Trong cấu hình mạch như trên, cảm biến chỉ có thể đo nhiệt độ dương từ 2oC đến 150oC. Theo cấu hình mạch này, chúng ta chỉ cần cấp nguồn cho LM35 và kết nối đầu ra trực tiếp với bộ chuyển đổi tương tự sang số.
45
Hình 3.1-11:Mạch đo nhiệt độ tồn dải
Trong cấu hình mạch như trên, chúng ta có thể đo nhiệt độ tồn dải từ -55oC đến 150oC. Cấu hình mạch này hơi phức tạp nhưng mang lại kết quả cao. Trong trường hợp này, chúng ta phải kết nối một điện trở bên ngoài (R1) để chuyển mức điện áp âm lên dương. Giá trị điện trở bên ngồi có thể được tính tốn theo cơng thức ghi bên dưới cấu hình mạch.
3.1.6 Pin và mạch sạc bảo vệ
Pin sạc 3,7v Lithium Li-Polymer 502030 – 300mAh
Loại pin: Pin sạc / Lithium Li-polymer
Hãng: Lithium Li-polymer
Điện áp chuẩn 3,7V
Điện áp khi sạc đầy: 4,2V
Loại pin: Pin polymer lithium
Dung lượng: 40-300mAh
46
Hình 3.1-12: Pin Lithium 300mAh
Mạch Sạc Pin TP4056 Lithium Micro USB
Hình 3.1-13:Mạch sạc TP4056
Mạch sạc pin TP4056 Lithium Battery Charge Controller Micro USB là phiên bản nâng cấp của Mạch sạc pin TP4056 Lithium Battery Charge Controller Mini USB thêm chức năng ngắt tải bảo vệ pin khi điện áp xuống quá thấp để tránh làm hư hỏng pin (chai pin), mạch được sử dụng để sạc cho các loại pin Lithium có điện áp 3.7~4.2VDC (Pin Lipo, Pin 18650,...), mạch có kích thước nhỏ gọn với cổng
47
Micro USB kết nối tiện dụng, đèn báo đang sạc và sạc đầy hiển thị trạng thái pin, thích hợp cho các ứng dụng sử dụng pin sạc: Robot, mạch cảm biến không dây,...
Ưu điểm Mạch sạc pin TP4056 có IC bảo vệ:
- Được tích hợp đèn LED báo đang sạc và đã sạc đầy. - Có thể điều chỉnh dịng sạc pin.
Tính năng:
- Sạc Pin 3.7V : Pin Ultrafire, Pin Lion 3.7V - Báo Sạc Đầy.
- Chức năng bảo vệ xả cạn pin.
Thông số kỹ thuật
- Điện áp vào: 5VDC
- Cổng Sạc MicroUSB ( Cổng sạc điện thoại thông dụng hiện nay ) - Điện Áp Sạc: 4.2V
- Dòng sạc tối đa: 1A
- Bảo vệ xả đến điện áp: 2.5V ( Tránh làm cạn Pin) - Bảo Vệ Xả Quá Dòng: 3A
- Kích thước: 26x17MM Lưu ý:
Khi pin được kết nối lần đầu tiên, có thể khơng có đầu ra điện áp giữa OUT+ và OUT– .Trong trường hợp này, mạch bảo vệ có thể được kích hoạt bằng cách sạc điện áp 5V, và khi pin bị ngắn mạch từ B + B- Nó cần phải được tính phí để kích hoạt các mạch bảo vệ.
Lưu ý rằng bộ sạc phải 1A trở lên, nếu khơng nó có thể khơng sạc đúng cách
Ổ cắm MICRO USB và pad + bên cạnh ổ cắm USB MICRO là đầu vào nguồn cho 5V. B + sau đó điện cực dương của pin lithium, B – sau đó điện cực âm của pin lithium. OUT + và OUT- kết nối với tải, chẳng hạn như kết nối tích cực và âm phủ điện thoại di động tăng hoặc tải khác.
Kết nối pin với B + B-, lắp bộ sạc điện thoại vào ổ cắm USB, đèn đỏ đang sạc, đèn xanh đã đầy.
48
3.2 Phương án triển khai xây dựng thiết bị.
Với các yêu cầu cơ bản của bài tốn, nhóm em ưu tiên lựa chọn những linh kiện nhỏ gọn, đáp ứng được nhu cầu sử dụng để tối giản kích thước cho thiết bị. Các linh kiện nhóm em lựa chọn như sau:
Lựa chọn bộ điều khiển
So sánh về chức năng, tốc độ làm việc ESP32 thể hiện lợi thế của mình, tuy nhiên về mặt giá thành dịng chip ESP32 có giá thành cao hơn so với ESP 8266 khoảng 3 lần. Trong khi đó với u cầu của đề tài ESP8266 hồn tồn đáp ứng được do đó lựa chọn ESP8266 là lựa chọn hợp lý.
