báo cáo, cảm biến, esp 8266, oled, sơ đồ nguyên lý, code.Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, con người ngày càng chế tạo ra được nhiều các vật dụng thông minh hơn, hiện đại hơn. Từ đó có thể tối ưu hóa các nhu cầu của con người một cách dễ dàng hơn.
KHOA ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG KĨ THUẬT CẢM BIẾN Đề tài: Cảm biến nhịp tim sử dụng module ESP8266 hiển thị thơng số lên hình OLED Nhóm sinh viên Giảng viên môn Hà Nội – 2021 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN LỜI NĨI ĐẦU Ngày khoa học cơng nghệ ngày phát triển, người ngày chế tạo nhiều vật dụng thông minh hơn, đại Từ tối ưu hóa nhu cầu người cách dễ dàng Mỗi giai đoạn phát triển lịch sử giới gắn liền với cách mạng khoa học kĩ thuật Và ngày nay, cách mạng Internet of Things tạo nên thay đổi đáng kể cho sống người tương lai Internet of Things ứng dụng vào nhiều mặt sống Ứng dụng công nghiệp, nông nghiệp, giáo dục, y tế… Và vấn đề sức khỏe mối quan tâm hàng đầu người.Vì vậy, 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 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.Đặt vấn đề Ngày nay, nhịp sống người ngày tăng cao, sống ngày bận rộn, yếu tố sức khỏe vốn thiết yếu lại không nhận nhiều coi trọng Con người nói chung, Việt Nam nói riêng, nước phát triển, đa phần người bị vào công việc mưu sinh hàng ngày mà bỏ qua yếu tố sức khỏe thân người thân, dẫn đến hậu đáng tiếc phát chậm trễ Theo số liệu thống kê năm 2015, năm Việt Nam có 200.000 người bị đột quỵ (tai biến mạch máu não), 50% số tử vong 90% số người sống sót sau đột quỵ phải sống chung với di chứng thần kinh vận động Trong ba năm trở lại, số bệnh nhân phải nhập viện đột quỵ có chiều hướng tăng lên từ 1,7% - 2.5% Trong đó, tỷ lệ nam giới mắc phải cao gấp lần nữ giới Nghiêm trọng hơn, độ tuổi bị tai biến mạch máu não dần trẻ hóa, từ 40 – 45 tuổi so với trước 50 – 60 tuổi, số lượng bệnh nhân bị tàn tật đột quỵ có xu hướng tăng mạnh với nhiều di chứng nặng nề Việc phịng ngừa tình trạng nói q trình dài cố xảy ra, phát lập tức, hội để cứu chữa người bệnh giảm thiểu khả di chứng tàn tật nhiều Qua đó, vấn đề đặt làm để theo dõi sức khỏe người bệnh lâu dài phát có cố xảy 1.1.1.Tình hình nghiên cứu nước Mặc dù trình độ khoa học kỹ thuật nước lĩnh vực y tế có bước tiến lớn, nhiên nước phát triển, việc chăm lo đảm bảo cho sức khỏe người dân có nhiều hạn chế chưa thật trọng Hơn nữa, có số phận người dân với mức sống trung bình cao có thề sử dụng dịch vụ y tế tốt Tính đến thời điểm tại, chưa có thiết bị hay hệ thống đưa vào sử dụng nhằm chăm sóc sức khỏe dành cho đại phận người dân Những nguyên nhân dẫn đến tình trạng trên: • Người dân vời mức sống trung bình khơng có đủ chi phí trang trải cho dịch vụ chăm sóc sức khỏe cần thiết • Mặt chung mức sống thấp khiến người xem nhẹ khơng có quan tâm mức dành cho sức khỏe thân • Hạn chế sở hạ tầng vật chất: loại máy móc y sinh đại tập trung chủ yếu bệnh viện trung ương • Hạn chế yếu tố công nghệ: loại cảm biến nhỏ gọn cho phép thu thập thông số cần thiết để đánh giá sức khỏe cách liên tục nghiên cứu 1.1.2.Tình hình nghiên cứu ngồi nước Với nước phát triển