Thiết kế và thi công vòng tay đo chỉ số sức khỏe và cảnh báo té ngã

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG VỊNG TAY ĐO CHỈ SỐ
SỨC KHỎE VÀ CẢNH BÁO TÉ NGÃ

GVHD: THS. NGUYỄN THANH NGHĨA
SVTH: TƠ TRUNG THIỆN
NGUYỄN NHƯ Ý

SKL009705

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12/2022


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬCƠNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG VỊNG TAY ĐO CHỈ SỐ SỨC KHỎE VÀ
CẢNH BÁO TÉ NGÃ

GVHD: ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa
SVTH:Tơ Trung Thiện
MSSV:18129053
SVTH:Nguyễn Như Ý
MSSV:18129064
Tp. Hồ Chí Minh - 12/2022


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ
MINH
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG
NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO HẠNH PHÚC
----o0o---Tp. HCM, ngày 13 tháng 09 năm
2022

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Tô Trung Thiện
Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Như Ý
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa: 2018

Điện tử y sinh
Đại học chính quy

MSSV:18129053

MSSV:18129064
Mã ngành:7520212D
Mã hệ:
Lớp: 181290

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG VỊNG TAY ĐO CHỈ SỐ

SỨC KHỎE VÀ CẢNH BÁO TÉ NGÃ
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
- Tài liệu về các phương pháp đo quang, phương pháp phát hiện té ngã
- Tài liệu về thu thập dữ liệu từ cảm biến nhịp tim, gia tốc
- Tài liệu về thu thập dữ liệu định vị
- Tài liệu về an toàn trong y tế

Nội dung thực hiện:
Tìm hiểu về các phương pháp đo quang và nhịp tim
Tìm hiểu về các phương pháp phát hiện té ngã
Nghiên cứu lập trình các cảm biến nhịp tim và gia tốc
Lập trình cho các module GPS/SIM800L để xác định vị trí té ngã và cảnh báo
khi có thơng số ở mức nguy hiểm
- Thiết kế và hoàn thiện thiết bị

2.
-

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 13/09/2022
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 29/12/2022
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
VIỆT NAM
Độc
lập
Tự do - Hạnh phúc
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o---Tp. HCM, ngày 06 tháng 03 năm 2022

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Tô Trung Thiện
Lớp: 181290A
Họ tên sinh viên: Nguyễn Như Ý
Lớp: 181290C

MSSV: 18129053
MSSV: 18129064

TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG VỊNG TAY ĐO CHỈ SỐ SỨC
KHỎE VÀ CẢNH BÁO TÉ NGÃ
Tuần/ngày

Nội dung

Xác nhận
GVHD

- Nhận thư mời hướng dẫn Khoá luận tốt nghiệp
Tuần 1
(13/9 – 19/9)

- Gặp GVHD để được phổ biến các yêu cầu về
khoá luận, đề tài.
- Viết đề cương chi tiết KLTN
- GVHD xét duyệt đề tài

Tuần 2
(20/9 – 26/9)

Tuần 3
(27/9 – 3/10)

- Chỉnh sửa đề cương
- Nộp đề cương KLTN cho Bộ mơn
- Tìm hiểu về các chỉ số nhịp tim và phương pháp
phát hiện té ngã
- Tìm hiểu về cảm biến nhịp tim và cảm biến gia
tốc kết hợp con quay hồi chuyển

Tuần 4

- Tìm hiểu về module sim/GPS

(4/10 – 10/10)

- Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Tuần 5
(11/10- 17/10)
Tuần 6
(18/10 – 24/10)

- Tiến hành lựa chọn và mua linh kiện được sử
dụng trong đề tài
- Vẽ lưu đồ và lắp mạch khối cảm biến trên
Testboard

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ii


Tuần 7
(25/10 – 31/10)

- Lập trình Arduino đo nhịp tim và gia tốc, góc từ
cảm biến MAX30102 và MPU 6050

Tuần 8
(1/11 – 7/11)
Tuần 9

- Lập trình Arduino điều khiển module SIM800L,
loa cảnh báo
- Lập trình Arduino nhận tín hiệu từ GPS NEO-6M

(8/11 – 14/11)
Tuần 10
(15/11 – 21/11)

- Kết hợp tất cả cảm biến MAX30102, MPU6050
và các module GPS, SIM800L hoạt động cùng với
nhau
- Thiết kế và xây dựng khối nguồn

Tuần 11
(22/11 – 28/11)
Tuần 12

- Chạy thử nghiệm hệ thống
- Hoàn chỉnh hệ thống

(29/11 – 5/12)
Tuần 13
(6/12 – 12/12)

- Thiết kế vỏ thiết bị và dây đeo cho thiết bị

Tuần 14

- Hoàn thiện bài báo cáo

(13/12 – 19/12)

- Thiết kế Slide báo cáo

Tuần 15
(20/12 – 26/12)
Tuần 16

- Hoàn thiện bài báo cáo và gửi cho GVHD để xem
xét góp ý chỉnh sửa trước khi in ra và báo cáo
- Nộp quyển báo cáo KLTN

(27/12 – 29/12)

