(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và thi công thiết bị đo nhiệt độ, nhịp tim và nồng độ oxy trong máu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ, NHỊP TIM VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU GVHD: TRẦN VI ĐÔ SVTT: HỒ TUẤN AN MSSV: 16129002 SVTH: NGUYỄN DUY NAM MSSV: 16129040 SKL007392 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2020 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Hệ đào tạo: Khóa: I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ, NHỊP TIM VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU AI NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: • Nguyễn Văn Ngọc “Nghiên cứu thiết kế mơ hình máy đo nhịp tim nồng độ oxy máu” Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật, Đại Học Đà Nẵng, 2013 • Nguyễn Ngọc Quý, Nguyễn Tiến Khoa, “Thiết bị đo nồng độ theo dõi nhịp tim”, Đồ án tốt nghiệp Đại học SPKT TP HCM, 01/2019 • Vũ Quang Hồi, “giáo trình kỹ thuật cảm biến”, xuất tháng 10 năm 2019 Nội dung thực hiện: • Nội dung 1: Tìm hiểu ngơn ngữ lập trình C • Nội dung 2: Tìm hiểu hoạt động cảm biến • Nội dung 3: Tìm hiểu cách truyền liệu từ Esp8266 lên web • Nội dung 4: Thiết kế sơ đồ khối, tìm linh kiện phù hợp • Nội dung 5: Viết code nhận liệu từ web App i • Nội dung 6: Viết App android • Nội dung 7: Thi cơng thiết bị • Nội dung 8: Tiến hành chạy thử thiết bị, đánh giá, sửa lỗi khắc phục • Nội dung 9: Đánh giá kết đạt hướng phát triển • Nội dung 10: Viết báo cáo tiến hành báo cáo đề tài III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/07/2010 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Trần Vi Đơ BM ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH ii LỜI CAM ĐOAN Đề tài cơng trình nhóm chúng em – Hồ Tuấn An Nguyễn Duy Nam tự thực dựa vào số tài liệu trước hướng dẫn TS Trần Vi Đô Các số liệu đề tài nhóm thu thập khơng chép từ tài liệu hay cơng trình khác Người thực đề tài Hồ Tuấn An Nguyễn Duy Nam iii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Đồ án tốt nghiệp này, lời nhóm chúng em gửi lời cảm ơn chân thành đến q thầy Khoa Điện – Điện Tử nói chung thầy cô môn Điện Tử Cơng Nghiệp – Y Sinh nói riêng truyền đạt nhóm chúng em kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt q trình học tập Đặc biệt nhóm chúng em xin gửi lời cám ơn đến thầy Trần Vi Đô trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ, tạo điều kiện để nhóm chúng em hồn thành tốt đề tài Nhóm chúng em gửi lời đồng cảm ơn đến bạn lớp 161290 chia sẻ trao đổi kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian thực đề tài Mặc dù cố gắng thực hết sức, xong điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế hạn chế nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Vì nhóm chúng em mong đóng góp quý thầy, cô giáo Xin chân thành cảm ơn! Người thực đề tài Hồ Tuấn An Nguyễn Duy Nam iv MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LIỆT KỆ HÌNH VẼ LIỆT KÊ BẢNG TÓM TẮT Chương TỔNG QUAN 1.1Đặt vấn đề 1.2Mục tiêu 1.3Nội dung nghiên cứu 1.4Giới hạn 1.5Bố cục đề tài Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1Thiết bị đo