt động I2C một Master một Slave
• Một Master nhiều Slave: Nhờ vào việc sử dụng địa chỉ, giao thức I2C cho phép một thiết bị Master có thể điều khiển nhiều thiết bị Slave Với 7 bit địa chỉ, có thể có tới 128 địa chỉ khác nhau Để kết nối nhiều Slave với một Master, chúng ta có thể nối dây theo sơ đồ như trong hình 2.15:
Hình 2 15: Chế độ hoạt động I2C một Master nhiều Slave
• Nhiều Master nhiều Slave: Trong hệ thống I2C, nhiều thiết bị Master có thể kết nối với một hoặc nhiều thiết bị Slave Khi có nhiều thiết bị Master muốn truyền hoặc nhận dữ liệu trên đường SDA cùng lúc, cần kiểm tra trạng thái của đường SDA Nếu SDA ở mức thấp, điều đó có nghĩa là một Master khác đang điều khiển bus và thiết bị phải chờ Nếu SDA ở mức cao, thì việc truyền thông điệp có thể tiến hành Để kết nối nhiều thiết bị Master với nhiều thiết bị Slave, ta sử dụng sơ đồ kết nối như trong hình 2.16:
Hình 2 16: Chế độ hoạt động I2C nhiều Master nhiều Slave Ưu điểm của giao thức I2C bao gồm việc sử dụng ít dây hơn so với các giao thức truyền thông song song và cho phép kết nối đồng thời nhiều thiết bị với cùng một bus truyền thông
Tuy nhiên, giao thức I2C cũng có nhược điểm, bao gồm tốc độ truyền thông thấp và khả năng bị nhiễu và ảnh hưởng sự ổn định của truyền thông khi sử dụng dây dẫn dài
2.3.3 Chuẩn giao tiếp không dây Wifi [21]
Wi-Fi là một giao thức kết nối không dây phổ biến, được sử dụng để liên kết các thiết bị và mạng không dây Nó hoạt động ở tần số 2.4GHz và/hoặc 5GHz, giúp truyền tải dữ liệu một cách linh hoạt và hiệu quả mà không cần dây dẫn trực tiếp
Giao thức Wi-Fi hỗ trợ nhiều tiêu chuẩn và tốc độ truyền dữ liệu khác nhau, giúp người dùng có thể lựa chọn tốc độ truyền thông phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng Điều này tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu và phạm vi hoạt động, từ khoảng cách ngắn đến khoảng cách xa, phù hợp với môi trường sử dụng
Các chuẩn Wifi hiện nay:
• Wi-Fi 4 (802.11n): Được phát hành năm 2009, Wi-Fi 4 hỗ trợ băng tần 2.4 GHz và 5 GHz Công nghệ áp dụng: MIMO: Sử dụng nhiều ăng-ten để tăng tốc độ và độ tin cậy
• Wi-Fi 5 (802.11ac): Ra mắt năm 2013, chỉ hỗ trợ băng tần 5 GHz, mang lại tốc độ cao hơn và hiệu suất tốt hơn trong môi trường đông đúc Beamforming: Tập trung tín hiệu không dây vào các thiết bị cụ thể, tăng cường kết nối và tốc độ
• Wi-Fi 6 (802.11ax): Ra mắt năm 2019, hỗ trợ cả băng tần 2.4 GHz và 5 GHz, cải thiện hiệu suất và khả năng quản lý nhiều thiết bị cùng lúc Công nghệ áp dụng: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access): Chia kênh thành các phân đoạn nhỏ để phục vụ nhiều thiết bị đồng thời, giảm độ trễ
• Wi-Fi 6E: Mở rộng Wi-Fi 6 lên băng tần 6 GHz, được giới thiệu năm 2020, cung cấp thêm băng thông và giảm nhiễu
Hình 2 17: Hình ảnh chuẩn giao tiếp Wifi Ưu điểm:
• Kết nối không dây giữa các thiết bị dễ dàng và linh hoạt
• Hỗ trợ nhiều tiêu chuẩn với tốc độ truyền dữ liệu đa dạng
• Được tích hợp rộng rãi trong nhiều thiết bị và dễ sử dụng
• Khoảng cách và vật cản có thể ảnh hưởng đến phạm vi và hiệu suất kết nối
• Khi nhiều thiết bị cùng kết nối, tốc độ và năng suất có thể giảm
• Có thể gặp vấn đề về ổn định kết nối trong môi trường có nhiều tần số và thiết bị kết nối.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IOT
Công nghệ IoT đang dẫn đầu cuộc cách mạng kỹ thuật số, tạo ra một thế giới nơi thiết bị kết nối Internet và giao tiếp với nhau tự động Sử dụng các giao thức như Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee và các công nghệ mạng, IoT cho phép trao đổi dữ liệu linh hoạt và hiệu quả giữa nhiều thiết bị, từ cảm biến đến máy móc, từ thiết bị gia đình đến công nghiệp.
