Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát phòng bệnh trên nền tảng android

Bài viết nhằm giới thiệu việc xây dựng một hệ thống phần mềm ứng dụng chạy trên nền tảng Android sử dụng công nghệ truyền thông Bluetooth được thiết kế thông qua quá trình khảo sát, tìm hiểu những yêu cầu trong thực tế như theo dõi hệ thống điều khiển ánh sáng, hệ thống điều hòa không khí, hệ thống cảnh báo cháy nổ đối với phòng điều trị bệnh cho bệnh nhân tại các cơ sở y tế.

Trần Đức Hồng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 15 - 21 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT PHÒNG BỆNH TRÊN NỀN TẢNG ANDROID Trần Đức Hoàng*, Đoàn Mạnh Cường, Lê Hoàng Hiệp, Nguyễn Thị Dung Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thơng - ĐH Thái Ngun TĨM TẮT Bài báo nhằm giới thiệu việc xây dựng hệ thống phần mềm ứng dụng chạy tảng Android sử dụng công nghệ truyền thông Bluetooth thiết kế thông qua trình khảo sát, tìm hiểu yêu cầu thực tế theo dõi hệ thống điều khiển ánh sáng, hệ thống điều hòa khơng khí, hệ thống cảnh báo cháy nổ phòng điều trị bệnh cho bệnh nhân sở y tế Hệ thống có khả tương tác, điều khiển phòng bệnh điều trị bệnh nhân từ xa với chức sau: - Giám sát thông số nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khói (khí) phòng bệnh - Tự động gửi cảnh báo tới bác sỹ trường hợp thơng số nằm ngồi ngưỡng cho phép - Điều khiển thiết bị điện sử dụng phòng như: đèn, quạt - Gửi yêu cầu chăm sóc điều trị tới số điện thoại bác sỹ Từ khóa: Ứng dụng điều khiển từ xa, Điều khiển thiết bị Android, Giám sát thơng số phòng bệnh, Hệ thống điều khiển Mobile GIỚI THIỆU* Nâng cao chất lượng khám điều trị bệnh mục tiêu sở y tế, bênh viện phòng khám tư nhân quan tâm trọng Trong việc trang bị cho phòng điều trị thiết bị, cơng nghệ giúp bệnh nhân thuận tiện sử dụng, kiểm soát yếu tố phòng mà khơng làm ảnh hưởng tới bệnh nhân, từ có khơng gian thoải mái giúp bệnh nhân hồi phục nhanh, tốt mục tiêu hướng tới Ưu điểm hệ thống thông minh so với phương pháp thủ công truyền thống người sử dụng bác sĩ điều trị, bệnh nhân người nhà bệnh nhân giám sát điều khiển thiết bị phòng từ xa, sau biết thơng số nhiệt độ, độ ẩm, khí gas phòng điện thoại sử dụng hệ điều hành android Hệ thống gửi thông số, cảnh báo số điện thoại bác sĩ điều trị người nhà bệnh nhân bệnh nhân trường hợp vượt mức yêu cầu y tế cho phép Từ can thiệp kịp thời để không làm ảnh hưởng tới bệnh nhân trình điều trị [1],[2] * Tel: 0976 262145; Email: tdhoang@ictu.edu.vn ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY BLUETOOTH KẾT HỢP NỀN TẢNG ANDROID TRÊN MOBILE TRONG XÂY DỰNG ỨNG DỤNG Bluetooth công nghệ truyền thông không dây cho phép thiết bị điện, điện tử giao tiếp với sóng vơ tuyến qua băng tần chung ISM (Industrial, Scientific, Medical) Bluetooth thiết kế nhằm mục đích thay dây cable máy tính thiết bị truyền thơng cá nhân, kết nối vô tuyến thiết bị điện tử lại với cách thuận lợi với giá thành rẻ Khi kích hoạt, Bluetooth tự động định vị thiết bị khác có chung cơng nghệ vùng xung quanh bắt đầu kết nối với chúng Nó định hướng sử dụng cho việc truyền liệu lẫn tiếng nói Tầng giao thức Bluetooth Radio Tầng Bluetooth Radio tầng thấp định nghĩa đặc tả Bluetooth Nó định nghĩa yêu cầu cho phận thu phát sóng hoạt động tần số 2,4GHz ISM (Industrial, Scientific, and Medical) Băng tần ISM băng tần khơng cần đăng kí dành riêng để dùng cho thiết bị không dây công nghiệp, khoa học y tế Nhờ giao 15 Trần Đức