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iii


LỜI CAM ĐOAN
Chúng tôi xin cam đoan rằng đề tài Khóa Luận Tốt Nghiệp “THIẾT KẾ VÀ THI
CƠNG VỊNG TAY ĐO CHỈ SỐ SỨC KHỎE VÀ CẢNH BÁO TÉ NGÔ là thành quả
nghiên cứu của nhóm và dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa dựa vào
nghiên cứu giáo trình, tài liệu sách vở và tham khảo một số tài liệu từ những khóa luận
khác, khơng sao chép từ bất cứ trong cơng trình nào đã có trước đó. Nếu như sai tơi xin
chịu hồn tồn trách nhiệm và chịu tất cả các kỷ luật của bộ môn cũng như nhà trường

đề ra.
Người thực hiện đề tài
Tô Trung Thiện
Nguyễn Như Ý

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iv


LỜI CẢM ƠN
Để có thể thực hiện và hồn thành đề tài, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành
đến thầy Nguyễn Thanh Nghĩa đã trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chia sẻ rất nhiều kinh
nghiệm, vạch ra hướng đi cho đề tài tạo điều kiện để nhóm hồn thành tốt đề tài.
Đồng thời nhóm cũng được sự giúp đỡ chân thành của các thầy cô trong khoa
Điện – Điện tử đã tạo những điều kiện tốt nhất, truyền đạt những kiến thức bổ ích để
áp dụng vào đề tài.
Tiếp theo, nhóm cũng xin cảm ơn các anh, chị khóa trên đã chia sẻ tài liệu, trao
đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm trong khi thực hiện đề tài.
Và cuối cùng, xin cảm ơn đến gia đình và người thân đã tạo điều kiện vững vàng
cả về vật chất lẫn tinh thần, luôn động viên và cổ vũ chúng tơi trong suốt q trình học
tập tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh cũng như trong suốt quá trình
thực hiện đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2022
Người thực hiện đề tài
Tơ Trung Thiện
Nguyễn Như Ý

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

v


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................iv
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................iv
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................vi
TÓM TẮT..................................................................................................................... vii
Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................ 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ......................................................................................................1
1.2 MỤC TIÊU ............................................................................................................3
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................3
1.4 GIỚI HẠN .............................................................................................................3
1.5 BỐ CỤC ................................................................................................................4
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................................5
2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐO QUANG .............................................................................5
2.1.1 Sự tương tác giữa ánh sáng và các phân tử vật chất.......................................5
2.2 PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN TÉ NGÃ .............................................................7
2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG .................................................................................8
2.3.1 Cảm biến MAX30102 ....................................................................................8
2.3.2 Cảm biến gia tốc MPU 6050 ........................................................................11
2.3.3 Adruino Nano ............................................................................................... 14
2.3.4 Module SIM800L[3] ...................................................................................16
2.3.5 Mạch còi Buzzer ...........................................................................................18
2.3.6 Module GPS NEO-6M .................................................................................19
Chương 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ......................................................................23
3.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................................23
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ..............................................................................23

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ........................................................................23

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ii


3.2.2 Tính tốn và thiết kế mạch ...........................................................................24
Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG .............................................................................36
4.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................................36
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG .....................................................................................36
4.2.1 Thiết kế phần cứng: ......................................................................................36
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra: ......................................................................................36
4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ...................................................................................37
4.3.1 Lưu đồ giải thuật: .........................................................................................38
4.4 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG VÀ THAO TÁC: ...................................47
Chương 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ .....................................................53
5.1 KẾT QUẢ ............................................................................................................53
5.1.1 Giới thiệu ......................................................................................................53
5.1.2 Kết quả thi công phần cứng ..........................................................................53
5.1.3 Kết quả hiển thị ............................................................................................ 54
5.2 NHẬN XÉT .........................................................................................................58
5.3 ĐÁNH GIÁ..........................................................................................................58
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................61
6.1 KẾT LUẬN .........................................................................................................61
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................................................61
Tài liệu tham khảo .........................................................................................................62
PHỤ LỤC ......................................................................................................................65

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iii


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 a) Sự truyền ánh sáng qua động mạch ........................................................ 7
Hình 2.1 b) Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền qua ngón tay ......................................... 7
Hình 2.2 Cảm biến nhịp tim MAX30102 ................................................................... 9
Hình 2.3 Sơ đồ chức năng của MAX30102 ............................................................... 10
Hình 2.4 Phương pháp đo của cảm biến MAX30102 ................................................ 11
Hình 2.5 Cảm biến gia tốc MPU6050 ........................................................................ 12
Hình 2.6 Trục của cảm biến MPU6050 ...................................................................... 13
Hình 2.7 Arduino Nano……………………………………………………………...14
Hình 2.8 Module SIM800L và Ang-ten……………………………………………...16
Hình 2.9 Sơ đồ chân của Module SIM800L ............................................................... 17
Hình 2.10 Mạch cịi Buzzer………………………………………………………….19
Hình 2.11 Module GPS NEO-6M …………………………………………………..19
Hình 2.12 Pin Li-po 3.7V 200mAh………………………………………………….20
Hình 2.13 Mạch sạc pin 18650………………………………………………………21
Hình 2.14 Phần mềm lập trình Arduino IDE………………………………...............21
Hình 2.15 Phần mềm mơ phỏng Proteus …………………………………………….22
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống………………………………………………………..23
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối MPU 6050 với Arduino……………………………………..24
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối chân MAX30102 với Arduino Nano ……………………….25
Hình 3.4 Bảng chọn mẫu/giây của cảm biến ………………………………………...26
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối chân MPU 6050 với Arduino ……………………………….28
Hình 3.6 Hướng và trục các góc quay ……………………………………………….29

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

iv


Hình 3.7 Sơ đồ kết nối khối cảnh báo ……………………………………………….32
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối khối hiển thị ………………………………………………...33
Hình 3.9 Sơ đồ mạch nguyên lý ……………………………………………………..34
Hình 4.1 Lắp ráp linh kiện trên board ……………………………………………….37
Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật gửi tin nhắn và gọi khẩn cấp …………………………....38
Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật chương trình chính ……………………………………...39
Hình 4.4 Giá trị góc khi cảm biến nằm ngang đứng yên …………………………... 41
Hình 4.5 Giá trị góc khi cảm biến đeo trên tay …………………………………….. 41
Hình 4.6 Nguyên lý đo mạch theo trục y …………………………………………... 42
Hình 4.7 Mơ phỏng ngã về sau ……………………………………………………... 43
Hình 4.8 Mơ phỏng hành động ngã ngồi ……………………………………….……44
Hình 4.9 Mơ phỏng ngã về trước chống tay lên vật cản …………………………….45
Hình 4.10 Mơ phỏng ngã về trước …………………………………………………..46
Hình 4.11 Mơ phỏng ngã nghiêng sang trái ………………………………………....46
Hình 4.12 Mơ phỏng ngã nghiêng sang phải ………………………………………..47
Hình 5.1 Các linh kiện trên board mạch …………………………………………….54
Hình 5.2 Màn hình Oled hiển thị nhịp tim ………………………………………..…55
Hình 5.3 Cuộc gọi cảnh báo …………………………………………………….…...56
Hình 5.4 Tin nhắn cảnh báo ……………………………………………………..…..57

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Chức năng các chân của cảm biến MAX30102 …………………………..…9

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của Arduino Nano …………………………………….…15
Bảng 2.3 Sơ đồ mô tả chức năng các chân của Arduino Nano ……………………….15
Bảng 2.4 Trạng thái kết nối của module Sim 800L ……………………………………17
Bảng 2.5 Sơ đồ chân kết nối của Module Sim800l ……………………………………17
Bảng 2.6 Mô tả các chân của module GPS NEO-6M ………………………………….20
Bảng 3.1 Các linh kiện sử dụng trong hệ thống ……………………………………….34
Bảng 4.1 Các linh kiện được sử dụng …………………………………………………36
Bảng 4.2 Mô phỏng ngã về sau ………………………………………………………..43
Bảng 4.3 Kết quả mô phỏng ngã ngồi …………………………………………………44
Bảng 4.4 Kết quả mô phỏng ngã về trước chống tay lên vật cản ……………………..45
Bảng 4.5 Kết quả mô phỏng ngã về trước …………………………………………….46
Bảng 4.6 Kết quả mô phỏng ngã nghiêng sang trái …………………………………..47
Bảng 4.7 Kết quả mô phỏng ngã nghiêng sang phải …………………………………..47
Bảng 4.8 Gia tốc trung bình các loại hình thức té ngã …………………………………48
Bảng 5.1 Chỉ số nhịp tim trung bình của một bạn nam trong 10 lần đo ở thời điểm khác
nhau …………………………………………………………………………………...55
Bảng 5.2 Chỉ số nhịp tim trung bình của một bạn nữ trong 10 lần đo ở thời điểm khác
nhau …………………………………………………………………………………...55

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

vi


TĨM TẮT
Ngày nay nhu cầu theo dõi và chăm sóc sức khỏe của con người ngày càng tăng
cao, đặc biệt là các bệnh liên quan đến tim mạch do nó là bệnh lý nguy hiểm và chiếm
tỷ lệ tử vong cao, không những thế tần suất mắc bệnh tim mạch ngày càng trẻ hóa. Bên
cạnh tim mạch thì té ngã cũng là một nguyên nhân gây ảnh hưởng vô cùng nghiêm trọng
đến sức khỏe của người cao tuổi và trẻ tuổi như là gãy xương, chấn thương vùng