Các thiết bị IoT tích hợp cảm biến để thu thập dữ liệu, truyền đến máy chủ đám mây để lưu trữ và xử lý thông qua dịch vụ điện toán đám mây Trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy được sử dụng để phân tích và trích xuất thông tin có giá trị từ dữ liệu này IoT được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nhà thông minh, y tế, công nghiệp, giao thông vận tải, giúp cải thiện hiệu quả hoạt động và chất lượng cuộc sống.
AI và dữ liệu IoT sẽ cho ra được những ứng dụng thông minh, cải thiện việc quản lý và tối ưu hóa hoạt động trong nhiều lĩnh vực khác nhau
Bên cạnh đó, IoT còn có nhiều những mặt cần cải thiện như bảo mật thông tin, quản lý dữ liệu và tính tương thích giữa các thiết bị và giao thức kết nối khác nhau Mặc dù vậy nhưng khả năng mà IoT mang lại đối với cuộc sống và nền công nghiệp là rất lớn và đang tiếp tục phát triển mạnh mẽ.
TỔNG QUAN VỀ FIREBASE
Firebase là một dịch vụ CSDL được xây dựng trên hệ thống máy chủ của Google
Nó cung cấp một cách đơn giản để lập trình ứng dụng thông qua tương tác với cơ sở dữ liệu
Firebase cung cấp API lập trình ứng dụng dễ sử dụng Nó được biết đến với tính năng đa năng và bảo mật cao Firebase hỗ trợ cả nền tảng Android và iOS, và nhiều nhà phát triển đã chọn Firebase làm nền tảng chính cho việc xây dựng ứng dụng dành cho hàng triệu người dùng trên toàn thế giới
Các chức năng hiện tại:
Firebase Realtime Database cung cấp cơ sở dữ liệu thời gian thực với định dạng JSON, đảm bảo đồng bộ dữ liệu giữa tất cả các kết nối khách hàng Kết nối được bảo vệ bằng SSL an toàn, dữ liệu được lưu trữ cục bộ khi ngoại tuyến và tự động cập nhật khi kết nối được khôi phục, giúp dữ liệu luôn được cập nhật và dễ truy cập từ mọi thiết bị kết nối.
• Firebase Authentication: Cung cấp chức năng giúp đảm bảo an toàn thông tin cá nhân và ngăn chặn đánh cắp tài khoản
• Firebase Hosting: Dịch vụ hosting phân phối dữ liệu qua mạng CDN với chuẩn bảo mật SSL.
TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG CỤ HỖ TRỢ XÂY DỰNG VÀ LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG
Phần mềm Proteus là một công cụ mô phỏng được sử dụng rộng rãi trong ngành điện tử và thiết kế mạch Nó cho phép thiết kế, mô phỏng và kiểm tra mạch điện tử thông qua khả năng mô phỏng chính xác các linh kiện điện tử, bao gồm vi điều khiển, trước khi triển khai chúng trong thực tế.
Hình 2 18: Hình ảnh giao diện Prroteus
Proteus có thư viện linh kiện đa dạng, cung cấp sẵn các linh kiện điện tử phổ biến để người dùng có thể sử dụng và tùy chỉnh linh hoạt Khả năng mô phỏng MCU của nó cho phép người dùng thử nghiệm mã nguồn và gỡ lỗi chương trình trên các vi điều khiển mà không cần thiết bị vật lý
Hình 2 19: Hình ảnh các module có trong Proteus
Bằng cách sử dụng Proteus, người dùng có thể tạo mô phỏng mạch in chất lượng cao, thử nghiệm chức năng của mạch và gỡ lỗi một cách hiệu quả trước khi bước vào giai đoạn sản xuất Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình phát triển sản phẩm điện tử và đảm bảo tính đúng đắn của mạch trước khi triển khai
Hình 2 20:Hình ảnh bảng mach 3D trong Proteus
Proteus đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các kỹ sư và nhà thiết kế trong quá trình phát triển và kiểm tra mạch điện tử, từ việc thiết kế ban đầu đến kiểm tra hoạt động của mạch
Arduino IDE là phần mềm mã nguồn mở được phát triển để lập trình và nạp chương trình vào bo mạch Arduino và các vi điều khiển tương thích khác Được thiết kế dễ sử dụng và có giao diện người dùng trực quan, Arduino IDE cung cấp môi trường lập trình thuận tiện cho người dùng không cần phải có nhiều kiến thức kỹ thuật sâu
Hình 2 21: Hình ảnh giao diện làm việc với Arduino IDE
Chức năng chính của ArduinoIDE bao gồm trình soạn thảo mã nguồn để viết và chỉnh sửa chương trình Arduino Nó cung cấp các công cụ hỗ trợ như "Auto- Complete" giúp dễ dàng viết mã màu sắc cú pháp
Bên cạnh đó, Arduino IDE cung cấp nhiều thư viện và ví dụ giúp người dùng hiểu cách sử dụng vi điều khiển và linh kiện kết nối Công cụ Serial Monitor theo dõi và gỡ lỗi dữ liệu qua cổng Serial Tính năng này tạo nên môi trường lý tưởng cho các dự án điện tử, robot và IoT, giúp tạo và nạp chương trình vào bo mạch Arduino dễ dàng và hiệu suất cao.