Hồng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ tiếp sóng radio mà liệu Bluetooth xuyên qua vật thể rắn phi kim 189(13): 15 - 21 - Bluetooth dùng giao tiếp liệu tiếng nói: có kênh để truyền tiếng nói kênh để truyền liệu mạng cá nhân - An toàn bảo mật tích hợp với xác nhận mã hóa - Tính tương thích với thiết bị phần cứng cao Phát huy ưu điểm hệ điều hành Android Hình 1.Các tầng giao thức Bluetooth Sóng radio Bluetooth truyền cách nhảy tần số (Frequency Hopping), có nghĩa gói tin (Packet) truyền tần số khác Tốc độ nhảy nhanh giúp tránh nhiễu tốt Hầu dùng 79 bước nhảy, bước nhảy cách 1MHz, bắt đầu 2,402GHz kết thúc 2,480GHz Ở vài nước, chẳng hạn Pháp, Nhật, phạm vi dải băng tần giảm 23 bước nhảy Các đặc điểm công nghệ Bluetooth - Tiêu thụ lượng thấp, cho phép ứng dụng nhiều loại thiết bị bao gồm thiết bị cầm tay điện thoại di động - Khoảng cách giao tiếp cho phép:  Khoảng cách hai thiết bị đầu cuối lên đến 10m ngồi trời 5m tòa nhà  Khoảng cách thiết bị đầu cuối Access point lên tới 100 m ngồi trời 30 m tòa nhà - Bluetooth sử dụng băng tần khơng đăng kí 2,4Ghz dãy băng tần IMS Tốc độ truyền liệu đạt tới mức tối đa 1Mbps (do sử dụng tần số cao) mà thiết bị không dây cần phải thấy trực tiếp - Dễ dàng việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối ứng dụng với ứng dụng khác thông qua chuẩn “Bluetooth Profiles”, độc lập phần cứng hệ điều hành sử dụng 16 Android hệ điều hành di động dựa tảng Linux phiên 2.6 dành cho dòng điện thoại SmartPhone Đầu tiên Android đời công ty liên hợp Android, sau Google mua lại phát triển từ năm 2005 trở thành hệ điều hành di động mã nguồn mở, miễn phí, mạnh mẽ ưa chuộng cao giới Hệ điều hành android hệ điều hành mạnh, có khả bảo mật cao, hỗ trợ nhiều công nghệ tiên tiến 3G, GPS, EDGE, Wifi tương thích với nhiều phần cứng, hỗ trợ nhiều loại nhập liệu Keyboard, Touch Trackball Android hệ điều hành di động nên có khả kết nối cao với mạng không dây Hỗ trợ công nghệ OpenGL nên có khả chơi phương tiện media, hoạt trình diễn khả đồ họa khác cực tốt, tiền đề để phát triển ứng dụng có giao diện phức tạp chẳng hạn trò chơi [1], [2], [3] PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG Thiết kế hệ thống tập trung vào xây dựng mơ hình phòng bệnh thơng minh để phục vụ bệnh nhân trình khám chữa bệnh Hệ thống điều khiển điện thoại di động bệnh nhân thông qua công nghệ truyền thông Bluetooth kết hợp tảng Android mobile Sau bật chương trình điều khiển điện thoại di động, người dùng phải nhập chuỗi mật để kết nối điện thoại hệ thống xử lý trung tâm Thơng qua giao diện chương trình, người dùng điều khiển thiết bị điện phòng giám sát số thông số môi trường phòng điều trị Trần Đức Hồng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Việc sử dụng tín hiệu không dây Bluetooth cho phép hệ thống triển khai áp dụng linh hoạt vào thực tế Vì hệ thống cho phép người dùng tự thiết kế vị trí đặt khối thành phần tùy theo thực tế phòng bệnh Tùy vào loại thiết bị RF sử dụng, khoảng cách làm việc khả dụng hệ thống dao động từ vài chục mét [4] 189(13): 15 - 21 o Khối thu tín hiệu RF o Khối điều khiển thiết bị (đèn, quạt)  Các khối cảm biến thông số môi trường: o Khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm o Khối cảm biến khói (cháy) Hình Sơ đồ khối thiết kế hệ thống Trong đó, nhiệm vụ chức khối sau: Hình Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống Từ u cầu xây dựng mơ hình hệ thống phòng bệnh thơng minh bệnh nhân có tính cụ thể sau: - Giám sát thơng số nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khói trường hợp xảy hỏa hoạn - Tự động gửi cảnh báo tới bác sỹ trường hợp thơng số nằm ngồi ngưỡng cho phép - Điều khiển thiết bị điện từ xa sử dụng phòng như: Đèn, quạt - Gửi yêu cầu chăm sóc điều trị tới số điện thoại bác sỹ Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối hệ thống gồm khối thành phần sau:  Giao diện chương trình điều khiển điện thoại di động  Trung tâm điều khiển: o Khối thu tín hiệu Bluetooth o Khối xử lý trung tâm o Khối phát tín hiệu RF  Các khối điều khiển thiết bị:  Giao diện chương trình điều khiển điện thoại di động: Được thiết kế tảng Android Giao diện chương trình thân thiện, dễ dàng sử dụng  Trung tâm điều khiển: - Khối thu tín hiệu Bluetooth: Làm nhiệm vụ thu nhận tín hiệu điều khiển từ điện thoại người dùng - Khối xử lý trung tâm: Thu nhận giải mã tín hiệu điều khiển Bluetooth từ điện thoại, sau gửi tín hiệu điều khiển đến khối chấp hành thông qua khối phát RF; Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ thu thập thơng số mơi trường, phát khói có hỏa hoạn gửi cảnh báo đến người dùng - Khối phát tín hiệu RF: Truyền tín hiệu RF đến khối điều khiển thiết bị độc lập  Các khối điều khiển thiết bị: Gồm 02 thiết bị độc lập - Khối thu tín hiệu RF: Làm nhiệm vụ thu nhận tín hiệu điều khiển thiết bị từ trung tâm điều khiển - Khối điều khiển thiết bị: Sử dụng vi điều khiển làm nhiệm vụ giải mã tín hiệu RF Sau gửi tín hiệu điều khiển bật/tắt thiết bị đèn, quạt tương ứng 17 Trần Đức Hoàng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 189(13): 15 - 21  Các khối cảm biến thông số môi trường: - Khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm: Thu thập thông số nhiệt độ, độ ẩm gửi trung tâm điều khiển hiển thị thiết bị điện thoại di động người dùng - Khối cảm biến khói (cháy): Thu thập thơng số nồng độ khí gửi trung tâm điều khiển hiển thị thiết bị điện thoại di động người dùng XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG Hình Lưu đồ thuật tốn thu thập thơng số mơi trường Lưu đồ thuật tốn kết nối Bluetooth Khi hệ thống hoạt động, thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm gửi trung tâm điều khiển Nếu thông số nằm ngưỡng cho phép, kết hiển thị giao diện điện thoại người dùng Trong trường hợp thơng số nằm ngồi ngưỡng cho phép, ngồi việc hiển thị kết thiết bị gửi thơng tin cảnh báo đến người dùng [4],[5] Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển thiết bị Hình Lưu đồ thuật tốn hệ thống Khi kích hoạt hệ thống, q trình kết nối điện thoại hệ thống thơng qua Bluetooth thực Khối kiểm tra mật kiểm tra mật để kết nối hệ thống Nếu nhập sai mật khẩu, kết nối Bluetooth khơng thực q trình phải thực lại từ đầu Nếu cú pháp đúng, người dùng tiếp tục thao tác giao diện chương trình để thực chức như: Hiển thị thông số môi trường, điều khiển thiết bị Lưu đồ thuật tốn chương trình thu thập thơng số mơi trường 18 Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển thiết bị Sau module thu RF nhận tín hiệu điều khiển vi điều khiển tiến hành giải mã tín hiệu điều khiển Lúc mã điều khiển kiểm tra, mã điều khiển "1", "2", bật tắt relay tương ứng với thiết bị quạt đèn Thiết kế, xây dựng chương trình ứng dụng Thiết kế, xây dựng chương trình điều khiển hệ thống có chức [5]: - Đăng nhập cho người sử dụng - Thông tin phần mềm điều khiển Trần Đức Hoàng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ - Các chức điều khiển + Bật/tắt đèn + Bật/tắt quạt - Các chức thu thập thông số môi trường + Thu thập hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm + Thu thập thơng số khí gas + Chức gửi yêu cầu bác sỹ chăm sóc điều trị + Gửi thông tin yêu cầu đến bác sỹ thông qua tin nhắn SMS Mơ hình hoạt động Client-Server Biểu đồ Use Case: Biểu đồ Use Case thể số lượng chức mà người dùng tương tác: Hình Chức dành cho người dùng Biểu đồ Use Case có chức hiển thị số liệu người dùng Khi người dùng truy cập vào hệ thống xuất thông tin giới thiệu như: Tên thiết bị, người thực hiện…Sau đăng nhập vào hệ thống để sử dụng phần mềm thao tác lựa chọn tài khoản Bluetooth, nhập mật khẩu, ấn đăng nhập Lúc hệ thống kiểm tra kết nối xem có tồn tài khoản đăng nhập khơng, mật xác chưa hiển thị danh mục thiết bị cho người dùng kết nối với hệ thống để sử dụng phần mềm Còn sai người dùng phải đăng nhập lại 189(13): 15 - 21 Đối với chức dành cho người đăng nhập Khi người dùng đăng nhập thành công vào hệ thống Phần mềm điện thoại di động có chức cho phép người dùng sử dụng hệ thống như: - Chức điều khiển với thiết bị độc lập tất thiết bị hệ thống (gồm quạt, đèn); Điều khiển hệ thống cảnh báo có thơng số mơi trường nằm ngưỡng cho phép - Chức thu thập thơng số mơi trường gồm (nhiệt độ, độ ẩm, khí gas) hiển thị thiết bị điện thoại di động - Gửi yêu cầu phục vụ đến thiết bị điện thoại bác sỹ Khi sử dụng xong phần mềm cho phép đăng xuất khỏi hệ thống Biểu đồ xử lý: Server nhận yêu cầu từ client, xử lý sau trả lại kết cho client Client gửi yêu cầu lên server, sau nhận kết Một số mơ hình xử lý: Xử lý đăng nhập - Bước 1: Người dùng gửi tên thiết bị truy cập, mật đến hệ thống Nếu lỗi hệ thống hay bluetooth lỗi hiển thị thơng báo - Bước 2: Hệ thống nhận liệu từ người dùng, xử lý gửi trả lại kết - Bước 3: Nếu mật khơng hiển thị lỗi quay lại bước - Bước 4: Đăng nhập thành cơng tiếp tục sử dụng chương trình Hình Mơ hình xử lý đăng nhập Hình Chức dành cho người đăng nhập Xử lý điều khiển hệ thống 19 Trần Đức Hồng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 15 - 21 - Kết nối, truyền nhận tín hiệu từ phần cứng (khối xử lý trung tâm) qua môi trường không dây RF, Bluetooth, mạng thơng tin di động Hình 10 Mơ hình xử lý điều khiển KẾT QUẢ TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM Hình 11 Thơng số nhiệt độ, độ ẩm, khí gas hiển thị giao diện điện thoại người dùng Hệ thống điều khiển thiết bị điện điện thoại di động Android có tính sau: - Giám sát thông số nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khói (khí) phòng bệnh - Tự động gửi cảnh báo tới bác sỹ trường hợp thông số nằm ngưỡng cho phép - Điều khiển thiết bị điện sử dụng phòng như: Đèn, quạt - Gửi yêu cầu chăm sóc điều trị tới số điện thoại bác sỹ - Chương trình xây dựng tảng Android điện thoại di động có giao diện thân thiện, dễ sử dụng người dùng - Hệ thống có tính bảo mật, đơn giản dễ sử dụng tương thích với điện thoại hệ điều hành Android Một số hình ảnh mơ hình thực tế (Hình 11, 12, 13 14) KẾT LUẬN Qua thời gian chạy thử nghiệm hệ thống cho thấy hệ thống hoạt động tốt ổn định Kết sản phẩm hoàn thiện giải yêu cầu tốn đặt ra: 20 Hình 12 Giao diện chương trình điều khiển điện thoại Android Hình 13 Kết nối thành công điện thoại Android hệ thống Trần Đức Hồng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 15 - 21 - Đẩy mạnh xu hướng vừa học vừa nghiên cứu khoa học sinh viên Cơ sở y tế áp dụng, triển khai hệ thống thực tế: - Triển khai xin góp ý