Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát hiện ngã với chức năng định vị cho người bệnh trong quá trình điều trị tại bệnh viện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT HIỆN NGÃ VỚI CHỨC NĂNG ĐỊNH VỊ
CHO NGƯỜI BỆNH TRONG QUÁ TRÌNH ĐIỀU
TRỊ TẠI BỆNH VIỆN

Trần Văn Dân
Ngành Kỹ thuật Y sinh

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh

Viện:

Điện tử Viễn thông

HÀ NỘI – 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHÁT HIỆN NGÃ VỚI CHỨC NĂNG ĐỊNH VỊ
CHO NGƯỜI BỆNH TRONG QUÁ TRÌNH ĐIỀU
TRỊ TẠI BỆNH VIỆN

Trần Văn Dân
Ngành Kỹ thuật Y sinh

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh
Chữ ký của GVHD

Viện:

Điện tử Viễn thông

HÀ NỘI – 2020


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

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài luận văn: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát hiện ngã với chức
năng định vị cho người bệnh trong quá trình điều trị tại bệnh viện”
Họ và tên tác giả luận văn: Trần Văn Dân
Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh
Mã số SV: CB180178
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
……………………………………………… với các nội dung sau:
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
Ngày
Giáo viên hướng dẫn

tháng

năm 2020

Tác giả luận văn

Trần Văn Dân
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài luận văn: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát hiện ngã với chức năng
định vị cho người bệnh trong quá trình điều trị tại bệnh viện”
Họ và tên tác giả luận văn: Trần Văn Dân
Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh
Mã số SV: CB180178
Với sự già hóa của dân số và sự gia tăng của số lượng người thiểu năng
vận động. Vấn đề theo dõi và hỗ trợ, cảnh báo đối với những người đó giúp giảm
tải cho lực lượng điều dưỡng cũng n hư người chăm sóc đang thật sự cần thiết.
Vấn đề này đã và đang được nghiên cứu trên nhiều mô hình nhưng chưa có tính
thực tế cao và ứng dụng cịn thấp. Với sự phát triển của cơng nghệ, hệ thống này

càng có thể có tốc độ xử lý nhanh và chính xác hơn
Nội dung luận văn gồm 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Phương pháp tiếp cận
Chương 3: Thiết kế hệ thống
Chương 4: Kết quả
Chương 5: Kết luận & Phương hướng phát triển
Luận văn được thực hiện nhằm thiết kế một một hệ thống IOT đơn giản
nhằm quan trắc những đối tượng thiểu năng vận động để cảnh báo ngã trong
bệnh viện mà ứng dụng ở đây hướng tới ứng dụng cho bệnh viện Việt Đức. Hệ
thống phần cứng đã được thiết lập, mơ hình máy chủ được thiết kế dưới dạng các
user có thể kết nối với nhau thông qua một máy chủ. Những dữ liệu đo bao gồm
thời gian thực, vị trí GPS, và gia tốc cũng như cân bằng được gửi lên trung tâm
máy chủ và lưu lại dưới dạng cơ sở dữ liệu. Những dữ liệu này cho phép được
trích xuất để có thể sử dụng nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng cảnh báo ngã
cũng như cải thiện tỷ lệ báo ngã giả.
Các luận điểm và tài liệu chứng minh được thực hiện trong quá trình tác
giả làm việc và nghiên cứu tại đơn vị, đồng thời tham khảo từ tài liệu chuyên
môn khác.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên

ii


LỜI CẢM ƠN
Để hồn thiện luận văn Thạc sĩ. Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc t ớ i :
PGS.TS.Nguyễn Hữu Thanh, đã định hướng và tận tình hướng dẫn, giúp
đỡ Tơi trong suốt q trình thực hiện nghiên cứu đề tài.
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ học tập và tạo điều kiện tốt nhất của các