Lựa chọn cảm biến
Cảm biến đo nhịp tim lựa chọn cảm biến MAX30100. Đây là loại cảm biến nhịp tim hỗ trợ đo chỉ số spo2 thông dụng bán thương mại trên thị trường việt nam. Ngoài ra, trên thế giới cũng có nhiều loại cảm biến khác đặc biệt hơn ví dụ có thể kể đến như MAX30205. Tuy nhiên sản phẩm này khơng bán tại Việt Nam. Do tình hình dịch bệnh phức tạp nhóm em lựa chọn MAX30100 với LM35 để đo nhiệt độ thay vì sử dụng MAX30205.
Lựa chọn phương án hiển thị
Nhằm giảm kích thước mơ hình nhóm lựa chọn sử dụng màn hình Oled 0.96 inch cho kích thước nhỏ và khả năng hiển thị tối ưu hơn.
Lựa chọn phương án gia phần vỏ thiết bị
Phần vỏ của thiết bị là một kết cấu tương đối phức tạp để gia công. Do hạn chế về mặt kinh nghiệm nhóm lựa chọn phương án thiết kế mẫu vật 3D trên phần mềm và gia cơng trên máy in 3D để hồn thiện phần vỏ của sản phẩm.
3.3 . Kết luận chương 3
Chương 3 trình bày nội dung về các linh kiện cơ bản và đề ra phương án thực hiện xây dựng mơ hình. Chi tiết về q trình xây dựng mơ hình thực nghiệm được trình bày ở chương 4 của bài báo cáo.
49
CHƯƠNG 4 : XÂY DỰNG MƠ HÌNH 4.1 . Sơ đồ khối hệ thống 4.1 . Sơ đồ khối hệ thống
Khối nguồn: Có nhiệm vụ cấp nguồn cho các thiết bị trong hệ thống hoạt động, ứng dụng trong đề tài này ta cần loại chọn nguồn bảm bảo yêu cầu nhỏ gọn để có thể tối ưu kích thước của thiết bị. Ở đây nhóm em lựa chọn sử dụng pin lithium với ưu điểm nhỏ gọn, dòng xả cao để cấp nguồn cho mạch điều khiển chính và các ngoại vi.
Khối cảm biến nhịp tim: sử dụng cảm biến nhịp tim, oxy MAX30100 giao tiếp qua I2C với chíp điều khiển chính.
Khối cảm biến nhiệt độ: sử dụng LM35 ứng dụng đo nhiệt độ cơ thể với đầu ra ở dạng điện áp dễ dàng trong việc thu thập tín hiệu.
Khối điều khiển trung tâm: Hướng đến mục tiêu ứng dụng IoT-IoT vào hệ thống của mình, nhóm em lựa chọn sử dụng ESP8266 làm bộ điều khiển chính với ưu
Khối nguồn
Khối điều khiển trung tâm Cảm biến nhịp tim oxy Cảm biến nhiệt độ Khối hiển thị và cảnh báo Máy chủ Blynk Hình 4.1-1: Sơ đồ khối hệ thống
50
điểm tốc độ làm việc cao khoảng 72MHz, tích hợp chức năng wifi và hỗ trợ nhiều thư viện đa dạng, tương thích với Arduino IDE.
Khối hiển thị và cảnh báo: Sử dụng màn hình oled 0.96 inch để thiện thị các thông số về nhịp tim, oxy trong máu, nhiệt độ cơ thể và cịi cảnh báo khi có chỉ số vượt ngưỡng.
Các dữ liệu thu thập được sẽ được gửi đến máy chủ Blynk để người dùng có thể cá nhân hóa giao diện giám sát trên điện thoại sao cho trực quan nhất.
51
4.2 . Lưu đồ thuật toán
START
Khởi tạo các giá trị
Kết nối wifi được thiết lập Đọc cảm biến nhiệt độ Đọc đọc cảm biến MAX30100 Hiển thị chỉ số lên màn hình Gửi chỉ số đến máy chủ Blynk Máy chủ Blynk END Thiết lập chức năng config S Đ
52
Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống:
Khối nguồn cấp điện áp cho khối điều khiển chính và các ngoại vi hoạt động. Cảm biến MAX30100 có nhiệm vụ thu thập thơng tin về chỉ số oxy trong máu và nhịp tim gửi về bộ xử lý qua giao tiếp I2C. Cảm biến LM35 thực hiện đo nhiệt độ cơ thể người và trả về giá trị analog ở đầu ra. Module ESP8266 sẽ thu thập và xử lý khối lượng thông tin này để hiển thị các chỉ số lên màn hình Oled 0.96 inch đồng thời có các cảnh báo chỉ số vượt ngưỡng trong quá trình hoạt động. Đồng thời các chỉ số sinh tồn cũng được gửi đến máy chủ Blynk để người dùng giám sát trên thiết bị di động cá nhân.
