Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật máy tính: Thiết kế hệ thống giám sát nhịp tim và nồng độ oxy máu ứng dụng công nghệ lora

Từ tình hình đã được đề cập trên, nhóm đã tìm hiểu, đưa ra các vấn đề cần được giải quyết và đề xuất các hướng giải quyết để cải thiện tình hình trên: - Giám sát các thông tin chỉ số về

GIỚI THIỆU

GIỚI THIỆU

Trong thời đại phát triển của công nghệ số, việc tích hợp các thiết bị công nghệ kĩ thuật vào các lĩnh vực y tế, sức khỏe ngày càng phổ biến Đặc biệt đối với người cao tuổi hoặc các khu dân cư ở vùng xa, việc di chuyển tới các cở sở y tế hoặc bệnh viện cũng gây cản trở không kém Các thiết bị này không chỉ hỗ trợ trong việc chăm sóc sức khỏe mà còn giúp giám sát theo dõi bệnh nhân từ xa Nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể là những chỉ số được quan tâm nhiều nhất trong đánh giá sức khỏe bản thân Việc theo dõi các chỉ số hằng ngày giúp cá nhân nhận biết được các dấu hiệu hoặc triệu chứng bất thường của cơ thể Chỉ số nhịp tim cho biết ngưỡng hoạt động tối đa khi vận động hoặc trạng thái bình thường của tim khi nghỉ ngơi Các chỉ số bất thường của nhịp tim cũng là dấu hiệu liên quan đến bệnh lý liên quan đến tim mạch: rối loạn nhịp tim hoặc suy tim Nồng độ oxy máu cho biết cơ thể có đang thiếu hụt oxy hay lá phổi đang gặp vấn đề cần được chữa trị Thiếu hụt oxy trong máu gây ảnh hưởng nghiêm trọng nếu không được phát hiện và xử lý kịp thời Nhiệt độ cơ thể cũng ảnh hưởng đến sự cân bằng thân nhiệt và các cơ quan nội tạng Khi nhiệt độ cơ thể tăng hoặc giảm đột ngột cũng tác động đến các cơ quan bên trong cơ thể [1] Nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện để cải thiện và phát triển các hệ thống giám sát sức khỏe từ xa Bài báo của ông Nguyễn Minh Đức và nhóm tác giả về đề tài “Thiết bị đeo chăm sóc sức khỏe cho người cao tuổi”, sử dụng phương pháp công nghệ truyền thông không dây Bluetooth thu thập các chỉ số nhịp tim và nhiệt độ cơ thể [2] Thiết kế hệ thống sử dụng vi điều khiển Atmega2560 của Atmel làm bộ xử lý trung tâm tích hợp các chức năng bao gồm: ADC, PWM, Timer cùng với các giao thức truyền thông UART, SPI và I2C để phục vụ cho việc lấy mẫu Các trạng thái thiết bị được hiện lên màn hình Oled thông qua chuẩn giao tiếp I2C

Từ ý tưởng công trình nghiên cứu trên, nhóm thực hiện đề xuất nghiên cứu đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát nhịp tim và nồng độ oxy máu ứng dụng công nghệ LoRa” Nhóm chọn công nghệ LoRa cho đề tài vì so với các công nghệ

2 khác như Bluetooth hoặc Wi-Fi thì LoRa có khả năng truyền tải dữ liệu ở khoảng cách xa với mức tiêu thụ năng lượng thấp và yêu cầu pin lâu dài LoRa có khả năng hoạt động tốt trong môi trường điều kiện khó khăn hoặc môi trường có nhiều vật cản Hơn nữa, LoRa hỗ trợ kết nối nhiều thiết bị cùng lúc, giúp tối ưu hóa việc giám sát và quản lý sức khỏe từ xa cho nhiều bệnh nhân Hệ thống nhóm thực hiện sẽ hỗ trợ hai Node kết nối và một Gateway Một Node chỉ đo tối đa một bệnh nhân Mỗi Node sẽ đo ba chỉ số sức khỏe bao gồm: nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể Nhóm còn xây dựng trang web và App Android giúp người giám sát dễ dàng theo dõi các chỉ số sức khỏe từ xa và sử dụng màn hình Oled giúp xem trực tiếp các chỉ số sức khỏe bản thân Hệ thống có nút nhấn khẩn cấp để gọi đến người giám sát khi bệnh nhân cảm nhận các dấu hiệu bất thường hoặc cần sự trợ giúp.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Đề tài sẽ thiết kế và thi công hệ thống giám sát nhịp tim và nồng độ oxy máu ứng dụng công nghệ LoRa với những chức năng cụ thể như sau:

- Hệ thống hỗ trợ hai Node kết nối và mỗi Node chỉ đo tối đa một bệnh nhân

- Đo và thu thập các dữ liệu chỉ số về nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể của người dùng bằng thiết bị đo được thiết kế

- Cập nhật và lưu trữ dữ liệu chỉ số nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể lên cơ sở dữ liệu trực tuyến nhận từ Gateway sử dụng mạng LoRa

- Cảnh báo đến người dùng khi các ngưỡng chỉ số nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể vượt mức cho phép bằng cách kích hoạt còi cảnh báo

- Nút nhấn khẩn cấp để thực hiện cuộc gọi đến người giám sát từ xa khi người dùng cần sự trợ giúp

- Có chức năng giám sát từ xa thông qua trang web và ứng dụng di động.

PHẠM VI GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Một số phạm vi giới hạn của đề tài trong quá trình nhóm thực hiện từ thiết kế, kiểm tra đến triển khai mô hình:

- Khoảng cách truyền của LoRa: ở độ cao 4m: trong phạm vi 200m khi có ít vật cản và 500m khi có nhiều vật cản

- Hệ thống không gọi lại cho người giám sát khi không bắt máy dù cảnh báo vẫn còn xảy ra

- Trang website và phần mềm ứng dụng chỉ theo dõi và chưa tương tác trực tiếp với thiết bị người dùng từ xa.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tổng hợp các phương pháp nghiên cứu mà nhóm đã áp dụng trong quá trình thực hiện đề tài:

- Phương pháp tổng hợp tài liệu lý thuyết liên quan đến đề tài

- Phương pháp khảo sát hệ thống thực tế

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Các đối tượng mà nhóm thực hiện cần nghiên cứu trong đề tài là:

- Công nghệ truyền thông không dây LoRa

- Các giao thức và tiêu chuẩn giao tiếp của module SIM

- Cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy máu

- Cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc

- Phần mềm phát triển ứng dụng Android Studio

Phạm vi nghiên cứu mà nhóm đã tiến hành thực hiện trên đối tượng là:

- Nguyên lý hoạt động công nghệ truyền thông LoRa

- Nguyên lý hoạt động và chuẩn giao tiếp của module SIM

- Cách thức đóng gói, gửi các gói tin và tính bảo mật trong mạng LoRa

- Sử dụng nền tảng Firebase để quản lý và lưu trữ dữ liệu

- Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy máu và cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc

- Phát triển ứng dụng trên Android Studio để quản lý dữ liệu từ các cảm biến

BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO

Quyển báo cáo của nhóm bao gồm 5 chương, mỗi chương đề cập đến các nội dung quan trọng của đề tài mà nhóm đang tiến hành nghiên cứu, từ giới thiệu đến đưa ra kết luận và đề xuất hướng phát triển, bao gồm:

Giới thiệu tổng quan về đề tài, lý do chọn đề tài, nội dung nghiên cứu, phạm vi giới hạn và bố cục của đồ án

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Giải thích những khái niệm, lý thuyết, công nghệ, kỹ thuật hoặc quy trình cần thiết để hiểu được đề tài

- Chương 3: Thiết kế hệ thống

Mô tả quá trình phân tích, thiết kế hệ thống hoặc giải pháp để giải quyết vấn đề của đề tài

Tiến hành thi công mô hình phần cứng và phần mềm dựa trên bản thiết kế hệ thống Đánh giá và nhận xét kết quả thu được sau khi kiểm tra

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Nêu ra các mặt hạn chế của hệ thống và đề xuất ra các hướng phát triển phù hợp với đề tài