Thầy Cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật Y sinh, Trung tâm
Điện tử Y sinh và các Thầy Cô giáo trong Viện Điện tử - Viễn thông trong thời
gian học tập, nghiên cứu, thực hiện luận văn.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Gia đình, Bạn bè đã ln động viên,
khích lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho Tôi trong quá trình học tập, thực hiện
nghiên cứu đề tài.
Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2020
Tác giả luận văn

iii


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn nêu lên quá trình thiết kế hệ thống IoT đơn giản nhắm quan trắc
những người thiểu năng vận động để cảnh báo ngã trong bệnh viện. Hệ thống sử
dụng cảm biến để đo gia tốc và tốc độ góc của chuyển động nhằm đưa ra cảnh
báo ngã, sau đó gửi đến network device thông qua mạng 4G, được xử lý tại hệ
thống điều khiển trung tâm. Sử dụng Socket.io và NodeJs để thiết lập server quản
lí sau đó hiển thị các cảnh báo và trạng thái ngã để có thể cấp cứu kịp thời.Trong
tương lai áp dụng các tiến bộ trong lĩnh vực 5G, và machine learning đối với xử
lý dữ liệu có thể giúp đầu ra chính xác và kịp thời nhất.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên

iv


MỤC LỤC
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ ......................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ............................................................. ii

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................. iii
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN........................................................ iv
MỤC LỤC .................................................................................................... v
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ........................................................................ 1
1.1 Nhu cầu cảnh bảo ngã trong đời sống ..................................................... 1
1.2 Nhu cầu cảnh báo ngã trong bệnh viện ................................................... 3
1.3 Những hệ thống cảnh báo hiện nay ......................................................... 4
1.4 Những ứng dụng công nghệ IoT vào hệ thống cảnh báo ngã ................ 7
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN............................................ 10
2.1 Nền tảng kỹ thuật và công nghệ ............................................................ 10
2.1.1 Băng thông ......................................................................................... 11
2.1.2 Dữ liệu ................................................................................................ 13
2.1.3 Tốc độ xử lý và yếu tố xác thực ......................................................... 17
2.1.4 Phần cứng ........................................................................................... 20
2.2 Phương pháp cảnh báo ngã ................................................................... 26
2.3 Mơ hình hệ thống tổng quan ................................................................. 31
2.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống........................................................ 33
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................................. 35
3.1 Mơ hình phần cứng ............................................................................... 35
3.2 Cấu trúc mạng ....................................................................................... 37
3.3 Phần mềm nhúng ................................................................................... 39
3.4 Phần mềm thu thập ................................................................................ 58
3.4.1 Thư viện socket.io .............................................................................. 58
3.4.2 Node.js................................................................................................ 62
v


3.4.3 Database ............................................................................................. 65
3.4.4 Thuật toán cảnh báo ........................................................................... 66
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ ........................................................................... 68

4.1 Kết quả phần mềm nhúng ..................................................................... 68
4.2 Kết quả phần mềm thu thập .................................................................. 69
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN
......................................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 72

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Một người già bị thiểu năng vận động ở Mỹ ................................... 2
Hình 2: Một bệnh nhân đi lại khó khăn tại bệnh viện Việt Đức ................... 4
Hình 3: Mơ Hình của nhóm Phillippe Katz .................................................. 5
Hình 4: Mơ hình của Gudimetla Kowshik .................................................... 6
Hình 5: Mơ hình của Salah Uddin ................................................................ 7
Hình 6: Cấu hình một hệ thống IoT tiêu biểu ............................................... 8
Hình 7: Băng thơng trung bình của VNPT ................................................. 12
Hình 8: Băng thơng trung bình của Viettel ................................................. 13
Hình 9: Cấu trúc dữ liệu ảnh dạng TIFF ..................................................... 14
Hình 10: Cấu trúc file âm thanh định dạng Wav ........................................ 14
Hình 11: Mơ tả các giao tiếp của module vi điều khiển Arduino Uno ....... 21
Hình 12: Mơ tả cấu tạo và giao diện của module MPU6050...................... 22
Hình 13: Mơ tả giao tiếp của module thời gian thực DS1307 .................... 24
Hình 14: Mơ tả giao tiếp của module SIM7000 ......................................... 25
Hình 15: Tín hiệu đặc trưng của đi bộ bình thường theo cơng bố của tác giả
Jian He ......................................................................................................... 27
Hình 16: Các dạng tín hiệu của các trạng thái vận động được công bố bởi
Jian He ......................................................................................................... 28
Hình 17: Điều kiện để xác định ngã từ các tham số vận dộng.................... 30