nhiệt độ, nhịp tim spo2 2.1.1Máy đo huyết áp, nhịp tim, nh 2.1.2Máy đo nồng độ oxy má 2.2Cảm biến hồng ngoại 2.2.1Đặc điểm tính chất tia hồng 2.2.2Ứng dụng tia hồng ngoại 2.2.3Cảm biến hồng ngoại 2.3Nguyên lý đo nhiệt độ, nhịp tim spo2 cảm biến hồng 2.3.1Nguyên lý đo nhịp tim c 2.3.2Tổng quan SpO2 2.3.3Nguyên lý đo nhiệt độ hồ 2.3Giới thiệu phần cứng 2.3.1Module Cảm biến nhiệt độ 2.3.2Cảm biến nhịp tim 2.3.3Board Arduino 2.3.4Màn hình Oled 2.3.5Một số loại pin 2.4Phần mềm arduino ide 2.4.1Giới thiệu 2.4.2Các thành phần Ar 2.5Mit app inventor 2.5.1Giới thiệu 2.5.2Các chức MIT App 2.5.3Ưu nhược điểm MIT App 2.6Chuẩn giao tiếp I2C 2.7Chuẩn giao tiếp UART 2.8Google firebase 2.8.1Giới thiệu 2.8.2Cách thức hoạt động Fireb Chương TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1Giới thiệu 3.2Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 3.3Tính tốn thiết kế mạch 3.3.1Khối trung tâm xử lý 3.3.2Thiết kế khối đo nhiệt độ 3.3.3Thiết kế khối đo nhịp tim S 3.3.4Khối hiển thị 3.3.5Thiết kế khối nguồn 3.3.6Sơ đồ nguyên lý toàn mạch Chương THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1Giới thiệu 4.2Thi công hệ thống 4.3Đóng gói thi cơng mơ hình 4.4Lập trình hệ thống 4.4.1Lưu đồ giải thuật 4.4.2Phần mềm lập trình Android 4.5Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác Chương KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 5.1Kết 5.1.1Phần cứng 5.1.2Giao diện app theo dõi 5.2Kết thực tế 5.2.1Kết đo thực tế 5.2.2Kết thống kê 5.2.3Nhận xét Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1Kết luận 6.2Hướng phát triển vii TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined viii LIỆT KỆ HÌNH VẼ Hình 2.1 Máy đo huyết áp, nhịp tim, nhiệt độ iHealth Xiaomi version Hình 2.2 Máy đo nồng độ oxy máu (SpO2) nhịp tim Beurer po40 Hình 2.3 Đo nhịp tim thủ cơng tay Hình 2.4 Đo nhịp tim ống nghe .7 Hình 2.5 Đo nhịp tim điện cực Hình 2.6 Cảm biến MLX90614 sơ đồ chân 10 Hình 2.7 Module cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614 10 Hình 2.8 Cảm biến nhịp tim PulseSensor 12 Hình 2.9 Cảm biến MAX30100 13 Hình 2.10 Module Node MCU ESP8266 16 Hình 2.11 Arduino Nano 18 Hình 2.12 Oled 0.96 inch 19 Hình 2.13 Pin 18650 Ultrafire 4200mAh 20 Hình 2.14 Pin sạc 9V ansmann MaxE 300mah 21 Hình 2.15 Pin cell 18650 4200 mAh 21 Hình 2.16 Giao diện IDE Arduino 22 Hình 2.17 Giao diện lập trình chức Arduino IDE 22 Hình 2.18 Hệ thống thiết bị giao chuẩn I2C 25 Hình 2.19 Chuẩn truyền UART 25 Hình 2.20 Firebase Database 26 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 28 Hình 3.2 Sơ đồ chân kết nối ESP8266 NodeMCU 29 Hình 3.3 Mạch nguyên lý cảm biến MLX90614 30 Hình 3.4 Sơ đồ mạch kết nối NodeMCU ESP8266 với MLX90614 .31 Hình 3.5 Nguyên lý hoạt động Led hồng ngoại 32 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý cảm biến MAX30100 32 Hình 3.7 Sơ đồ mạch khối đo nhịp tim nồng độ oxy 33 Hình 3.8 Sơ đồ mạch kết nối NodeMCU ESP8266 với Oled 34 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 36 Hình 4.1 Sơ đồ mạch PCB thiết bị 38 Hình 4.2 Mạch sau hàn chân linh kiện 39 Hình 4.3 Thiết bị sau đóng hộp hồn thiện 