Mỹ, Anh, Úc, vv, việc theo dõi chăm sóc sức khỏe cần thiết trọng Có nhiều phần mềm theo dõi sức khỏe lập trình với giao diện thân thiện người dùng, dễ sử dụng smartphone hay tablet, PC, laptop, v.v kết hợp với bệnh viện Các tập đồn, cơng ty lớn trọng đến mảng y sinh với sản phẩm phần cứng theo dõi sức khỏe Apple Watch, Xiaomi Band, Samsung Gear Fit Wearables, vv kèm với phần mềm hỗ trợ tích hợp smartphone, tablet Bên cạnh đó, dịch vụ chăm sóc tận nhà ngành nghề tiềm với thu nhập cao, nghiên cứu sử dụng rộng rãi nước tiên tiến Qua kết luận lĩnh vực ứng dụng công nghệ vào lĩnh vực y tế, tình hình ngồi nước vượt trội nước mặt, khơng cịn giai đoạn nghiên cứu, mà bước sang giai đoạn ứng dụng triển khai 1.2.Tính cấp thiết đề tài Các thơng số để đánh giá gần tình trạng sức khỏe bao gồm: nhịp tim, huyết áp, nhiệt độ thể Tuy nhiên, với hạn chế trình độ, thời gian thực đồ án, yếu tố công nghệ, đồ án tập trung vào giá trị nhịp tim để nghiên cứu xử lý, đồng thời đối tượng sử dụng người cao tuổi Nhu cầu chăm sóc, theo dõi sức khỏe cho người cao tuổi cần thiết Song vấn đề thời gian chăm sóc đa phần hộ gia đình lại eo hẹp, nhiều người lựa chọn phương án viện dưỡng lão kiểm tra định kỳ bệnh viện Điều thường ngược lại ý muốn phần lớn người cao tuổi, đồng thời bất tiện việc lại, chi phí, lựa chọn bệnh viện để thực kiểm tra định kỳ Từ đó, lý nêu trên, nhóm em hướng đến việc vừa đáp ứng nhu cầu muốn nhà với gia đình người cao tuổi, đồng thời vừa không tốn nhiều thời gian, việc di chuyển lại, chi phí chăm sóc người thân Bên cạnh đó, người mắc bệnh liên quan đến tim mạch, huyết áp ngày gia tăng Các thống kê đối tượng vào ban đêm ngủ thường có tình trạng ngừng thở đột ngột hay tim ngưng đập, tăng giảm huyết áp bất thường Tình trạng khơng phát sớm cứu chữa kịp thời dẫn đến đột quỵ, tai biến mạch máu não gây tử vong Vì vậy, việc phát sớm bất thường số sức khỏe bệnh nhân quan trọng Cho nên việc có thiết bị nhỏ gọn theo dõi thơng số sức khỏe đưa cảnh báo mà không gây bất tiện cho bệnh nhân cần thiết Với yêu thích hai lĩnh vực điện tử, y học nhìn thấy nhu cầu nên chúng em định chọn đề tài “ Cảm biến nhịp tim sử dụng module ESP8266 hiển thị thông số lên hình OLED” 1.3.Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3.1.Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu phần mềm giải thuật để đo nhịp tim, nồng độ oxy máu xác, tức thời, đảm bảo hệ thống hoạt động chức thông tin tới người dùng qua hình OLED 0.96 inch, cách thức lập trình ESP8266 Về phần cứng linh kiện điện tử, module chức năng, cảm biến nhịp tim,vv board ESP8266 1.3.2.Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu khn khổ mơ hình nhỏ áp dụng cho người dùng, nhiên có khả mở rộng thành hệ thống lớn CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu đề tài bao gồm: - Vi điều khiển ESP8266 - Màn hình OLED 0.96 inch - Cảm biến nhịp tim Oxy máu MAX30100 2.1 Nội dung đề tài Bố cục đề tài trình bày thành phần sau: - Chương 1: Tổng quan: Trong chương này, nhóm thực đề tài trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu, mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài - Chương 2: Nội dung