Hình 18: Sơ đồ tổng quan của hệ thống ...................................................... 31
Hình 19: Mơ hình phần cứng ...................................................................... 35
Hình 20: Mơ hình hệ thống mạng sao ......................................................... 38
Hình 21:Lưu đồ thuật tốn phần mềm nhúng ............................................. 40
Hình 22: Lưu đồ thực hiện kết nối .............................................................. 46
Hình 23: Code khai báo máy chủ sử dụng socket.io................................... 60
Hình 24:Cơ chế hoạt động của Node.Js ...................................................... 64
Hình 25: Mơ hình cơ sở dữ liệu .................................................................. 65
Hình 26: Cơng thức tính góc và gia tốc góc nghiêng ................................. 67
Hình 27: Kết quả đo cảm biến gia tốc và cảm biến thăng bằng ................. 68
Hình 28: Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu trên máy chủ Dweet ........ 70
vii


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
Hệ thống cảnh báo ngã đã được đề cập đến từ lâu và cũng đã có nhiều
nghiên cứu đề xuất với nhiều mơ hình khác nhau với những cách tiếp cận
khác nhau. Mỗi một mơ hình đều có những ưu điểm và nhược điểm của nó.
Hầu hết những mơ hình đã nghiên cứu đều đã thẩm định tính khả thi, đơ
chính xác, tỷ lệ báo giả, tuy nhiên, chưa có một hệ thống đề xuất theo
hướng ứng dụng công nghệ IoT khi mạng viễn thông di động có những tiến
bộ vượt bậc về mặt cơng nghệ cũng như cải thiện băng thông. Xuất phát từ
nhu cầu thực tế trong q trình cơng tác ở bệnh viên Việt Đức, tôi đề xuất
đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát hiện ngã với chức
năng định vị cho người bệnh trong quá trình điều trị tại bệnh viện”
nhằm hỗ trợ các hộ lý, y tá, điều dưỡng và các bác sĩ để kịp thời cấp cứu
khi xảy ra những tai nạn do ngã của các bệnh nhân nặng trong bệnh viện.
Mặc dù nhu cầu ứng dụng cho bệnh viện, xong trong một số những trường
hợp, đề tài hy vọng hệ thống cũng có thể đáp ứng được các nhu cầu quan
trắc ngã trong đời sống.

1.1 Nhu cầu cảnh bảo ngã trong đời sống
Hệ thống cảnh báo ngã là một trong những vấn đề được đặt ra trong
thời gian gần đây, đặc biệt của các nước phát triển, khi những người thiểu
năng vận động và người già sống đơn độc khơng có người chăm sóc
thường xun trở nên phổ biến. Những người có điều kiện tài chính tốt hơn
thường thuê các dịch vụ chăm sóc ở các trung tâm an dưỡng. Tuy nhiên,
bởi tiến bộ của y khoa, tuổi thọ trung bình của con người được cải thiện và
do đó số lượng người già cần chăm sóc tăng lên nhanh chóng hơn so với số
lượng các điều dưỡng được đào tạo. Vì vậy, những điều dưỡng viên cần có
những cơng cụ hỗ trợ để có thể chăm sóc được nhiều khách hàng cùng một lúc.
Những người già và những người thiểu năng vận động đều có chung
một đặc điểm là khả năng đi lại khó khăn và cần có sự giúp đỡ trong vận
động, trong trường hợp họ sử dụng nổ lực của bản thân, xác xuất ngã và từ
đó gây ra những hậu quả về tổn hại cơ thể là rất cao. Hậu quả của việc ngã
1


của người già có thể gây ra những tình huống ảnh hưởng nghiêm trọng tới
sức khỏe nếu không kịp thời cứu chữa. Như vậy, cần thiết phải có những
thiết bị cho phép quan sát sự vận động của những đối tượng này để kịp thời
cấp cứu khi xảy ra những tại nạn ngã.

Hình 1: Một người già bị thiểu năng vận động ở Mỹ
Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, tuổi thọ của dân số cũng đã
được cải thiện một cách đáng kể. Khác với những hoàn cảnh của những
người già ở những nước phát triển, người già ở Việt Nam thường được
sống và chăm sóc bởi những người trẻ hơn trong gia đình cho nếp sống và
văn hóa gia đình. Tuy nhiên, so với những gia đình trong các thế hệ trước,
thế hệ gia đình ở Việt Nam hiện nay cũng khơng cịn nhiều nhân số như
trước, vì vậy, điều kiện để chăm sóc người già của các gia đình Việt Nam

cũng khơng thể đảm bảo có thể thực hiện chu đáo bởi những người trẻ
trong gia đình.
Chính vì lý do sự cải thiện cuộc sống, sự phụ thuộc vào con cái và thể
hệ trẻ hơn trong gia đình cũng như sự hạn chế trong tốc độ tăng dân số của
Việt Nam cũng như sự thay đổi về lối sống trong thời đại phát triển, người
già ở Việt Nam cần độc lập hơn để tự sống mà vẫn đảm bảo an toàn và kịp
thời cứu chữa khi xảy ra tai nạn. Để đảm bảo những nhu cầu này, thiết bị
cảnh báo ngã có những thơng tin về vị trí, và kết nối được với những người
2


có chức năng chăm sóc sẽ là những cơng cụ hữu hiệu để giúp cho những
người già và thiểu năng vận động tự tin hơn để sống một mình.
1.2 Nhu cầu cảnh báo ngã trong bệnh viện
Ở bệnh viện, khác với trường hợp là những người già như đã đề cập
như ở mục trước, nhiều bệnh nhân bị tai nạn làm ảnh hưởng đến chức năng
vận động và trong thời gian phục hồi chức năng vận động nhu cầu tự vận
động trong quá trình điều trị là một trong những nhu cầu tất yếu. Trong khi
đó, số lượng hộ lý, điều dưỡng cũng bị giới hạn và không thể tăng để đủ
đáp ứng quan sát được hết toàn bộ từng bệnh nhân trong thời gian điều trị.
Để khắc phục hiện tượng này, ở những bệnh viện có cơ sở vật chất có mặt
bằng đủ rộng, người nhà của bệnh nhân có thể thay hộ lý, điều dưỡng làm
những cơng việc này.
Đối với những bệnh viện khơng có được các điều kiện đủ mặt bằng,
người nhà khó có thể túc trực thường xuyên trong bệnh viện để thực hiện
công việc chăm sóc, giúp đỡ bệnh nhân. Như vậy, với lượng hộ lý và điều
dưỡng cố định, các bệnh nhân không thể được chăm sóc chu đáo và do đó
dẫn đến rủi ro là các bệnh nhân đang trong quá trình điều trị có thể xảy ra
tai nạn ngã và nảy sinh các vấn đề khác trong quá trình điều trị. Đối với
bệnh viện Việt Đức, hiện nay, vấn để để người nhà chăm sóc cho những

bệnh nhân đang trong q trình điều trị là một trong những vấn đề cần phải
giải quyết bởi số lượng bệnh nhân nội trú tăng lên trong khi nền tảng hạ
tầng cơ sở hữu hạn sẽ cản trở việc đáp ứng nhu cầu khám chữa bệnh của
bệnh viện. Hơn nữa, phương thức để người nhà vào bệnh viện để chăm sóc
cho bệnh nhân cũng là sự bất tiện cho gia đình bệnh nhân và khơng thỏa
mãn được như cầu chăm sóc điều trị của những bệnh nhân có gia định ít
người.

3


Hình 2: Một bệnh nhân đi lại khó khăn tại bệnh viện Việt Đức
Sự quan sát được tình trạng an toàn cũng như cấp cứu được kịp thời
những bệnh nhân thiểu năng vận động trong quá trình điều trị cũng làm
giảm tải công việc cho các hộ lý điều dưỡng, tăng năng lực chăm sóc, điều
trị, đồng thời quản lý chu đáo hơn đối với những người bệnh. Chất lượng
chăm sóc được cải thiện cũng đồng nghĩa với việc tạo ra thêm nguồn thu
cho bệnh viện đồng thời tạo ra sự yên tâm cho những bệnh nhân và người
nhà của họ.
1.3 Những hệ thống cảnh báo hiện nay
Để quan sát được tai nạn ngã của người già cũng như những bệnh
nhân thiểu năng vận động, nhiều thiết bị kỹ thuật với nhiều cách tiếp cận
được đề xuất. Nhóm nghiên cứu của Philippe Katz ở trường đại học Nantes
đã đề xuất mơ hình sử dụng quan sát ngã bằng camera. Ưu điểm của hệ
thống này là cung cấp cho những người được thơng báo bằng hình ảnh trực
4


quan do đó giảm tỷ lệ báo ngã giả cũng như tăng độ chính xác của cảnh
báo. Tuy nhiên hệ thống yêu cầu được trang bị nhiều camera đồng thời phải

áp dụng phương pháp trích xuất hình ảnh dựa trên kỹ thuật xử lý ảnh.
Nhược điểm của hệ thống là khá đắt tiền bởi phải trang bị nhiều camera,
hơn nữa, những người bị quan sát sẽ có cảm giác bị vi phạm đời sống riêng tư.

Hình 3: Mơ Hình của nhóm Phillippe Katz
Việc trích xuất hình ảnh sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh cũng làm tăng tốc
độ tính tốn của máy tính, đồng nghĩa với việc làm tăng giá thành đầu tư.
Hơn nữa, nếu việc cảnh báo khơng chính xác bởi sự định nghĩa ngã của
phần mềm cũng sẽ làm cho những hình ảnh ngã khơng được gửi tới những
người được thơng báo, do đó, việc cung cấp hình ảnh trực quan sẽ là vô
nghĩa một khi phần mềm cảnh báo ngã không nhận diện được tai nạn ngã.
Để tăng cường độ chính xác của phép cảnh báo, hệ thống sử dụng cơng
nghệ trí tuệ nhân tạo với lượng lớn các sữ liệu ngã cũng sẽ có thể cải thiện
đáng kể độ chính xác, song, việc theo đuổi cách tiếp cận này sẽ làm tăng
chi phí nghiên cứu và giới hạn phạm vi quan sát.
Một cách tiếp cận khác đó là sử dụng những cơng cụ quan sát thơng số
vận động ví dụ như gia tốc, vận tốc, góc nghiêng, độ rung. Nếu những
thông số vận động này thay đổi một cách đột ngột hoặc bất thường, thông
5


qua nhiều thí nghiệm sẽ được đánh dấu là tai nạn ngã và những phần mềm
với giải thuật phân tích sẽ ra quyết định thông báo dựa trên thu thập những
số liệu vận động của người mang nó. Những số liệu quan sát, thông thường
sẽ được gửi tới một trung tâm xử lý bao gồm máy tính hoặc máy chủ thông
qua nền tảng viễn thông không dây như Bluetooth, Wifi, 4G. Với trình độ
cơng nghệ hiện nay, giá thành để sản xuất những linh kiện như vậy khá hợp lý.

Hình 4: Mơ hình của Gudimetla Kowshik
Khi nền tảng IoT chưa được khai thác bởi các linh kiện phần cứng

viễn thông cịn khá đắt tiền, nên những cơng cụ quan sát chỉ dừng lại ở mức
đơn giản như đo và cảnh báo bằng chuông, bằng tin nhắn khẩn cấp SMS,
hoặc bằng các cuộc gọi khẩn cấp. Tuy nhiên, những cảnh báo này khá bất
tiện và không hiệu quả khi người được thông báo cách xa người được quan
sát. Hơn nữa tỷ lệ báo giả là khá lớn bởi đặc tính ngã khơng được phân tích
đa dạng bởi từng trường hợp cụ thể. Do đó, những thơng báo này khơng có
hiệu quả. Hơn nữa, khi người bị ngã bất tỉnh, những cuộc gọi khẩn cấp trở
nên vô nghĩa.
Những hệ thống cảnh báo ngã hiện nay đang ngày càng trở nên đa
dạng và tiện dụng nhờ sử dụng những thiết bị thông minh hơn nhờ nền tảng
viễn thơng di động. Những mơ hình sử dụng nền tảng IoT đang dần trở nên
phổ biến. Mơ hình của Salah Uddin là một trong những mơ hình như vậy.
Tuy nhiên mơ hình IoT chỉ cải thiện được các dịch vụ cấp cứu y tế dựa trên
6


nên tảng viễn thông bằng những giao tiếp đa phương tiện hơn là cải thiện
tình trạng báo ngã giả. Những thông số vận động vẫn được xử lý tại chỗ và
ra quyết định thông báo dựa trên nền tảng Internet. Như vậy, vấn đề báo
ngã giả vẫn chưa được cải thiện.

Hình 5: Mơ hình của Salah Uddin
Có thể thấy những hệ thống đề xuất của các nhóm nghiên cứu đều có
những ưu nhược điểm. Mặc dù cơng nghệ và cách tiếp cận khác nhau,
nhưng tựu chung, những hệ thống đã đề xuất vẫn tồn tại xác xuất gửi đi
những thông báo ngã giả. Do đó, tạo ra những bất cập và bất tiện cho
những đơn vị sử dụng nó. Vấn đề ở đây là cần tìm một giải pháp để cải
thiện những nhược điểm của các hệ thống trên đồng thời cho phép mở rộng
để ứng dụng được hiệu quả hơn trong tương lai.
1.4 Những ứng dụng công nghệ IoT vào hệ thống cảnh báo ngã

IoT là một nền tảng công nghệ cho phép thu thập điều khiển các thiết
bị từ xa thông qua nền tảng viễn thông Internet, khái niệm này chỉ thực sự
ra đời sau khi thế hệ 3G của viễn thông di động được thiết lập. Những thiết
bị viễn thơng như điện thoại có thể truy cập Internet nhờ băng tần di động
và cho phép truy cập vào các thiết bị kỹ thuật số ở xa để can thiệp vào hệ
thống vật lý. Công nghệ đã gợi ý cho các nhà đầu tư, các nhà ứng dụng
những giao thức làm việc mới, nơi mà các tương tác vật lý truyền thống
được loại bỏ dần dần, khi độ tin cậy của hệ thống đủ cao.
7


Cấu hình của một hệ thống IoT tiêu biểu thường bao gồm một
gateway mà tại nơi đó các thiết bị ngoại vi cũng như các phương tiện giao
tiếp người máy như máy tính hoặc điện thoại di động thơng minh đều được
kết nối đến. Từ thiết lập tại gateway vốn được thiết lập theo những chức
năng riêng biệt, các thiết bị và các định danh người dùng được kết nối với
nhau để có thể thu thập số liệu đo lường cũng như ra lệnh điều khiển. Như
vậy, một gateway sẽ đóng vai trị là một địa điểm ảo, nơi mà các thiết bị có
thể gặp nhau và thực hiện kết nối thông qua những giao thức phù hợp với
từng ứng dụng. Thông thường, các giao thức được thiết kế do những đích
ứng dụng để hạn chế những khiếm khuyết của các giao thức khác vốn
không thể đáp ứng được khi triển khai những ứng dụng có cấu hình riêng
biệt.