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TỔNG QUAN VỀ LORA

2.1.1 Khái niệm công nghệ LoRa

LoRa (Long Range Radio) là công nghệ truyền thông dữ liệu không dây dựa trên các kỹ thuật điều chế trải phổ bắt nguồn từ công nghệ trải phổ Chrip được nghiên cứu bởi công ty Cycleo nhưng phát triển bởi Semtech vào năm 2012 LoRa được sử dụng trong các ứng dụng truyền tải các khối dữ liệu nhỏ với tốc độ bit thấp So với các công nghệ như: Wifi, Bluetooth hay Zigbee thì LoRa truyền dữ liệu đi trên phạm vi xa hơn Những đặc tính này phù hợp với các cảm biến và thực hiện hoạt động trong chế độ năng lượng thấp Đặc điểm nổi bật của công nghệ này là có khả năng truyền dữ liệu ở khoảng cách xa đạt tới 15km ở môi trường mở Với mức tiêu thụ điện năng thấp, công nghệ này kéo dài tuổi thọ pin, tiết kiệm được chi phí sử dụng, khả năng chống nhiễu tốt và giao tiếp ở khoảng cách xa với công suất thấp [3]

2.1.2 Nguyên lý hoạt động công nghệ LoRa

Công nghệ LoRa phát triển dựa trên kỹ thuật điều chế Chrip Spread Spectrum (CSS) Khi dữ liệu được tạo xung với tần số cao sẽ tạo ra tín hiệu có dải tần cao được mã hóa thành các chuỗi tín hiệu hình sin thay đổi theo thời gian (chirp signal) trước khi gửi đi qua anten Có hai loại chirp signal: tần số up-chirp tăng theo thời gian và down-chirp giảm dần theo thời gian

Nguyên tắc hoạt động trên giúp giảm độ phức tạp và tăng độ chính xác cho mạch để giải mã và điều chỉnh dữ liệu LoRa vẫn truyền đi xa mà không yêu cầu nhiều công suất phát

Các tín hiệu LoRa có sử dụng tín hiệu chirp hoạt động không gây nhiễu lẫn nhau và thiết bị được phép trao đổi trên nhiều kênh trong cùng một khu vực [3]

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm công nghệ LoRa

Một số ưu điểm của công nghệ truyền thông LoRa:

- Hỗ trợ truyền đường dài: hỗ trợ máy tính truyền dữ liệu không cần bộ khuếch đại công suất

- Mức điện năng tiêu thụ thấp: mức tiêu thụ điện năng tương ứng với bình ắc quy lên đến 10 năm tuổi, tiết kiệm chi phí thay thế cho các doanh nghiệp và nhà máy

- Bảo mật cao: sở hữu mã hóa AE128 cho phép xác thực lẫn nhau giúp tăng tính bảo mật

- Chi phí thấp: giảm chi phí thay pin, chi phí vận hành và đầu tư các cơ sở hạ tầng [3]

Tuy nhiên, công nghệ này vẫn có một vài nhược điểm cần chú ý:

- Không phù hợp truyền các dữ liệu lớn do tốc độ truyền chậm và tải trọng công nghệ bị giới hạn ở 100 bytes sẽ làm tăng độ trễ

- Hạn chế trong việc lắp đặt gateway trong các khu vực đông dân cư

- Để triển khai hệ thống LoRa hoàn chỉnh cần nhiều cổng và thiết bị kết nối tạo một lượng chi phí lớn để triển khai

- Hiệu suất của LoRa còn phụ thuộc vào các yếu tố môi trường [3]

2.1.4 Ứng dụng công nghệ LoRa

Công nghệ LoRa đã được áp dụng trong một số các dự án như: tòa nhà thông minh (Smart Building), là dạng mô hình thu hẹp của Smart City, nhằm để quản lý và tiện ích cho dân cư Một số ứng dụng LoRa trong dự án trên:

- Giám sát môi trường: các thiết bị LoRa có thể đặt ở nhiều vị trí khác nhau để giám sát chất lượng chất lượng không khí, nhiệt độ và độ ẩm trong các khu vực trong tòa nhà hoặc trong một khu vực nhất định

- Quản lý năng lượng: sử dụng công nghệ LoRa để thu thập dữ liệu và thu thập dữ liệu về lượng tiêu thụ năng lượng của từng thiết bị điện trong các hệ thống điện thông minh, giúp tối ưu hóa quản lý năng lượng hiệu quả hơn

- Quản lý an ninh và an toàn: theo dõi các báo động hoặc các sự cố cháy nổ, xâm nhập trong tòa nhà [4]

Mô hình như hình 2.1, mỗi văn phòng được lắp thiết bị báo cháy Khi phát hiện xảy ra cháy, dữ liệu sẽ gửi về một trạm cơ sở (Gateway) Sau đó, trạm cơ sở sẽ gửi thông tin lên server để phân tích và gửi cảnh báo đến quản lý qua các thiết bị thông minh như: điện thoại hoặc máy tính.

TỔNG QUAN VỀ ANDROID STUDIO

Android Studio là môi trường phát triển tích hợp (IDE) chính thức được phát triển bởi Google về phát triển ứng dụng Android Công cụ cung cấp một giao diện trực quan và có trình gỡ lỗi, trình soạn thảo mã mạnh mẽ của IntelliJ IDEA, một trong những IDE hàng đầu trong ngành Ngoài ra, Android Studio còn cung cấp các công cụ đa dạng như: thiết kế giao diện ứng dụng hay quản lý tài nguyên và tích hợp Android SDK, kiểm thử và triển khai các ứng dụng Android [5]

2.2.2 Các tính năng của Android Studio

Người dùng có thể tận dụng các tính năng có sẵn của công cụ này như sau:

- Hệ thống được xây dựng linh hoạt cho phép quản lý, kiểm thử và đóng gói ứng dụng Android dựa trên Gradle

- Mô phỏng nhanh, tích hợp nhiều tính năng và kiểm tra ứng dụng hiệu quả

- Sửa lỗi mã code nhanh chóng từ các gợi ý của thư viện giúp tăng độ chính xác hơn

Hình 2.1: Mô hình Tòa nhà thông minh (Smart Building) [4]

- Hỗ trợ kết nối Firebase và cơ sở dữ liệu gốc được cập nhật liên tục

- Tích hợp Maven và kho lưu trữ của Maven để quản lý thư viện

- Hỗ trợ Google Cloud Platform giúp việc tích hợp Google Cloud Messaging và App Engine trở nên dễ dàng hơn

Ngoài ra, Android Studio có các công cụ cung cấp các trình biên dịch, trình gỡ lỗi, trình tạo giao diện và sử dụng ngôn ngữ lập trình Java hoặc Kotlin và có sẵn các thư viện quan trọng trong quá trình viết chương trình [5]

2.2.3 Ưu và nhược điểm của Android Studio

Một số ưu điểm của Android Studio trong phát triển các ứng dụng:

- Giao diện dễ sử dụng và tiếp cận người dùng, nâng cao hiệu suất và tiết kiệm thời gian để phát triển ứng dụng

- Hỗ trợ các công cụ phát triển và tích hợp sẵn các thư viện

- Các tính năng mới được thường xuyên cập nhật để tăng hiệu suất cải thiện trải nghiệm

- Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình như: Java hoặc Kotlin [5]

Bên cạnh đó, Android Studio còn có những nhược điểm:

- Yêu cầu tài nguyên máy tính cao: là công cụ chiếm nhiều không gian bộ nhớ và yêu cầu máy tính có cấu hình tương đối cao để chạy mô phỏng nhanh và mượt hơn

- Các hoạt động giả lập đôi khi có gây ảnh hưởng đến máy tính và tiêu tốn pin [5].