nghiên cứu: Giới thiệu sơ lược tín hiệu nhịp tim sơ đồ khối - Chương 3: Thiết bị: Trong chương này, nhóm thực đề tài giới thiệu thiết bị cần dùng đề tài - Chương 4: Thiết kế hệ thống: Giới thiệu phần cứng,phần mềm số liệu, hình ảnh hệ thống sau thi cơng 2.2 Cơ sở lí thuyết 2.1.1 Tín hiệu nhịp tim Nhịp tim ( Heart Rate-HR) số nhịp đập tim đơn vị thời gian, thường tính nhịp/phút Nhịp tim thay đổi theo nhu cầu hấp thụ Oxy tiết CO2 thể, ví dụ lúc tập thể dục lúc ngủ Chỉ số HR bình thường cá thể khác nhau, phụ thuộc vào gới tính, độ tuổi, trình trạng sức khỏe,v.v Sự thay đỏi số HR dấu hiệu cho thấy thay đổi trạng thái tim, qua có thê phản ánh tình trạng sức thể Resting Heart Rate (RHR) số nhịp tim thể trạng thái nghỉ ngơi RHR đo xác thời điểm vừa ngủ dậy lúc sáng sớm Ở trạng thái ngồi nằm, thư giãn thể khơng có bệnh 10 Đây loại giao thức giao tiếp nối tiếp đồng Nó có nghĩa bit liệu truyền bit theo khoảng thời gian đặn thiết lập tín hiệu đồng hồ tham chiếu Sau số đặc điểm quan trọng giao thức giao tiếp I2C: - Chỉ cần có hai đường bus (dây) chung để điều khiển thiết bị IC mạng I2C - Không cần thỏa thuận trước tốc độ truyền liệu giao tiếp UART Vì vậy, tốc độ truyền liệu điều chỉnh cần thiết - Cơ chế đơn giản để xác thực liệu truyền - Sử dụng hệ thống địa bit để xác định thiết bị / IC cụ thể bus I2C - Các mạng I2C dễ dàng mở rộng Các thiết bị kết nối đơn giản với hai đường bus chung I2C 3.2 Màn hình hiển thị OLED 0.96 inch OLED (viết tắt Organic Light Emitting Diode: Diode phát sáng hữu cơ) hình nhỏ với 128 x 64 pixel OLED riêng lẻ khơng cần đèn Hình 6: Màn hình hiển thị OLED 0.96 inch 20 Màn hình OLED đơn sắc (màu trắng), có mẫu khác với nhiều màu Màn hình sử dụng giao tiếp I2C Điều có nghĩa giao tiếp với Arduino chân Màn hình OLED gồm lớp nền, Anode, lớp hữu cơ, cathode Và phát ánh sáng theo cách tương tự đèn LED Quá trình gọi phát lân quang điện tử 3.2.1 Ưu điểm nhược điểm 3.2.1.1 Ưu điểm - Các lớp hữu nhựa OLED mỏng hơn, nhẹ mềm dẻo lớp tinh thể LED hay LCD - Bởi lớp phát quang OLED nhẹ nên OLED mềm dẻo thay cứng rắn - OLED sáng LED - Bởi OLED khơng cần chiếu sáng nên chúng tiêu thụ điện nhiều so với LCD - OLED chế tạo dễ dàng làm thành có kích thước lớn - OLED có góc nhìn rộng hơn, vào khoảng 170° 3.2.1.2 Nhược điểm - Thời gian sống: film OLED xanh đỏ có thời gian sống lâu (khoảng 10 000 đến 40 000 giờ), film xanh da trời có thời gian sống nhiều (chỉ khoảng 1000 giờ) - Chế tạo: Hiện cơng đoạn chế tạo cịn đắt - Nước: nước dễ dàng làm hỏng OLED 21 3.2.2 Thông số kĩ thuật - Điện ấp sử dụng: 3V3 đến 5V (DC) - Công suất tiêu thụ: 0.04W - Góc hiển thị: Lớn 160 độ (Em chưa hiểu chỗ này, bác giải thích hộ) - Độ phân giải: 128X64 pixel (Điểm ảnh) - Độ rộng hình: 0.96inch - Giao tiếp: I2C - Màu: Trắng Đen - Driver: SSD1306 - Sơ đồ nối chân: VCC 3V3 đến 5V GND SCL GND Xung clock - A5 SDA Truyền liệu - A4 Để điều khiển hình OLED, bạn cần thư viện “adafruit_GFX.h” “adafruit_SSD1306.h” 3.3 Vi điều khiển ESP8266 NodeMCU Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua kit phát triển dựa chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng đặc biệt sử dụng trực tiếp