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 THÀNH ĐĂNG KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG BLUETOOTH NĂNG LƢỢNG THẤP VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HC THI NGUYấN TRƯờNG ĐạI HọC CÔNG NGHệ THÔNG TIN Và TRUYềN THÔNG KHOA THÀNH ĐĂNG KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG BLUETOOTH NĂNG LƢỢNG THẤP VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ Chuyên ngành:KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số:60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH GV hƣớng dẫn: TS Phùng Trung Nghĩa THÁI NGUYÊN - 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn TS Phùng Trung Nghĩa Các số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực trích dẫn báo cáo ghi rõ nguồn gốc Nếu có sử dụng bất hợp pháp kết cơng trình nghiên cứu người khác báo cáo tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả Khoa Thành Đăng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Lời tơi muốn bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc kính trọng tới thầy giáo, TS Phùng Trung Nghĩa Trong trình tìm hiểu nghiên cứu để hồn thành luận văn tơi gặp khơng khó khăn, lúc tơi ln nhận động viên khích lệ thầy Thầy giúp đỡ tơi nhiều q trình nghiên cứu, hướng dẫn tận tình cách thức phương pháp nghiên cứu khoa học hỗ trợ việc tìm tài liệu Để có kết luận văn này, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy, Cô Trường Đ i học Công nghệ thông tin Truyền thông Thái Nguyên t o điều kiện cho học hỏi kiến thức thơng qua mơn học hồn thành khóa học Cuối tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân b n bè đồng nghiệp khích lệ động viên tơi hồn thành luận văn này.! Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii MỞ ĐẦU CHƢƠNG I:KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN BLUETOOTH 1.1 Giới thiệu Bluetooth 1.1.1 Lịch sử phát triển Bluetooth 1.1.2 Kiến trúc Bluetooth 1.1.3 Các thành phần truyền thông Bluetooth 1.1.4 Định nghĩa liên kết vật lý Bluetooth 12 1.1.5 Địa thiết bị 12 1.1.6 Tr ng thái thiết bị Bluetooth 13 1.2 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần công nghệ Bluetooth 13 1.2.1 Khái niệm trải phổ công nghệ không dây 13 1.2.2 Kỹ thuật nhảy tần số công nghệ Bluetooth 14 1.3 Cách thức ho t động Bluetooth 15 1.3.1 Cơ chế truyền sửa lỗi 15 1.3.2 Quá trình hình thành Piconet 16 1.3.3 Quá trình hình thành Scattenet 18 1.4 Cấu trúc Bluetooth 19 1.4.1 Tầng điều khiển 20 1.4.2 Tầng host 21 1.4.3 Tầng ứng dụng 23 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv CHƢƠNG 2: SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TRONG BLE 25 2.1 Nhận xét công nghệ truyền thông Bluetooth 25 2.2 Tổng quan sử dụng lượng BLE 26 2.3 Các chế độ lượng 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 Ứng dụng BLE 33 CHƢƠNG III:XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG Y TẾ SỬ DỤNG BLE 35 3.1 Yêu cầu toán 35 3.2 Phân tích thiết kế hệ thống truyền thông y tế sử dụng BLE 36 3.2.1 Sơ đồ khối 36 3.2.2 Chức khối phần cứng 37 3.2.3 Thiết kế m ch phần cứng 46 3.2.4 Thiết kế phần mềm 48 3.2.5 Đánh giá ho t động hệ thống 50 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CSDL Cơ sở liệu BLE Bluetooth lượng thấp ISM Băng tần công nghiệp, khoa học, y tế CES Hiển thị mức tiêu thụ lượng MAC Điều khiển truy nhập môi trường AMA Địa thành phần tích cực PMA Địa thành phần đóng gói ACL Liên kết bất đồng SCO Liên kết kết hướng đồng SM Quản lý bảo mật ATT Attribute Protocol HCI Giao diện điều khiển host UUID Mã phân biệt toàn cầu LMP Giao thức quản lý liên kết Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Kiến trúc Bluetooth Hình 1.2.Mơ hình Piconet 10 Hình 1.3 Một Scatternet 11 Hình 1.4 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số 14 Hình 1.5 Các packet truyền tần số khác 14 Hình 1.6 Các packet truyền khe thời gian 15 Hình 1.7 Mơ hình Piconet .16 Hình 1.8 Quá trình truy vấn t o kết nối .17 Hình 1.9 Truy vấn t o kết nối thiết bị thực tế 18 Hình 1.10 Minh họa Scatternet 19 Hình 1.11 Cấu trúc Bluetooth 19 Hình 1.12 Dải tần kênh lớp vật lý .20 Hình 2.1 Hold Mode Interaction .28 Hình 2.2 Sniff Mode Interaction .29 Hình 2.3 Ví dụ chế độ tiết kiệm lượng BLE 32 Hình 2.4 Ứng dụng BLE y tế lĩnh vực khác 34 Hình 3.1 Hệ thống thu thập đa thơng số cảm biến y tế 35 Hình 3.2 Sử dụng module BLE kết nối Arduino Uno với điện tho i kết nối Internet từ điện tho i 3G/GPRS 36 Hình 3.3 Sơ đồ khối 36 Hình 3.4 Sơ đồ chân Tmega 328 37 Hình 3.5 Cảm biến nhiệt độ TMP006 38 Hinh 3.6 Sơ đồ chân TMP006 39 Hình 3.7 Cảm biến XD-58C 40 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý XD-58C 41 Hình 3.9 Module BLE HM-10 42 Hình 3.10 Sơ đồ chân module BLE HM-10 43 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii Hình 3.11 Hình ảnh thực tế chip FT232RL .45 Hình 12 Lưu đồ thuật tốn lặp gửi liệu liên tục qua HM-10 48 Hình 13 Lưu đồ thuật tốn hiển thị liệu thu từ BLE điện tho i truyền lên server 49 Hình 3.14 Hình ảnh thực tế toàn m ch 51 Hình 3.15 Hình ảnh thực tế m ch xử lý trung tâm lớp TOP 51 Hình 3.16 Hình ảnh thực tế m ch xử lý trung tâm lớp BOTTOM 52 Hình 17 Hình ảnh kết ch y phần mềm điện tho i Android 52 Hình 3.18 Hình ảnh hiển thị thời gian thực thơng số thu thập web 53 Hình 3.19 Máy đo oxylo đo cường độ dòng 55 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Bảng mô tả chức chân BLE HM-10 44 Bảng 3.2 Thông số nhịp tim đo qua cảm biến hiển thị trực tiếp cách kết nối trực tiếp máy tính với vi điều khiển 53 Bảng 3.3 Thông số nhiệt độ đo qua cảm biến hiển thị trực tiếp cách kết nối trực tiếp máy tính với vi điều khiển 54 Bảng 3.4 Kết đánh giá độ xác BLE với 10 lần đo chế độ 54 Bảng 3.5 Kết đánh giá độ trễ chế độ Sniff Parkvới chu kỳ nghỉ 1s (thông qua đo thời gian thực t i vi điều khiển điện tho i) 55 Bảng 3.6 Kết đánh giá mức tiêu hao lượng chế độ Sniff Park với V = 3.3 V 56 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 45 24 PIO1 Hệ thống LED 25 PIO2 Vào/ lập trình 26 PIO3 Vào/ lập trình 27 PIO4 Vào/ lập trình 28 PIO5 Vào/ lập trình 29 PIO6 Vào/ lập trình 30 PIO7 Vào/ lập trình 31 PIO8 Vào/ lập trình 32 PIO9 Vào/ lập trình 33 PIO10 Vào/ lập trình 34 PIO11 Vào/ lập trình d Khối giao tiếp máy tính Khối sử dụng IC FT232RL để giao tiếp với máy tính, có chức n p code chương trình, theo dõi lưu kết trực tiếp vào máy tính Hình 3.11 Hình ảnh thực tế chip FT232RL Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 46 3.2.3 Thiết kế mạch phần cứng a Sơ đồ nguyên lý khối vi xử lý b Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp máy tính c Sơ đồ nguyên lý khối