kiến phòng vật tư bênh viên Đa khoa trung ương Thái Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 14 Giao diện chương trình điện thoại Android - Thực việc giao tiếp hai chiều với hệ thống thông qua điện thoại di động - Với việc thông tin trực tiếp tới điện thoại bác sỹ góp phần hỗ trợ bệnh nhân trường hợp đặc biệt Với mục tiêu đặt trình thực thiết kế qua trình làm việc, đề tài đạt số kết nghiên cứu sau: - Hệ thống hoạt động tốt, chất lượng ổn định - Người dùng dễ dàng thao tác sử dụng - Có giá trị thực tiễn cao thực tế có khả triển khai bệnh viện tuyến nước Sundararajan T V P., Sumithra M G., Maheswar R., (2014), “A Novel Smart Routing Protocol for Remote Health Monitoring in Medical Wireless Networks”, Journal of healthcare engineering, pp 95–122 Konstantas D, Herzog R., 2003, Continuous monitoring of vital constants for mobile users: the MobileHealth approach Proc 25th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Cancun, MEX, Sep., 3728–3731 Lin M, Qiao ZZ., 2010, The demand and development thinking of mobile medical Mobile Communications, 31–35 Baig M M, Gholamhosseini H., 2013, Smart health monitoring systems: an overview of design and modeling, Journal of medical systems, 1–14 Arcelus, A., Jones, M H., Goubran, R., and Knoefel, F., 2007, Integration of smart home technologies in a health monitoring system for the elderly Proc 21st International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops(AINAW’07), 820–825 ABSTRACT REMOTE MOBILE PATIENT'S ROOM CONTROL AND MONITORING SYSTEM BASED ON ANDROID PLATFORM Tran Duc Hoang*, Doan Manh Cuong, Le Hoang Hiep, Nguyen Thi Dung University of Information and Communication Technology - TNU This paper aims to introduce about building a software application system running on the Android platform using Bluetooth communication technology which was designed through the process of surveying, inquire into the requirements in fact such as monitoring system lighting control, air conditioning system, fire alarm system of the patient's room at the medical facilities The system has the ability to interact, control the patient's room from remote with the following functions: - Monitoring the temperature, humidity, smoke in the patient's room - Automatically send a warning to the doctor in case the parameters are outside the allowed threshold - Controlling electrical equipment in rooms such as lights, fans - Send care request to doctor's phone number Keywords: Remote Control Application, Device Control on Android, Parameters Monitoring in Patient's Room , Control System based on Mobile Platform Ngày nhận bài: 22/8/2018; Ngày hoàn thiện: 18/9/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018 * Tel: 0976 262145; Email: tdhoang@ictu.edu.vn 21 ... KẾ HỆ THỐNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG Thiết kế hệ thống tập trung vào xây dựng mơ hình phòng bệnh thơng minh để phục vụ bệnh nhân q trình khám chữa bệnh Hệ thống điều khiển điện thoại di động bệnh. .. công vào hệ thống Phần mềm điện thoại di động có chức cho phép người dùng sử dụng hệ thống như: - Chức điều khiển với thiết bị độc lập tất thiết bị hệ thống (gồm quạt, đèn); Điều khiển hệ thống. .. nhiệm vụ chức khối sau: Hình Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống Từ yêu cầu xây dựng mô hình hệ thống phòng bệnh thơng minh bệnh nhân có tính cụ thể sau: - Giám sát thông số nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khói