trình biên dịch Arduino để lập trình nạp code, điều khiến việc sử dụng lập trình ứng dụng ESP8266 trở nên đơn giản Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua dùng cho ứng dụng cần kết nối, thu thập 22 liệu điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt ứng dụng liên quan đến IoT Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua sử dụng chip nạp giao tiếp UART ổn định CP2102 có khả tự nhận Driver tất hệ điều hành Window Linux, phiên nâng cấp từ phiên sử dụng IC nạp giá rẻ CH340 Hình 7: Module wifi esp8266 3.3.1 Thông số kĩ thuật - Hỗ trợ Arduino IDE Arduino ESP8266 - Sử dụng module wifi ESP – 12E - Kích thước: 49 x 24.5 x 13mm - IC chính: ESP8266 Wifi SoC - Phiên firmware: Node MCU - WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n - Điện áp hoạt động: 3.3V - Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB - Số chân I/O: 11 (tất chân Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0) - Số chân Analog Input: (điện áp vào tối đa 3.3V) - Bộ nhớ Flash: 4MB - Giao tiếp: Cable Micro USB 23 I/O có - Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2 - Tích hợp: TCP/IP - Lập trình ngôn ngữ: C/C++, Micropython, NodeMCU – Lua 3.3.2 Sơ đồ chân Hình 8: Sơ đồ chân module wifi esp8266 NodeMCU có tổng cộng 13 chân GPIO nhiên số chân dùng cho mục đích quan trọng khác: - Tất GPIO có trở kéo lên nguồn bên (ngoại trừ GPIO16 có trở kéo xuống GND) Người dùng cấu hình kích hoạt khơng kích hoạt trở kéo 24 - GPIO1 GPIO3: hai GPIO nối với TX RX UART0, NodeMCU nạp code thông qua UART nên tránh sử dụng chân GPIO - GPIO0, GPIO2, GPIO15: chân có nhiệm vụ cấu hình mode cho ESP8266 điều khiển trình nạp code nên bên NodeMCU (có tên gọi strapping pins) có trở kéo để định sẵn mức logic cho chúng sau: GPIO0: HIGH, GPIO2: HIGH, GPIO15: LOW Vì muốn sử dụng chân vai trò GPIO cần phải thiết kế nguyên lý riêng để tránh xung đột đến trình nạp code - GPIO9, GPIO10: hai chân dùng để giao tiếp với External Flash ESP8266 khơng thể dùng - Như vậy, GPIO cịn lại: GPIO 4, 5, 12, 13, 14, 16 sử dụng bình thường 25 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 4.1 Phần cứng Hình 9: Sơ đồ ngun lý Giải thích sơ đồ: ESP8266 cấp nguồn 5V để hoạt động Các chân D1,D2 ESP8266 nối với chân SCR SCL hình OLED cảm biến nhịp tim MAX30100 để hiển thị liệu lấy liệu Cảm biến nhịp tim hình OLED cấp nguồn 3.3V từ chân G ESP8266 26 Khối cảm biến nhịp tim Oxy máu Khối hiển thị Oled 0.96inch Khối xử lý board ESP8266 27 4.2 Phần mềm – giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE - Arduino IDE viết tắt (Arduino Integrated Development Environment) trình soạn thảo văn bản, giúp bạn viết code để nạp vào bo mạch Arduino Hình 10: Giao diện Arduino IDE Một chương trình viết Arduino IDE gọi sketch, sketch lưu định dạng ino 28 Giao diện Arduino IDE Verify Kiểm tra lỗi biên dịch code Upload Dịch upload code vào bo mạch cài đặt sẵn New Tạo sketch Open Mở sketch có sẵn Save Lưu sketch Serial Mở serial monitor Monitor Serial Monitor thành phần Arduino IDE, giúp bo mạch máy tính gửi nhận liệu với nhay qua giao tiếp USB Để mở hình Serial Monitor, chọn Tool > Serial Monitor Hình 11: Serial Monitor 4.3 Sản phẩm thực tế 29 Hình 12: Một số hình ảnh thực tế sản phẩm 4.4 Mã nguồn 30 //Khai báo thư viện #include #include #include #include #include Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire, -1); #include "MAX30100_PulseOximeter.h" #define REPORTING_PERIOD_MS 1000 PulseOximeter pox; uint32_t tsLastReport = 0; void onBeatDetected(){ Serial.println("Beat!");} void setup(){ Serial.begin(115200); if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) { Serial.println("SSD1306 allocation failed"); for(;;); } display.setFont(&FreeSerif9pt7b);//xác định Font chữ display.clearDisplay(); display.setTextSize(1); //Cỡ chữ mặc định display.setTextColor(WHITE); display.setCursor(20,15); //Xác định cỡ chữ //Vị trí kí tự display.println("DT2"); display.setCursor(0,40); display.println("HELLO"); display.display(); display.setTextSize(1); 31 delay(2000); Serial.print("Initializing pulse oximeter "); if (!pox.begin()) { Serial.println("FAILED"); for(;;); } else { Serial.println("SUCCESS");} pox.setOnBeatDetectedCallback(onBeatDetected); } void loop(){ pox.update(); if (millis() - tsLastReport > REPORTING_PERIOD_MS) { Serial.print("Heart rate:"); Serial.print(pox.getHeartRate()); Serial.print("bpm / SpO2:"); Serial.print(pox.getSpO2()); Serial.println("%"); display.clearDisplay(); display.setCursor(10,12); display.print("Pulse Oximeter"); display.setCursor(0,35); display.print("HeartR:"); display.setCursor(62,35); display.print(pox.getHeartRate(),0); display.println(" bpm"); display.setCursor(0,59); display.print("SpO2 : "); display.setCursor(62,59); display.print(pox.getSpO2()); 32 display.println(" %"); display.display(); tsLastReport = millis(); } } CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT 33 Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, nhóm em hoàn thành đề tài “Cảm biến nhịp tim sử dụng module ESP8266 hiển thị thơng số lên hình OLED” Đề tài đạt yêu cầu sau: • Giới thiệu sơ lược phần cứng • Giới thiệu phần mềm cần thiết cho việc lập trình • Hiển thị OLED 0.96 inch Bên cạnh nhóm nghiên cứu tự đánh giá phần cịn hạn chế, nhiều bổ sung thêm kiến thức môn học chuyên ngành phong cách làm việc khoa học, nghiêm túc TÀI LIỆU THAM KHẢO Danh mục Website tham khảo: https://mlab.vn/index.php?_route_=41209-huong-dan-su-dung-manhinh-oled-0-96-inch-voi-arduino.html https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX30100.pdf https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/0aesp8266ex_datasheet_en.pdf 34 ... D1,D2 ESP8266 nối với chân SCR SCL hình OLED cảm biến nhịp tim MAX30100 để hiển thị liệu lấy liệu Cảm biến nhịp tim hình OLED cấp nguồn 3.3V từ chân G ESP8266 26 Khối cảm biến nhịp tim Oxy... 3.1 Khối cảm biến nhịp tim Cảm biến nhịp tim oxy máu MAX30100 sử dụng để đo nhịp tim nồng độ Oxy máu, thích hợp cho nhiều ứng dụng liên quan đến y sinh, cảm biến nhịp tim oxy máu sử dụng phương... “ Cảm biến nhịp tim sử dụng module ESP8266 hiển thị thông số lên hình OLED? ?? 1.3.Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3.1.Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu phần mềm giải thuật để đo nhịp tim,