thiết kế nút mạng cảm biến không dây ứng dụng trong y tế

thiết kế nút mạng cảm biến không dây ứng dụng trong y tế

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2 1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây 2 1.1.1. Khái niệm 2 1.1.2. Node cảm biến 2 1.1.3. Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến 2 1.1.4. Ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây 3 1.1.5. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 4 1.2. Khái quát về ZigBee/ IEEE 802.15.4 4 1.2.1. Khái niệm 4 1.2.2. Đặc điểm 4 1.3. Tổng quan về Xbee ZB24 9 1.3.1. Thông số kỹ thuật 9 1.3.2. Truyền thông Xbee 10 1.4. Tổng quan về Arduino 15 1.3. Kết luận chương: 18 CHƯƠNG II 19 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 19 2.1. Mô hình hệ thống 19 2.1.1. Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống 19 2.1.2. Sơ đồ khối hệ thống 20 2.2. Phân tích hoạt động hệ thống giám sát nhiệt độ, nhịp tim và gửi tin nhắn SMS qua mạng GSM. 33 2.2.1. Giám sát nhịp tim dựa trên lượng SpO 2 33 2.2.2. Hoạt động của hệ thống 35 CHƯƠNG III 38 XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÀ KẾT QUẢ 38 3.1. Xây dựng phần mềm 38 3.1.1. Lập trình nhúng với nền tảng Arduino 38 3.1.2. Lưu đồ thuật toán chương trình nhúng 40 3.2. Kết quả đạt được 43 3.2.1. Hình ảnh hệ thống thực tế 43 3.2.2. Hình ảnh hoạt động của hệ thống 44 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu trúc liên kết mạng 5 Hình 1.2: Cấu trúc mạng hình sao 6 Hình 1.3: Cấu trúc mạng mesh 7 Hình 1.4: Cấu trúc mạng hình cây 8 Hình 1.5. Hình ảnh Xbee ZB24 9 Hình 1.6. Hoạt động truyền thông RF 11 Hình 1.7. Khung truyền UART 11 Hình 1.8. Cấu trúc khung API chế độ 1 12 Hình 1.9. Khung API ở chế độ 2 12 Hình 1.10. Cấu trúc cụ thể khung API. 13 Hình 1.11. API truyền 64 bít địa chỉ 13 Hình 1.12. API truyền 16 bít địa chỉ 14 Hình 1.13. Khung trạng thái truyền. 14 Hình 1.14. Khung nhận 64 bít địa chỉ 14 Hình 1.15. Khung nhận 16 bít địa chỉ 15 Hình 1.16. Máy in 3D 16 Hình 1.17. Robot 17 Hình 1.18. Máy bay không người lái 17 Hình 1.19. Lập tình game tương tác 17 Hình 1.20. Điều khiển hiệu ứng ánh sáng. 18 Hình 2.1. Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống giám sát sức khỏe trong mạng cảm biến không dây. 19 Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống 20 Hình 2.3. Khối điều khiển. 21 Hình 2.4. Khối truyền phát. 22 Hình 2.5. Kết nối sim tới modul SIM 900A. 24 Hình 2.6. Modul SIM 900A. 24 Hình 2.7. Cảm biến nhiệt độ DS18B20. 29 Hình 2.8. Sơ đồ mạch đo nhịp tim bằng hồng ngoại. 31 Hình 2.9. Pin Lithium cung cấp nguồn cho hệ thống. 32 Hình 2.10. Mạch ổn áp 5V cung cấp nguồn cho board mạch Arduino. 32 Hình 2.11. Mạch ổn áp 3,3V được sử dụng cung cấp nguồn cho Xbee ZB24. 32 Hình 2.12. Mạch ổn áp 4,1V dành cho Modul SIM900. 32 Hình 2.13. Sơ đồ khối mạch đo nhịp tim dựa trên SpO2. 34 Hình 2.14. Sơ đồ mạch dò nhịp tim. 34 Hình 2.15. Khi người sử dụng ở ngoài phạm vi của mạng cảm biến không dây. 36 Hình 2.16. Khi người sử dụng ở trong phạm vi của mạng cảm biến không dây. 36 Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán chương trình chính. 40 Hình 3.2. Chương trình timer. 41 Hình 3.3. Chương trình ngắt ngoài. 42 Hình 3.4. Hình ảnh thực tế hệ thống 43 Hình 3.5. Hệ thống được gắn vào tay bệnh nhân. 44 Hình 3.7. Hệ thống gửi tin nhắn khi mới khởi động. 45 Hình 3.6. Hệ thống chạy được test trên máy tính 45 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn:  Thầy giáo Phạm Quốc Thịnh – Bộ môn Công nghệ điện tử - Khoa công nghệ Điện tử vả Truyền thông – Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông Thái Nguyên.  