Đồ án môn kỹ thuật máy tính – viễn thông thiết kế đồng hồ thông minh đo nhịp tim và oxy trong máu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - - ĐỒÁN1 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ THÔNG MINH ĐO NHỊP TIM VÀ OXY TRONG MÁU GVHD : SVTH : TS Đỗ Duy Tân Trần Đăng Quang 17141220 Lê Thành Nhân 17141211 Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng năm 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KT MT-VT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập-Tự do-Hạnh phúc Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng năm 2020 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MƠN HỌC Họ tên sinh viên: Trần Đăng Quang Lê Thành Nhân MSSV: 17141220 : 17141211 Lớp: 1714VTB ĐAMH: Đồ án Tên đề tài: Thiết kế đồng hồ thông minh đo nhịp tim oxy máu Tuần /ngày Tuần 1(30/3-5/4) Nội dung Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án chọn đề tài đồ án Tuần (6/412/4) Viết lịch trình thực đồ án, đề cương chi tiết đồ án sơ đồ khối Tuần (13/4-19/4) - Tìm hiểu module Wifi -Tìm hiểu công nghệ truyền không dây mode MCU ESP8266 Tuần (20/4-26/4) -Tìm hiểu màng hình OLED, module thời gian thực -Hiển thị thơng số, sơ đị huển thị hình OLED Tuần (27/4-3/5) - Tìm hiểu nghiên cứu hiển thị hình ảnh qua android - Tìm hiểu nghiên cứu hiển thị hình ảnh wed thông qua mạng wifi Xác nhận GVHD Tuần (4/5-10/5) -Viết app android giao tiếp với hệ thống - Tìm hiểu cách lập trình web giao tiếp với hệ thống web Tuần (11/5-17/5) - Thiết kế giao diện web - Kết hợp phương thức đo hiển thị hướng web amdroid Tuần (18/5-24/5) Mô mạch, kiểm tra cân chỉnh mạch Vẽ PCB Tuần - 10 (25/5-7/6) Tuần 11 (8/614/6) Tuần 12-13 (15/6-28/6) Tuần 14 (29/6-5/6) Tuần 15 (6/6-12/6) -Tiến hành thi công mạch -Kiểm tra mạch thi công Chạy sản phẩm thử nghiệm thu thập sô liệu Viết báo cáo nội dung làm Hoàn thiện báo cáo gửi cho GVHD để xem xét góp ý trước in Làm slide báo cáo nộp báo cáo báo cáo đề tài MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài .1 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Giới hạn đề tài CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .2 2.1 Giới thiệu hình OLED 2.1.1 Thông tin kỹ thuật 2.1.2 Nguyên lý hoạt động hình OLED: 2.2 Giới thiệu cảm biến nhịp tim MAX30102 .3 2.2.1 Thông số kỹ thuật: 2.2.2 Xác định số SPO2 2.2.3 Nguyên lý vật lý sử dụng để đo SPO2 2.3 Tổng quan ESP8266 2.3.1 Thông số kĩ thuật: 2.3.2 Cài đặt NodeMCU ESP8266 WIFI: .7 2.3.3 Sơ lược chuẩn giao tiếp I2C: 2.4 Giới thiệu lập trình Web: 10 2.4.1 Ngôn ngữ HTML 10 2.4.2 Ngôn ngữ CSS 10 2.5 Lấy liệu thời gian từ internet 10 2.5.1 Giới thiệu giao thức NTP .10 a Giới thiệu NTP: 10 b NTP server: 11 c Phương thức hoạt động: 12 2.5.2 Giới thiệu giao thức UDP 12 a Khái niệm: 12 b Cách hoạt động: .13 CHƯƠNG XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 14 3.1 Sơ đồ khối chức khối 14 3.1.1 Sơ đồ khối 14 3.1.2.Chức .14 3.1.3.Hoạt động hệ thống .14 3.2 Thiết kế chi tiết 14 3.2.1 Khối nguồn 14 3.2.2 Khối xử lí trung tâm 16 3.2.3 Khối cảm biến .17 a Sơ đồ chức cảm biến MAX30102: 17 b Phương pháp theo dõi độ bão hòa oxy máu nhịp tim: 18 3.2.4 Khối hiển thị OLED 19 a Giao tiếp MCU I2C: 20 b Sơ đồ kết nối: 21 3.2.5 Khối hiển thị Web 21 a Tổng quan Webserver: 21 b.Nguyên lý hoạt động webserver: .23 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG .24 4.1 Sơ đồ nguyên lí 24 4.2 Giải thích sơ đồ nguyên lý 24 4.3 Lưu đồ giải thuật .25 4.3.1 Chương trình 25 4.3.2 Giải thuật đo nhịp tim spo2: 26 4.3.3 Giải thuật dò WiFi: 27 4.3.4 Giải thuật thời gian thực: 28 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ KẾT LUẬN 29 5.1 Kết thực 29 5.1.1 Hình ảnh thực tế sản phẩm: 29 5.1.2 Kết thực nghiệm: 30 5.1.3 Kết luận: .32 5.2 Hướng phát triển .32 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài Hiện vấn đề Đại dịch Covid – 19 ( đại dịch truyền nhiễm gây virus SARS-CoV-2 ) vấn đề cấp thiết xã hội quan tâm Vậy nên để người thuận tiện việc theo dõi kiểm tra sức khỏe, để ngăn ngừa cố đáng tiếc xảy Nhóm em nghĩ đến thiết bị y tế nhỏ gọn đo nhịp tim nồng độ oxy máu với hy vọng giúp ích phần cho người dân tại, đồng thời vừa không tốn nhiều thời gian cho việc theo dõi chi phí khám chữa bệnh Chính lý mà chúng em chọn đề tài “ Thiết kế đồng hồ thông minh đo nhịp tim oxy máu ” Ý tưởng đề tài dựa đồ án tốt nghiệp “Thiết kế vòng tay đo nhịp tim sử dụng cơng nghệ iots” anh Nguyễn Thanh Hồn Nguyễn Hồng Nam năm 2019 Sau q trình thực mạch có nhiều cải tiến sau: - Có khả tìm lựa chọn wifi - Thêm tính đo nồng độ oxy máu (SPO2) theo dõi thời gian thực 1.2 Mục tiêu đề tài ● Thiết kế thi cơng mơ hình đồng hồ thơng minh đo nhịp tim nồng độ Oxy máu, đảm bảo tính xác, thơng số cập nhật liên tục Đồng thời gửi thông số đo đạc lên trang Web để nâng cao khả giám sát ● Ứng dụng kiến thức học vào thực tế, giúp người thường xuyên theo dõi tình trạng sức khỏe thơng qua cơng nghệ đại ngày ● Tăng thêm khả làm việc nhóm, khả tư duy, tìm tịi, học hỏi 1.3 Giới hạn đề tài Phạm vi nghiên cứu đề tài: ● Mơ hình hoạt động mạng local ● Tạo web server giao tiếp phần cứng thông qua module ESP8266 ● Xây dựng trang web hiển thị số liệu liên quan thời gian, nhịp tim, nồng độ oxy máu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu hình OLED Hình 2.1 Màn Hình Oled 1.3 Inch Giao Tiếp I2C.[9] Màn hình Oled 1.3 inch giao tiếp I2C cho khả hiển thị đẹp, sang trọng, rõ nét vào ban ngày khả tiết kiệm lượng tối đa với mức chi phí phù hợp, hình sử dụng giao tiếp I2C cho chất lượng đường truyền ổn định dễ giao tiếp với chân GPIO [2] 2.1.1 Thông tin kỹ thuật ● Điện áp sử dụng: 2.2~5.5VDC ● Cơng suất tiêu thụ: 0.04w ● Góc hiển thị: lớn 160 độ ● Số điểm hiển thị: 128x64 điểm ● Độ rộng hình: 1.3 inch ● Màu hiển thị: Trắng / Xanh Dương ● Giao tiếp: I2C ● Driver: SH1106.[9] 2.1.2 Nguyên lý hoạt động hình OLED: OLED (Điốt phát sáng hữu cơ) công nghệ phát sáng phẳng, tạo cách đặt loạt màng mỏng hữu hai dây dẫn Khi có dịng điện vào phát ánh sáng OLED hình phát xạ khơng cần đèn mỏng hiệu hình LCD (vốn cần đèn màu trắng) Thành phần hình OLED phát OLED - vật liệu hữu (dựa carbon) phát ánh sáng có điện Cấu trúc OLED lớp phát xạ kẹp cực âm (bơm electron) cực dương (loại bỏ electron) Hình 2.2 Cấu trúc hình oled.[10] Một OLED làm từ chất (substrate), bảng nối đa (thiết bị điện tử trình điều khiển), mặt trước (vật liệu hữu điện cực giải thích trên) lớp đóng gói OLED nhạy cảm với oxy độ ẩm lớp đóng gói quan trọng.[10] Ưu điểm nhược điểm OLED ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Màn hình OLED có nhiều ưu điểm so với hình LED LCD: Chúng nhẹ mỏng hình LCD Chúng linh hoạt, cho phép sản xuất hình video cong OLED sáng đèn LED truyền thống Chúng làm nhanh nhiều so với LCD, làm cho chúng phù hợp với video tốc độ cao tốc độ khung hình cao OLED nhìn thấy nhiều mơi trường ánh sáng, nhà ngồi trời Cũng có vài nhược điểm hình OLED: Màn hình OLED sớm có vấn đề tuổi thọ Điều cải thiện, nhiên OLED màu xanh có tuổi thọ ngắn so với đèn LED tương đương OLED bị hỏng nước Điều loại trừ chúng từ nhiều ứng dụng trời Giá thành cao 2.2 Giới thiệu cảm biến nhịp tim MAX30102 Cảm biến nhịp tim oxy máu MAX30102 sử dụng để đo nhịp tim nồng độ Oxy máu, thích hợp cho nhiều ứng dụng liên quan đến y sinh, cảm biến sử dụng phương pháp đo quang phổ biến với thiết kế chất liệu mắt đo chuyên biệt từ hãng Maxim cho độ xác độ bền cao, cảm biến sử dụng giao tiếp I2C với thư viện sẵn có Arduino dễ sử dụng Hình 2.2 Cảm Biến Nhịp Tim Và Oxy Trong Máu MAX30102.[9] 2.2.1 Thông số kỹ thuật: ● Cảm biến nhịp tim oxy máu MAX30102 ● IC chính: MAX30102 ● Đo nhịp tim nồng độ Oxy máu ● Điện áp sử dụng: 3.3~5VDC ● Nhỏ gọn, siêu tiết kiệm lượng, thích hợp cho thiết bị đo nhỏ gọn, Wearable Devices ● Giao tiếp: I2C, mức tín hiệu TTL ● Kích thước: 1.9 cm x 1.4 cm x 0.3 cm.[9] 2.2.2 Xác định số SPO2 Hemoglobin gì: (viết tắt Hb) protein phức hợp tìm thấy tế bào hồng cầu có chứa phân tử sắt Chức hemoglobin vận chuyển oxy từ phổi tới mô thể, trao đổi oxy cho carbon dioxid, sau vận chuyển carbon dioxid trở lại phổi, nơi trao đổi oxy Phân tử sắt hemoglobin giúp trì hình dạng bình thường tế bào hồng cầu Độ bão hịa oxy gì: tỉ lệ Hb có oxy tổng số Hb ● Hemoglobin mà khơng có oxy gọi Deoxy Hb ● Hemoglobin có oxy gọi oxy Hb a Giao tiếp MCU I2C: Giao diện truyền liệu I2C bao gồm bit địa slave SA0, tín hiệu liệu bus I2C SDA ( D2 cho đầu D1 cho đầu vào) tín hiệu xung clock bus I2C-SCL (D0) Cả liệu tín hiệu xung clock phải kết nối với điện trở kéo lên sử dụng để khởi tạo thiết bị.[6] Slave address bit (SA0) 21 0 1 1 0SA0R/W# R / W # bit sử dụng để xác định chế độ hoạt động giao diện I2C-bus R / W # = chế độ đọc R / W # = chế độ ghi I2C - bus data signal (SDA) hoạt động kênh giao tiếp máy phát máy thu Dữ liệu xác nhận gửi qua SDA I2C - bus clock signal (SCL) Việc truyền thông tin bus I2C theo tín hiệu xung clock SCL Mỗi lần truyền bit liệu thực khoảng thời gian xung clock SCL Ghi liệu bus - I2C: Giao diện bus I2C cho phép truy cập để ghi liệu lệnh vào thiết bị Hình 3.11 Định dạng liệu bus I2C.[6] 20 b Sơ đồ kết nối: Bảng 3.2 Cách kết nối hình OLED sử dụng giao thức truyền thông I2C PIN ESP8266 Vin 3.3V GND GND SCL GPIO (D1) SDA GPIO (D2) 3.2.5 Khối hiển thị Web a Tổng quan Webserver: Một trang web tập hợp trang web tập tin kỹ thuật số thường viết HyperText Markup Language (HTML) Đối với trang web có sẵn cho tất người giới thời điểm, cần phải lưu trữ "hosted" máy tính kết nối với Internet 24/7/365 Máy chủ Web (Web Server) máy tính mà cài đặt phần mềm phục vụ web, đơi người ta gọi phần mềm web server Tất web server hiểu chạy file *.htm *.html Tuy nhiên web server lại phục vụ số kiểu file chuyên biệt chẳng hạn llS Microsoft dành cho *.asp, *.aspx; Apache dành cho *.php; Sun Java system web server SUN dành cho *.jsp Máy Web Server máy chủ chứa website thiết kế với thông tin liên quan khác (Các mã Script, chương trình, file Multimedia) Web Server có khả gửi đến máy khách trang Web thông qua môi trường Internet (hoặc Intranet) qua giao thức HTTP – giao thức thiết kế để gửi file đến trình duyệt Web (Web Browser), giao thức khác Tất Web Server có địa IP (IP Address) có Domain Name Giả sử bạn đánh vào Address trình duyệt bạn dịng http://www.abc.com sau gõ phím Enter bạn gửi u cầu đến Server có Domain Name www.abc.com Server tìm trang Web có tên index.htm gửi đến trình duyệt bạn Web server chia làm phần chính: Phần cứng (Hardware) Phần mềm (Software) Bất kỳ máy tính trở thành Web Server việc cài đặt lên chương trình phần mềm Server Software sau kết nối vào Internet 21 Khi máy tính bạn kết nối đến Web Server gửi đến yêu cầu truy cập thông tin từ trang Web đó, Web Server Software nhận yêu cầu gửi lại cho bạn thông tin mà bạn mong muốn Hình 3.13 Hình ảnh hiển thị Web server Hình 3.14 Hình ảnh hiển thị hình Oled 22 b.Nguyên lý hoạt động webserver: Cảm biến đo nhịp tim oxy máu MAX30102 đồng hồ NTP gửi thông qua giao thức HTTP, dùng javascript để bắt kiện hiển thị giá trị web html 23 CHƯƠNG THI CƠNG HỆ THỐNG 4.1 Sơ đồ ngun lí Hình 4.1 Sơ đồ ngun lý tồn mạch 4.2 Giải thích sơ đồ nguyên lý ● Esp8266 cấp nguồn 5V ● Chân IO4, IO5 kết nối với chân SDA, SCL hình OLED 1.3inch để hiển thị liệu thời gian thực ● Cảm biến MAX30102 hình OLED cấp nguồn 3.3V lấy từ ngõ ESP8266 24 4.3 Lưu đồ giải thuật 4.3.1 Chương trình Hình 4.2: Lưu đồ thuật tốn chương trình Ban đầu khởi tạo biến sử dụng chương trình, sau hiển thị giao diện giá trị liệu Tiếp theo khối xử lý trung tâm kết nối với mạng wifi thiết lập trang web đồng thời cập nhập thời gian thực Sau khối xử lý trung tâm xử lý tín hiệu nhịp tim huyết áp để hiển thị thơng số lên hình cập nhập lên trang web 25 4.3.2 Giải thuật đo nhịp tim spo2: Hình 4.3: Lưu đồ giải thuật đo nhịp tim Đầu tiên đọc giá trị analog từ đèn LED cảm biến, lưu 100 giá trị đọc nhằm giảm nhiễu tang độ xác Dùng giá trị lưu tính tốn nhịp tim nồng độ oxy máu dựa vào sở lý thuyết nêu 26 4.3.3 Giải thuật dị WiFi: Hình 4.4: lưu đồ giải thuật dò wifi ESP8266 dò wifi lưu tên wifi tìm vào nhớ Flash Người dùng chọn wifi nhập mật giao diện web, mật gửi thông qua HTTP request đóng gói theo dạng JSON ESP tách thành tên mật kết nối với wifi nhập 27 4.3.4 Giải thuật thời gian thực: Hình 4.5: Lưu đồ giải thuật thời gian thực Cứ sau 500ms, ESP cập nhập liệu thời gian thông qua giao thức NTP Thời gian lúc biến số với điểm bắt đầu 7:00 1/1/1970, tách biến số so sánh với mốc bắt đầu (1970) ta tìm thời gian Link source code: https://github.com/CodeMarker01/DoAn1-dowifi https://github.com/CodeMarker01/DoAn1dowifi 28 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ KẾT LUẬN 5.1 Kết thực 5.1.1 Hình ảnh thực tế sản phẩm: Hình 5.1: Hình ảnh thực tế sảm phẩm Hình 5.2 : Hình ảnh thực tế sản phẩm 29 Hình 5.3 : Hình ảnh giao diện web 5.1.2 Kết thực nghiệm: So sánh kết đo thực tế mạch thi công với thiết bị đo đáng tin cậy Thiết bị sử dụng để so sánh kết đề tài vòng đeo tay thông minh Honor Band Bảng 5.1: Kết thử nghiệm thiết bị Nhịp tim (bpm) Nồng độ oxy máu (%) Honor Band Mạch Honor Band Mạch 84 187 98 97 83 150 99 88 30 81 210 97 86 85 179 99 93 84 168 99 72 81 250 98 87 83 193 98 65 Hình 5.4: Biểu đồ đường so sánh nhịp tim mạch thi công Honor Band Hình 5.5: Biểu đồ đường so sánh SPO2 mạch thi công Honor Band 31 5.1.3 Kết luận: Sau thực để tài cá nhân hoành thành nội dung sau: Về kiến thức: ● ● ● ● Có thêm kiến thức, hiểu biết vi điều khiển Nodemcu esp8266 Biết cách giao tiếp Nodemcu esp8266 với thiết bị ngoại vi Mở rộng kiến thức lập trình phần mềm Arduino IDE Tìm hiểu cảm biến max30102, Websever, oled ssd1306 Về sản phẩm: ● Sản phẩm hoạt động đo nhịp tim Spo2 chưa ổn định, đạt yêu cầu hiển thị thông tin bao gồm ký tự, chữ, số cần thông báo oled websever ● Tuy nhiên lần đầu tiếp xúc với vi điều khiển Module Wifi , nguồn tài liệu tham khảo chủ yếu từ nước ngoài, hạn chế kiến thức thân nên trình thực cịn số hạn chế sau: - Có số ý chương trình chưa hoàn toàn hiểu sâu, hiểu rõ - Chưa khai thác hết tính Arduino - Người dùng thay đổi thơng tin cách nạp lại liệu cho Arduino chưa có giao diện nhập liệu - Tính thẩm mỹ ứng dụng chưa cao 5.2 Hướng phát triển ● Hoàn thiện thêm khả di động: o Mạch nguồn dùng pin ● Hồn thiện thêm tính năng: o Cải thiện độ xác sản phẩm o Điều khiển từ xa thiết bị thông minh o Phát té ngã + gọi khẩn cấp o Định vị ● Đưa thiết bị sang mạng toàn cầu o Khả truy cập vào trang web toàn giới ● Tối ưu trang web o Xây dựng sở liệu 32 o Giao diện thân thiện dễ dùng ● Thiết bị theo dõi sức khỏe từ xa: o Bác sĩ theo dõi sức khỏe bệnh nhân dễ dàng, thường xuyên liên tục o Người dùng không cần phải bệnh viện ngày o Người thân theo dõi sức khỏe người dùng từ xa 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] datasheet ASM1117, “AMS1117 - Advanced Monolithic Systems’’ [2] Nguyễn Đình Phú, Vi xử lý - PIC, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM, 2017 [3] Nguyễn Thanh Hoàn, Nguyễn Hoàng Nam “Thiết kế vịng tay đo nhịp tim sử dụng cơng nghệ iots”, Đồ án tốt ngiệp, Trường ĐHSPKT, TP.HCM, 2019 [4] datasheet MAX30102, “High Sensitivity Pulse Oximeter and Heart-Rate Sensor for [5] Recommended Configurations and Operating Profiles for MAX30101/MAX30102 EV Kits, Maxim integrated [6] datasheetsSSD1306, “128 x 64 Dot Matrix OLED/PLED Segment/Common Driver with [7] datasheet ESP8266-12E,” ESP-12E WiFi Module Version1.0” [8] https://benhvienducgiang.com/thong-tin-chuyen-mon/ky-thuat-do-va-theo-doi-spo2 [9] https://hshop.vn [10] https://www.oled-info.com/oled-technology [11] https://cuongquach.com/ntp-sever-la-gi-tong-quan-ve-dich-vu-network-timeprotocol.html [12] https://viettuts.vn/lap-trinh-mang-voi-java/giao-thuc-udp [13] https://www.w3schools.com [14] https://developer.mozilla.org ... 1714VTB ĐAMH: Đồ án Tên đề tài: Thiết kế đồng hồ thông minh đo nhịp tim oxy máu Tuần /ngày Tuần 1(30/3-5/4) Nội dung Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án chọn đề tài đồ án Tuần (6/412/4)... nồng độ oxy máu (SPO2) theo dõi thời gian thực 1.2 Mục tiêu đề tài ● Thiết kế thi cơng mơ hình đồng hồ thông minh đo nhịp tim nồng độ Oxy máu, đảm bảo tính xác, thơng số cập nhật liên tục Đồng thời... tại, đồng thời vừa không tốn nhiều thời gian cho việc theo dõi chi phí khám chữa bệnh Chính lý mà chúng em chọn đề tài “ Thiết kế đồng hồ thông minh đo nhịp tim oxy máu ” Ý tưởng đề tài dựa đồ án