4.5.3 .Thi công hộp đựng cảm biến Max30100
4.6 Lập trình hệ thống
Thiết bị có 2 chức năng chính là đo nhịp tim, nồng độ Oxy trong máu và đo nhiệt độ đƣợc lựa chọn thông qua 2 nút nhấn. Khi nhấn nút nguồn, thiết bị sẽ khởi
61
động và hiển thị giao diện màn hình chính trên Oled. Với mỗi nút nhấn chế độ đƣợc chọn sẽ thực hiện đo và hiển thị giá trị từng thông số. Khi thực hiện đo led sẽ sáng thông báo đang thực hiện quá trình đo. Nếu thơng số vƣợt ngƣỡng cho phép sẽ thực hiện cảnh báo bằng cịi buzzer. Đồng thời giá trị các thơng số còn đƣợc hiển thị trên App Inventor thông qua kết nối Bluetooth
4.6.1 Lƣu đồ giải thuật
4.6.1.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính
Hình 4. 21 Lưu đồ giải thuật chương trình
Giải thích lƣu đồ: Q trình bắt đầu với việc khai báo thƣ viện, các biến đƣợc sử dụng và khởi tạo các giao tiếp với vi điều khiển. Thiết bị đƣợc khởi động sẽ hiển thị màn hình giao diện chính, ta sẽ chọn chức năng thơng qua nút nhấn. Ta nhấn nút để thực hiện quá trình đo và đọc kết quả. Khi thả nút nhấn màn hình sẽ trở về giao diện ban đầu.
62
4.6.1.2.Chương trình chọn chế độ sử dụng
Hình 4. 22 Lưu đồ chọn chế độ sử dụng
Giải thích lƣu đồ:
Thiết bị có 3 giao diện màn hình.
- Khi khởi động hoặc không nhấn chọn chế độ nào cả thiết bị sẽ hiển thị giao diện màn hình chính.
- Khi nhấn button 1: Sử dụng chức năng đo nhiệt độ, chƣơng trình con đo nhiệt độ sẽ đƣợc thực hiện đồng thời màn hình hiển thị giao diện đo nhiệt độ
- Khi nhấn button 2: Sử dụng chức năng đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu. Chƣơng trình con sẽ đƣợc thực hiện đồng thời màn hình hiển thị giao diện đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu.
63
Hình 4. 23 Lưu đồ chương trình đo nhịp tim, Spo2
Giải thích lƣu đồ
- Đo nhịp tim, SPO2 bằng cách để cảm biến nhịp tim trên thiết bị áp vào cơ thể (thƣờng sử dụng đầu ngón tay).
- Bắt đầu chƣơng trình led đỏ và led hồng ngoại trên cảm biến sẽ phát ra ánh sáng mang theo các bƣớc sóng xuyên vào ngón tay sẽ kiểm tra xem có nhịp tim và Spo2 ở cảm biến không.
- Nếu có nhịp tim, Spo2 chƣơng trình sẽ tính tốn, sau đủ 5s kết quả sẽ đƣợc hiển thị lên Oled và App Inventor. Kết quả sẽ đƣợc lƣu lại để tiện cho việc theo dõi.
- Chƣơng trình sẽ thực hiện việc so sánh kết quả với ngƣỡng đặt trƣớc và đƣa ra cảnh báo.
64
4.6.1.3 Chương trình đo nhiệt độ
Hình 4. 24 Lưu đồ chương trình đo nhiệt độ
Giải thích lƣu đồ:
- Để đo nhiệt độ đầu cảm biến sẽ thu bức xạ hồng ngoại trên bề mặt cần đo và chuyển nguồn năng lƣợng này thành tín hiệu điện.
- Tín hiệu điện sẽ đƣợc bộ xử lý tính tốn và cho ra giá trị nhiệt độ.
- Chƣơng trình sẽ thực hiện 3 lần đo với khoảng thời gian cách nhau là 10 ms. - Kết quả cuối cùng là trung bình của ba lần đo.
- Chƣơng trình sẽ gửi kết quả lên Oled, App và so sánh kết quả với ngƣỡng đặt trƣớc rồi đƣa ra cảnh báo.