BLE Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 47 d Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến e Sơ đồ nguyên lý toàn mạch Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 48 3.2.4 Thiết kế phần mềm a Phần mềmnhúng thu thập liệu nhiệt độ, nhịp tim qua cảm biến Hình 12 Lưu đồ thuật toán lặp gửi liệu liên tục qua HM-10 Chương trình phần mềm nhúng thu thập liệu qua cảm biến gửi đến điện tho i hỗ trợ BLE qua HM10-BLE b Phần mềm điện thoại Android Khối phần mềm có chức nhận liệu từ BLE HM-10 gửi sang hiển thị lên hình điện tho i Phần mềm cho phép kết nối đến BLE HM-10 nhận liệu gửi Sau nhận liệu cho phép hiển thị hình thiết bị đồng thời gửi lên máy chủ server bác sỹ quản lý Ho t động hệ thống sau: - Bật Bluetooth điện tho i - Sau kết nối với BLEHM-10 modul gửi liệu điện tho i Android nhận liệu mà modul BLE gửi nhịp tim, nhiệt độ Lưu đồ thuật tốn thực mơ tả hình 3.10 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 49 Begin Bật bluetooth điện tho i Không Kiểm tra End ĐT hỗ trợ Có Dị tìm, kết nối đến thiết bị Nhận liệu thông số sức khỏe Hiển thị truyền liện lên Server Có Thốt chương trình End Khơng Hình 13 Lưu đồ thuật tốn hiển thị liệu thu từ BLE điện thoại truyền lên server Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 50 b Website hiển thị từ xa Có hai cách liệu gửi lên Client lên Sever dùng phương thức GET phương thức POST Trong luận văn ta dùng phương thức GET Phương thức GET phương thức gửi liệu lên thông qua đường dẫn URL địa Brower.Server nhận đường dẫn phân tích trả kết quả.Server phân tích tất thơng tin đằng sau dấu hỏi (?) liệu mà Client gửi lên Trong luận văn ta muốn nhận liệu từ thiết bị đo lên server ta phải có đường link có d ng URL sau : + tham số nhiêt độ thể http://api.iotheli.com/healthcare/ UpdatePatientTemperature/A/B/C đó: A: ID bệnh nhân B: Acess Tocken bệnh nhân C: tham số nhiệt độ thể bệnh nhân + tham số nhịp tim http://api.iotheli.com/healthcare/UpdatePatientHeartRate/A/B/C đó: A: ID bệnh nhân B: Acess Tocken bệnh nhân C: tham số nhịp tim bệnh nhân 3.2.5 Đánh giá hoạt động hệ thống a Hình ảnh kết Các m ch phần cứng chụp hình 3.14 – 3.16 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 51 Hình ảnh kết phần mềm điện tho i ndroid chụp hình 3.17 Hình ảnh hiển thị thời gian thực thông số thu thập web chụp hình 3.18 Hình 3.14 Hình 3.15 nh ảnh thực tế toàn mạch nh ảnh thực tế mạch xử lý trung t m lớp OP Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 52 Hình 3.16 nh ảnh thực tế mạch xử lý trung t m lớp BO OM Hình 17 Hình ảnh kết chạy phần mềm điện thoại Android Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 53 nh ảnh hiển thị thời gian thực thông số thu thập Hình 3.18 web a Đánh giá độ xác cảm biến đo lường y sinh Mặc dù hệ thống tập trung vào đánh giá hiệu quả, độ xác modul BLE, kết đánh giá có ý nghĩa cảm biến sử dụng hệ thống xác tin cậy Vì thế, phần đánh giá độ tin cậy cảm biến đo lường y sinh sử dụng hệ thống Bảng 3.2 Thông số nhịp tim đo qua cảm biến hiển thị trực tiếp cách kết nối trực tiếp máy tính với vi điều khiển Người µ (bpm) σ2 82,05 0,527 68, 15 0, 288 78, 25 0, 276 81, 0,57 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 54 Với người đo thực 20 lần đoliên tục với người khỏe m nh, khơng có vấn đề sức khỏe nên phương sai