đầu…thậm chí có thể dẫn đến tử vong nếu không được phát hiện và xử lý kịp thời. Vì
vậy cần có một thiết bị có thể thường xun đo và theo dõi thơng số nhịp tim, nồng độ
oxy trong máu có thể phát hiện những bất thường trong cơ thể và cũng đồng thời có thể
cảnh báo té ngã để hạn chế những hậu quả mà nó gây ra.
Sau q trình nghiên cứu, tìm hiểu các tài liệu và đề tài trước đó về việc đo các
thông số như nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và cảnh báo té ngã, nhóm đã chọn thực
hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG VỊNG TAY ĐO CHỈ SỐ SỨC KHỎE VÀ
CẢNH BÁO TÉ NGÔ để đo và phát hiện té ngã cho người cao tuổi hoặc người có nhu
cầu sử dụng, thiết bị nhỏ gọn, tiện lợi có thể đeo trên người.
Thiết bị sử dụng các cảm biến như cảm biến MAX30102 đo nhịp tim, cảm biến
gia tốc cùng con quay hồi chuyển phát hiện hành động ngã và module SIM/GPS xác
định vị trí té ngã của người dùng đồng thời gửi cảnh báo cho người thân bằng cách nhắn
tin kèm vị trí và gọi điện thoại đến số đã được cài đặt trước đó, khi đó thiết bị cũng sẽ
phát âm thanh cảnh báo tại chỗ thông qua loa.
Với thiết bị này người dùng có thể thường xun đo và theo dõi thơng số nhịp
tim thơng qua màn hình hiển thị. Thực hiện phát loa cảnh báo khi chỉ số ở mức nguy
hiểm, đồng thời gửi tin nhắn cảnh báo kèm thông tin vị trí khi có hành động té ngã đến
người thân và thực hiện cuộc gọi khẩn cấp qua điện thoại. Thiết bị nhỏ gọn, được đeo
trên người có thể đem đi xa, nó hoạt động tương đối ổn định, đáp ứng được các mục tiêu
ban đầu đề ra.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

vii


Chương 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ thì việc ứng dụng các kỹ
thuật đó vào thiết bị, hệ thống nhằm hỗ trợ trong việc chăm sóc sức khỏe con người
ngày càng tăng cao. Các thiết bị này sẽ làm giảm chi phí, có thể giám sát từ xa và hỗ trợ
theo dõi, quản lý dữ liệu của người dùng. Hơn nữa, tính ổn định và khả năng tự động
hóa được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh, chẩn đoán sức khỏe.[5]
Các hệ thống xây dụng từ cảm biến phục vụ cho y tế, nâng cao chất lượng cuộc
sống đặc biệt là hỗ trợ giám sát người có có tiền sử bệnh tim mạch, người cao tuổi. Đối
với tim mạch, một bộ phận vô cùng quan trọng trong cơ thể, một dấu hiệu nhỏ bên ngoài
cũng có thể là mối nguy hại nghiêm trọng đối với cơ thể, điển hình như là rối loạn nhịp
tim. Nếu khơng được chữa trị kịp thời có thể gây nguy hiểm đến tính mạng. Rối loạn
nhịp tim có thể là biểu hiện của các bệnh lý tim mạch bao gồm bệnh mạch vành (nhồi
máu cơ tim), tai biến mạch máu não (đột quỵ), tăng huyết áp (cao huyết áp), bệnh động
mạch ngoại biên, suy tim [6]. Một thống kê tại Việt Nam cho thấy cứ 3 người bình
thường sẽ có 1 người mắc bệnh tim mạch. Đáng quan ngại hơn, tỷ lệ này đang có xu
hướng ngày càng trẻ hóa. Đây là dấu hiệu nguy hiểm đòi hỏi mỗi trường trong chúng ta
cần quan tâm hơn đến sức khỏe tim mạch và có các biện pháp cụ thể để ứng phó kịp
thời. Theo WHO - Tổ chức Y tế Thế giới, mỗi năm có khoảng 17,5 triệu người tử vong
do mắc bệnh lý về tim và mạch máu, chiếm tỷ lệ cao nhất so với tất cả nhóm bệnh lý
khác.
Bên cạnh các bệnh lý về tim mạch thì té ngã cũng là một nguyên nhân gây ảnh
hưởng vô cùng quan trọng đến sức khỏe người cao tuổi. Khoảng 28% đến 35% người
cao tuổi từ 65 tuổi trở lên bị ngã mỗi năm (WHO, 2007). Khoảng 85% số ca ngã này
xảy ra tại nhà ở những người lớn tuổi sống độc lập (Tideiksaar, 1987). Ngã chiếm 40%
tổng số thương tích gây tử vong (Rubenstein, 2006). Ngã là lý do khiến 25% số ca nhập
viện, 40% số ca nhập viện điều dưỡng và 40% số người nhập viện không trở lại cuộc
sống tự lập. Trong năm 2010, tổng chi phí y tế cũng như mất việc làm do té ngã là $567
triệu (Bộ Y tế Ohio, 2013). Rõ ràng, té ngã là một thách thức lớn về sức khỏe đối với

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


Chương 1. TỔNG QUAN

người lớn tuổi và hệ thống chăm sóc sức khỏe[7].Tại Việt Nam, ước tính có khoảng 1.5
- 1.9 triệu người già bị té ngã mỗi năm và 5% số đó phải nhập viện vì các chấn thương.
Di chứng do té ngã là rất nặng nề như gãy tay chân, ảnh hưởng tâm sinh lý, chấn thương
sọ não, thậm chí là tử vong nếu khơng được phát hiện kịp thời. Việc phát hiện té ngã
sớm có thể giúp người nhà, người chăm sóc hay nhân viên y tế đến một cách kịp thời và
có thể giúp hạn chế hậu quả do té ngã gây ra.
Vì vậy, hiện nay có rất nhiều nghiên cứu hay thiết bị đo thơng số như nhịp tim,
SpO2 và phát hiện té ngã cho người cao tuổi. Đề tài “Thiết kế và thi công thiết bị đo
nhiệt độ, nhịp tim, nồng độ oxy trong máu (SpO2) và gửi dữ liệu lên App Android” là
đồ án tốt nghiệp của Quảng Đại Viên, Trịnh Văn Sơn (2021) sử dụng cảm biến nhiệt độ,
nhịp tim để đo các thơng số sức khỏe sau đó hiển thị ở giao diện App Android. Bên cạnh
đó nhóm tác giả Đinh Ngọc Vĩnh An và Dương Thị Kiều Oanh với đề tài “Thiết kế và
thi công thiết bị đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ” cũng thực hiện đo
thông số như trên, hiển thị trên app điện thoại và có cảnh báo tại chỗ bằng cịi. Hệ thống
phát hiện té ngã dựa trên nhận dạng tư thế trong môi trường nhà thông minh do Miao
Yu và cộng sự thực hiện. Các hệ thống này sử dụng camera theo dõi hành động của con
người và sử dụng thuật tốn xử lý ảnh để phát hiện xem người đó có té ngã hay khơng,
hệ thống mang lại độ chính xác cao, tuy nhiên chỉ hoạt động trong môi trường phịng và
nhà có lắp camera, và rất khó để lập trình chính xác nếu trong phịng có nhiều người
cùng sinh hoạt. Ngoài những nghiên cứu dùng camera để phát hiện ngã, một số nghiên
cứu còn sử dụng âm thanh để phát hiện té ngã như: Hệ thống phát hiện ngã dựa trên một
loạt các cảm biến âm thanh. Để phân biệt tiếng ngã, người ta sử dụng độ to và độ cao
của âm thanh, hệ thống được thực hiện bởi Popescu và cộng sự. Hay một hệ thống khác
phát hiện ngã để theo dõi độ rung của sàn do ngã được thực hiện bởi Alwan và cộng sự.
Tuy nhiên các hệ thống này rất khó có độ chính xác cao vì các tạp âm.[8]

Từ những nghiên cứu trên, nhóm muốn kết hợp đo cả nhịp tim và phát hiện, cảnh
báo té ngã trong cùng một thiết bị để có thể hỗ trợ chăm sóc sức khỏe cho người cao
tuổi tốt hơn. Do đó nhóm quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi cơng vịng tay
đo chỉ số sức khỏe và cảnh báo té ngã”. Đề tài sử dụng cảm biến đo nhịp tim, cảm
biến gia tốc xác định gia tốc và góc để phát hiện té ngã, module GPS định vị vị trí người
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

2


Chương 1. TỔNG QUAN

dùng, đồng thời gọi và gửi tin nhắn cảnh báo đến người thân qua số điện thoại được cài
đặt trước đó khi có té ngã hoặc thơng số nhịp tim ở mức nguy hiểm, ngồi ra cịn có
cảnh báo tại chỗ bằng loa.
1.2 MỤC TIÊU
Thiết kế và thi cơng vịng tay đo chỉ số sức khỏe và cảnh báo té ngã, hệ thống này
sử dụng vi xử điều khiển trung tâm là Arduino Nano có chức năng đo nhịp tim bằng
cảm biến MAX30102 kết hợp với cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển đề phát hiện
té ngã, cảnh báo tại chỗ bằng buzzer đồng thời định vị được vị trí ngã bằng module GPS,
gửi tin nhắn cảnh báo kèm vị trí ngã bằng module Sim và thông báo về điện thoại cho
người thân khi các chỉ số xuống mức nguy hiểm, đồng thời người dùng cũng có thể thực
hiện cuộc gọi khẩn cấp đến số điện thoại đã được cài đặt trước đó.
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong q trình thực hiện Khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế và thi cơng
vịng tay đo chỉ số sức khỏe và cảnh báo té ngã”, nhóm đã thực hiện và hoàn thành
những nội dung sau:
- Nội dung 1: Tìm hiểu lý thuyết về các phương pháp đo và cách phát hiện té ngã.
- Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối hệ thống và lựa chọn các linh kiện phù hợp.
- Nội dung 3: Lập trình cảm biến MAX30102 và MPU6050 để đo các thông số và

phát hiện té ngã.
- Nội dung 4: Lập trình module GPS và module SIM để xác định vị trí người dùng,
gọi và gửi cảnh báo kèm vị trí đến người thân.
- Nội dung 5: Thiết kế mạch in và bộ nguồn.
- Nội dung 6: Lắp ráp và thiết kế vỏ ngoài.
- Nội dung 7: Chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.
- Nội dung 8: Viết báo cáo thực hiện.
- Nội dung 9: Bảo vệ khóa luận tốt nghiệp.
1.4 GIỚI HẠN
Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:
 Chức năng nhắn tin và gọi cảnh báo té ngã kèm thơng tin vị trí người dùng chỉ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


Chương 1. TỔNG QUAN

thực hiện đến số điện thoại đã được cài đặt trước đó.
 Bộ phận định vị hoạt động tốt khi ngoài trời, kém hơn khi ở trong nhà.
1.5 BỐ CỤC
Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày về lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung thực hiện, các
thông số giới hạn của thiết bị và bố cục của khóa luận tốt nghiệp.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này trình bày lý thuyết về phương pháp đo nhịp tim, phát hiện té ngã,
các linh kiện, module cần thiết được sử dụng trong đề tài
Chương 3: Tính tốn và thiết kế
Chương này trình bày về sơ đồ khối, tính tốn số liệu ngưỡng ngã, thiết kế từng
khối, lựa chọn linh kiện phù hợp, vẽ mạch nguyên lý kết nối các khối với nhau thành

một hệ thống hoàn chỉnh.
Chương 4: Thi cơng hệ thống
Chương này trình bày các bước thi công phần cứng cho từng khối.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Chương này trình bày kết quả đạt được khi hồn chỉnh mơ hình thiết bị và các
kết quả số liệu đo đạc thực nghiệm và những nhận xét về các kết quả đó.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chương này trình bày những kết luận chung của đề tài và những hướng đi có thể
phát triển thêm trong tương lai.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐO QUANG
2.1.1 Sự tương tác giữa ánh sáng và các phân tử vật chất
Nguyên lý đo quang: Dựa trên nguyên lý của hiện tượng quang phổ hấp thụ.
Quang phổ hấp thụ thực chất là quá trình tương tác giữa hạt photon của ánh sáng
với các phần vật chất. Khi ta chiếu một chùm tia sáng gồm các photon có các mức năng
lượng khác nhau đi qua một dung dịch chất hấp thụ. Dung dịch chỉ hấp thụ chọn lọc
những photon nào có mức năng lượng phù hợp với các mức năng lượng điện tử, năng
lưượng dao động và năng lượng quay của phân tử chất đó.
Như vậy các phân tử vật chất có cấu trúc khác nhau sẽ cho những phổ hấp thụ
với các đỉnh và bước sóng đặc trưng khác nhau.[1]
2.1.2 Các định luật về sự hấp thụ ánh sáng
Định luật Bouger - Lamber: cường độ của một chùm tia sáng đơn sắc khi đi qua

một dung dịch chất hấp thụ tỷ lệ nghịch với chiều dày của lớp dung dịch mà nó đi qua.
Định luật Beer: sự giảm cường độ ánh sáng khi đi qua một dung dịch chất hấp
thụ phụ thuộc vào số lượng các tiểu phân tử vật chất hấp thụ mà ánh sáng gặp phải trên
đưường đi, nghĩa là phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch chất hấp thụ.
Theo định luật Bouguer – Lamber - Beer chỉ đúng với trường hợp chất cần xác
định nồng độ là dung dịch loãng: Độ hấp thụ quang (mật độ quang học) tỷ lệ thuận với
nồng độ dung dịch:
OD = A = εLC

(2.1)

Trong đó:
OD hay E, A : Mật độ quang học của dung dịch
C : Nồng độ dung dịch
ε: Hệ số tắt của dụng dịch
L : Chiều dày lớp dung dịch mà chùm tia sáng đi qua.
Trong các tham số trên, hệ số tắt của dung dịch không đổi, chiều dày lớp dung dịch
mà chùm tia sáng đi qua không đổi. Bản chất dung dịch và bước sóng khơng đổi, nên
mật độ quang OD chỉ còn phụ thuộc vào nồng độ C của dung dịch.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

Nếu nồng độ dung dịch cần định lượng vượt quá giới hạn cho phép thì mật độ
quang học khơng cịn tuyến tính với nồng độ dung dịch nữa. Khi đó nồng độ dung dịch
tăng, khoảng cách giữa các phân tử là đáng kể, sẽ sai khác đi, hệ số hấp thụ không phụ

thuộc tuyến tính vào nồng độ nữa, khi ấy phải pha lỗng dung dịch, kết quả thu được
phải nhân với tỉ lệ pha lỗng.
Q trình dẫn truyền ánh sáng qua dung dịch được biểu diễn như sau:
It = I0.10-εLC

(2.2)

(Mật độ quang OD chính là hiệu số giữa cường độ ánh sáng tia ló với cường độ
ánh sáng tia tới khi đi qua dung dịch)
OD = It - I0

(2.3)

Dựa vào định luật Bouguer - Lamber - Beer ta tính được nồng độ dung dịch cần
đo:
CT = (AT/AM).CM = AT.K

(2.4)

Trong đó CM là nồng độ dung dịch mẫu đã biết trước. ODM (AM) mẫu là mật
độ quang của dung dịch mẫu đo được. Như vậy hệ số K được coi là hệ số chuẩn trong
quá trình làm xét nghiệm tìm nồng độ chất thử:
CT = Hệ số K × ODT = Hệ số K × AT

(2.5)