65
4.6.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển
Arduino IDE là chƣơng trình giúp cho việc lập trình các phần cứng mà nó hỗ trợ. IDE là mơi trƣờng phát triển tích hợp chạy trên trên các máy tính cơ bản cá nhân. Môi trƣờng này là một ứng dụng đa nền tảng (cross-platform) đƣợc viết bằng ngôn ngữ java. IDE này sẽ đƣợc sử dụng cho ngôn ngữ lập trình vi xử lý và project writing. Đƣợc thiết kế cho đối tƣợng mới làm quen với phát triển phần mềm.
Viết chƣơng trình cho Arduino Mega 2560 để đọc cảm biến và gửi dữ liệu lên App Inventor thông qua chuẩn truyền UART.
Để sử dụng phần mềm này, đầu tiên vào trang chủ Arduino.cc để tải phần mềm về. Sau đó nhấn vào cài đặt, chọn thƣ mục và tiến hành cài đặt. Arduino IDE một số thành phần nhƣ: Thanh bảng chọn, Thanh công cụ, vùng code editor, vùng thông báo trạng thái. Thanh bảng chọn gồm các chọn lựa nhƣ: File, Edit, Sketch, Tool và Help. Các chức năng hoạt động của phần mềm đều chứa trong các mục của bảng này. Thanh công cụ chứa: Biên dịch, nạp, new, open, save. Đây là các chức năng chính thƣờng xuyên sử dụng của chƣơng trình.
4.6.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại
Để tiến hành điều khiển thông qua ứng dụng trên điện thoại theo yêu cầu sử dụng và dành cho ngƣời không chuyên, phần mềm Mit App Inventor là lựa chọn phù hợp và tiện ích trong vấn đề này. Các giới thiệu về phần mềm có thể tham khảo trong Chƣơng 2 Cơ sở lý thuyết.
Lƣu đồ chƣơng trình App (hình 4.25). Giải thích lƣu đồ:
- Chức năng của App đƣợc thể hiện qua lƣu đồ bên trên.
- Khi mở App sẽ hiển thị giao diện chính gồm tên thiết bị và 2 nút nhấn lựa chọn chế độ đo.
66
- Khi chọn một trong 2 chế độ sẽ hiển thị giao diện của chế độ đó. Để xem đƣợc dữ liệu đo cần nhấn chọn kết nối Bluetooth. Khi đó dữ liệu từ bộ xử lý trung tâm sẽ gửi lên App thông qua bluetooth. Chƣơng trình sẽ kiểm tra có nhấn nút trở về hay khơng, nếu có sẽ quay về màn hình chính. Đồng thời App sẽ lƣu dữ liệu trên file text.
Hình 4. 25 Lưu đồ chương trình cho App
Các bƣớc tạo App:
- Đăng nhập vào trang Web Mit App Inventor. Đăng nhập tài khoản và tạo file làm việc.
- Tạo giao diện cho ứng dụng bằng cách sử dụng hình ảnh và các cơng cụ hỗ trợ. Cài đặt các kết nối cần thiết.
67
động của ứng dụng bằng cách lắp ráp các thẻ lệnh.
- Bƣớc cuối cùng là build chƣơng trình ta sẽ có mã QR và thực hiện cài đặt.
4.7 Tài liệu hƣớng dẫn và cách sử dụng
4.7.1 Tài liệu hƣớng dẫn sử dụng
a. Hƣớng dẫn các bƣớc
Bƣớc 1: Cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống sử dụng nguồn từ 2 Pin cell 18650 4200mAh 3.7V, khi cấp nguồn bằng cách nhấn nút màu đỏ thì đèn trên cảm biến và màn hình giao diện chính hiển thị trên Oled.
Bƣớc 2: Chọn chế độ hoạt động (hình 4.26) Nhấn nút xanh: Cảm biến
MAX30100 hoạt động
Bật công tắc trên tay đo nhiệt độ: Cảm biến MLX 90614 hoạt động.