4.3 . Sơ đồ ghép nối thiết bị
Hình 4.3-1: Sơ đồ ghép nối linh kiện
Nhóm em lựa chọn các module có săn ghép nối với nhau, các thành phần chính bao gồm Pin lithium, cảm biến nhiệt độ, Module Wemos D1 Mini, màn hình Oled giao tiếp I2C và cảm biến nhịp tim MAX30100.
Màn hình oled, cảm biến MAX30100 sử dụng chung chuẩn giao tiếp I2C nên ở đây chúng ta sẽ nối chung SCL, SDA của cả hai thiết bị với SCL,SDA của ESP8266. Trên module ESP8266 có sẵn một cổng đầu vào analog, cổng này được sử dụng để kết nối với đầu ra của cảm biến nhiệt độ LM35.
Thiết bị sử dụng nguồn pin lithium, trên thực tế thiết bị sẽ bao gồm cả mạch sạc bảo vệ pin.
53
4.4 . Thiết kế vỏ hộp thiết bị
Hình 4.4-1: Thiết kế phần vỏ thiết bị
Hình 4.4.2: Thiết kế phần nắp thiết bị
Kinh nhiệm và hiểu biết về các vật liệu cịn hạn chế, nhóm em lựa chọn sử dụng kỹ thuật in 3D để gia công phần khung của thiết bị. Với ưu điểm là có thể gia cơng các
54
chi tiết khó có độ phức tạp tương đối cao, có thể sử dụng các sợi nhựa PLA để tạo nên các lớp liên kết của mơ hình vật mẫu 3D.
4.5 . Mơ hình hồn thiện
Sản phẩm hồn thiện sẽ có thể hiển thị các thơng số SpO2, nhịp tim, nhiệt độ qua màn hình OLED. Ban đầu sẽ cần kết nối wifi thông qua web server Smart config mà nhóm sẽ trình bày bên dưới chương 5.
Hình 4.5-1 Mơ hình sản phẩm chưa kết nối wifi
Màn hình sau khi được kết nối sẽ hiển thị các thông số như yêu cầu đề ra của vấn đề, và sẵn sàng để đo
55
Hình4.5-2: Mơ hình sản phẩm
Về phía sau của sản phẩm nơi mà nhóm đặt các con cảm biến Max30100 và LM35 sử dụng để đo các thông số
56
4.6 Thiết kế giao diện Blynk
Hình 4.6-1:Giao diện được thiết kế trên Blynk
4.7 Kết luận chương 4
Chương 4 là quá trình lên ý tưởng cho mơ hình bao gồm việc xây dụng sơ đồ các khối chức năng, lưu đồ thuật toàn, nguyên lý vận hành chung của thiết bị và thiết kế hoàn thiện sản phẩm. Chương 5 là quá trình thực nghiệm trên thiết bị.
57
CHƯƠNG 5 : THỰC NGHIỆM SẢN PHẨM 5.1 Chức năng đo các thông số sinh tồn 5.1 Chức năng đo các thông số sinh tồn
Các bước thực hiện để tiến hành thao tác đo của sản phẩm: - Tiến hành bật nguồn cho thiết bị
- Thiết bị khi khởi động sẽ yêu cầu kết nối wifi, chúng ta thực hiện kết nối wifi cho thiết bị
- Khi thiết bị đã kết nối wifi nghĩa là thiết bị đã sẵn sàng hoạt động và có thể thực hiện thao đo
- Thực hiện thao tác đo bằng cách đặt ngón tay vào cảm biến đặt ở mặt sau của thiết bị, sau khoảng 3-4 giây kết quả sẽ hiển thị trên màn hình oled của sản phẩm cho người sử dụng xem, đồng thời kết quả được liên tục gửi lên app Blynk cứ mỗi 5 giây một lần
58
Hình 5.1-2:Mặt sau thiết bị khi hoạt động
5.2 Chức năng SmartConfig
Smartconfig là một khái niệm được nhắc đến khi muốn cấu hình thơng tin cho thiết bị WiFi kết nối nhanh chóng đến Internet nhất từ người dùng bằng chính thiết bị di động cá nhân.
59
Hình 5.2-1: Chức năng Smart Config
Chức năng Smartconfig được thực hiện bằng cách thiết lập một điểm truy cập trên vi điều khiển ESP8266 đóng vai trị như một webserver. Khi thiết bị truy cập cá nhân được kết nối vào mạng sẽ tự động chuyển đến trang web để thực hiện việc cập nhật các thông tin liên quan về kết nối wifi, tài khoản, mật khẩu cần thiết trong q trình hoạt động. Ở mơ hình này, nhóm em thiết kế thiết bị sẽ tự động chuyển chức năng smartconfig khi không thiết lập được kết nối với mạng wifi.