Chủ nhiệm dự án “Exploring future university development cooperation in rural North Vietnam supported by existing partnerships: a harvest and seed approach”- mã số ZEIN2011Z099. Cùng các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án. Thái Nguyên, tháng 5 năm 2013 Sinh viên thực hiện đồ án Dương Vũ Kiên LỜI NÓI ĐẦU Mạng cảm biến không dây hiện nay đang được áp dụng rộng rãi trong đời sống và nghiên cứu tại nhiều nước trên thế giới. Một ưu điểm của mạng cảm biến không dây là tính di động cao, nhỏ gọn và số lượng nút cảm biến lớn dẫn đến vùng phủ sóng của mạng rộng. WSN cung cấp rất nhiều những ứng dụng hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống. - Ứng dụng quân sự an ninh và thiên nhiên. - Ứng dụng trong giám sát xe cộ và các thông tin liên quan. - Ứng dụng cho việc điều khiển các thiêt bị trong nhà. - Ứng dụng các tòa nhà tự động. - Ứng dụng trong quá trình quản lý tự động trong công nghiệp. - Ứng dụng trong y sinh học. Một ứng dụng của mạng cảm biến không dây hiện đang được phát triển và triển khai nhiều là áp dụng trong y tế. Dựa vào những ứng dụng thực tế như trên cùng với việc tham gian nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trong dự án VLIR, em đã thực hiện đồ án tốt nghiệp “Thiết kế nút mạng cảm biến không dây ứng dụng trong y tế” với mục đích xây dựng một nút mạng cảm biến có khả năng thu thập nhiệt độ, nhịp tim của bệnh nhân và gửi về máy tính nếu bệnh nhân đang ở trong bệnh viện (vùng phủ sóng của mạng cảm biến), giúp bệnh nhân có thể được di chuyển quanh khu vực bệnh viện mà không cần nằm một chỗ, ngoài ra nếu di chuyển ra ngoài khu vực bệnh viện, hệ thống sẽ xử lý tự động gửi tin nhắn đến số điện thoại đã đặt trước nếu tình hình sức khỏe của bệnh nhân có vấn đề. 2 CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1.1.1. Khái niệm Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguôn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài( vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nhiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ…). 1.1.2. Node cảm biến Một node cảm biến được cấu tạo bởi 3 thành phần cơ bản sau: vi điều khiển, sensor, bộ phát radio. Ngoài ra, còn có các cổng kết nối máy tính. - Vi điều khiển: Bao gồm CPU, bộ nhớ ROM, RAM, bộ phận chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số và ngược lại. - Sensor: Chức năng cảm nhận thế giới bên ngoài, sau đó chuyển dữ liệu qua bộ phận chuyển đổi để xử lí. - Bộ phát radio: Bởi vì node cảm biến là thành phần quan trọng nhất trong WSN, do vậy việc thiết kế các node cảm biến sao cho có thể tiết kiệm được tối đa nguồn năng lượng là vấn đề quan trọng hàng đầu. 1.1.3. Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến, các node cảm biến có giới hạn và giàng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các mạng truyền thống. Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong các mạng cảm biến như sau: - Khả năng chịu lỗi. - Khả năng mở rộng. 3 - Ràng buộc phần cứng. - Môi trường hoạt động. - Phương tiện truyền dẫn. - Cấu hình mạng cảm biến. 1.1.4. Ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây a. Ưu điểm Mạng không dây không dùng cáp cho các kết nối, thay vào đó, chúng sử dụng sóng radio, cũng tương tự như điện thoại không dây. Ưu thế của mạng không dây là khả năng di động va sự tự do, người dùng không bị hạn chế về không gian và vị trị kết nối. Những ưu điểm của mạng không dây bao gồm: - Khả năng di động và sự tự do – cho phép kết nối từ bất kì đâu. - Không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nối. - Dễ lắp đặt và triển khai. - Không cần mua cáp. - Tiết kiệm thời gian lắp đặt cáp. - Dễ dàng mở rộng. b. Những thách thức trở ngại Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thách thức và trở ngại cần phải vượt qua.  