TỔNG QUAN VỀ FIREBASE

Firebase là dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực, hoạt động trên nền tảng đám mây của Google được xây dựng để phát triển các trang web và ứng dụng di động Firebase có nhiều dịch vụ khác nhau bao gồm: lưu trữ dữ liệu, xác thực người dùng, phân tích và quản lý nhận thức hỗ trợ người [6]

2.3.2 Đặc điểm và tính năng của Firebase

Các chức năng hữu ích và nổi bật của Firebase:

- Firebase Realtime Database: là cơ sở dữ liệu thời gian thực, lưu trữ dữ liệu trên đám mây ở dạng tệp JSON và đồng bộ dữ liệu giữa các thiết bị

- Firebase Authentication: cung cấp các phương thức xác thực người dùng bao gồm: email, tài khoản mạng xã hội và nhiều phương thức khác giúp bảo vệ thông tin cá nhân bị đánh cắp [6]

Hình 2.2 cho biết rằng Firebase Authentication hỗ trợ nhiều nhà cung cấp dịch vụ xã hội khác nhau như: Google, Twitter, Facebook hoặc Github để người dùng đăng nhập mà không cần phải tạo tài khoản mới

- Firebase Cloud Storage: dịch vụ cho phép lưu trữ dữ liệu tệp (hình ảnh hoặc video) và quản lý các tập tin

- Firebase Test Lab: dịch vụ kiểm thử tự động trên các ứng dụng khác nhau, có hỗ trợ kiểm tra và phát hiện lỗi trong quá trình phát triển ứng dụng

- Firebase Analytics: dịch vụ sử dụng các tiện ích để phân tích dữ liệu về cách người dùng tương tác với các tính năng của nó và ứng dụng [6]

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG

Hệ thống có yêu cầu về các tính năng chi tiết để thực hiện và hoàn thành các mục tiêu đã đề ra ở Chương 1:

- Thu thập các chỉ số về tình trạng sức khỏe người dùng (nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể)

- Hiển thị các chỉ số cảm biến thông qua màn hình, ứng dụng di động và website

- Cảnh báo người dùng thông qua còi buzzer khi chỉ số đo vượt ngưỡng cho phép

- Thực hiện cuộc gọi hoặc gửi tin nhắn đến số điện thoại đã đăng ký trước để cảnh báo người giám sát khi người dùng cần sự trợ giúp

- Người dùng hoặc người giám sát có tương tác được với thiết bị đo sức khỏe để trực tiếp phát cảnh báo

- Người quản lý xem được thông số người dùng dưới dạng biểu đồ, đồ thị hoặc dưới dạng dữ liệu số

- Cập nhật và lưu trữ các giá trị chỉ số trên cơ sở dữ liệu trực tuyến.

MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Với yêu cầu đề ra, để xây dựng một hệ thống giám sát dựa trên mạng LoRa hoạt động ổn định về phần cứng và tạo ra giao diện phần mềm giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và tương tác, nhóm đã thiết kế mô hình hoạt động chung của toàn hệ thống như hình 3.1:

Dựa trên mô hình tổng quan ở hình 3.1, hệ thống sẽ có năm khối chính:

- Khối Node (Node 1 và Node 2): thu thập dữ liệu từ các cảm biến và trạng thái nút nhấn khẩn cấp mà người dùng tương tác Dữ liệu sau đó được đóng gói thành gói tin và gửi đến Gateway qua mạng LoRa

- Khối Gateway: vụ nhận các gói tin gửi từ các Node và phân tích các gói tin trước khi truyền dữ liệu lên cơ sở dữ liệu

- Cơ sở dữ liệu: lưu trữ, đồng bộ và cập nhật dữ liệu nhận từ Gateway

- App Android: xây dựng một ứng dụng giúp người giám sát theo dõi từ xa thông qua điện thoại có kết nối Internet

- Website: xây dựng thêm một trang web hiện thông tin cá nhân đã đăng ký và người sử dụng có nhiều sự lựa chọn trong quá trình tương tác.

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.3.1 Chức năng của phần cứng

Các chức năng của phần cứng mà nhóm đề xuất dựa trên yêu cầu của hệ thống gồm có:

- Thu thập các chỉ số về tình trạng sức khỏe về nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể

- Hiển thị các chỉ số cảm biến thông qua màn hình Oled

- Trực tiếp kích hoạt còi cảnh báo khi chỉ số đo vượt ngưỡng cho phép

Hình 3.1: Mô hình tổng quan toàn hệ thống

- Thực hiện cuộc gọi hoặc tin nhắn thông qua nút nhấn khẩn cấp

- Cập nhật và lưu trữ các giá trị đo lên cơ sở dữ liệu trực tuyến

3.3.2 Sơ đồ khối phần cứng

Dựa vào chức năng phần cứng và yêu cầu hệ thống, nhóm đã thiết kế sơ đồ khối và mô tả các chức năng của từng khối đó

Trong sơ đồ khối toàn hệ thống hình 3.2, mỗi khối có chức năng như sau:

- Khối Gateway: kết nối với các khối xử lý cảm biến để truyền và nhận các gói tin đo từ các cảm biến từ khối xử lý cảm biến để gửi đến cơ sở dữ liệu

- Khối xử lý cảm biến: đọc các giá trị đo từ các cảm biến, xử lý và đóng gói dữ liệu để gửi đến khối Gateway và hiện lên màn Oled để người dùng theo dõi trực tiếp

- Khối cảm biến: thu thập các giá trị đo từ các cảm biến và xử lý thành tín hiệu điện

- Khối module SIM: dùng để thực hiện cuộc gọi hoặc gửi tin nhắn đến số điện thoại đã được đăng ký trước để cảnh báo đến người dùng

- Khối hiển thị Oled: hiển thị các giá trị đo từ cảm biển nhận từ khối xử lý cảm biến lên màn hình Oled

- Khối cảnh báo: nhận dữ liệu từ khối xử lý cảm biến và sử dụng nút nhấn để cảnh báo

Hình 3.2: Sơ đồ khối toàn hệ thống

- Khối thu phát RF Lora: nhận dữ liệu từ khối xử lý cảm biến chuyển đổi thành sóng RF truyền đến Gateway và ngược lại

- Cơ sở dữ liệu: lưu trữ và cập nhật dữ liệu lên trang web và ứng dụng di động để người dùng theo dõi và giám sát từ xa

- Khối hiển thị trên App và Web: khối này cho phép truy xuất và hiển thị các dữ liệu được lưu trữ và cập nhật liên tục trong cơ sở dữ liệu, giúp cho việc quản lý và theo dõi thông tin trên trở nên dễ dàng hơn

- Khối nguồn: cung cấp điện áp ổn định cho hệ thống

Cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy máu MAX30100

Chức năng: thu thập dữ liệu nhịp tim và nồng độ oxy máu từ người dùng Nhóm đã tạo bảng bảng so sánh các cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy máu thường được sử dụng trong các mô hình hệ thống:

Bảng 3.1: Bảng so sánh giữa MAX30102 và MAX30100

Giao tiếp I2C, mức tính hiệu TTL I2C, mức tính hiệu TTL

- Khả năng xuất dữ liệu nhanh

- Tốc độ lấy mẫu cao

- Khả năng phục hồi tạo tác chuyển động mạnh mẽ của SNR cao

- SNR cao, phục hồi hiện tượng chuyển động mạnh mẽ

- Tích hợp khả năng khử ánh sáng xung quanh

- Khả năng tốc độ lấy mẫu cao

- Khả năng xuất dữ liệu nhanh

5.6mm x 3.3mm x 1.55mm 5.6mm x 2.8mm x 1.2mm

Hoạt động ở mức năng lượng cực thấp

Hoạt động ở mức năng lượng cực thấp

Cải tiến Không có Tích hợp LED và cảm biến quang điện

Nhóm chọn cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy máu MAX30100 (hình 3.3) vì thiết kế nhỏ gọn và được cải tiến về mặt quang học Ngoài khả năng tốc độ lấy mẫu và xuất dữ liệu nhanh, cảm biến MAX30100 có độ bền, độ chính xác cao, độ nhiễu thấp và tăng tuổi thọ thiết bị khi hoạt động ở mức năng lượng thấp Thông số kĩ thuật của MAX30100:

- Tích hợp đèn LED và cảm biến quang điện

- Kích thước: 5.6mm x 2.8mm x 1.2mm

- Hoạt động năng lượng thấp giúp tăng tuổi thọ pin cho các thiết bị đeo

- Tốc độ mẫu có thể lập trình và dòng điện LED cho tiết kiệm điện

- Dòng tắt máy cực thấp: 0,7μA, typ

- Chức năng nâng cao cải thiện hiệu suất đo lường

- SNR cao cung cấp khả năng phục hồi chuyển động mạnh mẽ

- Tích hợp hủy ánh sáng xung quanh

- Khả năng tỷ lệ tốc độ lấy mẫu cao và xuất dữ liệu nhanh

- Giao tiếp: I2C, mức tín hiệu TTL [7]

Cảm biến nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614

Chức năng: thu thập dữ liệu nhiệt độ cơ thể từ người sử dụng

Nhóm đã tạo bảng bảng so sánh các cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc thường được sử dụng phổ biến trong các mô hình hệ thống:

Hình 3.3: Cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy máu

Bảng 3.2: Bảng so sánh cảm biến nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc

Cảm biến GY-906 BAA MLX90614

Cảm biến GY-906 BCC MLX90614

Phạm vi đo nhiệt độ xung quanh

Phạm vi nhiệt độ đối tượng

-70 °C - 380 °C 70 °C - 380 °C Độ phân giải 0,02 ℃ 0,02 ℃ Độ chính xác ±0.5 ° C ±0.5 ° C

Kích thước 11.5 x 16.5mm 16.6 x 11.1mm Đầu ra PWM Có thể điều chỉnh Có thể điều chỉnh

Dựa vào bảng so sánh trên, nhóm chọn cảm biến nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc GY-906 BAA MLX90614 như hình 3.4 có ưu điểm như: kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, độ chính xác cao và không cần trực tiếp tiếp xúc để đo nhiệt độ mà còn có phạm vi đo nhiệt độ rộng hơn và công suất hoạt động thấp

- Phạm vi nhiệt độ môi trường xung quanh: -40°C - 125°C

- Phạm vi nhiệt độ của đối tượng: -70°C - 380°C

- Độ phân giải đo lường: ±0.2°C

- Độ chính xác nhiệt độ: ±0.5°C

Hình 3.4: Cảm biến nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc

- Dòng/ Nguồn hiện tại: 25mA

- Độ phân giải ADC: 17 bit [8]

Sơ đồ kết nối chân:

Hình 3.5 thể hiện cách kết nối dây của khối xử lý cảm biến với cảm biến MAX30100 và cảm biến GY-906:

- Hai cảm biến được cấp nguồn đầu vào 3.3V để bắt đầu hoạt động

- Cảm biến MAX30100 được kết nối qua chuẩn giao tiếp I2C, bao gồm kết nối các chân SDA và SCL để truyền dữ liệu thu thập chỉ số nhịp tim và nồng độ oxy máu

- Tương tự, cảm biến GY-906 kết nối qua chuẩn giao tiếp I2C, sử dụng các chân SDA và SCL để truyền dữ liệu nhiệt độ cơ thể

Chức năng: cảnh báo người dùng bằng các cuộc gọi hoặc tin nhắn khi nhấn nút khẩn cấp thông qua số điện đã đăng ký trước

Hình 3.5: Sơ đồ kết nối chân của khối cảm biến

Nhóm chọn module SIMCOM A7680C vì module có hỗ trợ SMS và 4G-LTE tương thích với các dòng module 2G với hiệu suất ổn định và được tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng thấp phù hợp yêu cầu hệ thống

- Băng tần: LTE-CAT.1 10Mbps

- Tích hợp mạch level-shift cho các MCU 1.8V/3.3V/5V [9]

Sơ đồ kết nối chân:

Hình 3.7 Thể hiện cách nối dây của khối xử lý cảm biến với module SIM A7680C thông qua chuẩn giao tiếp GPIO như sau:

- VCC(SIM) - OUT+(TP4058): sử dụng nguồn ra từ pin lipo vơi mức điện áp 3.7- 4.2v để kích hoạt module SIM A7680C

- TX(SIM) - D4: sử dụng giao tiếp UART truyền và nhận dữ liệu giữa ESP32 và module SIM A7680C

- RX(SIM) - D2: sử dụng giao tiếp UART truyền và nhận dữ liệu giữa ESP32 và module SIM A7680C

Hình 3.7: Sơ đồ kết nối chân của Module SIM

- OUT+(LM2596) - Vcc: sử dụng ổn áp lm2596 để điều chỉnh nguồn ra mức điện áp 3.3V đảm bảo cho khối xử lý cảm biến hoạt động ổn định

- Call(switch) - D14(: giữ 3s để kích hoạt cuộc gọi khẩn cấp

Chức năng: cảnh báo người dùng khi có các chỉ số cảm biến vượt ngưỡng cho phép

Bảng 3.3: Bảng so sánh giữa các Buzzer

Buzzer 3VDC Buzzer 5VDC Buzzer SFM 27 Điện áp hoạt động 3V - 5V 3.5V - 5.5V 3V-24V

Dòng định mức 80 dB ≥85dB

Tần số cộng hưởng 2300Hz ± 500Hz 2300Hz ± 500Hz 3000 ± 500Hz

Chọn buzzer 5VDC vì phù hợp với nguồn điện của hệ thống và kích thước nhỏ hơn so với buzzer SFM27, cường độ âm thanh lớn hơn so với buzzer 3VDC thích hợp môi trường cần âm thanh cảnh báo lớn và điện áp hoạt động ổn định Thông số kỹ thuật

- Dòng điện tiêu thụ: nhỏ hơn 25mA

- Tần số cộng hưởng: 2300Hz ± 500Hz

- Biên độ âm thanh: lớn hơn 80 dB

Sơ đồ kết nối chân:

Hình 3.8 thể hiện cách kết nối nối dây của khối Gateway với khối cảnh báo thông qua chuẩn giao tiếp GPIO như sau:

- (LED) - D2: sáng lên khi có tín hiệu cảnh báo từ Node

- (Buzzer) - D4: kích hoạt còi cảnh báo khi có tín hiệu cảnh báo từ Node

Chức năng: hiển thị các chỉ số đo từ các cảm biến thông qua màn hình

Với yêu cầu hệ thống là hiển thị các chỉ số đo, nhóm chọn màn hình Oled 0.96 inch 128x64 (hình 3.9) làm màn hiển thị Với kích thước nhỏ gọn, màn hình Oled có độ sáng cao và độ tương phản tốt cho phép hiển thị các thông tin rõ ràng và sắc nét hơn Ngoài ra, màn hình Oled có thời gian đáp ứng nhanh hơn màn hình LCD với mức chi phí phù hợp và dễ tích hợp trong các thiết bị điện tử cỡ nhỏ

Hình 3.9: Màn hình Oled 0.96 inch 128x64 [11]

Hình 3.8: Sơ đồ kết nối chân của khối cảnh báo

- Góc nhìn rộng: lớn hơn 160°

- Tiêu thụ điện năng cực thấp: 0.04W

- Chip trình điều khiển: SSD1306

Sơ đồ kết nối chân:

Hình 3.10 thể hiện cách nối dây của khối xử lý cảm biến (ESP32) với màn hình Oled qua chuẩn giao tiếp I2C bằng cách kết nối chân SDA của ESP32 với chân dữ liệu (Data) và chân SCL với chân đồng hồ (Clock) trên màn hình Oled, đồng thời kết nối chung đất và nguồn (VCC)

3.3.3.5 Khối xử lý cảm biến

- Nhận dữ liệu từ các cảm biến

- Xử lý và gửi dữ liệu đến khối cảnh báo và khối hiển thị

Nhóm đã tạo bảng so sánh giữa ESP32 và ESP8266 thường được sử dụng trong các mô hình hệ thống:

Hình 3.10: Sơ đồ kết nối chân màn Oled

Bảng 3.4: Bảng so sánh giữa các board

Bluetooth Bluetooh 4.2 và BLE Không hỗ trợ Bluetooth

Tần số xung nhịp 160Mhz 80MHz

Số lõi CPU 2 lõi 1 lõi

Từ bảng so sánh trên, ESP32 có những ưu thế hơn so với ESP8266 phù hợp với yêu cầu người dùng vì số lượng chân GPIO nhiều hơn, có 2 lõi xử lý nên tốc độ phản hồi và xử lý ổn định, có hỗ trợ kết nối Bluetooth và cung cấp Wi-fi có băng thông rộng nên tốc độ truyền dữ liệu cao hơn và kết nối ổn định hơn

- CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor

- Tốc độ xử lý 160MHZ

- Tốc độ xung nhịp đọc flash chip: 40mhz - 80mhz

- Bộ nhớ nội: 448 KB bộ nhớ ROM và 520 KB bộ nhớ SRAM

- Kết nối không dây: Wi-Fi: 802.11 b/g/n, Bluetooth: v4.2 BR/EDR và BLE

- Hệ thống xung nhịp: CPU Clock, RTC Clock và Audio PLL Clock

Hình 3.11: Sơ đồ chân của ESP32 [12]

