Thiết kế thiết bị đo nhịp tim, điện tim đeo quanh ngực theo dõi sức khỏe qua điện thoại thông minh cho người mắc bệnh tim mạch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NHỊP TIM, ĐIỆN TIM ĐEO
QUANH NGỰC THEO DÕI SỨC KHỎE QUA ĐIỆN THOẠI
THÔNG MINH CHO NGƯỜI MẮC BỆNH TIM MẠCH

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI
SVTH: TRƯƠNG MINH KHOA

SKL009468

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
-----------------⸙∆⸙-----------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NHỊP TIM, ĐIỆN TIM
ĐEO QUANH NGỰC THEO DÕI SỨC KHỎE
QUA ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH CHO NGƯỜI
MẮC BỆNH TIM MẠCH
GVHD: TS. Nguyễn Văn Thái

SVTH: Trương Minh Khoa
MSSV: 17151216

Tp. Hồ Chí Minh tháng 8 năm 2022


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
-----------------⸙∆⸙-----------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NHỊP TIM, ĐIỆN TIM
ĐEO QUANH NGỰC THEO DÕI SỨC KHỎE
QUA ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH CHO NGƯỜI
MẮC BỆNH TIM MẠCH
GVHD: TS. Nguyễn Văn Thái
SVTH: Trương Minh Khoa
MSSV: 17151216
Tp. Hồ Chí Minh tháng 8 năm 2022


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến
Thầy – Tiến sĩ Nguyễn Văn Thái, giảng viên hướng dẫn trực tiếp đã tạo điều kiện cho
em thực hiện đề tài, tận tình giúp đỡ, đề xuất các ý tưởng trong q trình em gặp khó
khăn khi thực hiện đề tài.
Em cũng chân thành gửi lời cảm ơn đến tập thể thành viên phịng thí nghiệm
3DVisionLab hỗ trợ em hồn thành tốt đồ án.

Em xin cảm ơn gia đình đã giúp đỡ về cơ sở vật chất và động viên tinh thần trong lúc
khó khăn, tạo điều kiện cho em được hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Em xin cảm ơn chị Nguyễn Thị Nhật Quỳnh – Phó phịng R&D, Trưởng phòng Viện
Vật lý và khoa học ứng dụng đã tư vấn giúp em có định hướng đúng đắn trong nghiên
cứu khoa học, bổ sung và chỉnh sửa các thông tin cần thiết trong quá trình viết báo cáo.
Em chân thành cám ơn những người bạn cùng khóa đã ở bên cạnh giúp đỡ trong những
ngày tháng khó khăn khi làm đồ án tốt nghiệp.
Xin cảm ơn các thầy cô Khoa Điện – Điện tử, đặc biệt là Bộ môn Tự động và Điều khiển
giảng dạy chúng em kiến thức cơ sở ngành và các môn chuyên ngành, là kiến thức nền
tảng để em thực hiện tốt đồ án.

-i-


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đề tài “Thiết kế thiết bị đo nhịp tim, điện tim đeo quanh ngực theo
dõi sức khỏe qua điện thoại thông minh cho người mắc bệnh tim mạch” là em tự thực
hiện, dựa vào tham khảo một số tài liệu trước đó, dưới sự hỗ trợ giúp đỡ của
Thầy - TS Nguyễn Văn Thái và khơng sao chép từ tài liệu hay cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày.... tháng.... năm 2022
Sinh viên thực hiện
(Ký và ghi rõ họ tên)

Trương Minh Khoa

-ii-


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÓA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP.HỒ CHÍ MINH

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

----o0o----

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Trương Minh Khoa .

MSSV: 17151216

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Lớp: 17151B

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Khóa: 2017

Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thái.
Ngày nhận đề tài: 5/3/2022

Ngày nộp đề tài: 1/8/2022

1. Tên đề tài: Thiết kế thiết bị đo nhịp tim, điện tim đeo quanh ngực theo dõi sức khỏe

qua điện thoại thông minh cho người mắc bệnh tim mạch.
Nội dung thực hiện đề tài:
 Thiết kế, thi công board mạch phần cứng.
 Thiết kế app Android sử dụng MIT App Inventor nhận dữ liệu do thiết bị gửi lên.
 Hiển thị đồ thị nhịp tim và giá trị mức pin lên giao diện màn hình.
 Thiết kế phần mềm cho vi điều khiển ESP32-C3 giao tiếp với cảm biến điện tim,
nhịp tim MAX30003 lấy dữ liệu nhịp tim và điện tâm đồ.
 Thiết kế giao thức BLE trên thiết bị giao tiếp với app.
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

-iii-


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÓA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP.HỒ CHÍ MINH

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

----o0o----

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: Trương Minh Khoa

MSSV: 17151216

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Lớp: 17151B

Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thái
Tên đề tài: Thiết kế thiết bị đo nhịp tim, điện tim đeo quanh ngực theo dõi sức khỏe
qua điện thoại thông minh cho người mắc bệnh tim mạch.
1. Nội dung đề tài và khối lượng cơng việc thực hiện: Hồn thành các nội dung
đặt ra của đề tài. Cụ thể là:
 Thiết kế được phần cứng thiết bị thu thập dữ liệu điện tâm đồ và nhịp tim.
 Hiển thị dữ liệu thô đồ thị điện tâm đồ theo thời gian thực.
 Thiết kế được app Android hiển thị biểu đồ nhịp tim và giá trị mức pin theo thời
gian thực.
 Thiết kế được giao thức BLE trên thiết bị và trên app Android.
2. Hạn chế: mơ hình cần cải thiện thời gian sử dụng và xử lý dữ liệu điện tâm đồ để thu
được mẫu gần giống với điện tâm đồ ghi được từ thiết bị y tế chuẩn.
3. Đề nghị bảo vệ hay không: Được bảo vệ.
4. Đánh giá loại: Giỏi.
5. Điểm: .......... Bằng chữ: ................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 3 tháng 8 năm 2022
Giảng viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ và tên)

-iv-


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÓA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP.HỒ CHÍ MINH

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

----o0o----

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Trương Minh Khoa

MSSV: 17151216

Tên đề tài: Thiết kế thiết bị đo nhịp tim, điện tim đeo quanh ngực theo dõi sức khỏe
qua điện thoại thông minh cho người mắc bệnh tim mạch.
STT NGÀY/TUẦN

NỘI DUNG SV THỰC HIỆN
Thực hiện chọn đề tài. Gặp GVHD để được phổ

1

Tuần 1
21/2 – 25/2

biến quy định và xác nhận đề tài. Lên ý tưởng

thiết kế, lựa chọn linh kiện, đặt hàng linh kiện tại
Digikey.
Nhận linh kiện đặt hàng, thực hiện kết nối phần

2

Tuần 2
28/2 – 4/3

cứng giữa kit ESP32-C3 và kit cảm biến nhịp tim
MAX30003.
Nghiên cứu tổng quan về hệ thống. Nghiên cứu
cơ bản nguyên lý hoạt động hệ điều hành RTOS

3

Tuần 3, 4

trên vi điều khiển ESP32-C3, đọc tài liệu về cảm

7/3 – 18/3

biến MAX30003, nguyên lý đo điện tâm đồ, tìm
hiểu cách giao tiếp giữa vi điều khiển và cảm
biến.

4

5

6

Tuần 5
21/3 – 25/3
Tuần 6

Lên ý tưởng thiết kế mạch PCB version 1, vẽ sơ
đồ nguyên lý, layout PCB, đặt board PCB.
Bước đầu lập trình kit vi điều khiển ESP32-C3

28/3 – 1/4

giao tiếp SPI với kit cảm biến.

Tuần 7, 8

Viết thư viện giao tiếp với cảm biến MAX30003,

28/3 – 8/4

viết driver để sử dụng cảm biến.

-v-

XÁC
NHẬN
GV


Nhận board PCB, thực hiện hàn board, test mạch,

7

Tuần 9, 10

kiểm tra lỗi, sửa lỗi mạch, nghiên cứu tổng quan

11/4 – 22/4

cơng nghệ BLE.
Thêm tính năng đọc điện áp pin cho vi điều khiển,

8

9

Tuần 11
25/4 – 29/4
Tuần 12
2/5 – 6/5

nghiên cứu về nguyên lý hệ điều hành RTOS trên
vi điều khiển ESP32-C3.
Hiệu chỉnh lại sơ đồ phần cứng.
Đặt mạch PCB, sửa lỗi phần mềm, thêm tính năng

10

Tuần 13
9/5 – 13/5

cho mạch, hoàn thiện thư viện giao tiếp cảm biến
MAX30003.
Hàn linh kiện lên mạch PCB, kiểm tra lỗi, sửa lỗi

11

Tuần 14
16/5 – 20/5

phát sinh. Thử nghiệm chương trình mẫu kết nối
giao thức BLE của mơ hình với app điện thoại.
Nghiên cứu giao thức BLE trên vi điều khiển

12

Tuần 15, 16,
17
23/5 – 10/6

13

14

15

16

ESP32-C3. Liên kết thư viện module BLE vào
chương trình chính, sửa lỗi và hoàn thiện phần
cứng.

Tuần 18, 19

Hiển thị được đồ thị điện tâm đồ lên Serial Plotter

13/6 – 24/6

của Arduino.

Tuần 20, 21

Sửa lỗi phần cứng, phần mềm, hiển thị được nhịp

27/6 – 8/7
Tuần 22, 23

tim lên app mẫu.
Viết app Android sử dụng MIT App Inventor.

11/7– 22/7
Tuần 24, 25

Viết báo cáo đồ án.

25/7– 6/7
Giảng viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ và tên)

-vi-

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 1
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu đề tài ............................................................................................. 1
1.3. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 1
1.4. Giới hạn ....................................................................................................... 2
1.5. Nội dung nghiên cứu.................................................................................... 2
1.6. Bố cục báo cáo ............................................................................................. 3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 4
2.1. Điện tâm đồ ECG (Electrocardiogram) và hoạt động của tim .................... 4
Khái niệm điện tâm đồ .......................................................................... 4
Cơ chế hoạt động tim ............................................................................ 5
Chu kỳ hoạt động của tim ..................................................................... 5
Nhịp tim ................................................................................................ 7
2.2. Công nghệ BLE (Bluetooth Low Enegy) .................................................... 8
Giới thiệu .............................................................................................. 8
a. Khái quát chung ...................................................................................... 8
b. Các thành phần chính của một thiết bị Bluetooth ................................... 9
c. Giới hạn của công nghệ BLE ................................................................ 10
2.3. Hệ điều hành RTOS (Real Time Operating System) ................................ 10
Các khái niệm cơ bản của RTOS sử dụng trong đề tài ....................... 11
a. Kernel – Nhân ....................................................................................... 11
b. Task – Tác vụ ........................................................................................ 12
c. Task States – Trạng thái Task ............................................................... 12
d. Scheduler – Lập lịch ............................................................................. 13
e. Event Group – Nhóm sự kiện ............................................................... 14

-vii-

2.4. Chuẩn giao tiếp SPI ................................................................................... 15
Giới thiệu tổng quan ........................................................................... 15
Hoạt động ............................................................................................ 16
Ưu nhược điểm của chuẩn giao tiếp SPI ............................................ 17
a. Ưu điểm................................................................................................. 17
b. Nhược điểm .......................................................................................... 17
2.5. Module ESP32-C3-WROOM-02............................................................... 18
Giới thiệu ............................................................................................ 18
Thông số phần cứng ............................................................................ 19
Sơ đồ chân module ESP32-C3-WROOM-02 ..................................... 21
2.6. Cảm biến MAX30003 ................................................................................ 22
Tổng quan ........................................................................................... 22
Ưu điểm và các chức năng .................................................................. 25
2.7. Các phần mềm sử dụng trong đề tài .......................................................... 26
Altium Designer .................................................................................. 26
Visual Studio Code ............................................................................. 27
ESP-IDF .............................................................................................. 27
MIT App Inventor............................................................................... 27
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................ 29
3.1. Thiết kế hệ thống ....................................................................................... 29
Yêu cầu thiết kế phần cứng và phần mềm .......................................... 29
a. Phần cứng .............................................................................................. 29
b. Phần mềm ............................................................................................. 30
Thiết kế khối nguồn ............................................................................ 30
a. Sơ đồ khối nguồn tổng quát .................................................................. 30
b. Lựa chọn nguồn pin. ............................................................................. 30
c. Mạch sạc pin. ........................................................................................ 31
-viii-

d. Mạch bảo vệ pin. ................................................................................... 32
e. Mạch ổn áp 3.3V. .................................................................................. 34
f. Mạch ổn áp 1.8V. .................................................................................. 35
g. Danh sách linh kiện chính..................................................................... 36
Khối ESP32-C3 .................................................................................. 37
Khối cảm biến MAX30003 ................................................................ 39
Mạch giao tiếp giữa ESP32-C3 và cảm biến MAX30003 .................. 39
a. Giao tiếp SPI. ........................................................................................ 40
b. Đọc tín hiệu ngắt từ cảm biến MAX30003. ......................................... 40
Mạch đọc điện áp của pin ................................................................... 41
Thiết kế cấu trúc dữ liệu BLE cho thiết bị.......................................... 42
3.2. Thi công hệ thống ...................................................................................... 43
Vẽ mạch PCB ..................................................................................... 43
Sản phẩm sau khi thi công .................................................................. 46
Giao tiếp cảm biến MAX30003 .......................................................... 48
Thiết kế chương trình cho MCU......................................................... 49
a. Tổng quát ý tưởng ................................................................................. 49
b. Khởi tạo chương trình ........................................................................... 50
c. Các bit sự kiện trong Event Group ....................................................... 50
d. Chương trình lấy mẫu mức điện áp pin ................................................ 53
e. Chương trình ngắt và xử lý tín hiệu nút nhấn ....................................... 54
f. Chương trình xử lý tín hiệu ngắt từ cảm biến ....................................... 56
g. Hàm cập nhật mức pin và nhịp tim lên app Android ............................ 59
h. Chương trình chính ............................................................................... 59
App Android BLE............................................................................... 63
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ .................................... 66
4.1. Giao tiếp SPI với cảm biến MAX30003 .................................................... 66
-ix-

4.2. Giao tiếp BLE với app Android ................................................................. 66
4.3. Kết quả đo điện tâm đồ ECG ..................................................................... 67
4.4. Hiển thị nhịp tim và mức pin trên app Android ......................................... 69
4.5. Thực nghiệm đo dòng tiêu thụ phần cứng ................................................. 70
4.6. Đánh giá ..................................................................................................... 73
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................... 74
5.1. Kết quả ....................................................................................................... 74
5.2. Kết luận ...................................................................................................... 74
5.3. Hướng phát triển ........................................................................................ 74
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 75
2.2. Công nghệ BLE (Bluetooth Low Energy) ................................................. 75
2.2.2. Mơ hình mạng truyền thơng cho BLE ................................................ 75
a. Mơ hình phát gói tin và nhận gói tin (Broadcaster và Observer) ......... 75
b. Mơ hình bắt cặp 2 thiết bị (Connection) ............................................... 75
2.2.3. Giao thức và cấu hình thơng tin (Protocol và Profile). ....................... 76
a. Các lớp giao thức (Protocol Stack) ....................................................... 77
b. Các profiles cơ sở: GAP và GATT ....................................................... 80
c. Services và Characteristics ................................................................... 82
2.6. Cảm biến MAX30003 ................................................................................ 83
2.6.3. Các khối chức năng chính ................................................................... 83
a. Khối đa hợp đầu vào Input MUX ......................................................... 83
b. Bộ đo thời gian giữa 2 xung nhịp tim (R-R Dectection) ...................... 88
c. Khối giao tiếp tín hiệu số ...................................................................... 88
2.6.4. Một số thanh ghi quan trọng ............................................................... 91
a. Thanh ghi trạng thái (STATUS register) .............................................. 92
b. Thanh ghi EINT và EINT2 ................................................................... 92
c. Thanh ghi đồng bộ và reset FIFO (SYNCH và FIFO RST) ................. 93
-x-

d. Thanh ghi cấu hình chung (CNFG_GEN register) ............................... 93
e. Thanh ghi cấu hình ECG (CNFG_ECG register) ................................. 94
f. Thanh ghi cấu hình RTOR1 và RTOR2 ................................................ 95
g. Thanh ghi RTOR .................................................................................. 95
h. Thanh ghi ECG ..................................................................................... 95
Thông số kỹ thuật sản phẩm ............................................................................. 95
Hướng dẫn sử dụng thiết bị .............................................................................. 96
Một số sản phẩm trên thị trường ....................................................................... 98

-xi-


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1 Điện tâm đồ của một chu chuyển bình thường ....................................... 4
Hình 2. 2 Chu kỳ hoạt động của tim ....................................................................... 6
Hình 2. 3 Cơng nghệ BLE ứng dụng trong các thiết bị điện tử xung quanh .......... 9
Hình 2. 4 Các dạng tích hợp phần cứng của Application, Host và Controller ..... 10
Hình 2. 9 Mơ hình Nhân Kernel quản lý hoạt động chương trình ........................ 11
Hình 2. 10 Các trạng thái Task trong RTOS ........................................................ 12
Hình 2. 11 Thứ tự chạy của các task theo luật Round-robin ................................ 13
Hình 2. 12 Thứ tự ưu tiên chạy task theo luật Priority base ................................. 14
Hình 2. 13 Thứ tự ưu tiên chạy task theo luật Priority-based pre-emptive .......... 14
Hình 2. 14 Cấu trúc của Event Group................................................................... 15
Hình 2. 15 Mơ hình giao tiếp SPI giữa Master và Slave ...................................... 16
Hình 2. 16 Giản đồ xung clock SPI cho trường hợp CPHA = 0 và CPHA =1 ..... 17
Hình 2. 17 ESP32-C3-WROOM-02 ..................................................................... 18
Hình 2. 18 Sơ đồ khối chức năng của chip ESP32-C3 ......................................... 20
Hình 2. 19 Sơ đồ chân module ESP32-C3-WROOM-02 ..................................... 21
Hình 2. 20 Hình ảnh thực tế cảm biến .................................................................. 22

Hình 2. 21 Sơ đồ cấu tạo các thành phần của cảm biến MAX30003 ................... 23
Hình 2. 22 Sơ đồ chân cảm biến MAX30003....................................................... 24
Hình 2. 43 Altium Designer .................................................................................. 26
Hình 2. 44 Visual Studio Code ............................................................................. 27
Hình 2. 45 MIT App Inventor ............................................................................... 28
Hình 2. 5 Mơ hình giao tiếp BLE dạng thu phát gói tin quảng bá ....................... 75
Hình 2. 6 Mơ hình giao tiếp BLE dạng bắt cặp .................................................... 76
Hình 2. 7 Các lớp giao thức của Application, Host và Controller ........................ 77
Hình 2. 8 Cấu trúc Profile chứa các Service, Characteristic và Descriptor .......... 82
Hình 2. 23 Bộ đa hợp đầu vào input MUX ........................................................... 83
Hình 2. 24 Vị trí khối lọc nhiễu EMI và bảo vệ tĩnh điện ESD. .......................... 84
Hình 2. 25 Vị trí khối DC Lead-Off trong khối Input MUX ................................ 84
Hình 2. 26 Minh họa chế độ phát hiện Lead-Off.................................................. 85
Hình 2. 27 Nguyên lý phát hiện Lead-Off ............................................................ 86
Hình 2. 28 Vị trí bộ phát hiện Lead-On trong khối Input MUX .......................... 87
-xii-


Hình 2. 29 Minh họa chế độ phát hiện Lead-On .................................................. 87
Hình 2. 30 Minh họa khoảng thời gian giữa 2 xung R ......................................... 88
Hình 2. 31 Cấu trúc dữ liệu của bộ nhớ FIFO ...................................................... 89
Hình 2. 32 Giản đồ xung SPI hoạt động ghi và lấy dữ liệu từ cảm biến .............. 89
Hình 2. 33 Tổ chức thanh ghi của cảm biến MAX30003 ..................................... 91
Hình 2. 34 Thanh ghi Status ................................................................................. 92
Hình 2. 35 Thanh ghi EINT và EINT2 ................................................................. 92
Hình 2. 36 Thanh ghi FIFO_RST ......................................................................... 93
Hình 2. 37 Thanh ghi SYNCH ............................................................................. 93
Hình 2. 38 Thanh ghi CNFG_GEN ...................................................................... 93
Hình 2. 39 Thanh ghi CNFG_ECG ...................................................................... 94
Hình 2. 40 Thanh ghi cấu hình RTOR1 và RTOR2 ............................................. 95

Hình 2. 41 Thanh ghi RTOR ................................................................................ 95
Hình 2. 42 Thanh ghi FIFO 32 word 24 bit .......................................................... 95

Hình 3. 1 Mơ hình tổng qt hệ thống .................................................................. 29
Hình 3. 2 Sơ đồ tổng quát hệ thống nguồn ........................................................... 30
Hình 3. 3 Pin 14500 .............................................................................................. 31
Hình 3. 4 Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin MCP73831 ........................................... 31
Hình 3. 5 Sơ đồ mạch sạc sử dụng trong mơ hình ................................................ 32
Hình 3. 6 Sơ đồ nguyên lý mạch bảo vệ pin BQ29704DSET .............................. 33
Hình 3. 7 Sơ đồ mạch bảo vệ pin lithium sử dụng trong mơ hình........................ 33
Hình 3. 8 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp 3.3V RT9193.......................................... 34
Hình 3. 9 Sơ đồ mạch ổn áp 3.3V sử dụng trong mơ hình ................................... 35
Hình 3. 10 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp 3.3V MAX1726 ................................... 36
Hình 3. 11 Sơ đồ nguyên lý IC MAX1725/6 thiết kế trong mơ hình ................... 36
Hình 3. 12 Sơ đồ kết nối module ESP32-C3. ....................................................... 37
Hình 3. 13 Sơ đồ cấu hình chân để ESP32-C3 hoạt động và nạp code. ............... 38
Hình 3. 14 Sơ đồ mạch cảm biến MAX30003 ..................................................... 39
Hình 3. 15 Sơ đồ giao tiếp vi điều khiển ESP32-C3 và cảm biến MAX30003 ... 39
Hình 3. 16 Các chân SPI được sử dụng trên ESP32-C3-WROOM-02 ................ 40
Hình 3. 17 Các chân SPI của cảm biến MAX30003 ............................................ 40

-xiii-


Hình 3. 18 Mạch đệm tín hiệu cho cảm biến MAX30003 ................................... 41
Hình 3. 19 Mạch đọc điện áp pin .......................................................................... 41
Hình 3. 20 Tụ lọc 100nF để lọc nhiễu tín hiệu ADC............................................ 42
Hình 3. 21 Cấu trúc Profile của thiết bị ................................................................ 42
Hình 3. 22 Layout PCB mặt TOP ......................................................................... 43
Hình 3. 23 Layout PCB mặt Bottom .................................................................... 44

Hình 3. 24 Mơ hình 3D mặt TOP ......................................................................... 45
Hình 3. 25 Mơ hình 3D mặt BOTTOM ................................................................ 45
Hình 3. 26 Mặt dưới đế pin và khối mạch bảo vệ pin .......................................... 46
Hình 3. 27 Khối mạch chính ................................................................................. 46
Hình 3. 28 Các thành phần rời .............................................................................. 47
Hình 3. 29 Lắp ghép hồn chỉnh ........................................................................... 47
Hình 3. 30 Hình ảnh đo thực tế ............................................................................. 48
Hình 3. 31 Giản đồ xung giao tiếp cảm biến MAX30003 .................................... 48
Hình 3. 32 Minh họa giản đồ xung ghi dữ liệu vào cảm biến .............................. 49
Hình 3. 33 Minh họa quá trình đọc dữ liệu từ cảm biến ....................................... 49
Hình 3. 34 Minh họa các bit sự kiện sử dụng trong chương trình ........................ 52
Hình 3. 35 Lưu đồ task lấy mẫu điện áp pin ......................................................... 53
Hình 3. 36 Lưu đồ task xử lý ngắt tín hiệu nút nhấn ............................................ 54
Hình 3. 37 Lưu đồ task xử lý tín hiệu ngắt cảm biến (Phần 1) ............................. 56
Hình 3. 38 Lưu đồ task xử lý tín hiệu ngắt cảm biến (Phần 2) ............................. 58
Hình 3. 39 Hàm cập nhật mức pin và nhịp tim lên app Android .......................... 59
Hình 3. 40 Chương trình chính (phần 1) .............................................................. 60
Hình 3. 41 Chương trình chính (phần 2) .............................................................. 61
Hình 3. 42 Chương trình chính (phần 3) .............................................................. 62
Hình 3. 43 Chương trình chính (phần 4) .............................................................. 63
Hình 3. 44 Giao diện chính của app ..................................................................... 64
Hình 3. 45 Danh sách thiết bị sau khi nhấn nút Scan ........................................... 64
Hình 3. 46 Giao diện sau khi kết nối với thiết bị .................................................. 65
Hình 3. 47 Minh họa hiển thị giá trị mức pin và nhịp tim lên biểu đồ ................. 65
Hình 3. 44 Giao diện chính của app ..................................................................... 97
Hình 3. 45 Danh sách thiết bị sau khi nhấn nút Scan ........................................... 97

-xiv-

Hình 3. 46 Giao diện sau khi kết nối với thiết bị .................................................. 98
Hình 3. 47 Minh họa hiển thị giá trị mức pin và nhịp tim lên biểu đồ ................. 98
Hình 4. 1 MCU đọc về mã cảm biến. ................................................................... 66
Hình 4. 2 MCU ghi dữ liệu vào các thanh ghi của cảm biến ................................ 66
Hình 4. 3 Giao tiếp BLE với app Android ............................................................ 66
Hình 4. 4 Dạng sóng điện tâm đồ đo được từ cảm biến ....................................... 67
Hình 4. 5 Dạng sóng điện tâm đồ đo được từ cảm biến ....................................... 67
Hình 4. 6 Dạng sóng điện tâm đồ đo được từ cảm biến ....................................... 68
Hình 4. 7 Dạng sóng điện tâm đồ đo được từ cảm biến ....................................... 68
Hình 4. 8 Dạng sóng điện tâm đồ đo được từ cảm biến ....................................... 69
Hình 4. 9 Giá trị nhịp tim và mức pin hiển thị trên app ....................................... 70
Hình 4. 10 Dịng điện tiêu thụ khi MCU chạy bình thường, khơng bật BLE....... 71
Hình 4. 11 Dịng tiêu thụ ở chế độ ngủ ................................................................. 72
Hình 4. 12 Dòng tiêu thụ khi MCU bật Bluetooth ............................................... 72

-xv-


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 2 Bảng chức năng các chân của ESP32-C3-WROOM-02 ...................... 22
Bảng 2. 3 Sơ đồ chân cảm biến MAX30003 ........................................................ 25
Bảng 2. 1 Bảng tóm tắt các lớp giao thức ............................................................. 80
Bảng 2. 4 Bảng ETAG .......................................................................................... 89
Bảng 3. 1 Danh sách linh kiện .............................................................................. 37

-xvi-


MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ATT: Attribute Protocol.

BLE: Giao thức giao tiếp Bluetooth Low Energy.
CMRR: Common Mode Rejection Ratio.
EMI: Electromagnetic Interference.
ESD: Electrostatic Discharge.
ECG: Phương pháp đo điện tâm đồ Electrocardiogram.
FIFO: First In First Out.
GAP: Generic Access Profile.
GATT: Generic Attribute Profile.
HCI: Host Controller Interface.
IC: Integrated Circuit.
IDE: Integrated Development Environment.
L2CAP: Logical Link Control and Adaptation Protocol.
MCU: Micro Controller Unit.
RTOS: Real Time Operating System.
SM: Security Manager.
SPI: Chuẩn giao tiếp Serial Peripheral Interface.
SIG: Special Interest Group.
SoC: System on Chip.

-xvii-


KHÁI QUÁT ĐỀ TÀI
Đại dịch COVID-19 đã cho thấy mặt hạn chế của hệ thống y tế trong quá trình điều trị,
chữa bệnh cho các bệnh nhân tại các bệnh viện. Việc theo dõi sức khỏe bệnh nhân của
bác sĩ cũng vì thế trở nên khó khăn và tỏ ra kém hiệu quả, địi hỏi cần có một giải pháp
thuận tiện hơn để theo dõi sức khỏe người bệnh.
Bệnh nhân mắc các bệnh lý liên quan đến tim mạch cần phải đến các bệnh viện để thực
hiện đo điện tâm đồ với các dụng cụ y tế đắt tiền và chỉ thực hiện đo trong thời gian
ngắn, không hiệu quả để giám sát trong thời gian lâu dài. Với máy đo điện tim di động

Holter cho phép bệnh nhân theo dõi lâu dài nhưng ảnh hưởng đến sinh hoạt thường ngày
và khá cồng kềnh khi di chuyển.
Với xu hướng công nghệ IoT ngày càng phát triển trên thế giới và Việt Nam, các thiết
bị khơng dây có kích thước ngày càng nhỏ gọn và tiện lợi để theo dõi giám sát không
dây, em nhận thấy IoT là giải pháp cho vấn đề nêu trên, vì vậy em quyết định thiết kế
một thiết bị đo được điện tâm đồ và nhịp tim giám sát khơng dây, cho phép bác sĩ có thể
theo dõi bệnh nhân từ xa, giảm thời gian thăm khám của bệnh nhân, đưa ra các cảnh báo
sớm [12].
Dựa trên bài báo khoa học [7, 9, 11]. Với đề tài “Thiết kế thiết bị đo nhịp tim, điện tim
đeo quanh ngực theo dõi sức khỏe qua điện thoại thông minh cho người mắc bệnh tim
mạch”, em thực hiện các nội dụng sau:
 Thiết kế, chế tạo mơ hình phần cứng thực nghiệm.
 Lấy dữ liệu điện tâm đồ và nhịp tim người đo theo thời gian thực.
 Thiết kế app Android nhận dữ liệu từ mơ hình.
 Hiển thị giá trị nhịp tim và mức pin lên app theo thời gian thực.
 Hiển thị đồ thị điện tâm đồ trên máy tính theo thời gian thực.

-xviii-


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay có nhiều phương pháp đo điện tâm đồ trong y tế để chẩn đoán bệnh lý tim
mạch. Trong y tế, để thể hiện đầy đủ tình trạng hoạt động của tim, người bệnh được gắn
12 núm điện cực đính lên da và đo bất động ở tư thế ngồi hoặc nằm. Nhược điểm của
phương pháp đo này là sử dụng thiết bị đo cố định, cồng kềnh và chi phí cao, chỉ được
trang bị ở bệnh viện, khó theo dõi tình trạng người bệnh lâu dài.
Máy đo di động Holter truyền thống khắc phục điểm yếu về tính di động và cho phép

theo dõi lâu dài, dành cho người bệnh có nhu cầu theo dõi điện tim và nhịp tim thường
xuyên mà không làm gián đoạn sinh hoạt thường ngày, tuy nhiên máy vẫn cần trang bị
các núm điện cực và dây đo cồng kềnh nên còn gây trở ngại với người bệnh.
Nắm bắt được vấn đề đó, em mong muốn thiết kế thiết bị đo điện tim và nhịp tim sử
dụng 2 điện cực khô được thiết kế kết nối với vòng đeo điện cực co dãn quanh ngực
giúp người bệnh dễ sử dụng, tăng tính di động, kích thước nhỏ gọn, dễ dàng theo dõi
trên điện thoại thông minh khi di chuyển [12].

1.2. Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu, thiết kế thành công một thiết bị nhỏ gọn và đeo được trên người, có khả
năng đo nhịp tim và điện tim theo thời gian thực, sau đó gửi dữ liệu nhịp tim, mức pin
của thiết bị đo được đến điện thoại thông minh sử dụng công nghệ Bluetooth Low Enegy,
hiển thị được đồ thị điện tâm đồ theo thời gian thực.

1.3. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài cơ bản sẽ nghiên cứu giải quyết các vấn đề như sau:
 Thiết kế và thi công board mạch phần cứng.
 Thiết kế phần mềm cho vi điều khiển ESP32-C3 giao tiếp với cảm biến điện tim,
nhịp tim MAX30003 lấy dữ liệu nhịp tim và điện tâm đồ.
 Xây dựng một ứng dụng Android sử dụng MIT App Inventor để nhận dữ liệu do
thiết bị gửi lên, hiển thị đồ thị nhịp tim và giá trị mức pin.
 Thiết kế giao thức BLE trên thiết bị giao tiếp với app.
-1-


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.4. Giới hạn
Do thời gian có hạn nên đề tài của em còn những giới hạn như sau:
 App Android hiển thị các thông số cơ bản như giá trị, biểu đồ nhịp tim và giá trị

mức pin.
 Hiển thị dữ liệu thô đồ thị điện tâm đồ sử dụng Serial Plotter của Arduino IDE.
 Thiết bị có thời gian sử dụng khoảng 5-6 giờ.
 Truyền nhận BLE chưa có lớp bảo mật thơng tin.

1.5. Nội dung nghiên cứu
 Nghiên cứu các thiết kế sản phẩm mẫu về vòng đeo nhịp tim trên thị trường.
 Tham khảo các bài báo khoa học, tài liệu, datasheet có liên quan đến cảm biến
đang nghiên cứu. Nghiên cứu cách thức giao tiếp, cách đọc và ghi dữ liệu vào
thanh ghi, các thành phần chức năng được tích hợp, sơ đồ nguyên lý mẫu của cảm
biến.
 Nghiên cứu cơ bản nguyên lý đo điện tâm đồ, tìm hiểu các phương pháp đo điện
tâm đồ sử dụng phổ biến trong y tế.
 Nghiên cứu tổng quan cấu trúc, các thành phần của BLE, tham khảo các tài liệu có
liên quan đến cơng nghệ BLE.
 Nghiên cứu các tài liệu có liên quan hệ điều hành RTOS, thử nghiệm thực tế hoạt
động của hệ điều hành trên kit ESP32-C3 mẫu.
 Nghiên cứu và thiết kế phần cứng mẫu, tham khảo tài liệu mẫu về cách thức sử
dụng chuẩn giao tiếp SPI, hoạt động của hệ điều hành RTOS và cách sử dụng
module BLE trên ESP32-C3 do nhà sản xuất cung cấp.
 Thử nghiệm giao tiếp SPI giữa MCU và cảm biến MAX30003, viết thư viện giao
tiếp với cảm biến, cài đặt các cấu hình, thanh ghi cơ bản để cảm biến hoạt động.
Thử nghiệm chức năng BLE của ESP32-C3 với app Android mẫu, nghiên cứu,
thiết kế lại cấu trúc dữ liệu BLE phù hợp với mục tiêu đề tài từ chương trình mẫu
do nhà sản xuất cung cấp.

-2-


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

 Hiển thị nhịp tim và mức pin lên app, hiển thị đồ thị điện tâm đồ sử dụng chức
năng Serial Plotter của Arduino IDE, thực nghiệm đo dịng tiêu thụ tồn bộ hệ
thống.
 Thiết kế, thi công app Android sử dụng MIT App Inventor.
 Hiệu chỉnh, sửa lỗi, tối ưu phần cứng và phần mềm.

1.6. Bố cục báo cáo
Chương 1: Tổng quan.
Giới thiệu, dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu và những giới hạn
trong phạm vi nghiên cứu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Giới thiệu các phần mềm sử dụng trong đề tài. Giới thiệu các kiến thức, chức năng về
khối xử lý trung tâm là vi điều khiển ESP32-C3. Giới thiệu tổng quan, trình bày các ưu
nhược điểm, các chức năng quan trọng và tổ chức thanh ghi của cảm biến nhịp tim
MAX30003, lý thuyết và các thành phần thuộc giao thức BLE, lý thuyết về điện tâm đồ
và nhịp tim, tổng quan về hệ điều hành thời gian thực RTOS. Giới thiệu chuẩn giao tiếp
SPI.
Chương 3: Thiết kế, thi cơng hệ thống.
Trình bày cụ thể thiết kế phần cứng, sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng, thi công phần
mềm, trình bày và giải thích lưu đồ phần mềm, trình bày kết quả thi công app Android.
Chương 4: Kết quả, nhận xét và đánh giá.
Chương này sẽ trình bày các kết quả đạt được của đề tài, sau đó nêu lên nhận xét và
đánh giá.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.
Chương này sẽ trình bày kết luận của nhóm về kết quả nghiên cứu và hướng phát triển
nghiên cứu dành cho đề tài do nhóm đề ra.

-3-

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Điện tâm đồ ECG (Electrocardiogram) và hoạt động của tim
Khái niệm điện tâm đồ
Điện tâm đồ (tiếng Anh: Electrocardiogram hay thường gọi tắt là ECG) là đồ thị ghi
những thay đổi của dòng điện trong tim. Quả tim co bóp theo nhịp được điều khiển của
một hệ thống dẫn truyền trong cơ tim. Những dòng điện tuy rất nhỏ, khoảng một phần
nghìn volt, nhưng có thể dị thấy được từ các cực điện đặt trên tay, chân và ngực bệnh
nhân và chuyển đến máy ghi. Máy ghi điện khuếch đại lên và ghi lại trên điện tâm đồ
[3].
Điện tâm đồ được sử dụng trong y học để phát hiện các bệnh về tim như rối loạn nhịp
tim, suy tim, nhồi máu cơ tim v.v...
.

Hình 2. 1 Điện tâm đồ của một chu chuyển bình thường
Điện tâm đồ được ứng dụng trong chẩn đoán các trường hợp sau:
 Rối loạn nhịp tim.
 Nhồi máu cơ tim.
 Thiếu máu cục bộ cơ tim.
 Phát hiện bất thường như cơ tim dày lên.
Ngồi ra, điện tâm đồ cịn được chỉ định trong nhiều trường hợp không đặc hiệu: người
cao tuổi (người nguy cơ mắc bệnh lý tim mạch cao), bệnh nhân tăng huyết áp, bệnh nhân
rối loạn chuyển hóa lipid máu (mỡ máu), đái tháo đường, hút thuốc lá, đau thắt ngực,

-4-