Chức năng giới hạn, bao gồm cả vấn đề về kích thước.  Yếu tố nguồn cung cấp.  Giá thành các node.  Yếu tố môi trường.  Đặc tính kênh truyền.  Giao thức quảng lý mạng phức tạp và sự phân bố rải các node.  Tiêu chuẩn và quyền sở hữu.  Các vấn đề mở rộng 4 1.1.5. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây WSN bao gồm các node cảm biến nhỏ gọn, thích ứng được môi trường khắc nghiệt. Những node cảm biến này, cảm nhận môi trường xung quanh, sau đó gửi những thông tin thu đư ợc đến trung tâm xử lí theo ứng dụng. Các node không những có thể liên lạc với các node xung quanh nó, mà còn có thể xử lí theo ứng dụng. Các node không những có thể liên lạc được với các node xug quanh nó, mà còn có thể xử lí dữ liệu trước khi gửi đến các node khác. WSN cung cấp rất nhiều những ứng dụng hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống. - Ứng dụng quân sự an ninh và thiên nhiên. - Ứng dụng trong giám sát xe cộ và các thông tin liên quan. - Ứng dụng cho việc điều khiển các thiêt bị trong nhà. - Ứng dụng các tòa nhà tự động. - Ứng dụng trong quá trình quản lý tự động trong công nghiệp. - Ứng dụng trong y sinh học. 1.2. Khái quát về ZigBee/ IEEE 802.15.4 1.2.1. Khái niệm Cái tên ZigBee được xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền những thông tin quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong. Đó là kiểu liên lạc “Zig-Zag” của loài ong “honeyBee”. Và nguyên lý ZigBee được hình thành từ việc ghép hai chữ cái đầu với nhau. Việc công nghệ này ra đời chính là sự giải quyết cho vấn đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề nào đó. 1.2.2. Đặc điểm Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng , chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa.Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này. Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền 5 tin như Bluetooth. Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng, Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu). a. Kiến trúc liên kết mạng Hiện nay Zigbee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết mạng cho công nghệ Zigbee. Các node mạng trong một mạng Zigbee có thể liên kết với nhau theo cấu trúc mạng hình sao (star) cấu trúc mạng hình lưới (Mesh) cấu trúc bó cụm hình cây. Sự đa rạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ Zigbee được ứng dụng một cách rộng rãi. Hình 1 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp: tôpô sao, tôpô mắt lưới, tôpô cây. Hình 1.1: Cấu trúc liên kết mạng [...]... đ y là kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng, ở cấu trúc mạng n y thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kỳ thiết nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị A Các ứng dụng của cấu trúc n y có thể áp dụng trong đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không d y, theo dõi cảnh báo và kiểm kê (cảnh báo ch y rừng….) 7 d Cấu trúc liên kết mạng hình c y. .. cổ tay của bệnh nhân Thết bị n y được kết nối với mạng cảm biến không d y qua chuẩn truyền thông Zigbee bằng Arduino kết hợp Xbee ZB24, ngoài ra còn được ghép nối với mạng GSM qua modul SIM 900A Khi bệnh nhân nằm trong vùng mạng cảm biến không d y, dữ liệu về nhịp tim và nhiệt độ sẽ được đưa về m y chủ để các bác sỹ theo dõi Nhưng khi bệnh nhân đi ra khỏi vùng phủ sóng của mạng cảm biến không d y thì... tương tác với thế giới thực để cảm nhận hoặc truyền thông Ví dụ các cảm biến bao gồm các thiết bị chuyển mạch, cảm biến siêu âm, gia tốc Các thiết bị truyền động bao gồm đèn, motor, loa và các thiết bị hiển thị c Ứng dụng của Arduino Trong thực tế Arduino có rất nhiều ứng dụng bởi khả năng xử lý linh hoạt, phần cứng dễ dàng tích hợp