Các bước thao tác thực hiện cơ bản như sau:
Bước 1: Kết nối với điểm truy cập của thiết bị
Như đã đề cập ở trên, thiết bị sẽ tự động thiết lập chế độ smartconfig khi không thiết lập được kết nối với mạng wifi trong quá trình khởi chạy. Thao tác này diễn ra tự động khi bật nguồn thiết bị. Lúc này thiết bị sẽ thiết lập một điểm truy cập không dây với tên kết nối là “SMART CONFIG”. Thực hiện thao tác kết nối với này để bắt đầu chức năng smart config.
60
61
Hình 5.2-3: Kết nối với điểm truy cập
Bước 2: Thực hiện thiết lập kết nối
Kết nối đến điểm truy cập thành công, thiết bị sẽ tự động chuyển đến trang web thiết lập. Ở đây hỗ trợ người dùng các thao tác thiết lập kết nối tự động, thủ công, kiểm tra thông tin và reset thiết bị. Ta sẽ chọn chức năng “Configure Wifi”.
62
Hình 5.2-4: Giao diện thiết lập
Giao diện hiện thị thông tin về các điểm truy cập gần nhất, cường độ tín hiệu. Và textbox để nhập các thông tin đăng nhập. Sau khi nhập hồn tất, nhấn “Save” để thực hiện lưu thơng tin và reset thiết bị để kết nối lại.
63
Hình 5.2-5: Thiết lập kết nối
5.3 Giám sát chỉ số trên ứng dụng di động
Giao diện giám sát các chỉ số bao gồm khu vực đồ thị hiển thị giá trị dưới dạng biểu đồ theo thời gian. Với ứng dụng blynk giao diện đồ thị hỗ trợ theo dõi giá trị trực tiếp theo thời gian cập nhật hoặc quan sát chỉ số theo từng tuần hoặc đến từng tháng. Tiếp theo là khu vực thiết lập giá trị ngưỡng cảnh báo cho các chỉ số. Khi có cảnh báo vượt ngưỡng, cịi báo trên thiết bị phát ra tín hiệu đồng thời gửi tín hiệu cảnh báo đến giao diện trên App Blynk.
Các ngưỡng được xác lập như sau:
Nhịp tim và nhiệt độ sẽ được thông báo nếu giá trị đo được lớn hơn giá trị ngưỡng, với khoảng độ giá trị từ 0-150 nhịp trên phút
SpO2 sẽ được thông báo khi giá trị đo được lớn hơn 0 và nhỏ hơn giá trị ngưỡng cài đặt. Khoảng cài đặt từ 0-100.
64
Hình 5.3-1: Giao diện app blynk
Trong quá trình thực nghiệm, thiết bị vận hành ổn định tuy nhiên khi thực hiện q trình đo người dùng khơng nên vận động mạnh sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo.
5.4 Kết luận chương 5
Chương 5 trình bày về các bước thao tác vận hành trên thiết bị bao gồm chức năng smart config, gửi dữ liệu đến máy chủ blynk. Chương 6 là nội dung đánh giá tổng kết về nhũng gì đã đạt được và khuyến nghị, hướng phát triển cho đề tài.
65
CHƯƠNG 6 : ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KẾT LUẬN KẾT LUẬN
6.1 . Kết quả đạt được
Trong thời gian 7 tuần hoàn thiện đồ án, dưới sự hướng dẫn của Ths. Trần Thị
Ngọc Oanh nhóm em đã được hồn thiện hơn kiến thức về các dịng vi điều khiển và
cảm biến cơ bản, cách đấu nối và quá trình xây dựng một mơ hình.
Bên cạnh đó nhóm đã xây dụng được lưu đồ thuật tốn, lựa chọn linh kiện, ghép nối và viết chương trình điều khiển cho thiết bị. Thiết bị vận hành đảm bảo các chức năng, u cầu ban đầu nhóm đề ra. Q trình vận hành ổn định, an tồn cho người sử dụng. Tuy nhiên thiết bị đo kết quả còn chậm.
6.2 . Khuyến nghị liên quan đến đồ án
Với mục đích thiết kế ban đầu là một thiết bị đeo tay, kích thước của sản phẩm cũng chưa hồn toàn đáp ứng đc yêu cầu nhỏ gọn làm một thiết bị đeo. Trong tương lại, nhóm em có ý định hồn thiện sản phẩm hơn bằng cách thiết kế các module vào một mạch điều khiển để loại bỏ kích thước thừa, giảm trọng lượng và tăng được tính hồn thiện của thiết bị.
6.3 . Kết luận
Q trình nhóm hồn thiện đề tài khơng tránh khỏi việc có những thiếu sót, nhóm em rất mong có được sự góp ý từ phía thầy cơ để có thể hồn thiện hơn đề tài của nhóm.
66