Hình 4. 26 Các nút nhấn và công tắc trên thiết bị
Bƣớc 3: Cách đo (hình 4.27)
Đo nhịp tim và Spo2 bằng cảm biến MAX30100 ta cần ngồi ở tƣ thể thoải mái và thả lỏng cơ thể, sau đó đặt đầu ngón tay trỏ của tay phải lên khe để đầu ngón tay, tay
68
trái nhấn nút đo. Lƣu ý trong quá trình đo khơng đƣợc di chuyển vị trí ngón tay, những cử động của cơ thể sẽ làm lệch kết quả đo.
Hình 4. 27 Cách đo nhịp tim và SPO2
Đo nhiệt độ bằng cách đƣa cảm biến đến vị trí cần đo lazzer sẽ hiển thị vị trí đƣợc đo, đầu cảm biến cách vị trí cần đo 1- 2cm. Bật cơng tắc đo sau đó kết quả sẽ đƣợc hiển thị trên màn hình (hình 4.28)
Hình 4. 28 Đo nhiệt độ cơ thể người
Bƣớc 4: Tắt thiết bị khi đã sử dụng xong bằng cách nhấn nút nguồn màu đỏ. b. Hƣớng dẫn sử dụng App trên điện thoại
69
Bƣớc 2: Chọn một trong 2 chế độ đo bằng cách nhấn 1 nút chọn bên dƣới màn hình chính (hình 4.29).
Hình 4. 29 Nút nhấn chọn chế độ trên App
Bƣớc 3: Sau khi đã chọn chế độ đo, màn hình sẽ hiển thị giao diện của chế độ đó. Ta tiến hành nhấn vào mục “Chƣa kết nối” để thực hiện kết nối Bluetooth (hình 4.30a). Sau khi đã chọn kết nối, trạng thái bluetooth sẽ đổi thành “Đã kết nối”. (hình 4.30b).
Hình 4. 30 Trạng thái hiển thị Bluetooth trước và sau khi kết nối
Bƣớc 4: Sau khi bật kết nối Bluetooth, kết quả đo sẽ hiển thị trên App. Muốn chuyển chế độ đo ta nhấn nút “trở về” ở cuối giao diện đo và thực hiện tƣơng tự nhƣ bƣớc 3
Bƣớc 5: Để xem file kết quả đã lƣu ta vào tệp quản lý dữ liệu của điện thoại tìm file text có tên lần lƣợt nhƣ hình 4.31 để xem kết quả.
70
Hình 4. 31 File lưu kết quả đo trên App điện thoại
4.7.2 Quy trình thao tác
Nhằm giúp ngƣời vận hành dễ thao tác với nút sau đây sẽ là quy trình khi
nhấn nút Chọn chế độ đo nhiệt độ:
Chọn chế độ đo nhịp tim và Sp02:
Ban đầu khi nút nhấn đƣợc bật vi điều khiển cấp nguồn cho cảm biến họat động. Sau đó kết quả đo sẽ đc hiển thị trên oled và App. Dữ liệu mỗi lần đo sẽ lƣu thành file dữ liệu. Lƣu ý: Nút nhấn có khi bị nhảy hoặc không ăn ngƣời dùng nhấn lại để đo.
71
Hình 4. 33 Quy trình thao tác cho thiết bị đo
CHƢƠNG 5: THI CƠNG
5.1 Thi cơng phần cứng
Phần cứng của thiết bị gồm hộp đựng bộ điều khiển, hộp đặt cảm biến Max30100 và tay cầm đo nhiệt độ. Bên trong hộp đựng bộ điều khiển là board mạch điều khiển và nguồn Pin. Bên ngồi hộp là màn hình đƣợc cắt từ mica đen, các mặt của hộp đƣợc cố định bằng trụ đồng giúp hộp đƣợc cố định chắc chắn. Board mạch đƣợc cố định với mặt dƣới tấm mica bằng 4 lỗ khoan bắt vít. Các dây bus đƣợc nối với nhau gọn gàng giúp hạn chế sự chạm mạch, đứt dây khi mở nắp thiết bị. Chi tiết thiết kế bộ điều khiển bên trong thiết bị đƣợc thể hiện rõ trong hình 5.1 bên dƣới.
