(Đồ án hcmute) xây dựng hệ thống theo dõi, giám sát nhịp tim cho người lớn tuổi qua mạng internet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

HỆ THỐNG THEO DÕI, GIÁM SÁT NHỊP TIM CHO
NGƯỜI LỚN TUỔI QUA MẠNG INTERNET

GVHD: ThS. NGÔ QUỐC CƯỜNG
SVTH : LÊ PHAN MINH ĐỨC MSSV : 12141743

SKL 0 0 4 5 1 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2017

do an


`

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
---------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

HỆ THỐNG THEO DÕI, GIÁM SÁT NHỊP TIM CHO
NGƯỜI LỚN TUỔI QUA MẠNG INTERNET

GVHD:
SVTH :
Khóa :
Ngành :

ThS. NGÔ QUỐC CƯỜNG
LÊ PHAN MINH ĐỨC – 12141743
2012
ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THƠNG (ĐT – VT)

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2017

do an


`

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***----

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 9 năm 2016

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lê Phan Minh Đức
Ngành: Điện tử - Viễn thông
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Ngô Quốc Cường
Ngày nhận đề tài: 23/9/2016

MSSV: 12141743
Lớp: 12141CLVT
ĐT: 01215595101
Ngày nộp đề tài: 13/2/2017

1. Tên đề tài : Hệ thống theo dõi, giám sát nhịp tim qua mạng Internet dành cho
người lớn tuổi.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị nhà kính qua
Web Server, A SVM Algorithm for Investigation of Tri-Accelerometer Based
Falling Data.
3. Nội dung thực hiện đề tài: Thiết kế và xây dựng hệ thống đo đạc, giám sát nhịp
tim qua nền tảng Web, cập nhật dữ liệu liên tục và báo động trong trường hợp có
sự cố xảy ra.
4. Sản phẩm: Một thiết bị nhỏ gọn có thể mang trên người liên tục thu thập, đo đạc
dữ liệu và gửi về khối trung tâm để giám sát, báo động khi có sự cố.
TRƯỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

i

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***----

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên Sinh viên: Lê Phan Minh Đức
MSSV: 12141743
Ngành: Điện tử - Viễn thông.
Tên đề tài: Hệ thống theo dõi, giám sát nhịp tim qua mạng Internet dành cho người
lớn tuổi.
Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS. Ngô Quốc Cường.
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.......................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
.......................................................................................................................................
6. Điểm:……………….(Bằng chữ: ........................................................................... )
.......................................................................................................................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017
Giáo viên hướng dẫn

ii

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***----

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên Sinh viên: Lê Phan Minh Đức
MSSV: 12141743
Ngành: Điện tử - Viễn thông
Tên đề tài: Hệ thống theo dõi, giám sát nhịp tim qua mạng Internet dành cho người
lớn tuổi.
Họ và tên Giáo viên phản biện: ....................................................................................
.......................................................................................................................................
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ưu điểm:

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

3. Khuyết điểm:

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?

.......................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:

.......................................................................................................................................
6. Điểm:……………….(Bằng chữ: ....................................................................................... )

.......................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng
năm 2017
Giáo viên phản biện

iii

do an


LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành đề tài này, em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô
trong khoa Đào tạo chất lượng cao nói riêng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Tḥt
TP. Hồ Chí Minh nói chung đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm em
học tập.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy Ngô Quốc Cường đã tận tình
hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt

nghiệp.
Bên cạnh đó, em cũng xin cảm ơn các anh, chị khóa trước cũng như các bạn
sinh viên trong lớp 12141CLVT đã nhiệt tình đóng góp ý kiến và chia sẻ kinh
nghiệm để giúp em hoàn thành đề tài này.
Cuối cùng, do kiến thức, thời gian thực hiện cịn hạn hẹp nên khơng tránh
khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của q thầy cơ và
các bạn để có thể hồn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

iv

do an


TÓM TẮT
Hiện nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, con người đã, đang và dần
dần sẽ có nhiều bước tiến dài, thực hiện được những việc mà trước đây tưởng chừng
như khơng thể. Nhìn chung, tất cả những nỗ lực đó đều để phục vụ cho nhu cầu, đời
sống con người ngày càng đầy đủ, tiện nghi hơn.
Với Việt Nam nói riêng, là một nước đang phát triển, mặt bằng cuộc sống
người dân cịn nhiều khó khăn, lạc hậu, việc áp dụng các kỹ thuật nhằm đảm bảo
cho đời sống, sức khỏe con người một cách đơn giản, dễ dàng tiếp cận là cần thiết.
Nghiên cứu này hướng đến một sản phẩm mang tính ứng dụng cao, xây dựng
hệ thống cho phép giám sát, theo dõi sức khỏe người dùng một cách dễ dàng và tiện
dụng. Cụ thể là xây dựng hệ thống theo dõi thông số nhịp tim, đảm bảo phát hiện
được sự cố xảy ra với người dùng một cách tức thời, qua đó có những biện pháp xử
lý kịp lúc, tránh tình trạng đáng tiếc xảy ra do phát hiện chậm trễ.
Để đáp ứng được yêu cầu đề ra, cần tìm hiểu các đặc trưng, ý nghĩa thơng số
của tín hiệu nhịp tim, qua đó tìm ra phương pháp thích hợp để giảm thiểu sai số đo
đạc. Trong đề tài này, em sử dụng dữ liệu từ cảm biến nhịp tim truyền về board