Trong đó
CT : nồng độ mẫu thử.
ODT hay AT : mật độ quang của mẫu thử.[1]
2.1.3 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học

Có một phương pháp có thể nhận được tín hiệu đồng bộ với xung của nhịp tim mà
không làm ảnh hưởng tới sự lưu thơng của máu tại nơi cảm biến đó là dùng cảm biên
quang học.
Khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể, khi tim giãn ra dồn máu vào trong
nó, lúc này áp suất của máu trong động mạch giảm đi và khi tim co lại áp suất trong
động mạch tăng lên. Chính sự thăng giáng áp suất máu này sẽ làm thay đổi mức độ hấp
thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng được truyền qua động mạch thì
cường độ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ biên thiên đồng bộ với nhịp tim.
Khi tim giãn ra, áp suất máu nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi truyền qua

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

động mạch có cường độ lớn, ngược lại khi tim co vào, áp suất máu lớn ánh sáng sau khi
truyền qua được động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn.[9]

Hình 2.1 a) Sự truyền ánh sáng qua động mạch, b) Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền
qua ngón tay
2.2 PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN TÉ NGÃ
Phương pháp phát hiện té ngã bằng cách sử dụng cảm biến gia tốc được sử dụng
khá phổ biến hiện nay. Có rất nhiều nghiên cứu đã được được thực hiện trước đây, đầu
tiên là phân tích khả năng tăng tốc để phát hiện sự té ngã. Mathie đã sử dụng một gia
tốc kế ba trục, gắn ở thắt lưng, để phát hiện các cú ngã. Lindemann đã tích hợp một gia
tốc kế ba trục vào vỏ máy trợ thính và sử dụng các ngưỡng gia tốc và vận tốc để quyết
định xem có xảy ra té ngã hay khơng. Bourke đặt hai gia tốc kế ba trục ở thân và đùi,
đồng thời loại bỏ bốn ngưỡng, ngưỡng trên và ngưỡng dưới cho cả thân và đùi. Loại

giải pháp thứ hai sử dụng cả thông tin về gia tốc và hướng cơ thể để phát hiện ngã.
Noury đã phát triển một thiết bị phát hiện ngã bao gồm ba cảm biến: cảm biến độ nghiêng
để theo dõi hướng của cơ thể, máy đo gia tốc áp điện để theo dõi cú sốc gia tốc thẳng
đứng và cảm biến rung để theo dõi chuyển động của cơ thể. Noury đã phát triển một
cảm biến với hai gia tốc kế định hướng trực giao và sử dụng cảm biến này để theo dõi
độ nghiêng và tốc độ nghiêng nhằm phát hiện ngã. Chen đã xem xét sự thay đổi trong
định hướng cơ thể trong một va chạm để theo dõi tình trạng té ngã. Định hướng cơ thể
có thể giúp cải thiện độ chính xác của việc phát hiện ngã, nhưng sử dụng một thiết bị

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

duy nhất chỉ có thể theo dõi hướng của thân, không thể thu thập thêm thông tin tư thế
khi sử dụng loại phương pháp này.
Bên cạnh hai loại giải pháp phát hiện ngã chính được nêu ở trên, các kỹ thuật suy
luận phức hợp cũng được sử dụng để cải thiện độ chính xác của hoạt động nhận dạng.
Raghu và cộng sự gắn năm gia tốc kế vào áo khoác và thực hiện nhận dạng hoạt động
bằng cách sử dụng các mơ hình Markov ẩn để phân tích dữ liệu gia tốc. Phương pháp
của họ cần các mẫu hoạt động và tính tốn quan trọng, vì vậy nó khơng thích hợp để
phát hiện ngã.
Các phương pháp này nó được áp dụng và nghiên cứu rất nhiều do chi phí thi cơng
thiết bị thấp và có thể đeo trên người do đó nó có phạm vi hoạt động rất rộng, dùng để
phát hiện ngã ở mơi trường cả trong nhà hoặc ngồi trời. Thuật tốn phát hện té ngã dựa
vào tín hiệu từ gia tốc kế hoặc con quay hồi chuyển và sử dụng phương pháp dựa trên
ngưỡng để phát hiện cú ngã của con người. Dữ liệu do gia tốc kế và con quay hồi chuyển
thu thập được truyền đến vi điều khiển để xử lý. [13]

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
Trong đề tài này nhóm đã sử dụng các cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong
máu MAX30102, cảm biến gia tốc và góc quay MPU 6050 để thu thập dữ liệu đo các
thông số và phát hiện té ngã, kết nối với vi điều khiển Arduino Nano, định vị nơi té ngã
bằng Module GPS và gửi tin nhắn qua điện thoại thông báo vị trí cũng như gọi điện
thoại đến người thân.
2.3.1 Cảm biến MAX30102
MAX30102 là cảm biến nhịp tim và đo nồng độ oxy trong máu sử dụng phương
pháp đo quang phổ biến hiện nay với thiết kế và chất liệu mắt đo chuyên biệt từ chính
hãng Maxim cho độ chính xác và độ bền cao, cảm biến sử dụng giao tiếp I2C với bộ thư
viện sẵn có trên Arduino rất dễ sử dụng. Đây là một mô-đun đo nhịp tim và oxy trong
máy tích hợp. Nó bao gồm đèn LED bên trong, bộ tách sóng quang, các bộ phận quang
học và các thiết bị điện tử có tiếng ồn thấp với khả năng loại bỏ ánh sáng xung quanh.
Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30102 hoạt động trên một nguồn cung
cấp điện 1.8V và một nguồn cấp điện 5.0V riêng biệt cho các đèn LED bên trong. Giao
tiếp thơng qua giao diện tương thích I2C tiêu chuẩn và có thể được tắt thơng qua phần
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

mềm với chế độ chờ bằng khơng. Nó cho phép các thanh ray nguồn vẫn được cấp nguồn
ở mọi thời điểm. [2]

Hình 2.2 Cảm biến nhịp tim MAX30102
a. Thông số kỹ thuật
 Đo được nhịp tim và nồng độ Oxy trong máu
 Điện áp sử dụng: 1.8~5VDC

 Giao tiếp: I2C, mức tín hiệu TTL
b. Mô tả sơ đồ chân
Bảng 2.1 Chức năng các chân của cảm biến MAX30102
STT

Chức năng

Tên

1

RD

Khơng có kết nối

2

SCL

Đầu vào xung clock I2C

3

SDA

Dữ liệu I2C

4

IRD

Khơng có kết nối

5

VIN

Điện áp đầu vào

6, 7

GND

Nối đất

8

INT

Ngắt hoạt động ở mức thấp.

Sơ đồ chức năng của MAX30102

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

Hình 2.3 Sơ đồ chức năng của MAX30102
MAX30102 là thiết bị đo oxy xung và nhịp tim hồn chỉnh. Thiết bị duy trì một
kích thước rất nhỏ mà không làm giảm hiệu suất quang hoặc điện. Các thành phần
phần cứng bên ngoài tối thiểu được yêu cầu để tích hợp vào một hệ thống có thể đeo
được. MAX30102 hồn tồn có thể điều chỉnh thông qua các thanh ghi phần mềm và
dữ liệu đầu ra kỹ thuật số có thể được lưu trữ trong FIFO sâu 32 trong IC.[3]
MAX30102 hoạt động bằng cách chiếu cả hai đèn lên ngón tay hoặc dái tai (hoặc
về cơ bản là bất kỳ nơi nào mà da không quá dày để cả hai đèn có thể dễ dàng xuyên
qua mô) và đo lượng ánh sáng phản xạ bằng bộ tách sóng quang. Phương pháp phát hiện
xung thơng qua ánh sáng này được gọi là Photoplethysmogram.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

Hình 2.4 Phương pháp đo của cảm biến MAX30102
Đo nhịp tim: Huyết sắc tố oxy hóa (HbO2) trong máu động mạch có đặc tính
hấp thụ ánh sáng hồng ngoại. Máu càng đỏ (hemoglobin càng cao) thì càng hấp thụ
nhiều ánh sáng hồng ngoại. Khi máu được bơm qua ngón tay theo từng nhịp tim, lượng
ánh sáng phản xạ sẽ thay đổi, tạo ra dạng sóng thay đổi ở đầu ra của bộ tách sóng quang.
Khi bạn tiếp tục chiếu ánh sáng và thực hiện các chỉ số của bộ tách sóng quang, bạn sẽ
nhanh chóng bắt đầu nhận được chỉ số nhịp tim (HR).
2.3.2 Cảm biến gia tốc MPU 6050 [4]
MPU 6050 có ba bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) 16 bit để số hóa
các đầu ra của con quay hồi chuyển và ba ADC 16 bit để số hóa các đầu ra của máy đo
gia tốc. Để theo dõi chính xác cả chuyển động nhanh và chậm, các bộ phận này có phạm
vi tồn thang đo của con quay hồi chuyển do người dùng lập trình là ±250, ±500, ±1000

và ±2000°/giây (dps) và phạm vi toàn thang đo của gia tốc kế do người dùng lập trình
là ±2g, ±4g, ±8g và ±16g.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11


Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

Hình 2.5 Cảm biến gia tốc MPU6050
a. Thông số kỹ thuật
 Điện áp hoạt động: 3~5VDC
 Điện áp giao tiếp: 3~5VDC
 Chuẩn giao tiếp: I2C
 Giá trị Gyroscopes: +/- 250 500 1000 2000 degree/sec
 Giá trị Acceleration: +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g
b. Mô tả chân kết nối
 VCC: 3.3V – 5V.
 GND: Mass.
 SCL: Chân SCL trong giao tiếp I2C.
 SDA: Chân SDA trong giao tiếp I2C.
 XDA: Chân dữ liệu (kết nối với cảm biến khác).
 XCL: Chân xung (kết nối với cảm biến khác).
 AD0: Bit 0 của địa chỉ I2C.
 IN1: Chân ngắt.
c. Các đặc trưng của Module cảm biến gia tốc MPU 6050
Đặc trưng của con quay hồi chuyển (Gyroscope):

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12