Sau khi đã đóng gói đƣợc bộ điều khiển, ta tiến hành thiết kế vỏ ngồi của thiết bị với màn hình hiển thị Oled LCD và 2 nút nhấn. Bên ngoài thiết bị đƣợc dán giấy Decal xanh dƣơng giúp hạn chế trầy xƣớc. Mặt trên hộp là tên thiết bị và hình logo của
72
trƣờng, khoa. Các nút nhấn đƣợc chú thích rõ ràng chức năng. Hộp đựng cảm biến Max30100 đƣợc in 3D và có khe đặt ngón tay đƣợc gắn phía dƣới bên phải hộp thiết bị. Tay cầm đo nhiệt độ đƣợc gắn phía trên bên phải hộp đựng.
Hình 5. 1 Chi tiết bên trong thiết bị
5.2 Thi công phần mềm
Ứng dụng App đƣợc viết bằng cơng cụ lập trình Mit App Inventor. App có 3 màn hình làm việc với chức năng là nhận và hiển thị giá trị nhịp tim, Spo2 và nhiệt độ đồng thời lƣu trữ dữ liệu trên file text để thuận tiện cho việc chia sẻ. Khi mở App sẽ hiển thị giao diện chính là tên thiết bị và 2 nút nhấn chọn chế độ đo nhƣ hình 5.2 bên dƣới.
73
Hình 5. 2 Màn hình chính của App
Khi chọn chế độ đo nhiệt độ và nhấn chọn kết nối Bluetooth, màn hình sẽ chuyển thành giao diện đo nhiệt độ và hiển thị kết quả nhận đƣợc nhƣ hình 5.3
Hình 5. 3 Hình 5.3 Giao diện hiển thị kết quả đo nhiệt độ
Khi nhấn nút trở về màn hình sẽ chuyển sang giao diện đo nhịp tim, Spo2. Nhấn kết nối Bluetooth để nhận kết quả từ thiết bị chi tiết nhƣ hình 5.4 bên dƣới.
74
Hình 5. 4 Giao diện hiển thị kết quả đo nhịp tim, Spo2
Kết quả đo đƣợc từ thiết bị sẽ gửi lên App qua kết nối Bluetooth và sẽ đƣợc lƣu lại dƣới dạng file text. Flie lƣu gồm kết quả các thông số đo kèm theo thời gian nhƣ
hình 5.5, tiện ích này giúp ngƣời dùng dễ dàng chia sẻ thông tin phục vụ cho việc tƣ
vấn sức khỏe từ xa.
Hình 5. 5 Kết quả lưu trên file text
5.3 Kết quả chạy thực tế trên thiết bị
Khi bật nguồn thiết bị, màn hình Oled sẽ sáng và hiển thị giao diện chính gồm tên thiết bị và biểu tƣợng nhiệt kế và nhịp tim nhƣ hình 5.6 bên dƣới.
75
Hình 5. 6 Giao diện khi thiết bị được cấp nguồn
Khi nhấn nút màu xanh để đo nhịp tim và Spo2 hoặc bật công tắc để đo nhiệt độ trên tay cầm, bộ điều khiển sẽ xử lý tín hiệu nhận đƣợc và điều khiển led xanh sáng báo hiệu đang trong quá trình đo và hiển thị kết quả lên Oled nhƣ hình 5.8 bên dƣới.
(a) Đo nhiệt độ (b) Đo nhiệt tim và SPO2
76
Hình 5.7 cho ta thấy giá trị nhiệt độ đo đƣợc là 36.6 0C đây là giá trị nhiệt độ
cơ thể ở ngƣời bình thƣờng. Trong hình 5.8b ta thấy giá trị nhịp tim là 62 bpm nghĩa là nhịp tim của ngƣời đo là 62 nhịp / phút. Nồng độ Oxy trong máu là 97 % nghĩa là tỷ lệ phần trăm hemoglobine của máu kết hợp với Oxy là 97 %. Thiết bị đo đƣợc giá trị nhịp tim và Spo2 đều nằm trong ngƣỡng giá trị của ngƣời bình thƣờng.