Arduino Pro Mini để xử lý, sau đó giao tiếp với board Arduino Mega 2560 qua sóng
RF để hiển thị bằng nền tảng Web. Bên cạnh, việc giám sát, phát hiện báo động sự
cố sẽ được thực hiện thông qua môi trường mạng Internet cũng như mạng di động
nhằm đảm bảo được tính tức thời.

v

do an


ABSTRACT
Nowadays, science and technology are developing faster and faster than
ever. We, human being, has been taking several giant steps from time to time,
therefore, be able to accomplish many incredible tasks which were impossible in the
past. In general, all of those conations was nothing more but to guarantee a
attendance on human’s desire.
As a developing country, Vietnamese’s standard of living, as well as
technology level, is generally considered as low and under development. Therefore,
those technical application for serving people’s life and health are very crucial, and
they also must be easy to approach and make use at the same time.
This research aimed for a highly applicable product, designing and
constructing a system that allows us to supervise user’s health easily at anytime. In
specific, we will construct a system which is able to detect immediately whether
user’s health is in instant need of help based on heart beat value, and so to have an
act in advance, avoid unwanted outcomes due to lateness.
To do so, reasearching significant features of a heart beat signal is needed to
minimize mismeasure. In this research, the data from heart beat sensor is processed
by Arduino Pro Mini board, then transmitted using RF signal to Arduino Mega
2560 to display on a Web Server. Besides, supervising, detecting and alerting will
be executed in the Internet and mobile networks to ensure instantaneity.

vi

do an


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................ i
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ...................................... ii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ........................................ iii
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iv
TÓM TẮT ..................................................................................................................v
ABSTRACT ............................................................................................................. vi
MỤC LỤC ............................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................x
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... xi
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH.................................................... xii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................1
1.1. GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY. .............................1
1.1.1.

Đặt vấn đề. ...........................................................................................1

1.1.2.

Tình hình nghiên cứu trong nước. .......................................................1

1.1.3.

Tình hình nghiên cứu ngồi nước. ......................................................2

1.1.4.

Tính cấp thiết của đề tài. .....................................................................3

1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU. .........................................................................3
1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. .............................................3
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. ................................................................3
1.5. BỐ CỤC ĐỒ ÁN. ..........................................................................................4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. .......................................................................5
2.1. ARDUINO MEGA 2560 BOARD. ...............................................................5
2.1.1.

Giới thiệu Arduino Mega 2560 Board. ...............................................5

2.1.2.

Chi tiết thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560. ..................................6

2.2. ARDUINO PRO MINI. .................................................................................8
2.3. ARDUINO SHIELDS. ..................................................................................8
2.4. ARDUINO IDE. ..........................................................................................10
2.5. CHUẨN GIAO TIẾP GIỮA ARDUINO BOARD VỚI CÁC MODULE. 12
2.5.1.

Chuẩn giao tiếp I2C. ..........................................................................12

vii

do an


2.5.2.

Chuẩn giao tiếp SPI. ..........................................................................14

2.6. TÍN HIỆU NHỊP TIM. ................................................................................16
2.6.1.

Các quá trình điện học của tim. .........................................................17

2.6.2.

Sự hình thành các dạng sóng của tim. ...............................................18

2.6.3.

Tín hiệu ECG.....................................................................................21

2.6.4.

Các phương pháp đo tín hiệu ECG. ..................................................22

2.7. MODULE TRUYỀN NHẬN KHƠNG DÂY. ............................................24
2.8. MODULE THỜI GIAN THỰC. .................................................................26
2.9. MODULE SIM900A MINI. ........................................................................26
2.10.

PIN LI-ION 18650 VÀ MODULE SẠC TP4056. ...................................28

2.11.

NGÔN NGỮ HTML. ...............................................................................30

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. ..................................32
3.1. Yêu cầu và sơ đồ khối hệ thống. .................................................................32
3.1.1.

Yêu cầu hệ thống. ..............................................................................32

3.1.2.

Sơ đồ khối và chức năng các khối. ....................................................32

3.1.3.