39 Hình 4.4 Lưu đồ hệ thống 40 Hình 4.5 Lưu đồ chương trình đo nhịp tim SpO2 41 Hình 4.6 Lưu đồ chương trình đo nhiệt độ 42 ix CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 5.1.2 Giao diện app theo dõi Để thuận tiện trình sử dụng, nhóm thực nghiên cứu phát triển ứng dụng điện thoại smartphone sử dụng hệ điều hành Android cho ứng dụng đo nhịp tim đồ thị điện tim Giao diện theo dõi số thiết bị Android sau: Hình 5.2 Giao diện theo dõi số thiết bị android Giao diện tra cứu số theo ngày sau: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 56 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.3 Giao diện theo dõi số theo ngày 5.2 Kết thực tế 5.2.1 Kết đo thực tế Hình 5.4 Thiết bị cấp nguồn khởi động BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 57 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.5 Kết đo nhịp tim SpO2 thành viên nhóm Hình 5.6 Kết đo nhiệt độ thành viên nhóm BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 58 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.7 Kết đo nhiệt độ, nhịp tim SpO2 thành viên nhóm 5.2.2 Kết thống kê So sánh kết đo thực tế mạch thi công với thiết bị đo xác Thiết bị sử dụng để so sánh kết đề tài máy đo nhiệt độ Omron MC – 720 với máy theo dõi bệnh nhân Infinium Omni II Bảng 5.1 Bảng so sánh đo nhiệt độ thiết bị so với máy đo nhiệt độ Omron MC - 720 Người đo Sinh viên Sinh viên Sinh viên Sinh viên BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 59 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Bảng 5.2 Bảng so sánh giá nhiệt độ trung bình thiết bị sinh viên thực với thiết bị đo nhiệt độ Omron Người đo Sinh viên Sinh viên Sinh viên Sinh viên Bảng 5.3 Bảng so sánh độ lệch chuẩn nhiệt độ thiết bị so với máy đo nhiệt độ Omron Người đo Thiế Sinh viên 2.1 Sinh viên 2.31 Sinh viên 2.43 Sinh viên 2.1 ❖ Nhận xét: Sau đo kết nhiệt độ hai thiết bị ta thấy có chênh lệch kết Việc có sai số từ nguyên nhân sau: • Điều kiện mơi trường ánh sáng làm ảnh hưởng đến kết đo • Do dung cảm biến cho việc nghiên cứu, làm đề tài nên độ xác khơng cao so với thiết bị ngồi thị trường • Khoảng cách đo người dùng hay tư thế, vị trí đo chưa xác Bảng 5.4 Bảng so sánh nhịp tim, nồng độ SpO2 thiết bị so với máy theo dõi bệnh nhân Infinium Omni II Người đo BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 60 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Sinh viên Sinh viên Sinh viên Sinh viên Bảng 5.5 Bảng so sánh nhịp tim trung bình, nồng độ SpO2 trung bình thiết bị so với máy theo dõi bệnh nhân Infinium Omni II Người đo Nhịp tim Trung bình (nhịp/phút) Sinh viên Sinh viên Sinh viên Sinh viên Bảng 5.6 Bảng so sánh độ lệch chuẩn nhịp tim, độ lệch chuẩn nồng độ SpO2 thiết bị so với máy theo dõi bệnh nhân Infinium Omni II Người đo Thiết bị sinh viên thực Độ lệch chu Nhịp tim BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 61 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Sinh viên Sinh viên Sinh viên Sinh viên ❖ Nhận xét: Qua việc so sánh kết đo hai thiết bị ta thấy có chênh lệch kết tương đối nhỏ, nhiên có thay đổi lớn nhịp tim hai lần đo sinh viên cụ thể hai