Visual Studio, một môi trường phát triển tích hợp (IDE) do Microsoft phát triển, nổi bật nhờ khả năng mạnh mẽ và linh hoạt trong việc hỗ trợ phát triển phần mềm trên nhiều nền tảng và ngôn ngữ lập trình Với giao diện thân thiện và dễ sử dụng,
Visual Studio cung cấp nhiều công cụ và tính năng hữu ích giúp người dùng xây dựng và quản lý các dự án phần mềm một cách hiệu quả
Hình 2 22: Hình ảnh giao diện làm việc của Visual Studio
Một trong những điểm nổi bật của Visual Studio là Editor mã nguồn mạnh mẽ, cung cấp các tính năng như cú pháp màu sắc, gợi ý mã thông minh và công cụ refactor code giúp tối ưu quá trình viết mã Nó cũng hỗ trợ tính năng Debugging và Testing mạnh mẽ, cho phép người dùng gỡ lỗi mã nguồn một cách hiệu quả và thực hiện kiểm thử tự động.
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Yêu cầu của hệ thống
Từ các vấn đề đặt ra trong đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH GIƯỜNG BỆNH THÔNG MINH” nhóm đã thực hiện đề tài đảm bảo các chức năng sau:
Sử dụng các cảm biến để đo thân nhiệt, nhịp tim và SpO2 của người bệnh Đảm bảo thiết lập thời gian đo cho các cảm biến
Hiển thị dữ liệu thu thập được từ cảm biến
3.Cập nhật dữ liệu lên Web server: Đưa thông tin từ mô hình giường bệnh lên Web server để nhân viên y tế có thể theo dõi từ xa
Sử dụng camera để theo dõi tình trạng bệnh nhân từ xa
Hiển thị hình ảnh trực tiếp trên trang web
5.Điều chỉnh độ nâng giường: Điều chỉnh độ nâng của giường thông qua các nút nhấn hoặc trực tiếp trên Web server
Khi thân nhiệt, nhịp tim hoặc nồng độ oxi vượt ngưỡng an toàn, hệ thống sẽ cảnh báo
7.Theo dõi cử động của bệnh nhân:
Sử dụng cảm biến rung để theo dõi tình trạng bệnh nhân có cử động hay không Nếu bệnh nhân không cử động trong thời gian dài, hệ thống sẽ gửi cảnh báo
Lưu trữ toàn bộ thông tin và dữ liệu đo đạc từ người bệnh vào cơ sở dữ liệu
3.1.1 Sơ đồ khối toàn hệ thống
Hình 3 1: Sơ đồ khối mô hình giường bệnh thông minh
• Khối động cơ điều chỉnh độ nâng: giường có các chế độ nâng đầu giường khác nhau để người nằm có thể điều chỉnh tư thế nằm thoải mái
• Khối nhận tín hiệu nhịp tim, nồng độ O 2 : đo nhịp tim và SpO2, gửi tín hiệu về
Arduino thông qua giao tiếp I2C
• Khối cảm biến thân nhiệt: đo thân nhiệt người bệnh và gửi tín hiệu về khối xử lý trung tâm thông qua giao tiếp I2C
• Khối cảnh báo: có chức năng báo động khi các thông số gây ảnh hưởng đến sức khỏe người bệnh
• Khối nút nhấn: giúp để điều chỉnh độ nâng của giường và cảnh báo khi bệnh nhân cảm thấy không khỏe
• Khối hiển thị: hiển thị các nội dung lên màn hình để người bệnh hoặc nhân viên y tế có thể quan sát
• Khối camera: cập nhật hình ảnh trực tiếp từ giường bệnh đến Web server
• Khối cảm biến rung: để phát hiện trạng thái cử động của bệnh nhân
• Khối giao tiếp Wifi: nhận và phân tách dữ liệu từ khối xử lý trung tâm gửi lên firebase, đồng thời gửi lệnh điều khiển từ web server tới khối xử lý trung tâm
• Khối xử lý trung tâm: xử lý các thao tác từ các nút nhấn, cảm biến, điều khiển các khối chấp hành và truyền dữ liệu UART đến khối giao tiếp Wifi
• Khối nguồn: cung cấp điện áp cho toàn hệ thống
3.2.1 Hoạt động của toàn hệ thống
Hệ thống giường bệnh thông minh được thiết kế và cài đặt với các chức năng sau:
• Thu thập dữ liệu từ cảm biến:
Sử dụng cảm biến đo thân nhiệt, nhịp tim, nồng độ O2 trong máu và cảm biến rung