Hình 3.11 trình bày sơ đồ chân của ESP32 bao gồm 34 chân GPIO và một số chân chức năng khác Để mô tả sơ đồ chân của ESP32 34 GPIOs, chúng ta có thể phân loại chúng thành từng nhóm chức năng như sau:

Chân nguồn: ESP32 có 3 chân nguồn cung cấp cho bo mạch, bao gồm:

- VIN: chân cung cấp nguồn DC 5V - 12V

- 3V3: chân cung cấp điện áp 3.3V

Chân UART: ESP32 có 3 chân UART để truyền thông với các thiết bị ngoại vi khác, bao gồm:

- RX0 và TX0: chân UART0 dùng để kết nối các thiết bị ngoại vi như máy tính, module Bluetooth,

- RX1 và TX1: chân UART1 dùng để kết nối các thiết bị ngoại vi khác Chân SPI: ESP32 có 4 chân SPI để giao tiếp các thiết bị khác như module TFT, flash memory, bao gồm:

- MOSI, MISO và SCLK: chân SPI0 dùng để truyền dữ liệu

- CS0: chân Chip Select dùng để chọn thiết bị SPI

- Chân I2C: ESP32 có 2 chân I2C để giao tiếp các thiết bị cảm biến, màn hình LCD, bao gồm: SDA và SCL dùng để truyền dữ liệu

Chân ADC: ESP32 có 18 chân đầu vào analog để đọc các tín hiệu analog từ cảm biến hoặc nguồn điện

Chân PWM: ESP32 có 16 chân đầu ra PWM để điều khiển độ sáng đèn LED, tốc độ quay động cơ,

Chân đa năng: ESP32 có các chân đa năng dùng cho nhiều mục đích như:

- GPIO: ESP32 có 34 chân GPIO để sử dụng làm đầu vào (Input) hoặc đầu ra (Output) kỹ thuật số

- Touch: ESP32 có 10 chân đầu vào cảm ứng để đọc các tín hiệu cảm ứng từ người dùng

- DAC: ESP32 có 2 chân đầu ra analog để phát ra âm thanh [12]

Sơ đồ kết nối chân:

Hình 3.12 mô tả cách nối dây của khối xử lý cảm biến (ESP32) với khối cảm biến và module SIM và màn hình Oled thông qua chuẩn giao tiếp GPIO

- SDA (D21) và SCL (D22): chân dữ liệu và chân đồng hồ đảm bảo truyền và nhận dữ liệu theo chuẩn I2C với các cảm biến

- D4 và D2: chân truyền và nhận dữ liệu theo chuẩn UART giữa module ESP32 và SIM7680C

- D14: kết nối module SIM thực hiện cuộc gọi và tin nhắn khẩn cấp

- D12: kết nối màn hình Oled để màn hình hiển thị thông tin nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể từ khối cảm biến

3.3.3.6 Khối thu phát RF LoRa

Mạch Thu Phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m

Mạch thu phát LoRa E32 có tích hợp chuyển đổi giao tiếp SPI sang UART hỗ trợ việc giao tiếp dễ dàng hơn

- Điện áp hoạt động: 2.3 – 5.5 VDC

- Điện áp giao tiếp: TTL

Hình 3.12: Sơ đồ kết nối chân của khối xử lý cảm biến

- Giao tiếp UART Data bits 8, Stop bits 1, Parity none, tốc độ từ 1200 –

- Khoảng cách truyền tối đa trong điều kiện lý tưởng: 3000m

- Tốc độ truyền: 0.3 – 19.2 Kbps ( mặc định 2.4 Kbps)

- Hỗ trợ 65536 địa chỉ cấu hình

Hình 3.13 mô tả sơ đồ chân của mạch thu phát Lora E32 như sau:

- M0: hoạt động với chân M1 để chọn 4 chế độ hoạt động của module

- M1: hoạt động với chân M0 để chọn 4 chế độ hoạt động của module

- RXD: đầu vào TLL UART, kết nối với chân ngõ ra TXD bên ngoài

- TXD: đầu vào TLL UART, kết nối với chân ngõ vào RXD bên ngoài

- AUX: chân trạng thái, hiển thị trạng thái hoạt động của mạch

- VCC: chân cung cấp điện áp cho mạch

THIẾT KẾ PHẦN MỀM

3.4.1 Thiết kế cơ sở dữ liệu (Firebase)

Nhóm sử dụng Firebase Realtime Database để lưu trữ và cập nhật dữ liệu khi có sự thay đổi giá trị từ các cảm biến khi nhận các gói tin từ Gateway gửi đến Dưới đây là sơ đồ thiết kế cơ sở dữ liệu:

Sơ đồ hình 3.27 mô tả các thông tin về nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể của người dùng Ngoài ra, sơ đồ còn lưu trữ trạng thái nút nhấn khẩn cấp và thông tin cá nhân người sử dụng

Hình 3.27: Sơ đồ thiết kế cơ sở dữ liệu

Dữ liệu thông tin từ các cảm biến đo dựa vào mã id (lora1 và lora2) của từng node sau khi thiết kế trên Firebase

Hình 3.28 mô tả các kết quả từ các cảm biến đo nhịp tim, nồng độ oxy máu, nhiệt độ cơ thể và trạng thái nút nhấn khẩn cấp để phát hiện nút nhấn đang ở trạng thái bật hay tắt để cảnh báo đến ứng dụng di động

Trong mỗi mã id của từng node đều có thông tin người đăng ký trước đó thông qua ứng dụng di động

Hình 3.28: Thông tin các các cảm biến đo trên Firebase

Hình 3.29: Thông tin cá nhân người dùng trên Firebase

Hình 3.29 mô tả nơi lưu trữ thông tin cá nhân người dùng được cung cấp mã id khi đăng ký tạo tài khoản trên ứng dụng di động bao gồm: số điện thoại, gmail, mật khẩu, tên người dùng, giới tính và ngày sinh

3.4.2.1 Sơ đồ chức năng hoạt động của ứng dụng

Sơ đồ mô tả chức năng của trang web giám sát chỉ số nhịp tim và nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể:

Hình 3.30: Sơ đồ chức năng giám sát chỉ số nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể

Hình 3.30 mô tả các tính năng dự kiến được thiết kế trong trang web giám sát nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể, bao gồm quản lý tài khoản người sử dụng đã đăng ký tài khoản, quản lý thông tin cá nhân của bệnh nhân và giám sát sức khỏe về nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể của từng bệnh nhân

3.4.2.2 Lưu đồ của trang web

Lưu đồ quản lý tài khoản người dùng:

Người dùng sẽ đăng nhập bằng Email và mật khẩu đã đăng kí trước đó Khi nhấn nút “Đăng nhập”, nếu tài khoản và mật khẩu nhập xác nhận đúng thì màn hình tiến hành chuyển sang trang chủ

Hình 3.31: Lưu đồ quản lý tài khoản

Lưu đồ quản lý thông tin sức khỏe bệnh nhân:

Ban đầu, trang web sẽ cập nhật thông tin cá nhân và các thông số về chỉ số nhịp tim, nồng độ oxy máu, nhiệt độ cơ thể được nhận từ Firebase được đo từ các bệnh nhân Khi người dùng nhấn nút “Đăng xuất”, thì trang web sẽ chuyển sang giao diện đăng nhập

Hình 3.32: Lưu đồ quản lý thông tin sức khỏe.

3.4.3 Thiết kế ứng dụng Android

3.4.3.1 Sơ đồ chức năng hoạt động của ứng dụng

Sơ đồ mô tả chức năng của ứng dụng giám sát chỉ số nhịp tim và nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể:

Hình 3.33 mô tả những chức năng dự kiến sẽ thiết kế trong ứng dụng giám sát chỉ số nhịp tim và nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể bao gồm: quản lý tài khoản, quản lý và giám sát sức khỏe, thông báo và cài đặt Trong đó, ứng dụng có hỗ trợ trực tiếp đổi tài khoản, mật khẩu và xóa tài khoản nếu người giám sát không muốn sử dụng tài khoản nữa

Hình 3.33: Sơ đồ chức năng của ứng dụng giám sát chỉ số nhịp tim và nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể

3.4.3.2 Lưu đồ của ứng dụng Android

Lưu đồ quản lý tài khoản:

Ban đầu phải đăng nhập bằng số điện thoại và mật khẩu đã đăng kí Khi nhấn nút đăng nhập, nếu tài khoản và mật khẩu nhập đúng thì giao diện chuyển sang giao diện chính Nếu người dùng quên mật khẩu thì chỉ cần nhập đúng số điện thoại và mã ID đã đăng kí rồi nhấn nút “Xác nhận” Nếu xác nhận thành công thì màn hình chuyển sang giao diện “Cập nhật mật khẩu mới” để tạo mật khẩu mới Người dùng sau khi hoàn thành đổi mật khẩu mới sẽ chuyển về giao đăng nhập

Hình 3.34: Lưu đồ quản lý tài khoản

Lưu đồ quản lý và giám sát sức khỏe:

Ban đầu giao diện sẽ cập nhật các thông số về chỉ số nhịp tim, nồng độ oxy máu, nhiệt độ cơ thể và trạng thái nút nhấn khẩn cấp được nhận từ Firebase Khi người dùng muốn xem một trong ba chỉ số trên, nhấn vào mục đo nhịp tim, nồng độ oxy máu hoặc nhiệt độ cơ thể thì màn hình chính sẽ chuyển sang giao diện của các mục yêu cầu chuyển đến tùy vào nhu cầu mà người giám sát muốn theo dõi chỉ số nào

Hình 3.35: Lưu đồ quản lý và giám sát sức khỏe

Mỗi chỉ số sức khỏe đều có các ngưỡng cho phép Nếu giá trị của chỉ số vượt quá ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ tự động kích hoạt cảnh báo bằng cách phát ra âm thanh còi để thông báo cho người dùng

Lưu đồ giới hạn nhịp tim:

Các giá trị và trạng thái nhịp tim sẽ được gửi từ Gateway và cập nhật lên Firebase Các giá trị, trạng thái và nội dung cảnh báo về nhịp tim sẽ hiện thị trên ứng dụng di động và trang web Nếu giá trị nhịp tim cao hoặc thấp hơn ngưỡng cho phép, thì hệ thống sẽ bật còi cảnh báo khẩn cấp và hiện hộp thoại thông báo trên ứng dụng di động và trang web

Hình 3.36: Lưu đồ giới hạn nhịp tim

Lưu đồ giới hạn nồng độ oxy máu:

Các giá trị và trạng thái nồng độ oxy máu sẽ được gửi và cập nhật lên Firebase Từ Firebase, các giá trị và trạng thái nồng độ oxy máu sẽ hiện thị trên ứng dụng di động và trang web Nếu giá trị nồng độ oxy máu cao hoặc thấp hơn ngưỡng cho phép, thì hệ thống sẽ bật còi cảnh báo khẩn cấp và hiện hộp thoại thông báo trên ứng dụng di động và trang web

Hình 3.37: Lưu đồ giới hạn nồng độ oxy máu

Lưu đồ giới hạn nhiệt độ cơ thể:

Các giá trị và trạng thái nhiệt độ cơ thể sẽ được gửi và cập nhật lên Firebase Từ Firebase, các giá trị và trạng thái nhiệt độ cơ thể sẽ hiện thị trên ứng dụng di động và trang web Nếu giá trị nhiệt độ cơ thể cao hoặc thấp hơn ngưỡng cho phép, thì hệ thống sẽ bật còi cảnh báo khẩn cấp và hiện hộp thoại thông báo trên ứng dụng di động và trang web

Hình 3.38: Lưu đồ giới hạn nhiệt độ cơ thể

Lưu đồ gửi thông báo:

Ban đầu giao diện sẽ cập trạng thái nút nhấn khẩn cấp nhận từ Firebase Ở ứng dụng di động, nếu trạng thái là tín hiệu mức cao (đã được kích hoạt), kênh thông báo sẽ trực tiếp xuất hiện màn hình ứng dụng Ở trang web, màn hình sẽ hiện nháy đỏ phần thông tin bệnh nhân để cảnh báo

Hình 3.39: Lưu đồ gửi thông báo

Lưu đồ phần cài đặt:

KẾT QUẢ

KẾT QUẢ MÔ HÌNH THI CÔNG

Trước khi vẽ layout PCB toàn mạch, nhóm thực hiện đã lập danh sách các linh kiện được sử dụng

Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện trong mạch

STT Tên linh kiện Số lượng

2 Cảm biến nhịp tim và oxy máu MAX30100 1

3 Cảm biến nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc GY-

8 Ăng-ten RF 433MHz 3DBi 2

9 Mạch giảm áp DC LM2596 3A 2

10 Mạch Sạc Pin Có Bảo Vệ TP4056 1A TYPE-C 2

Bảng 4.1 cho biết tổng số lượng linh kiện được đề cập từ mục thiết kế phần cứng trong chương 3

Sau khi lựa chọn các linh kiện, tính toán các thông số mạch và thiết kế sơ đồ nguyên lý, nhóm sử dụng công cụ EasyEDA để tiến hành thiết kế mạch PCB và mô phỏng dạng 3D

- Đối với layout mạch PCB của khối xử lý cảm biến:

49 Để có cái nhìn tổng quan trong việc thi công mạch, nhóm đã mô phỏng sơ đồ đã bố trí các linh kiện để dễ dàng nhận dạng các linh kiện trên mạch được mô phỏng dạng 3D:

Hình 4.2: Mặt trước mạch của khối xử lý cảm biến dạng 3D

Hình 4.1: Layout mạch PCB của khối xử lý cảm biến

Thiết kế độ rộng đương nguồn 2mm thuận lợi cho việc cung cấp nguồn cho MCU và các linh kiện khác Cố gắng biến đổi các đường line top layer thành bottom layout để dễ dàng đi dây hơn

- Đối với layout mạch PCB của khối Gateway:

Hình 4.3: Mặt sau mạch của khối xử lý cảm biến dạng 3D

Hình 4.4: Layout mạch PCB của khối Gateway

Tương tự với mạch của khối xử lý cảm biến, sơ đồ mạch khối Gateway cũng bố trí các linh kiện để dễ dàng nhận dạng các linh kiện trên mạch được mô phỏng dạng 3D:

Tương tự mạch Gateway được thiết kế độ rộng đương nguồn 2mm thuận lợi cho việc cung cấp nguồn cho MCU và các linh kiện khác

Hình 4.5: Mặt trước mạch của khối Gateway dạng 3D

Hình 4.6: Mặt sau mạch của khối Gateway dạng 3D

4.1.2 Lắp ráp linh kiện và kiểm tra

Tiếp theo, nhóm tiến hành in mạch và hàn linh kiện Sau khi lắp ráp và hàn linh kiện, nhóm sẽ chạy thử để kiểm tra xem mạch hoạt động có bị trục trặc hay dây có bị chập

Mạch cảm biến sau khi hoàn thành lắp ráp và hàn linh kiện:

Sau đó, nhóm tiếp tục lắp ráp, hàn linh kiện và kiểm tra mạch Gateway để kiểm tra kết quả

Mạch Gateway sau khi hoàn thành sau khi hàn linh kiện:

Khi hoàn tất việc hàn linh kiện và kiểm tra mạch, nhóm tiến hành đóng gói mô hình

Hình 4.8: Mạch Gateway sau khi hàn

Hình 4.7: Mạch khối xử lý cảm biến sau khi hàn linh kiện

Hai hộp đựng mạch, sử dụng để đóng gói mô hình, ứng với kích cỡ của mạch cảm biến và mạch Gateway như sau:

Hộp sẽ được đưa đi in 3D và lắp màn Oled, đầu anten và các cảm biến tương ứng với vị trí ở bản thiết kế như hình 4.7 Ở bản thiết kế này, mạch cảm biến sẽ được thiết kế một đầu kẹp riêng cho cảm biến MAX30100 đo nhịp tim và nồng độ oxy máu

Hộp đựng mạch cảm biến sau khi in và đóng gói: Đối với hộp đựng mạch Gateway chỉ cần lắp đầu anten tương ứng với vị trí ở bản thiết kế hình 4.8

Hình 4.10: Hộp đựng mạch sau khi in Hình 4.9: Bản thiết kế hộp đựng 3D

Hình 4.11: Hộp đựng mạch khối xử lý cảm biến hoàn thiện

Hộp đựng mạch Gateway sau khi lắp ráp và đóng gói:

Mô hình hệ thống giám sát nhịp tim và nồng độ oxy máu hoàn thiện:

Hình 4.12: Hộp đựng mạch Gateway hoàn thiện

Hình 4.13: Mô hình hệ thống hoàn chỉnh

KẾT QUẢ PHẦN MỀM THIẾT KẾ

Phần mềm Web có các chức năng như sau:

- Xem thông tin của từng bệnh nhân đã đăng ký

- Hiển thị các giá trị kết quả nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể

- Đưa ra các đồ thị biểu diễn các giá trị đo được

4.2.1.1 Trang đăng ký tài khoản

Nếu người dùng chưa có tài khoản thì nhấn vào “Tạo tài khoản mới” để đăng ký tạo tài khoản mới Trang web sẽ chuyển sang trang đăng ký tài khoản

Hình 4.14: Trang web đăng ký

Trong hình 4.14, người dùng đăng ký tài khoản bằng email và tạo mật khẩu Khi đăng ký tài khoản thành công, trang web sẽ chuyển sang trang đăng nhập

4.2.1.1 Trang đăng nhập tài khoản

Nếu người dùng đã có tài khoản trước đó hoặc đã tạo tài khoản chỉ cần nhập email và mật khẩu:

Hình 4.15: Trang web đăng nhập

Hình 4.15 là trang đăng nhập tài khoản trên web Sau khi đăng nhập thành công, trang web sẽ chuyển sang trang chủ

Trong trang chủ, người dùng sẽ theo dõi số lượng bệnh nhân đã đăng ký tài khoản

Dựa trên hình 4.16, các bệnh nhân đã đăng ký cập nhật từ Firebase và hiện lên trang chủ của trang web

4.2.1.3 Giao diện biểu đồ dữ liệu

Trong mỗi mục, các giá trị từ ba chỉ số: nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể sẽ được biểu diễn dưới dạng biểu đồ đường thẳng

Trong hình 4.17, các giá trị của ba chỉ số sức khỏe trên sẽ được cập nhật từ cơ sở dữ liệu và hiển thị trang chủ chính của trang web Để dễ quan sát biểu đồ, nhóm sử dụng ba màu khác nhau tượng trưng cho ba giá trị khác nhau

Hình 4.16: Giao diện trang chủ

Hình 4.17: Giao diện biểu đồ dữ liệu

4.2.2 Thiết kế phần mềm ứng dụng Android

Khi mở ứng dụng, màn hình sẽ hiện giao diện đăng nhập đầu tiên: Ở hình 4.18, người sử dụng sẽ đăng nhập bằng số điện thoại và mật khẩu đã đăng ký Nếu đăng nhập thành công, màn hình sẽ hiển thị qua màn hình chính của ứng dụng

Người sử dụng chưa có tài khoản thì nhấn vào “Chưa có tài khoản? Đăng ký ngay” để tạo tài khoản mới Giao diện sẽ chuyển sang giao diện đăng ký

Hình 4.19: Giao diện đăng ký

Hình 4.18: Giao diện đăng ký

4.2.2.3 Giao diện chính của ứng dụng

Trong màn hình chính, chế độ đo sức khỏe có ba phần bao gồm: nhiệt độ, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể

Trong hình 4.20, người dùng sẽ chọn một trong ba chế độ mà người dùng muốn theo dõi Ngoài ra, lịch được đặt ở đầu để hiển thị ngày và thứ trong tuần Bên dưới có các bài báo với nội dung tìm hiểu về các chỉ số sức khỏe trên

4.2.2.4 Giao diện hiển thị kết quả đo các chỉ số sức khỏe

Giao diện hiện kết quả đo nhịp tim bao gồm: hiện giá trị đo nhịp tim nhận từ Firebase và đồ thị về các giá trị nhịp tim

Hình 4.20: Giao diện chính ứng dụng

Hình 4.21: Giao diện hiện kết quả đo nhịp tim

Trong hình 4.21, giao diện hiện giá trị đo nhịp tim, số tuổi của người dùng dựa vào ngày sinh đã đăng ký, trạng thái nhịp tim để đưa ra lời khuyên và chỉ số lý tưởng nhịp tim khi vận động dựa vào tuổi của từng đối tượng Ngoài ra, đồ thị để theo dõi và quan sát biến động của nhịp tim

Tương tự như giao diện trên, giao diện hiện kết quả đo nồng độ oxy máu bao gồm: hiển thị giá trị nồng độ oxy máu nhận từ Firebase và đồ thị theo dõi các biến động dựa trên giá trị nồng độ oxy máu

Giao diện ở hình 4.22 hiện giá trị đo oxy máu, số tuổi của người dùng dựa vào ngày sinh đã đăng ký, trạng thái nồng độ oxy máu để đưa ra lời khuyên và chỉ số nồng độ oxy máu trung bình của từng độ tuổi cần duy trì Ngoài ra, biểu đồ tuyến tính để theo dõi và quan sát biến động bất thường của nồng độ oxy máu Cuối cùng là giao diện hiện kết quả đo nhiệt độ cơ thể cũng hiển thị giá trị đo nhịp tim, số tuổi của người dùng dựa vào ngày sinh đã đăng ký, trạng thái hiện tại nhiệt độ cơ thể để đưa ra lời khuyên, giá trị nhiệt độ cơ thể ở độ Fahrenheit và cung cấp biểu đồ để theo dõi tổng quan hơn

Hình 4.22: Giao diện hiện kết quả đo oxy máu

Giao diện ở hình 4.23 hiển thị giá trị nhiệt độ cơ thể, số tuổi của người dùng dựa vào ngày sinh đã đăng ký, đồ thị để theo dõi và quan sát biến động bất thường của nhiệt độ cơ thể

4.2.2.5 Giao diện thông báo khẩn cấp

Khi nút nhấn khẩn cấp được kích hoạt, trạng thái nút nhấn sẽ được gửi lên Firebase và gửi thông báo đẩy đến điện thoại để cảnh báo đến người dùng

Nếu trạng thái nút nhấn vẫn ở mức cao, thì thông báo khẩn cấp sẽ liên tục lặp lại thông báo khẩn cấp cứ sau 5s

Trong giao diện thông báo, hình ảnh chuông cảnh báo sẽ đổi màu khi có sự xuất hiện của thông báo khẩn cấp

Hình 4.24: Thông báo khẩn cấp

Hình 4.23: Giao diện hiện kết quả đo nhiệt độ cơ thể

Trong hình 4.25, khi người dùng bấm nút khẩn cấp thì bên ứng dụng sẽ nhận được thông báo bao gồm: tên người đã đăng ký và ngày giờ thông báo hiển thị và xóa các thông báo cũ bằng cách nhấn biểu tượng nằm góc bên phải của giao diện

Các mục trong phần “Cài đặt” bao gồm: thông tin cá nhân, lịch sử hiển thị kết quả các giá trị đo sức khỏe, các tin tức liên quan đến sức khỏe, trợ giúp và đăng xuất

Trong phần “Cài đặt” như hình 4.26, sẽ hiện tên, mã ID, số điện thoại và gmail và một số mục đã được liệt kê trên

Hình 4.26: Giao diện cài đặt

Hình 4.25: Giao diện thông báo khẩn cấp

4.2.2.7 Giao diện thông tin cá nhân

Trong giao diện này, người dùng xem hồ sơ thông tin đã đăng ký trước đó và cho phép cập nhật lại thông tin cá nhân

Khi người dùng nhấn nút cập nhật thông tin, màn hình sẽ hiện ra một hộp thoại để chỉnh sửa lại các thông tin cá nhân và nhấn nút “CẬP NHẬT” để hoàn tất việc chỉnh sửa

Sau khi nhập các thông tin cần chỉnh sửa thành công, các thông tin thay đổi sẽ được cập nhật lên Firebase, mục “Thông tin cá nhân” và thông tin ở phần cài đặt

Hình 4.28: Hộp thoại cập nhật thông tin

Hình 4.27: Giao diện thông tin cá nhân

4.2.2.8 Giao diện lịch sử kết quả các chỉ số sức khỏe

HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

4.3.1 Cách thức hoạt động của thiết bị

Sau khi khởi động, cần phải đợi một vài giây để thiết bị khởi động hoàn toàn

Hình 4.40: Thiết bị hoàn tất việc khởi động

Khi đo nhịp tim và nồng độ oxy máu, cần đặt ngón tay vào đầu kẹp của hệ thống và hạn chế cử động ngón tay để lấy được kết quả chính xác nhất