vào hệ thống khác Do đó có thể ứng dụng trong hầu hết các hệ thống điều... sống trở nên đẹp hơn nhờ các ứng dụng của nó Hình 1.17 Robot Trong hình trên Robot được lập trình bởi Arduino với chức năng quay camera dò đường và truyền thông về m y tính Trên m y tính sẽ quản lý và điều chỉnh hướng của Robot Ứng dụng n y cũng rất hay, có thể ứng dụng trong công nghiệp, dân dụng hoặc quân sự làm robot do thám Hình 1.18 M y bay không người lái UAV là một ứng dụng đặc biệt thíchhợp với... phát triển của mạng cảm biến và tầm quan trọng đối với cuộc sống của chúng ta Với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ thì lĩnh vực mạng cảm biến sẽ có nhiều ứng dụng mới 18 CHƯƠNG II THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Mô hình hệ thống 2.1.1 Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống Hình 2.1 Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống giám sát sức khỏe trong mạng cảm biến không d y Hệ thống được đưa ra bao gồm một thiết bị giám sát... identifier), nó cho phép mạng n y có thể hoạt động một cách độc lập Khi đó cả FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều phối mạng PAN Tất cả mạng nằm trong tầm phủ sóng đều phải có một PAN duy nhất, các nốt trong mạng PAN phải kết nối với (PAN coordinator) bộ điều phối mạng PAN 6 c Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh) Hình 1.3: Cấu trúc mạng mesh Kiểu cấu trúc mạng n y cũng có một bộ điều phối mạng PAN (PAN... quảng bá nhận dạng tới các thiết bị lân cận Thiết bị nào nhận được khung tin n y có thể y u cầu kết nối vào mạng với CLH Nếu bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator) đồng ý cho thiết bị đó kết nối thì nó sẽ ghi tên thiết bị đó vào danh sách Cứ thế thiết bị mới 8 kết nối n y lại trở thành CLH của nhánh c y mới và bắt đầu phát quảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể kết nối vào mạng Từ đó có thể hình... nhắn Bảng 2.7 Các lệnh đặc biệt dành cho SIM900 d Khối cảm biến Khối cảm biến bao gồm cảm biến nhiệt độ DS18B20 và cảm biến nhịp tim 27  Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Đặc điểm: Các đặc điểm kỹ thuật của cảm biến DS18B20 có thể kể ra một cách tóm tắt như sau: • Sử dụng giao diện một d y nên chỉ cần có một chân ra để truyền thông • Có thể đo nhiệt độ trong khoảng -55 -> +125 oC.Với khoảng nhiệt độ là -10°C... sử dụng cả trong trường hợp có một cảm biến một d y, cả trong trường hợp có nhiều cảm biến một d y 29  SKIP ROM (CCh) Lệnh n y cho phép thiết bị điều khiển truy nhập thẳng đến các lệnh bộ nhớ của DS1820 mà không cần gửi chuỗi mã 64 bit ROM Như v y sẽ tiết kiệm được thời gian chờ đợi nhưng chỉ mang hiệu quả khi trên bú chỉ có một cảm biến  SEARCH ROM (F0h) Lệnh n y cho phép bộ điều khiển bus có thể... tiếp cận và sử dụng Mặc dù dễ dàng sử dụng nhưng Arduino có phần cứng được thiết kế rất tinh tế nên các kỹ sư có thể dễ dàng nhúng nó vào trong các ứng dụng nhúng Người đã sử dụng và phát triển các ứng dụng nhúng bằng vi điều khiển cũng bị thu hút bởi Arduino do khả năng phần cứng tốt và và phần mềm tiện dụng dễ dàng cho việc giải quyết các ý tưởng Arduino được biết đến nhiều nhất là phần cứng của nó, . hệ thống mạng cảm biến không d y trong dự án VLIR, em đã thực hiện đồ án tốt nghiệp Thiết kế nút mạng cảm biến không d y ứng dụng trong y tế với mục đích x y dựng một nút mạng cảm biến có. công nghiệp. - Ứng dụng trong y sinh học. Một ứng dụng của mạng cảm biến không d y hiện đang được phát triển và triển khai nhiều là áp dụng trong y tế. Dựa vào những ứng dụng thực tế như trên. SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không d y 1.1.1. Khái niệm Mạng cảm biến không d y (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF