Kỹ thuật truyền thông bluetooth năng lượng thấp và ứng dụng trong y tế

I HC THI NGUYấN TRƯờNG ĐạI HọC CÔNG NGHệ THÔNG TIN Và TRUYềN THÔNG KHOA THNH NG K THUT TRUYN THễNG BLUETOOTH NNG LNG THP V NG DNG TRONG Y T LUN VN THC S KHOA HC MY TNH THI NGUYấN - 2015 I HC THI NGUYấN TRƯờNG ĐạI HọC CÔNG NGHệ THÔNG TIN Và TRUYềN THÔNG KHOA THNH NG K THUT TRUYN THễNG BLUETOOTH NNG LNG THP V NG DNG TRONG Y T Chuyờn ngnh:KHOA HC MY TNH Mó s:60 48 01 01 LUN VN THC S KHOA HC MY TNH GV hng dn: TS Phựng Trung Ngha THI NGUYấN - 2015 i LI CAM OAN Tụi xin cam oan õy l cụng trỡnh nghiờn cu ca tụi di s hng dn ca TS Phựng Trung Ngha Cỏc s liu, kt qu nghiờn cu lun l trung thc v mi trớch dn bỏo cỏo u c ghi rừ ngun gc Nu cú s dng bt hp phỏp kt qu cụng trỡnh nghiờn cu ca ngi khỏc bỏo cỏo tụi xin hon ton chu trỏch nhim Tỏc gi Khoa Thnh ng ii LI CM N Li u tiờn tụi mun by t lũng bit n sõu sc v kớnh trng ca mỡnh ti thy giỏo, TS Phựng Trung Ngha Trong quỏ trỡnh tỡm hiu nghiờn cu hon thnh lun tụi gp khụng ớt khú khn, nhng nhng lỳc nh vy tụi luụn nhn c s ng viờn khớch l ca thy Thy ó giỳp tụi rt nhiu quỏ trỡnh nghiờn cu, hng dn tn tỡnh cỏch thc v phng phỏp nghiờn cu khoa hc cng nh h tr tụi vic tỡm ti liu cú c nhng kt qu lun ny, tụi xin gi li cm n sõu sc n Thy, Cụ Trng i hc Cụng ngh thụng tin v Truyn thụng Thỏi Nguyờn ó to iu kin cho tụi c hc hi kin thc thụng qua cỏc mụn hc cng nh hon thnh khúa hc Cui cựng tụi xin by t lũng cm n chõn thnh n gia ỡnh, ngi thõn v bn bố ng nghip ó khớch l v ng viờn tụi hon thnh lun ny.! iii MC LC LI CAM OAN i LI CM N ii DANH MC CC Kí HIU, CC CH VIT TT v DANH MC CC HèNH NH vi DANH MC CC BNG viii M U CHNG I:K THUT TRUYN THễNG Vễ TUYN BLUETOOTH 1.1 Gii thiu v Bluetooth 1.1.1 Lch s phỏt trin Bluetooth 1.1.2 Kin trỳc ca Bluetooth 1.1.3 Cỏc thnh phn truyn thụng Bluetooth 1.1.4 nh ngha cỏc liờn kt vt lý Bluetooth 12 1.1.5 a ch thit b 12 1.1.6 Trng thỏi ca thit b Bluetooth 13 1.2 K thut tri ph nhy tn cụng ngh Bluetooth 13 1.2.1 Khỏi nim tri ph cụng ngh khụng dõy 13 1.2.2 K thut nhy tn s cụng ngh Bluetooth 14 1.3 Cỏch thc hot ng ca Bluetooth 15 1.3.1 C ch truyn v sa li 15 1.3.2 Quỏ trỡnh hỡnh thnh Piconet 16 1.3.3 Quỏ trỡnh hỡnh thnh Scattenet 18 1.4 Cu trỳc Bluetooth 19 1.4.1 Tng iu khin 20 1.4.2 Tng host 21 1.4.3 Tng ng dng 23 iv CHNG 2: S DNG NNG LNG TRONG BLE 25 2.1 Nhn xột v cụng ngh truyn thụng Bluetooth 25 2.2 Tng quan v s dng nng lng BLE 26 2.3 Cỏc ch nng lng BLE 27 2.3.1 Active mode 27 2.3.2 Hold mode 28 2.3.3 Sniff mode 29 2.3.4 Park mode 31 2.4 ng dng ca BLE 33 CHNG III:XY DNG H THNG TRUYN THễNG Y T S DNG BLE 35 3.1 Yờu cu bi toỏn 35 3.2 Phõn tớch thit k h thng truyn thụng y t s dng BLE 36 3.2.1 S 36 3.2.2 Chc nng ca cỏc phn cng 37 3.2.3 Thit k mch phn cng 46 3.2.4 Thit k phn mm 48 3.2.5 ỏnh giỏ hot ng ca h thng 50 KT LUN 57 TI LIU THAM KHO 59 v DANH MC CC Kí HIU, CC CH VIT TT CSDL C s d liu BLE Bluetooth nng lng thp ISM Bng tn cụng nghip, khoa hc, y t CES Hin th mc tiờu th nng lng MAC iu khin truy nhp mụi trng AMA a ch thnh phn tớch cc PMA a ch thnh phn úng gúi ACL Liờn kt bt ng b SCO Liờn kt kt hng ng b SM Qun lý bo mt ATT Attribute Protocol HCI Giao din iu khin host UUID Mó phõn bit ton cu LMP Giao thc qun lý liờn kt vi DANH MC CC HèNH NH Hỡnh 1.1 Kin trỳc Bluetooth Hỡnh 1.2.Mụ hỡnh mt Piconet 10 Hỡnh 1.3 Mt Scatternet 11 Hỡnh 1.4 K thut tri ph nhy tn s 14 Hỡnh 1.5 Cỏc packet truyn trờn cỏc tn s khỏc 14 Hỡnh 1.6 Cỏc packet truyn trờn khe thi gian 15 Hỡnh 1.7 Mụ hỡnh Piconet 16 Hỡnh 1.8 Quỏ trỡnh truy to kt ni 17 Hỡnh 1.9 Truy to kt ni gia cỏc thit b thc t 18 Hỡnh 1.10 Minh mt Scatternet 19 Hỡnh 1.11 Cu trỳc ca Bluetooth 19 Hỡnh 1.12 Di tn kờnh ca lp vt lý 20 Hỡnh 2.1 Hold Mode Interaction 28 Hỡnh 2.2 Sniff Mode Interaction 29 Hỡnh 2.3 Vớ d v cỏc ch tit kim nng lng ca BLE 32 Hỡnh 2.4 ng dng BLE y t v cỏc lnh vc khỏc 34 Hỡnh 3.1 H thng thu thp a thụng s bng cm bin y t 35 Hỡnh 3.2 S dng module BLE kt ni Arduino Uno vi in thoi v kt ni Internet t in thoi bng 3G/GPRS 36 Hỡnh 3.3 S 36 Hỡnh 3.4 S chõn ATmega 328 37 Hỡnh 3.5 Cm bin nhit TMP006 38 Hinh 3.6 S chõn TMP006 39 Hỡnh 3.7 Cm bin XD-58C 40 Hỡnh 3.8 S nguyờn lý XD-58C 41 Hỡnh 3.9 Module BLE HM-10 42 Hỡnh 3.10 S chõn module BLE HM-10 43 vii Hỡnh 3.11 Hỡnh nh thc t chip FT232RL 45 Hỡnh 12 Lu thut toỏn lp gi d liu liờn tc qua HM-10 48 Hỡnh 13 Lu thut toỏn hin th d liu thu t BLE trờn in thoi v truyn lờn server 49 Hỡnh 3.14 Hỡnh nh thc t ton mch 51 Hỡnh 3.15 Hỡnh nh thc t mch x lý trung tõm lp TOP 51 Hỡnh 3.16 Hỡnh nh thc t mch x lý trung tõm lp BOTTOM 52 Hỡnh 17 Hỡnh nh kt qu chy phn mm trờn in thoi Android 52 Hỡnh 3.18 Hỡnh nh hin th thi gian thc cỏc thụng s thu thp c trờn web 53 Hỡnh 3.19 Mỏy o oxylo o cng dũng 55 viii DANH MC CC BNG Bng 3.1 Bng mụ t chc nng ca cỏc chõn BLE HM-10 44 Bng 3.2 Thụng s nhp tim o c qua cm bin v hin th trc tip bng cỏch kt ni trc tip mỏy tớnh vi vi iu khin 53 Bng 3.3 Thụng s nhit o c qua cm bin v hin th trc tip bng cỏch kt ni trc tip mỏy tớnh vi vi iu khin 54 Bng 3.4 Kt qu ỏnh giỏ v chớnh xỏc ca BLE vi 10 ln o mi ch 54 Bng 3.5 Kt qu ỏnh giỏ v tr ca ch Sniff v Parkvi chu k ngh 1s (thụng qua o thi gian thc ti vi iu khin v in thoi) 55 Bng 3.6 Kt qu ỏnh giỏ v mc tiờu hao nng lng ca ch Sniff v Park vi V = 3.3 V 56 45 24 PIO1 H thng LED 25 PIO2 Vo/ lp trỡnh c 26 PIO3 Vo/ lp trỡnh c 27 PIO4 Vo/ lp trỡnh c 28 PIO5 Vo/ lp trỡnh c 29 PIO6 Vo/ lp trỡnh c 30 PIO7 Vo/ lp trỡnh c 31 PIO8 Vo/ lp trỡnh c 32 PIO9 Vo/ lp trỡnh c 33 PIO10 Vo/ lp trỡnh c 34 PIO11 Vo/ lp trỡnh c d Khi giao tip mỏy tớnh Khi ny s dng IC FT232RL giao tip vi mỏy tớnh, cú chc nng np code chng trỡnh, theo dừi v lu kt qu trc tip vo mỏy tớnh Hỡnh 3.11 Hỡnh nh thc t chip FT232RL 46 3.2.3 Thit k mch phn cng a S nguyờn lý vi x lý b S nguyờn lý giao tip mỏy tớnh c S nguyờn lý BLE 47 d S nguyờn lý cm bin e S nguyờn lý ton mch 48 3.2.4 Thit k phn mm a Phn mmnhỳng thu thp d liu nhit , nhp tim qua cm bin Hỡnh 12 Lu thut toỏn lp gi d liu liờn tc qua HM-10 Chng trỡnh phn mm nhỳng s thu thp d liu qua cỏc cm bin v gi n in thoi h tr BLE qua HM10-BLE b Phn mm trờn in thoi Android Khi ny l phn mm cú chc nng nhn d liu t BLE HM-10 gi sang v hin th lờn mn hỡnh in thoi Phn mm s cho phộp kt ni n BLE HM-10 v nhn d liu gi v Sau nhn c d liu thỡ s cho phộp hin th trờn mn hỡnh ca thit b ng thi gi lờn mỏy ch server bỏc s qun lý Hot ng ca h thng nh sau: - Bt Bluetooth in thoi - Sau kt ni c vi BLEHM-10 v modul ny gi d liu thỡ trờn in thoi Android s nhn c d liu m modul BLE ny gi nh nhp tim, nhit Lu thut toỏn thc hin c mụ t hỡnh 3.10 49 Begin Bt bluetooth trờn in thoi Khụng Kim tra T End h tr BLE? Cú Dũ tỡm, kt ni n thit b Nhn d liu thụng s sc khe Hin th v truyn d lin lờn Server Cú Thoỏt chng trỡnh End Khụng Hỡnh 13 Lu thut toỏn hin th d liu thu t BLE trờn in thoi v truyn lờn server 50 b Website hin th t xa Cú hai cỏch d liu c gi lờn Client lờn Sever ú l dựng phng thc GET hoc phng thc POST Trong lun ta dựng phng thc GET Phng thc GET l phng thc gi d liu lờn thụng qua ng dn URL trờn a ch ca Brower.Server s nhn c ng dn ú v phõn tớch tr v kt qu.Server s phõn tớch tt c nhng thụng tin ng sau du hi (?) chớnh l d liu m Client gi lờn Trong lun ta mun nhn d liu t cỏc thit b o lờn server thỡ d ta phi cú ng link cú dng URL nh sau : + i vi tham s nhiờt c th http://api.iotheli.com/healthcare/ UpdatePatientTemperature/A/B/C ú: A: ID ca bnh nhõn B: l Acess Tocken ca bnh nhõn C: l tham s nhit c th bnh nhõn + i vi tham s nhp tim http://api.iotheli.com/healthcare/UpdatePatientHeartRate/A/B/C ú: A: ID ca bnh nhõn B: l Acess Tocken ca bnh nhõn C: l tham s v nhp tim ca bnh nhõn 3.2.5 ỏnh giỏ hot ng ca h thng a Hỡnh nh cỏc kt qu Cỏc mch phn cng c chp hỡnh 3.14 3.16 51 Hỡnh nh kt qu phn mm trờn in thoi Android c chp hỡnh 3.17 Hỡnh nh hin th thi gian thc cỏc thụng s thu thp c trờn web c chp hỡnh 3.18 Hỡnh 3.14 Hỡnh nh thc t ton mch Hỡnh 3.15 Hỡnh nh thc t mch x lý trung tõm lp TOP 52 Hỡnh 3.16 Hỡnh nh thc t mch x lý trung tõm lp BOTTOM Hỡnh 17 Hỡnh nh kt qu chy phn mm trờn in thoi Android 53 Hỡnh 3.18 Hỡnh nh hin th thi gian thc cỏc thụng s thu thp c trờn web a ỏnh giỏ chớnh xỏc ca cỏc cm bin o lng y sinh Mc dự h thng trung vo ỏnh giỏ hiu qu, chớnh xỏc ca modul BLE, cỏc kt qu ỏnh giỏ ú ch cú ý ngha cỏc cm bin s dng h thng cng l chớnh xỏc v tin cy Vỡ th, phn ny s ỏnh giỏ tin cy ca cỏc cm bin o lng y sinh c s dng h thng Bng 3.2 Thụng s nhp tim o c qua cm bin v hin th trc tip bng cỏch kt ni trc tip mỏy tớnh vi vi iu khin Ngi (bpm) 82,05 0,527 68, 15 0, 288 78, 25 0, 276 81, 0,57 54 Vi mi ngi o thc hin 20 ln oliờn tc vi ngi khe mnh, khụng cú sc khe nờn phng sai