Dữ liệu từ các cảm biến được truyền qua giao tiếp I2C đến Arduino Uno
Các thông số sau khi xử lý sẽ được hiển thị trên màn hình OLED thông qua giao tiếp I2C Đồng thời, dữ liệu này cũng được truyền qua giao tiếp UART đến khối giao tiếp Wifi
• Điều khiển nâng hạ giường:
Trên mô hình giường thông minh, có các nút nhấn để điều chỉnh độ nâng
Khi người dùng nhấn nút, phần đầu giường sẽ được nâng hạ theo ý muốn Động cơ servo được điều khiển gián tiếp thông qua các relay để thực hiện việc nâng hạ giường
Tín hiệu từ khối xử lý trung tâm được truyền qua giao tiếp Wifi thông qua UART
• Cập nhật dữ liệu lên Web server:
Khối giao tiếp Wifi đưa dữ liệu nhận được lên cơ sở dữ liệu và Web server
Nhân viên y tế có thể theo dõi thông tin từ xa thông qua Web server
Khi các thông số vượt ngưỡng thiết lập hoặc bệnh nhân nhấn nút cảnh báo, khối xử lý trung tâm sẽ kích hoạt khối cảnh báo
Trạng thái cảnh báo được truyền tới Web server
Khối giao tiếp Wifi tích hợp camera để thu thập hình ảnh bệnh nhân
Hình ảnh được gửi lên Web server theo thời gian thiết lập và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu.
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG
Nhóm thiết kế mô hình giường thông minh theo tỉ lệ 1/10 so với giường bệnh thực tế Việc lựa chọn các module trong mô hình cũng đảm bảo được độ tin cậy cho các yếu tố liên quan đến lĩnh vực y tế và có giá thành hợp lí
Theo yêu cầu của đề tài, mô hình giường thông minh có chức năng điều khiên tăng giảm độ nâng Ta có thể sử dụng bàn phím ma trận, switch hoặc nút nhấn đơn
Do mô hình cần điều chỉnh tăng giảm độ nâng, cảnh báo khi có trường hợp khẩn cấp Để đơn giản và tiết kiệm cho việc thiết kế, lập trình mô hình nhóm quyết định sử dụng nút nhấn đơn
Trong đó nút nhấn UP và DOWN để điều khiển tăng, giảm độ nâng của mô hình giường bệnh Khi có trường hợp khẩn cấp cần hỗ trợ, bệnh nhân có thể sử dụng nút nhấn CB để phát cảnh báo cho người hỗ trợ
Trong mạch nút nhấn có các điện trở (R =4.7k Ω) để bảo vệ nút nhấn không bị hư hại trong các trường hợp bị ngắn mạch
Nút nhấn được kết nối với khối xử lý trung tâm theo sơ đồ hình 3.2:
Hình 3 2: Kết nối khối nút nhấn với Arduino uno
Về kết nối phần cứng, các nút nhấn UP, DOWN và CB lần lượt được kết nối với Arduino Uno qua các chân 2, 3 và 4 để điều khiển khối động cơ Servo và bật cảnh báo
Mỗi giường bệnh thực tế sẽ có hệ thống cảnh báo trong trường hợp bệnh nhân cần hỗ trợ hoặc trường hợp khẩn cấp Có thể sử dụng các thiết bị để cảnh báo như chuông báo động, đèn cảnh báo nhấp nháy, buzzer…Nhóm chọn sử dụng còi Buzzer 5V DC vì dễ lập trình, tiết kiệm chân kết nối với khối xử lý trung tâm để phát âm thanh khi bệnh nhân có nhịp tim vượt mức cài đặt
Hình 3 3: Kết nối khối cảnh báo kết nối với Arduino uno
Về kết nối phần cứng, chân nguồn Buzzer kết nối với nguồn 5V, chân còn lại nối với Transistor 2SC1815 Transistor kết nối với chân PB5 của Arduino Uno như hình 3.3
Ta có dòng hoạt động của Buzzer là: I buzzer = 30mA Điện áp hoạt động của Buzzer là: V buzzer = 5V Điện áp tại cực gốc của transistor là V BE = 0.7V
Vì transistor dẫn bão hòa nên:
Theo datasheet của 2SC1815 ta có giá trị hệ số khuếch đại dòng β = 180
Theo yêu cầu của mô hình đã thiết kế, dữ liệu từ cảm biến sẽ được hiển thị trên màn hình và cập nhật vào cơ sở dữ liệu Nhóm lựa chọn màn hình OLED vì ưu điểm vượt trội so với màn hình LCD.
• Độ tương phản và chi tiết cao
• Kích thước nhỏ gọn và nhẹ hơn: màn hình OLED thường nhỏ và nhẹ hơn nhiều so với LCD, giúp tiết kiệm không gian cho mô hình
• Dễ dàng kết nối và điều khiển: Màn hình OLED 128x64 sử dụng giao diện I2C giúp giảm số lượng chân kết nối và dễ dàng tích hợp với Arduino
Về kết nối phần cứng, chân VCC nối với nguồn 5V Chân GND nối đất Các chân SCL và SDA lần lượt kết nối với chân SCL và SDA của Arduino Uno như hình 3.4:
Hình 3 4: Khối hiển thị (OLED) giao tiếp Arduino Uno
Khối camera đóng vai trò quan trọng đối với mô hình giường thông minh, có chức năng cung cấp hình ảnh trực tiếp từ giường bệnh đưa hình ảnh cập nhật đến Web server Trên thị trường có nhiều module camera có thể thực hiện chức năng này như: module camera 640x480, DFRobot FIT0701 camera, module camera OV2640, module ESP32-CAM…
Nhóm quyết định sử dụng module ESP32-CAM để thu thập hình ảnh cho mô hình vì tính nhỏ gọn, giá thành hợp lí, có tích hợp sẵn Wifi, tiết kiệm chân kết nối hơn so với các Module camera khác
Khối ESP32-CAM có nhiệm vụ thu thập dữ liệu hình ảnh trực tiếp từ giường bệnh, dữ liệu sẽ được đưa lên Web server thông qua một IP hỗ trợ nhân viên y tế khi có nhu cầu quan sát bệnh nhân
Hình 3 5: Kết nối khối camera với Arduino Uno
Về kết nối phần cứng, module ESP32-CAM được cấp nguồn 5V và nối đất chân GND
3.3.5 Khối giao tiếp Wifi Để đưa các thông số thu thập được từ các cảm biến lên cơ sở dữ liệu, cũng như tiếp nhận tín hiệu điều khiển từ Web server đến khối xử lý trung tâm để điều khiển động cơ nâng, cảnh báo buzzer cần một module có khả năng kết nối Wifi và giao tiếp UART Có nhiều loại module có thể đáp ứng được yêu cầu này như: ESP8266, ESP32, Arduino Uno Wifi Rev2, NodeMCU, Raspberry Pi…
Nhóm lựa chọn sử dụng ESP32 cho mô hình với khả năng kết nối Wifi và giao tiếp UART tích hợp, không chỉ giúp dễ dàng thu thập thông số từ các cảm biến mà còn đảm bảo hiệu suất và độ ổn định cao trong quá trình hoạt động
Hình 3 6: Kết nối khối giao tiếp Wifi với Arduino Uno
Về kết nối phần cứng, module ESP32 được cấp nguồn 5V, các chân TX và RX của ESP32 nối với RX và TX của khối xử lý trung tâm để truyền và nhận dữ liệu
SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN HỆ THỐNG
Sau khi thiết kế từng khối, tính toán và sử dụng linh kiện phù hợp nhóm đã đưa ra sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống như sau:
THI CÔNG HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU
Sau khi hoàn tất việc tính toán và chọn linh kiện cho từng phần, nhóm tiến hành kiểm tra hoạt động của từng bộ phận, thi công mô hình, sau đó kiểm tra và đánh giá sản phẩm.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Mô hình được thi công với chất liệu chính là bìa PVC Formex Các dây điện kết nối các phần cứng của mô hình được đặt bên trong mô hình để đảm bảo tính thẩm mỹ
Hình 4 1: Hình ảnh bên trong mô hình giường bệnh thông minh
Các vị trí linh kiện được đánh dấu trong hình lần lượt là:
(5) Cảm biến đo thân nhiệt hồng ngoại MLX90614
(6) Module cảm biến rung SW1801P
(7) Cảm biến đo nhịp tim, Spo2 MAX30100
Hình 4 2: Hình ảnh chính diện mô hình giường thông minh
Mô hình giường thông minh bao gồm màn hình OLED và cảm biến đo thân nhiệt MLX90614 được gắn trên đầu giường để hiển thị các chỉ số liên quan đến người bệnh và liên tục cập nhật thân nhiệt bệnh nhân
Giường có thể điều chỉnh mức độ nâng đầu giường bằng động cơ Servo đc gắn bên dưới giường
Phía cuối giường sẽ có camera để thu thập hình ảnh trực tiếp của giường bệnh, để quan sát, người dùng có thể truy cập vào Web Server
Hình 4 3: Hình ảnh bên cạnh phải mô hình giường thông minh
Bên cạnh phải của giường có các nút nhấn được cố định với mỗi nút nhấn sẽ có các chức năng khác nhau
(1) Nút nhấn có chức năng cảnh báo, khi nhấn nút buzzer được gắn trong giường sẽ hoạt động, phát ra âm thanh cảnh báo
(2) Nút nhấn có chức năng giảm độ nâng đầu giường
(3) Nút nhấn có chức năng tăng độ nâng đầu giường
Bảng 4 1: Các linh kiện sử dụng cho mạch nguyên lý hệ thống:
SST Tên linh kiện Số lượng Thông số
Module cảm biến nhiệt hồng ngoại
Module cảm biến nhịp tim, SpO2
LƯU ĐỒ HOẠT ĐỘNG
4.3.1 Lưu đồ hoạt động cho khối xử lý trung tâm
Đầu tiên khai báo các thư viện cần thiết trong chương trình, sau đó khởi tạo các chân kết nối, các biến ban đầu và các module cảm biến.
Tiếp theo các cảm biến
SW1801P sẽ thu thập dữ liệu và gửi đến Arduino, Arduino sẽ đọc dữ liệu này và hiển thị ra màn hình oled Khi dữ liệu thu thập về có nhiệt độ lớn hơn 39, nhịp tim cao hơn 120 hoặc khi nhấn nút (BTN1) thì buzzer sẽ hoạt động Các nút nhấn BTN2, BTN3 có chức năng điều khiển tăng – giảm góc nâng của giường bằng Servo Sau đó Arduino sẽ truyền các dữ liệu thu thập được qua ESP32 sử dụng chuẩn giao tiếp UART Chương trình sẽ được lặp lại để cập nhật dữ liệu từ các cảm biến
Hình 4 4 Lưu đồ hoạt động khối xử lý trung tâm
4.3.2 Lưu đồ hoạt động cho ESP32
Khai báo các thư viện liên quan, khởi tạo các chân kết nối với Arduino Uno và khởi tạo các biến
ESP32 kiểm tra kết nối Wi-Fi và kết nối với Firebase Sau khi kết nối thành công, ESP32 sẽ nhận dữ liệu từ Arduino, xử lý và lưu trữ giá trị đã đọc được Cuối cùng, ESP32 sẽ gửi dữ liệu đã xử lý lên Firebase.
Sau đó định dạng biến dữ liệu để Web server có thể truyền tải lên, biến định dạng phải đúng với biến đặt trên Web server Đặt vị trí mà dữ liệu truyền lên Web server
Dữ liệu được gửi lên Web server
Hình 4 5: Lưu đồ hoạt động của ESP32
❖ Lưu đồ hoạt động chương trình con xử lý dữ liệu nhận:
Giải thích lưu đồ: Đầu tiên kiểm tra kết nối UART trên IDE Đọc chuỗi dữ liệu được gửi đến qua Arduino Uno, kiểm tra chuổi ký tự đó, nếu đúng thì sẽ dừng đọc chuỗi lại và tiến hành tách chuỗi dữ liệu đó ra Nếu chuỗi được gửi đến bị sai thì sẽ nhận chuỗi mới rối tách dữ liệu Cuối cùng hiển thị dữ liệu lên trên monitor để theo dõi trước khi gửi lên Firebase
Hình 4 6: Lưu đồ họat động xử lý dữ liệu nhận
4.3.3 Lưu đồ hoạt động Websevrer
Giải thích lưu đồ: Đầu tiền, cần phải truy cập vào webserver thông qua link web
Tiếp đó sẽ lấy dữ liệu từ CSDL firebase cập nhật lên hệ thống webserver
Nhấn nút UP/DOWN trên Webserver sẽ điều khiển được động cơ servo nâng, hạ giường Khối xử lý trung tâm sẽ tiếp nhận dữ liệu từ trên Webserver truyền xuống và thực thi
Nhấn vào biểu tượng camera sẽ đưa qua một đường link riêng để truy cập camera quan sát bệnh nhân
Hình 4 7: Lưu đồ hoạt động của Webserver
KẾT QUẢ - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
KẾT QUẢ LÝ THUYẾT
Sau khi hoàn thành đề tài “Thiết kế và thi công mô hình giường bệnh thông minh” nhóm đã đạt được một số kết quả về mặt lý thuyết sau:
Vũ trụ giao tiếp phần cứng được nhóm nghiên cứu khai phá sâu rộng hơn với những hiểu biết cụ thể về phương thức giao tiếp lập trình giữa Arduino Uno R3 và ESP32, cũng như cách thức kết nối các module cảm biến với Arduino Nhóm đã thành thạo nhiều chuẩn giao tiếp phổ biến, bao gồm I2C, UART và Wifi, đồng thời nắm vững quy trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị.
• Về công cụ hỗ trợ thiết kế phần cứng, nhóm đã có thể vẽ sơ đồ nguyên lý sử dụng phần mềm Proteus
• Về phần mềm, nhóm đã học cách thiết kế và lập trình giao diện Web HTML trên Visual Studio, sử dụng Arduino IDE để viết chương trình cho các module, hiểu và sử dụng được các lệnh lập trình để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh
Về độ tin cậy của dữ liệu từ mô hình, nhóm đã tiến hành thu thập dữ liệu từ thiết bị đo SpO2 đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim Fingertip Pulse Oximeter Kết quả về các thông số nhịp tim và SpO2 của 2 thành viên trong nhóm có sự sai lệch tương đối nhỏ so với thiết bị chuyên dụng.Ở trạng thái bình thường giá trị nhịp tim khoảng 60-80 lần/phút, và SpO2 trên 95% Điều này cho thấy hệ thống có thể đo được các giá trị tương đối so với thiết bị chuyên dụng và vẫn đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu.
KẾT QUẢ THỰC TẾ
5.2.1 Kết quả thi công mô hình
Hình 5 1: Hình ảnh kết quả mô hình sau khi thi công
Mô hình giường thông minh sau khi hoàn thiện đã đáp ứng được các yêu cầu:
- Cập nhật được các giá trị: thân nhiệt, nhịp tim, nồng độ SpO2 từ bệnh nhân
- Hiển thị các thông số cần thiết lên màn hình OLED: thân nhiệt, nhịp tim, nồng độ SpO2, chế độ hoạt động của buzzer và cảm biến rung, mức nâng giường của bệnh nhân
- Sử dụng nút nhấn để báo động, nâng hạ giường khi cần thiết
- Sử dụng được camera được gắn ở cuối giường để quan sát bệnh nhân
- Cập nhật các thông số lên web sever, truy cập camera từ web server
Hình 5 2: Thông tin được hiển thị trên OLED
Màn hình OLED hiển thị các thông số cần thiết thiết từ bệnh nhân:
Oxygen: Nồng độ oxy trong máu của người bệnh
D: Trạng thái của cảm biến rung, khi người bệnh có cử động thì cảm biến lên mức 1 và ngược lại
Bu: hiển thị trạng thái Buzzer
Level: hiển thị mức độ nâng giường
5.2.2 Kết quả lưu trữ dữ liệu trên Firebase
Hình 5 3: Kết quả gửi dữ liệu trên Firebase
Khi mô hình hệ thống bắt đầu khởi động, dữ liệu từ các cảm biến MLX90614, MAX30100, SW1801P và trạng thái mức độ servo sẽ được cập nhật lên CSDL FireBase CSDL Firebase cập nhật các dữ liệu bao gồm: nhiệt độ, nhịp tim, nồng độ Spo2, độ rung, và mức độ nâng giường Các giá trị được cập nhật liên tục
5.2.3 Kết quả giao diện Web HTML
Hình 5 4: Giao diện Web theo dõi thông tin từ mô hình giường bệnh
Web server được viết bằng ngôn ngữ HTML, web server sẽ giúp người dùng có thể quan sát bệnh nhân qua các thông số được hiển thị trên web Đồng thời điều khiển độ nâng giường thông qua 2 nút nhấn UP/DOWN ở tWeb Server
Web gồm có phần tiêu đề là GIƯỜNG BỆNH THÔNG MINH, bên góc phải là thời gian và ngày tháng năm được lấy từ thời gian thực
Phần trung tâm màn hình hiển thị các thông số của các cảm biến đo được trực tiếp, bao gồm thân nhiệt, SpO2, nhịp tim, mức độ nâng đầu giường, trạng thái cử động của người bệnh Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ truy cập camera theo dõi giường bệnh, giúp nhân viên y tế quan sát tình trạng bệnh nhân từ xa.
5.2.4 Kết quả theo dõi mô hình bằng ESP32-CAM
Hình 5 5: Các chế độ xem khi truy cập camera
Hình 5 6: Hình ảnh trực tiếp thu được từ khối Camera ESP32-CAM
Khi truy cập theo dõi camera của mô hình, người dùng có thể lựa chọn định dạng xem và kích thước hình ảnh, video của camera gồm BMP, JPG và MJPEG trong đó:
• BMP là một định dạng hình ảnh lưu trữ dữ liệu hình ảnh dưới dạng điểm ảnh.có đặc điểm không nén hoặc ít nén, do đó, hình ảnh có thể có dung lượng lớn
• JPG sử dụng phương pháp nén mất dữ liệu (lossy compression), giúp giảm kích thước file nhưng có thể làm giảm chất lượng hình ảnh
• MJPEG là định dạng video mà trong đó mỗi khung hình của video được nén dưới dạng hình ảnh JPEG MJPEG không nén theo thời gian mà mỗi khung hình được nén độc lập, dẫn đến dung lượng file lớn.
NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
Sau khi kiểm tra hoạt động của mô hình, nhóm nhận thấy mô hình hoạt động đúng với yêu cầu và mục tiêu của đề tài
• Mô hình giường bệnh hoạt động ổn định khi cấp nguồn, có thể đo được thân nhiệt, nhịp tim và nồng độ oxy trong máu để hiển thị lên màn hình
• Có thể điều khiển được các nút nhấn để nâng, hạ độ nâng đầu giường, phát cảnh báo
• Khối cảnh báo phát âm thanh khi thông số nhịp tim quá 120 nhịp/phút và thân nhiệt quá 40 ℃
• Dữ liệu từ mô hình được cập nhật lên cơ sở dữ liệu Firebase và Web server một cách liên tục với camera luôn trong trạng thái hoạt động Giúp người quản trị có thể theo dõi ở bất cứ đâu
Tuy nhiên, mô hình vẫn có một số hạn chế:
• Mô hình chỉ có thể hoạt động khi có điện, khi mất điện dữ liệu từ giường bệnh sẽ ngưng cập nhật
• Chưa tạo được tính bảo mật cho hệ thống, bất cứ ai có địa chỉ giao diện người dùng đều có thể truy cập và quan sát thông tin giường bệnh
• Kích thước mô hình nhỏ hơn nhiều so với thực tế, nên chủ yếu sử dụng các module có kích thước và công suất nhỏ, chưa sát với thực tế
• Để tránh trường hợp hệ thống bị treo, cần có kết nối wifi ổn định.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Hoàn thành dự án "Thiết kế và thi công mô hình giường bệnh thông minh", nhóm nghiên cứu đã tạo ra một mô hình đáp ứng đầy đủ các mục tiêu đề ra: giường bệnh được trang bị các tính năng tiên tiến, đảm bảo sự thoải mái và hỗ trợ tối ưu cho bệnh nhân, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về vệ sinh và độ bền cao.
- Có giao diện Web theo dõi sức khỏe người bệnh
- Mô hình có chức năng thu thập và hiển thị các thông số sức khỏe ( thân nhiệt, SpO2, nồng độ oxy trong máu) từ người bệnh
- Các thông tin và hình ảnh từ giường bệnh được cập nhật liên tục lên cơ sở dữ liệu, giúp người quản trị có thể dễ dàng quan sát
- Hệ thống giường bệnh thực tế được lắp đặt ở bệnh viên nên hiếm xảy ra tình trạng mất điện, có thể hoạt động được liên tục
- Mô hình có thể điều khiển độ nâng của đầu giường theo các cấp độ được lập trình sẵn
Tuy mô hình đã có thể hoạt động theo yêu cầu nhưng vẫn còn các thiếu sót cần được phát triển và tối ưu thêm
5.4.2 Hướng phát triển Đề tài dừng lại ở mức độ mô hình thu nhỏ và vẫn còn tồn tại các thiếu sót nên sẽ có các hướng phát triển cho đề tài bao gồm:
- Xây dựng giao diện App trên Ardroid để theo dõi và điều khiển nhiều mô hình, cấp mỗi bệnh nhân một tài khoản để đăng nhập để theo dõi tình trạng nhiều bệnh nhân
- Sử dụng xử lý ảnh trên khối camera để phát hiện bệnh nhân chuyển động, thay vì cảm biến rung, gửi thông báo về App khi bệnh nhân nhấn nút cảnh báo
- Thêm chức năng điều khiển bật tắt đèn từ xa cho giường bệnh.\
- Thiết kế nguồn điện dự phòng cho giường bệnh phòng trường hợp mất điện do sự cố.