Hình 4.41 mô tả cách sử dụng hệ thống để đo nhịp tim và nồng độ oxy máu chính xác

Hình 4.41: Cách đo nhịp tim và nồng độ oxy máu

Tiếp theo cách đo nhiệt độ cơ thể, chỉ cần đưa lòng bàn tay hoặc đưa lại gần hai bên thái dương đến chỗ cảm biến MLX90614 như hình bên dưới:

Kết quả đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ cơ thể hiển thị lên màn Oled và các dữ liệu được gửi qua mạng LoRa được đưa lên cơ sở dữ liệu Firebase để cập nhật và lưu trữ Sau khi đăng nhập, ứng dụng di động và trang web sẽ nhận dữ liệu từ Firebase và hiển thị dữ liệu trên giao diện

Khi một trong ba chỉ số nhịp tim, nồng độ oxy trong máu hoặc nhiệt độ cơ thể vượt ngưỡng giá trị đã cài đặt trước thì thiết bị kích hoạt còi cảnh báo và gửi tin nhắn đến số điện thoại đã đăng ký để cảnh báo người giám sát

Hình 4.42: Cách đo nhiệt độ cơ thể.

Nếu người dùng cần sự giúp đỡ nhưng không có ai bên cạnh thì nút nhấn khẩn cấp cũng là giải pháp cần thiết

Nếu nhấn nút khẩn cấp thì thiết bị thực hiện cuộc gọi đến số điện thoại người dùng đã đăng ký trước

Hình 4.43: Tin nhắn cảnh báo

Hình 4.44: Cuộc gọi khẩn cấp

4.3.2 Kết quả đo thực tế trên thiết bị Đối với đo nhịp tim và nồng độ oxy máu:

Nhóm dùng đồng hồ thông minh Huawei Watch để đo nhịp tim và nồng độ oxy máu Để có kết quả so sánh thực tế nhất, nhóm thực hiện đo trên cả hai Node bao gồm cả trạng thái khi tim nghỉ ngơi và khi tim được vận động

Hình 4.45 nhóm tiến hành đo nhịp tim và nồng độ oxy máu song song giữa hai thiết bị để mang lại kết quả có độ chính xác cao nhất Đầu tiên, nhóm thực hiện đo nhịp tim và nồng độ oxy máu khi cơ thể ở trạng thái bình thường

Bảng 4.2: Bảng so sánh kết quả ở trạng thái bình thường Node 1

Nhịp tim (BPM) Nồng độ oxy máu (%) Đồng hồ thông minh

Sai số (%) Đồng hồ thông minh

Hình 4.45: Kết quả so sánh đo nhịp tim và nồng độ oxy máu

Dựa vào bảng so sánh 4.2, sai số trung bình của nhịp tim và nồng độ oxy máu được đo khi ở trạng thái nghỉ ngơi tại Node 1 lần lượt là: 4.74% và 1.4% tương ứng với nhịp tim chênh lệch 4BPM và nồng độ oxy máu chênh lệch 1.3%

Bảng 4.3: Bảng so sánh kết quả ở trạng thái bình thường Node 2

Nhịp tim (BPM) Nồng độ oxy máu (%) Đồng hồ thông minh

Sai số (%) Đồng hồ thông minh

Dựa vào bảng so sánh 4.3, sai số trung bình của nhịp tim và nồng độ oxy máu được đo khi ở trạng thái nghỉ ngơi tại Node 2 lần lượt là: 2.91% và 2.05% tương ứng với nhịp tim chênh lệch 4BPM và nồng độ oxy máu chênh lệch 2% Tiếp theo, nhóm thực hiện đo nhịp tim và nồng độ oxy máu tại hai Node khi cơ thể ở trạng thái vận động

Bảng 4.4: Bảng so sánh kết quả ở trạng thái vận động Node 1

Nhịp tim (BPM) Nồng độ oxy máu (%) Đồng hồ thông minh

Sai số (%) Đồng hồ thông minh

Dựa vào bảng so sánh 4.4, sai số trung bình của nhịp tim và nồng độ oxy máu được đo khi ở trạng thái vận động tại Node 1 lần lượt là: 7.66% và 2.02% tương ứng với nhịp tim chênh lệch 8BPM và nồng độ oxy máu chênh lệch 2%

Bảng 4.5: Bảng so sánh kết quả ở trạng thái vận động Node 2

Nhịp tim (BPM) Nồng độ oxy máu (%) Đồng hồ thông minh

Sai số (%) Đồng hồ thông minh

Dựa vào bảng so sánh 4.5, sai số trung bình của nhịp tim và nồng độ oxy máu được đo khi ở trạng thái vận động tại Node 2 lần lượt là: 3.63% và 2.72% tương ứng với nhịp tim chênh lệch 4BPM và nồng độ oxy máu chênh lệch 2.67%

Kết luận: dựa vào bảng so sánh cả Node 1 và Node 2 thì độ chênh lệch giá trị đo nhịp tim và nồng độ oxy máu khi cơ thể ở trạng thái vận động cao hơn so với khi cơ thể ở trạng thái nghỉ ngơi Đối với đo nhiệt độ cơ thể:

Nhóm sử dụng nhiệt kế thủy ngân để thực hiện đo nhiệt độ cơ thể Nhóm thực hiện đo trên cả hai Node để mang lại kết quả thực tế nhất

Nhóm sử dụng tiến hành đo nhịp độ cơ thể song song giữa nhiệt kế và thiết bị đo để mang lại kết quả chính xác nhất

Hình 4.46: Kết quả so sánh đo nhiệt độ cơ thể

Bảng 4.6: Bảng so sánh kết quả nhiệt độ cơ thể ở Node 1

Node 1 Nhiệt kế thủy ngân ( °C ) Thiết bị của nhóm Sai số (%)

Dựa vào bảng so sánh 4.6, sai số trung bình của nhiệt độ cơ thể tại Node 1 là: 1.21%

Bảng 4.7: Bảng so sánh kết quả nhiệt độ cơ thể ở Node 2

Node 2 Nhiệt kế thủy ngân ( °C ) Thiết bị của nhóm ( °C ) Sai số (%)

Dựa vào bảng so sánh 4.6, sai số trung bình của nhiệt độ cơ thể tại Node 2 là: 0.805% Đánh giá tỷ lệ gói tin bị mất:

Nhóm tiến hành cho hệ thống chạy liên tục trong một giờ và thu thập tổng các số tin đã gửi để bắt đầu tính số gói bị mất mà nhóm Nhóm đặt Gateway ở độ cao khoảng 4m và các Node được đặt cách Gateway như trong bảng 4.8

Bảng 4.8: Tỷ lệ mất gói giữa các Node

Khoảng cách so với Gateway

Thời gian phản hồi mỗi gói tin

Tổng số gói tin đã gửi

Số gói tin bị mất

Tỷ lệ gói tin bị mất

Kết quả bảng 4.8 cho thấy tỷ lệ mất gói tin ở Node 1 cao hơn do Node 2 được đặt ở khoảng cách xa và bị chắn bởi nhiều vật cản như tòa nhà hoặc cây cối, dẫn đến điều kiện truyền dữ liệu kém hơn.Ngược lại, tại Node 2, tỷ lệ mất gói tin chỉ bằng một nửa so với Node 1 Điều này do Node 2 được đặt trong khoảng

76 cách gần và ít bị vật cản trở hơn so với Node 1, giúp điều kiện truyền dữ liệu tốt hơn

Hình 4.47 mô tả vị trí đặt mô hình hệ thống mà nhóm đã tiến hành thực hiện tại các vị trí xung quanh khu chung cư ở Bình Dương

Một số kết quả thực tế mà nhóm đã thu được trên ứng dụng di động Android và trang web:

Hình 4.48: Kết quả đo nhịp tim trên ứng dụng Android Hình 4.47: Vị trí mô hình hệ thống trên bản đồ

Hình 4.48 thể hiện giá trị đo nhịp tim và đồ thị biểu diễn các dữ liệu đo nhịp tim đo trước đó của người dùng

Khi một trong ba chỉ số người đo vượt ngưỡng cho phép, hộp thoại sẽ tự động xuất hiện để cảnh báo người giám sát từ xa về trường hợp người sử dụng đang gặp phải