Hoạt động của hệ thống. ....................................................................34

3.2. Thiết kế phần cứng hệ thống. ......................................................................35
3.2.1.

Khối nguồn. .......................................................................................35

3.2.2.

Khối cảm biến. ..................................................................................35

3.2.3.

Khối truyền/ nhận không dây. ...........................................................39

3.2.4.

Khối xử lý. .........................................................................................41

3.2.5.

Khối thời gian thực. ...........................................................................41

3.2.6.

Khối giao tiếp mạng di động và Internet. ..........................................45

3.2.7.

Sơ đồ kết nối hệ thống. ......................................................................45

3.3. Lập trình phần mềm.....................................................................................46
3.3.1.

Giải thuật đo nhịp tim. .......................................................................46

3.3.2.

Khối thu thập dữ liệu. ........................................................................52

3.3.3.

Khối xử lý trung tâm. ........................................................................54

3.3.4.

Thiết kế giao diện Web. ....................................................................69

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ. ...................................72
4.1. Kết quả phần cứng. ......................................................................................72

viii

do an


4.1.1.

Khối thu thập dữ liệu. ........................................................................72

4.1.2.

Khối xử lý trung tâm. ........................................................................73

4.2. Kết quả phần mềm. ......................................................................................74
4.3. Ưu và nhược điểm của hệ thống. .................................................................62
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG. .....................................76
5.1. Kết luận........................................................................................................76
5.2. Phạm vi ứng dụng và hướng phát triển. ......................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................79
PHỤ LỤC: HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG SẢN PHẨM ............................................80

ix

do an


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
IC
I/O
PWM
UART
LDR
LCD
I2C

Integrated Circuit
Input/Output
Pulse Width Modulation
Universal Asynchronous Receiver –
Transmitter
Light-Dependent Resistor
Liquid Crystal Display
Inter-Integrated Circuit

SPI
SDA
SCL
MISO

Serial Peripheral Interface
Serial Data Line
Serial Clock Line

Master In Slave Out

MOSI

Master Out Slave In

HTML Hyper Text Markup Language
HTTP Hyper Text Transfer Protocol
ADC
Analog Digital Converter
RHR
ECG
RTC

Resting Heart Rate
Electrocardiogram
Real Time Clock

Mạch tích hợp
Ngõ vào/ngõ ra
Điều chế độ rộng xung
Truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng
bộ
Quang trở
Màn hình tinh thể lỏng
Vi mạch tích hợp truyền thơng
nối tiếp
Chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ
Dây truyền dữ liệu
Dây truyền xung clock

Ngõ dữ liệu truyền từ Slave về
Master
Ngõ dữ liệu truyền từ Master về
Slave
Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản
Giao thức truyền siêu văn bản
Chuyển đổi tín hiệu tương tự
sang tín hiệu số
Nhịp tim ở trạng thái bình thường
Điện tâm đồ
Đồng hồ thời gian thực

x

do an


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Các Icon và chức năng tương ứng của Arduino IDE. ............................. 11
Bảng 2.2. Chỉ số RHR phụ thuộc giới tính và độ tuổi. ............................................ 16
Bảng 2.3. Chỉ số THR đối với trạng thái hoạt động của cơ thể............................... 17
Bảng 2.4. So sánh giữa lập trình timer phần mềm và RTC. .................................... 26
Bảng 2.5. Một số lệnh AT cơ bản. ........................................................................... 28
Bảng 3.1. Các chân chức năng của nRF24L01........................................................ 41
Bảng 3.2. Sơ đồ chân kết nối khối thu thập dữ liệu................................................. 45
Bảng 3.3. Sơ đồ chân kết nối khối xử lý trung tâm. ................................................ 46
Bảng 4.1. Nhịp tim tương ứng với các hoạt động, trạng thái cơ thể thực tế đo được
.................................................................................................................................. 62

xi

do an


DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Một vài phần mềm chăm sóc và theo dõi sức khỏe tại nhà. ...................... 2
Hình 1.2. Một số sản phẩm theo dõi sức khỏe. ......................................................... 2
Hình 2.1. Arduino Mega 2560 R3. ............................................................................ 5
Hình 2.2. Sơ đồ các chân chức năng trên Arduino Mega 2560................................. 6
Hình 2.3. Arduino Pro Mini. ..................................................................................... 8
Hình 2.4. Arduino Ethernet Shield. ........................................................................... 9
Hình 2.5. Arduino Motor Shield L298. ..................................................................... 9
Hình 2.6. Arduino SIM808 Shield. ......................................................................... 10
Hình 2.7. Giao diện Arduino IDE.. ......................................................................... 11
Hình 2.8. Mơ hình chuẩn giao tiếp I2C.. ................................................................. 12
Hình 2.9. Quá trình giao tiếp giữa 2 thiết bị sử dụng bus I2C ................................ 14
Hình 2.10. Independent Slave ................................................................................. 15
Hình 2.11. Daisy Chain ........................................................................................... 15
Hình 2.12. Các thế tác động ngang màng (tâm thất). .............................................. 18
Hình 2.13. Xung truyền qua các cơ tim................................................................... 19
Hình 2.14. Chu kỳ trơ của tim. ................................................................................ 20
Hình 2.15. Dạng sóng tín hiệu điện tim. ................................................................. 21
Hình 2.16. Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền qua ngón tay........................................ 23
Hình 2.17. Các dải tần của tín hiệu vơ tuyến. ......................................................... 24
Hình 2.18. Truyền tín hiệu bằng sóng RF tần số thấp. ............................................ 25
Hình 2.19. Truyền tín hiệu bằng sóng RF tần số cao. ............................................. 25
Hình 2.20. Module SIM900A Mini. ........................................................................ 27
Hình 2.21. Sơ đồ chân chức năng của SIM900a Mini. ........................................... 27
Hình 2.22. Pin Li-ion 18650. ................................................................................... 29
Hình 2.23. Module sạc TP4056. .............................................................................. 29

Hình 2.24. Sơ đồ mạch sạc pin TP4056 .................................................................. 29
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống. ................................................................................ 33
Hình 3.2. Sơ đồ sạc pin sử dụng IC TP4056. .......................................................... 35
Hình 3.3. LED và LDR dùng trong cảm biến SENS-11574. .................................. 36
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý cảm biến SENS-11574. ................................................ 36
Hình 3.5. Trước và sau khi bổ sung bộ lọc ở Output. ............................................. 37
Hình 3.6. LED Kingbright. ...................................................................................... 38
Hình 3.7. LDR APDS-9008. ................................................................................... 38
Hình 3.8. Cảm biến nhịp tim SENS-11574. ............................................................ 38

xii

do an


Hình 3.9. Module nRF24L01. ................................................................................. 39
Hình 3.10. Sơ đồ khối và chân nRF24L01. ............................................................. 41
Hình 3.11. Module thời gian thực DS1307. ............................................................ 42
Hình 3.12. Sơ đồ khối và chân của DS1307............................................................ 42
Hình 3.13. Giá trị các Timekeeper Register. ........................................................... 43
Hình 3.14. Mối liên hệ giữa các bit trong thanh ghi control. .................................. 44
Hình 3.15. Frame dữ liệu của chuẩn I2C dùng trong DS1307. ............................... 44
Hình 3.16. Sơ đồ tổng quát hệ thống. ...................................................................... 45
Hình 3.17. Dạng sóng PPG. .................................................................................... 47
Hình 3.18. Dạng sóng PPG trong chu kỳ đập của tim. ........................................... 47
Hình 3.19. Lưu đồ giải thuật đo nhịp tim. ............................................................... 50
Hình 3.20. Chu kỳ cập nhật các biến sử dụng. ........................................................ 51
Hình 3.21. Lưu đồ giải thuật khối thu thập dữ liệu. ................................................ 53
Hình 3.22. Lưu đồ giải thuật khối xử lý trung tâm. ................................................ 55
Hình 3.23. Giao diện truy cập router. ...................................................................... 56

Hình 3.24. Cấu hình Port Forwarding cho router. ................................................... 57
Hình 3.25. Xem địa chỉ WAN IP. ........................................................................... 57
Hình 3.26. Giao diện trang Web theo dõi nhịp tim. ................................................ 58
Hình 4.1. Khối thu thập dữ liệu. .............................................................................. 59
Hình 4.2. Khối xử lý trung tâm. .............................................................................. 60
Hình 4.3. Các trạng thái của giá trị HR. .................................................................. 61
Hình 5.1. Hướng mở rộng hệ thống. ....................................................................... 64
Hình 5.2. Hệ thống mở rộng cho ứng dụng thực tế. ................................................ 65

xiii

do an


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.
1.1. GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY.
1.1.1. Đặt vấn đề.
Ngày nay, nhịp sống con người ngày càng tăng cao, cuộc sống ngày càng
bận rộn, yếu tố sức khỏe vốn luôn là thiết yếu lại không nhận được nhiều sự coi
trọng. Con người nói chung, tại Việt Nam nói riêng, do là một nước đang phát triển,
đa phần mọi người đều bị cuốn vào công việc mưu sinh hàng ngày mà bỏ qua yếu tố
sức khỏe của bản thân và người thân, dẫn đến những hậu quả đáng tiếc do phát hiện
chậm trễ.
Theo như số liệu thống kê năm 2015 [1], mỗi năm Việt Nam có hơn 200.000
người bị đột quỵ (tai biến mạch máu não), hơn 50% trong số đó tử vong và 90% số
người sống sót sau đột quỵ phải sống chung với các di chứng về thần kinh và vận
động. Trong ba năm trở lại, số bệnh nhân phải nhập viện vì đột quỵ đang có chiều
hướng tăng lên từ 1,7% - 2,5%. Trong đó, tỷ lệ nam giới mắc phải cao gấp 4 lần nữ
giới. Nghiêm trọng hơn, độ tuổi bị tai biến mạch máu não đang dần trẻ hóa, từ 40 45 tuổi so với trước đây là 50 - 60 tuổi. số lượng bệnh nhân bị tàn tật do đột quỵ có
xu hướng tăng mạnh với nhiều di chứng nặng nề [2].

Việc phịng ngừa tình trạng nói trên là một quá trình dài và khi sự cố xảy ra,
nếu được phát hiện ngay lập tức, cơ hội để cứu chữa người bệnh và giảm thiểu khả
năng di chứng tàn tật là rất nhiều. Qua đó, vấn đề được đặt ra là làm thế nào để có
thể theo dõi sức khỏe người bệnh lâu dài cũng như phát hiện ngay khi có sự cố xảy
ra [2].

1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước.
Mặc dù trình độ khoa học kỹ thuật trong nước về lĩnh vực y tế đang có
những bước tiến lớn, song do là một nước đang phát triển, việc chăm lo đảm bảo
cho sức khỏe người dân cũng có nhiều hạn chế và chưa được thật sự chú trọng. Hơn
nữa, chỉ có số ít bộ phận người dân với mức sống trên trung bình và cao là có thể sử
dụng những dịch vụ y tế tốt nhất [3]. Tính đến thời điểm hiện tại, vẫn chưa có một
thiết bị hay hệ thống nào được đưa vào sử dụng nhằm chăm sóc sức khỏe dành cho
đại bộ phận người dân [3]. Những nguyên nhân dẫn đến tình trạng trên:
 Người dân với mức sống dưới trung bình khơng có đủ chi phí trang trải cho
những dịch vụ chăm sóc sức khỏe cần thiết.
 Mặt bằng chung mức sống thấp khiến con người xem nhẹ và khơng có sự
quan tâm đúng mức dành cho sức khỏe của bản thân.
 Hạn chế về cơ sở hạ tầng vật chất: các loại máy móc y sinh hiện đại chỉ tập
trung chủ yếu ở những bệnh viện trung ương.

1

do an


 Hạn chế về yếu tố công nghệ: hiện tại những loại cảm biến nhỏ gọn cho phép
thu thập các thông số cần thiết để đánh giá sức khỏe một cách liên tục là vẫn
đang được nghiên cứu.

1.1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước.
Với những nước phát triển như Mỹ, Anh, Úc,…việc theo dõi chăm sóc sức
khỏe là tối cần thiết và rất được chú trọng. Có rất nhiều phần mềm theo dõi sức
khỏe được lập trình với giao diện thân thiện người dùng, rất dễ sử dụng trên
smartphone hay tablet, PC, laptop,…như Axxess, AxisCare, FasterNotes, Alora
Homecare Software,…kết hợp với các bệnh viện [8].

Hình 1.1. Một vài phần mềm chăm sóc và theo dõi sức khỏe tại nhà.
Các tập đồn, công ty lớn cũng rất chú trọng đến mảng y sinh với các sản
phẩm phần cứng theo dõi sức khỏe như Apple - Apple Watch, Xiaomi – Mi Band,
Samsung – Gear Fit Wearables,…đi kèm với các phần mềm hỗ trợ tích hợp trên
smartphone, tablet,…

Hình 1.2. Một số sản phẩm theo dõi sức khỏe.
Bên cạnh đó, dịch vụ chăm sóc tận nhà là một ngành nghề rất tiềm năng với
thu nhập cao, được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi tại các nước tiên tiến [9]. Qua
đó, có thể kết luận rằng về lĩnh vực ứng dụng công nghệ vào lĩnh vực y tế, tình hình

2

do an


ngoài nước vượt trội hơn trong nước về mọi mặt, khơng cịn ở giai đoạn nghiên cứu,
mà đã bước sang giai đoạn ứng dụng và triển khai.

1.1.4. Tính cấp thiết của đề tài.
Các thơng số để có thể đánh giá được gần đúng tình trạng sức khỏe bao gồm:
nhịp tim, huyết áp, nhiệt độ cơ thể. Tuy nhiên, với những hạn chế như trình độ, thời
gian của thực hiện đồ án, yếu tố về công nghệ, đồ án sẽ chỉ tập trung vào giá trị nhịp

tim để nghiên cứu và xử lý, đồng thời đối tượng sử dụng là người cao tuổi.
Nhu cầu chăm sóc, theo dõi sức khỏe cho người cao tuổi là luôn cần thiết.
Song vấn đề về thời gian chăm sóc của đa phần hộ gia đình lại khá eo hẹp, do đó
nhiều người lựa chọn phương án viện dưỡng lão hoặc kiểm tra định kì tại bệnh viện.
Điều này thường đi ngược lại ý muốn của phần lớn người cao tuổi, đồng thời cũng
bất tiện về việc đi lại, chi phí, lựa chọn bệnh viện để thực hiện kiểm tra định kì.
Từ đó, vì những lý do nêu trên, em hướng đến việc vừa đáp ứng được nhu
cầu muốn ở nhà với gia đình của người cao tuổi, đồng thời vừa không tốn quá nhiều
thời gian, việc di chuyển đi lại, chi phí chăm sóc của người thân.

1.2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU.

Thiết kế và thi công mô hình hệ thống theo dõi, giám sát nhịp tim đảm bảo
tính chính xác, nhỏ gọn, tức thời và có thể hoạt động liên tục, đồng thời gửi các
thông số dữ liệu đo được qua mạng Internet và mạng di động để nâng cao khả năng
giám sát, theo dõi.

1.3.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.

Đối tượng nghiên cứu về phần mềm là các giải thuật để đo được nhịp tim
chính xác, tức thời, đảm bảo hệ thống hoạt động đúng chức năng và thông tin tới
người dùng qua mạng Internet, mạng di động, cách thức lập trình arduino và nhúng
vào board Arduino Mega 2560. Còn về phần cứng là các linh kiện điện tử, module
chức năng, cảm biến nhịp tim,…và board Arduino Mega 2560.
Phạm vi nghiên cứu trong khuôn khổ mô hình nhỏ áp dụng cho một người
dùng, tuy nhiên có khả năng mở rộng thành hệ thống lớn. Ngoài ra, do kiến thức về

lập trình Web cịn rất nhiều hạn chế nên không tạo được cơ sở dữ liệu, lưu trữ, truy
xuất dữ liệu,…để theo dõi trong thời gian dài.

1.4.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.

Tìm hiểu các thơng số chính của tín hiệu nhịp tim, từ đó xây dựng được giải
thuật phù hợp nhằm giảm thiểu sai số đo đạc.
Kiểm tra tính chính xác của phép đo bằng các thiết bị đang được sử dụng
trên thị trường.
Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống giám sát nhịp tim.

3

do an


1.5.

BỐ CỤC ĐỒ ÁN.

Chương 1: Tổng quan.
Giới thiệu sơ lược về tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước hiện nay
cũng như tính cấp thiết của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Đề cập đến các lý thuyết cần thiết để tính tốn và xây dựng hệ thống.
Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống,
Trình bày sơ đồ hệ thống, sơ đồ từng khối và giải thích nguyên lý hoạt động
hệ thống.

Đưa ra các phương pháp chọn lựa phần cứng, xác định lựa chọn phù hợp với
yêu cầu của hệ thống.
Tính tốn đưa ra giải tḥt, tḥt tốn phần mềm.
Chương 4: Kết quả thực hiện và đánh giá.
Trình bày kết quả đạt được về phần cứng cũng như phần mềm, đánh giá hệ
thống.
Chương 5: Kết luận và phạm vi ứng dụng.
Ưu và nhược điểm của đề tài, khả năng ứng dụng và mở rộng.

4

do an


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
2.1.

ARDUINO MEGA 2560 BOARD.

2.1.1. Giới thiệu Arduino Mega 2560 Board.
Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì khơng sử dụng
FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý. Thay vào đó, nó sử dụng
ATmega16U2 lập trình như là một cơng cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB. Ngoài ra,
Arduino Mega2560 cơ bản vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và
nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, nên cũng sử dụng Arduino IDE để lập trình.
Arduino Mega 2560 là phiên bản nâng cấp của Arduino Mega hay còn gọi là
Arduino Mega 1280. Sự khác biệt lớn nhất với Arduino Mega 1280 chính là chip
nhân. Arduino Mega 2560 phiên bản hiện đang được sử dụng rộng rãi và ứng dụng
nhiều hơn. Với chip ATmega2560 có bộ nhớ flash memory 256 KB, 8KB cho bộ
nhớ SRAM, 4 KB cho bộ nhớ EEPROM. Giúp cho người dùng thêm khả năng viết

những chương trình phức tạp và điều khiển các thiết bị lớn hơn như máy in 3D, điều
khiển robot. Bên cạnh, Arduino Mega 2560 cũng có hỗ trợ để tương tác với
MatLab, vì nó cịn được tích hợp sẵn thư viện dành cho MatLab.
Ngoài ra, tất cả các shield mở rộng dùng trên Arduino Uno đều sử dụng được
trên Arduino Mega 2560, cho phép đa dạng ứng dụng hơn. Mặc định, trên Arduino
Mega 2560 Board hỗ trợ.
 Vi điều khiển: Atmega2560.
 Điện áp hoạt động: 5V.
 Nguồn ngoài (jack trịn DC): 7 – 9V.
 Nguồn ngồi (tối đa): 6 – 20V.
 54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM).
 16 chân analog,
 Xung clock 16 MHz.
Hiện tại được sử dụng phổ biến nhất là Arduino Mega 2560 R3.