sinh viên Việc sai số có nhiều nguyên nhân như: Tư đo hai lần khác hay đặt vị trí tay để đo không giống hai lần đo Do điều kiện ban đầu cung cấp không đầy đủ hạn chế kiến thức chuyên sâu thiết bị nên trình lắp ráp thiết bị tồn nhiều sai sót Và có số trường hợp số liệu cảm biến không ổn định cấu trúc da tùy người mà có độ dày, mỏng khác nên xạ đèn LED tùy vào độ dày mỏng da người đo mà khuếch tán vào nhiều hay mà kết hiển thị có rõ ràng hay khơng Để khắc phục điều địi hỏi phải có thiết bị linh hoạt với giới hạn đề tài sinh viên nên việc gặp khó khăn 5.2.3 Nhận xét Sau hoàn thành mạch đo lắp ráp hình board mạch thành mơ hình hồn chỉnh, kết đạt sau: Mặt trước hệ thống hình Oled đủ kích thước để người dùng quan sát, cố định chắn hộp nhựa in Sau hồn thành sản phẩm có mức độ hồn thiện tốt tính thẩm mỹ khả vận hành thực tế Sau thực xong nhóm hồn thành cơng việc mà đề tài đề ra: • Tạo giao diện ứng dụng Android điện thoại thuận lợi cho việc theo dõi • Màn hình hiển thị thực tế với app Android đồng tốt • Sản phẩm thi cơng tương đối gọn gàng, độ an tồn cao cách điện bảo vệ an toàn tuyệt đối cho người sử dụng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 62 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Trong trình thực đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Thiết kế thi công thiết bị đo nhiệt độ, nhịp tim nồng độ oxy máu”, nhóm em tiếp cận, tìm hiểu thực board mạch Arduino Nano, module ESP8266 NodeMCU, cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến đo nhịp tim SpO2 thiết bị hỗ trợ khác Bên cạnh đó, nhóm chúng em học hỏi tích lũy khối lượng kiến thức định ngơn ngữ lập trình Arduino, thiết kế App sử dụng MIT App Inventor Ba phần trọng tâm mà nhóm chúng em tìm hiểu phát triển thành cơng là: • Thiết kế thiết bị đo nhiệt độ, nhịp tim SpO2 cho kết tương đối xác • Giao tiếp ESP8266 NodeMCU với Firebase • Thiết kế giao diện theo dõi thông số sức khỏe người dùng Chúng em hi vọng kết mà chúng em tìm hiểu góp phần làm nên tài liệu có ích cho bạn sinh viên khác nghiên cứu ứng dụng IoT Bên cạnh kết mà nhóm cố gắng đạt đề tài có khuyết điểm, hạn chế sau: • Vì đề tài nghiên cứu nên hoạt động cảm biến chưa thực xác tối ưu so với cảm biến công nghiệp • Thiết bị chưa thật gọn gàng nên khơng thuận lợi cho việc mang theo thường xun • Vì kiến thức cịn hạn hẹp, thời gian kinh phí hạn chế nên hệ thống khơng hồn thiện tối đa 100% 6.2 Hướng phát triển Hiện nay, ứng dụng IoTs lĩnh vực phổ biến thu hút nhiều lập trình viên Việc xây dựng hệ thống ứng dụng IoTs mang lại kết có ý nghĩa vơ lớn, kết nối vạn vật với Trong phạm vi đồ án, chúng em nghiên cứu trình bày phần việc thiết kế phần cứng phát triển phần mềm Những BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN phần kiểm thử vận hành tốt, ứng dụng vào thực tế Tuy nhiên, nhiều vấn đề mà đồ án cần phải hồn thiện thêm như: • Tiến hành nâng cấp thiết bị đo nhịp tim để bệnh nhân cách sử dụng cảm biến cơng nghiệp độ xác cao nhằm cải thiện tính xác hệ thống • Phát triển giao diện Website, hiển thị liệu cách trực quan mang tính thống kê hơn, giúp bác sĩ dễ dàng so sánh, phân tích