So sánh kết quả của thiết bị so với một số máy trên thị trƣờng: - Đo nhiệt độ
Để biết độ chính xác của giá trị nhiệt độ thu đƣợc từ thiết bị, nhóm thực hiện việc so sánh thiết bị với nhiệt kế hồng ngoại đo trán Omron MC – 720. Nhiệt kế này đo cách trán 1 - 3 cm cho kết quả sau 1s và có độ chính xác cao, chênh lệch chỉ ± 0,2 0C so với thân nhiệt thực tế, ít ảnh hƣởng bởi mơi trƣờng. Nhóm thực hiện việc so sánh kết quả 2 thiết bị trên 6 ngƣời khác nhau ở nhiệt độ môi trƣờng 30 0C. Chi tiết kết quả so sánh mô tả ở bảng 5.1 bên dƣới.
77
Bảng 5. 1 Bảng so sánh thiết bị với nhiệt kế hồng ngoại
STT Giá trị nhiệt
kế điện tử ( 0C )
Giá trị thiết bị đo Giá trị thiết bị đo ( 0 C ) Sai số ( % ) 1 37 36.9 0.27 2 36.7 36.5 0.54 3 36.6 36.6 0 4 36.9 36.5 1.08 5 36.4 36.2 0.82 6 36.9 36.1 1.9
Sai số trung bình của thiết bị: 0.92% ứng với 0.34 0C
Thiết bị đã đo đƣợc giá trị nhiệt độ nhƣng vì đo trên bề mặt trán nên chịu ảnh hƣởng của nhiệt độ mơi trƣờng, vì vậy tính chính xác cịn hạn chế.
Đo nhịp tim, nồng độ Oxy trong máu:
Để so sánh kết quả nhịp tim và SPO2 nhóm thực hiện đo trên máy theo dõi sức khỏe MONITOR COMEN. Máy này theo dõi các thông số sức khỏe là nhịp tim, SPO2, nhiệt độ, điện tim, huyết áp. Máy có các bộ lọc giúp giảm nhiễu cho ra kết quả và các dạng sóng chính xác. Để thực hiện so sánh, nhóm thực hiện đo trên 5 ngƣời ở hai trƣờng hợp là khi thƣ giãn ở trạng thái bình thƣờng và khi vừa tập thể dục. Ngón tay trái ngƣời đo đƣợc kết nối với máy theo dõi, ngón tay phải đƣợc đặt ở khe để ngón tay trên thiết bị của nhóm. Ngƣời đo ngồi ở trên ghế trong tƣ thế thoải mái thả lỏng. Kết quả so sánh chi tiết ở bảng 5.2.
78
Nhóm thực hiện đo đồng thời cùng lúc giá trị nhịp tim và SPO2 ở máy theo dõi sức khỏe và thiết bị của nhóm. Ta có giá trị nhịp tim và Spo2 đo đƣợc ở máy theo dõi sức khỏe lần lƣợt là 67 bpm và 99 %. Trong khi đó giá trị đo đƣợc ở thiết bị của nhóm là 66 bpm và 98%. Ta thấy có sai số ở 2 thiết bị.
Bảng 5. 2 Bảng so sánh giá trị nhịp tim, SPO2 đo được trên máy theo dõi monitor comen và thiết bị khi người đo ở trạng thái bình thường comen và thiết bị khi người đo ở trạng thái bình thường
S TT 1 2 3 4 5 Sp02 (%) Nhịp tim (số nhịp/phút)
Máy theo dõi monitor comen
Thiết bị đo
Sai số (%) Máy theo dõi monitor comen Thiết bị đo Sai số (%) 98 94 4.08 7 70 9.09 98 96 2.04 0 65 7.14 100 96 4.08 5 92 8.24 99 98 1.01 8 3 81 2.41 98 97 1.02 5 69 6.15
+ Sai số trung bình của thiết bị khi đo giá trị Spo2: 2.45 % ứng với giá trị