Hình 2.1. Arduino Mega 2560 R3.

5

do an


2.1.2. Chi tiết thơng số kỹ thuật Arduino Mega 2560.

Hình 2.2. Sơ đồ các chân chức năng trên Arduino Mega 2560.
Các thông số kỹ thuật cần lưu ý khi sử dụng Arduino Mega 2560:
Cấp nguồn.
Arduino Mega 2560 có thể được cấp nguồn thơng qua kết nối USB hoặc
nguồn ngồi. Nguồn ngồi có thể là từ jack cắm 2.1mm trên board hoặc dùng pin
kết nối vào 2 chân Vin và Gnd ở phần POWER connnector.

Nếu sử dụng nguồn ngoài, cần lưu ý nguồn đã qua ổn áp để đảm bảo dòng ổn
định, ngoài ra về mức điện áp: Arduino Mega 2560 có thể hoạt động với áp nguồn
ngồi từ 6 – 20V, tuy nhiên, nếu áp cấp dưới 7V, chân cấp nguồn 5V trên board sẽ
cho áp thấp hơn, dẫn đến board hoạt động không ổn định, nếu cấp trên 12V, sẽ
khiến các linh kiện hoạt động ở trại thái quá áp, dẫn đến nóng và tình trạng hư hỏng
cho board. Vì vậy nếu sử dụng nguồn ngồi, áp nên cấp là từ 7 – 12V.
Các ngõ vào/ ra.
54 chân digital có 2 trạng thái hoạt động: INPUT và OUTPUT thơng qua các
hàm pinMode(INPUT/OUTPUT), digitalWrite() và digitalRead(). Các chân digital
này hoạt động với mức điện áp 5V. Dòng cấp trên mỗi chân digital I/O là 40mA.
Ngồi ra, mỗi chân digital có sẵn 1 điện trở kéo lên 20 – 50 Kohm, mặc định khơng
sử dụng. Bên cạnh, Arduino Mega 2560 cịn cung cấp 1 chân cấp áp cho các
module kết nối đặc trưng hoạt động ở mức 3.3V. Dòng ra chân này là 50mA.
Có 16 chân ngõ vào analog, A0 – A15, sử dụng thông qua hàm
analogRead(). Mỗi chân được kết nối với bộ chuyển đổi ADC 10-bit, đồng nghĩa
khoảng điện áp từ 0 – 5V sẽ mang giá trị chuyển đổi từ 0 – 1023, bước nhảy là 4.9

6

do an


mV. Khoảng chuyển đổi và bước nhảy có thể được thay đổi qua hàm
alanogReference().
Tuy nhiên, cần lưu ý, trong số 54 chân digital, có một vài chân chức năng mặc định.
Serial: D0 (RX), D1 (TX); Serial1: D19 (RX), D18 (TX); Serial2: D17 (RX),
D16 (TX); Serial3: D15 (RX), D14 (TX). Các chân này được dùng cho việc truyền
nhận dữ liệu TTL, được bật qua hàm Serial.begin(), Serial1.begin(), Serial2.begin()
và Serial3.begin(). Chân 0 và 1 được kết nối với đầu USB khi nạp chương trình cho
board. Đồng nghĩa nếu cấp nguồn cho board qua cổng USB, bất kì module nào sử

dụng chuẩn kết nối TTL sẽ không thể dùng chân D0 và D1.
External Interrupt: D2 (interrupt 0), D3 (interrupt 1), D18 (interrupt 5), D19
(interrupt 4), D20 (interrupt 3), and D21 (interrupt 2). Các chân ngắt ngoài, cho
phép thực hiện ngắt khi ở mức thấp, cạnh lên hoặc cạnh xuống hoặc có sự thay đổi
giá trị, cấu hình qua hàm attachInterrupt().
 PWM: từ D2 – D13 và từ D44 – D46, cấp xung PWM 8 – bit qua hàm
analogWrite().
 SPI: D50 (MISO), D51 (MOSI), D52 (SCK), D53 (SS). Các chân hỗ trợ cho
chuẩn giao tiếp SPI, được nối với ICSP header trên board.
 LED: D13. Chân 13 được nối với LED có sẵn trên board, sáng ở mức cao và
ngược lại.
 I2C: D20 (SDA), D21 (SCL). 2 chân hỗ trợ chuẩn giao tiếp I2C, khi sử dụng
cần gọi thư viện Wire có sẵn trong Arduino IDE.
 AREF: chân được dùng khi sử dụng hàm analogReference().
 Reset: reset board khi ở mức thấp.
Arduino Mega 2560 được lập trình và nạp chương trình qua Arduino IDE, có
hỗ trợ tính năng tự động ngắt nếu xảy ra ngắn mạch hoặc quá dòng khi cấp nguồn
bằng USB, mặc dù đa số các cổng USB trên PC hoặc Laptop đều có sẵn tính năng
này. Nếu dịng cấp qua USB lớn hơn 500 mA, kết nối sẽ tự động ngắt cho đến khi
dòng ổn định trở lại.

7

do an


2.2.

ARDUINO PRO MINI.

Arduino Pro Mini là một board vi xử lý có giá thành thấp và kích thước nhỏ
gọn, tiêu tốn ít năng lượng, rất thích hợp cho việc thiết kế các ứng dụng, mạch chức
năng di động, có thể hoạt động trong thời gian dài với nguồn cấp là pin. Một số
thông số kỹ thuật của Arduino Pro Mini:
 Chip: ATmega328.
 Có 2 phiên bản: 3.3V/ 8MHz và 5V/ 16MHz.
 Điện áp nguồn cấp: 5V.
 Dòng tối đa chân nguồn 5V: 500mA.
 Dòng ra trên mỗi chân I/O: 40mA.
 14 chân digital I/O (6 chân PWM).
 06 chân analog Input.
Hình 2.3. Arduino Pro Mini.
Chi tiết các chân chức năng trên Arduino Pro Mini:
Phần Programming Header: được dùng để kết nối với mạch nạp, giúp ta
có thể nạp chương trình cho Arduino Pro Mini qua cổng USB trên PC, Laptop.
14 chân digital I/O: có thể được cấu hình là INPUT hoặc OUTPUT với các
hàm pinMode(INPUT/ OUTPUT), digitalWrite() và digitalRead() như trong
Arduino Mega 2560. Tuy nhiên, một số chân chức năng cần lưu ý.
 Serial: D0 (RX), D1(TX). Dùng cho việc truyền nhận dữ liệu TTL.
 PWM: D3, D5, D6, D9, D10, D11.
 SPI: D13 (SCK), D12 (MISO), D11 (MOSI), D10 (SS). Chân D13 đồng thời
được nối với LED tích hợp sẵn trên board, sáng ở mức cao và ngược lại.
06 chân analog Input: A0 – A3: Dùng để đọc giá trị analog ngõ vào, dùng
ADC 8-bit, tức cho 256 giá trị trong khoảng 0 – 5V.

2.3.

ARDUINO SHIELDS.

Khi làm việc với Arduino, một chức năng khơng thể bỏ qua đó là Arduino

Shields.
Arduino Shields là các bo phần cứng có thể được gắn chồng lên các Arduino
Board để mở rộng khả năng ứng dụng cho dự án. Mỗi Shield chức năng sẽ có thư
viện riêng để có thể hoạt động đúng chức năng, khi lập trình cần lưu ý để tránh
trường hợp các thư viện xung đột lẫn nhau. Ngoài ra, mỗi Shield sử dụng một số
chân trên Arduino Board, nên cũng cần lưu ý trường hợp trùng chân. Một số
Arduino Shield thông dụng:

8

do an


Arduino Ethernet Shield.

Hình 2.4. Arduino Ethernet Shield.
Sử dụng chip W5100 cho tốc độ và khả năng kết nối ổn định, thư viện cho
Ethernet Shield được tích hợp sẵn trong Arduino IDE. Thích hợp cho các ứng dụng
điều khiển thiết bị qua môi trường Ethernet, Internet.
 Điện áp hoạt động: 5V (cấp từ Arduino Board).
 Chip Ethernet: W5100 với buffer nội 16K.
 Tốc độ: 10/100Mb.
 Giao tiếp với Arduino qua bộ giao tiếp SPI.
Arduino Motor Shield L298.
L298 Motor Shield có thể điều khiển 02 động cơ DC hoặc 01 động cơ bước,
được thiết kế tiện dụng, không cần kết nối thêm các jumper.
 Điện áp hoạt động: 6.5V – 12V.
 Công suất tối đa: 25W.
 Driver: L298N tích hợp 02 mạch cầu
 H.

 Dùng chân D10 – D13 trên Arduino
 Board để điều khiển động cơ.

Hình 2.5. Arduino Motor Shield L298.

9

do an