đưa chẩn đốn cuối • Ứng dụng giọng nói vào việc điều khiển đo nhiệt độ, nhịp tim nồng độ SpO2 • Sử dụng thêm module Sim để cảnh báo đến người dùng thông qua tin nhắn gọi nhiệt độ ngưỡng cho phép, xảy cố mạng thiết bị, đồng thời cung cấp mạng 3G thay dự phòng cho mạng Wifi kết nối với Wifi Sử dụng cảm biến chuyên dụng để đảm bảo độ xác cho kho có u cầu giám sát khắc khe BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Ngọc “Nghiên cứu thiết kế mơ hình máy đo nhịp tim nồng độ oxy máu” Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật, Đại Học Đà Nẵng, 2013 [2] Nguyễn Ngọc Qúy, Nguyễn Tiến Khoa, “Thiết bị đo nồng độ theo dõi nhịp tim”, Đồ án tốt nghiệp Đại học SPKT TP HCM, 01/2019 [3] Liew, S C "Electromagnetic Waves" Centre for Remote Imaging, Sensing and Processing,04/01/2016 [4] Danny jost, “What is an IR sensor”, 03/05/2020 [5] ElipSport, “Tìm hiểu nhịp tim cơng thức cách tính nhịp tim”, 04/03/2020 [6] Ganghao Sun, “Non-Invasive Diagnostic Methods - Image Processing” , Tokyo metropolitan University [7] Nguyễn Tuấn Linh, “Nguyên lý đo thông số SpO2”,08/05/2020 [8] Khuyết Danh, “Theory and application of the infrared temperature sensor” [9] Vikas Sangwan, “How does the MLX90614 temperature sensor work”, 14/08/2018 [10] Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Minh Quân, đồ án tốt nghiệp: “Giám sát nhịp tim qua điện thoại Android”, 7/2017 [11] Đặng Công Minh, “Máy đo nhịp tim sử dụng cảm biến quang học Max30100 với board mạch Arduino Uno R3”, 12/05/2020 [12] Kamtekar, K T.; Monkman, A P.; Bryce, M R, “Recent Advances in White Organic Light-Emitting Materials and Devices (WOLEDs)”,2010 [13] vietdung126, “Giới thiệu ngôn ngữ Drag and Drop MIT App Inventor”, http://tinhte.vn/, 03/05/2020 [14] Lưu Tấn Nguyên, “Bắt đầu Android với MIT App Inventor”, 16/04/2016 [15] Đỗ Đức Đình Đạt, “Firebase gì, giải pháp lập trình khơng cần backend từ google”, ngày 16/05/2020 Trang web tham khảo: https://hourofcode.vn/lap-trinh-arduino-gioi-thieu-giao-dien-arduino-ide/ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO http://linhkiendoc.com/may-do-huyet-ap-nhip-tim-nhiet-do-thong-minh-ihealth-xiaomiversion-2.html http://beurervietnam.com/may-do-nong-do-oxy-trong-mau-spo2-va-nhip-tim- beurer- po40-604.html BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 66 PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 67 ... ? ?THI? ??T KẾ VÀ THI CÔNG THI? ??T BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ, NHỊP TIM VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU” Với thi? ??t bị ta đo nhiệt độ, nhịp tim nồng độ oxy máu, theo dõi nhịp chúng ngày Như tự nhận biết dấu hiệu như: Nhiệt. .. lợi cho sức khỏe 1.2 Mục tiêu Thi? ??t kế thi công thi? ??t bị đo nhiệt độ, nhịp tim nồng độ oxy máu Thi? ??t bị giúp người dùng đo nhiệt độ, nhịp tim nồng độ oxy máu cần thi? ??t, cảnh báo cho người dùng... thực thi? ??t bị đo nhiệt độ, nhịp tim nồng độ oxy máu Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Ngọc đề tài:” Nghiên cứu thi? ??t kế mơ hình máy đo nhịp tim nồng độ oxy máu? ?? Đề tài nghiên cứu phương pháp đo nhịp tim