Hình 6: Cấu hình một hệ thống IoT tiêu biểu
Có hai cách tiếp cận khi cấu hình một hệ thống IoT:
+ Hệ thống IoT xử lý tại địa phương:
Hệ thống kiểu này thường được áp dụng đối với những thiết bị ngoại
vi phức tạp và q trình xử lý địi hỏi thời gian thực trong khi tính đồng bộ
cao của hệ thống được địi hỏi. Ví dụ điều khiển động cơ, điều khiển nhiệt

độ, điều khiển van thuỷ lực, khí nén vv… Tất cả sự phức tạp, tốc độ đáp
8


ứng và sự đồng bộ cần được xử lý tại khu vực mà thuật tốn xử lý của nó
được cài đặt tại những thiết bị điều khiển trung tâm. Như vậy, gateway sẽ
đóng vai trị kết nối giữa các giao tiếp của người vận hành, quan sát với
những bộ điều khiển trung tâm để ra lệnh. Bởi độ tin cậy của băng thông
mạng hiện nay chưa thể đáp ứng được thời gian thực, những hệ thống phức
tạp sẽ được phân tán chức năng xử lý ở ngay tại khu vực và sự điều khiển
được thiết lập thông qua hệ thống IoT chỉ đơn giản là ra lệnh đóng hoặc mở
thiết bị toàn phần hoặc từng phần.
+ Hệ thống IoT xử lý tại trung tâm:
Hệ thống xử lý tại trung tâm địi hỏi tốc độ tính tốn và băng thơng
phải lớn để mọi thuật toán xử lý cần được thực hiện thơng qua tài ngun
vật lý tại gateway. Mơ hình này thường được sử dụng để thu thập các thông
tin đo lường mà chức năng chính là quan sát các đáp ứng và hoạt động
đang diễn ra tại khu vực. Đối với những hệ thống khơng địi hỏi thời gian
thực, mơ hình này thường được lựa chọn. Bên cạnh đó, chi phí đầu tư phần
cứng của các note tại khu vực cũng được giảm thiểu bởi những nhiệm vụ
xử lý đơn giản. Mơ hình này cũng cho phép khai thác dữ liệu phục vụ mục
đích nghiên cứu dựa trên số liệu lớn (bigdata), ví dụ như dự đốn, mơ hình
hố hệ thống, hoặc phát triển các ứng dụng dựa trên công nghệ trí tuệ nhân
tạo AI, học sâu vv…

9


CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN
Chương này trình bày về phương pháp nghiên cứu và sẽ là cơ sở lý

thuyết để dựa trên những cách tiếp cận này sẽ phân tích và đưa ra giải pháp
kỹ thuật cho hệ thống. Cũng từ những phân tích này, những cấu hình tối ưu
với nền tảng kỹ thuật công nghệ hiện nay sẽ được đánh giá để cho được kết
quả khả thi với điều kiện ở Việt Nam và chi phí đầu tư với giá thành hợp
lý. Giá thành với chi phí rẻ cũng là một trong những tiêu chí quan trọng đối
với tính thuyết phục các cơ sở sử dụng và đầu tư cho việc phát triển hệ
thống trong tương lai bên cạnh những thoả hiệp về độ chính xác và tin cậy.
2.1 Nền tảng kỹ thuật và công nghệ
Nền tảng kỹ thuật và công nghệ là yếu tố quyết định phương pháp tiếp
cận để phân tích dẫn đến giải pháp cho việc thiết kế hệ thống. Đối với
những thời điểm công nghệ phát triển ở mức thấp, giải pháp kỹ thuật không
thể đạt được ở mức độ yêu cầu cao bởi giá thành chi phí cho nghiên cứu sẽ
tốn kém và địi hỏi lượng thời gian dài. Vì vậy yếu tố công nghệ và kỹ thuật
ở thời điểm sẽ quyết định giải pháp cho hệ thống. Đối với những yêu cầu
của hệ thống cảnh báo ngã, những yếu tố như sau cần được đề cập đến:
A. Yếu tố thu thập các thơng tin vận động, bao gồm hình ảnh, âm
thanh, hay thông số vận động cơ học.
B. Yếu tố ra quyết định cảnh báo ngã
C. Yếu tố liên lạc, thông báo đến các người dùng định danh
D. Yếu tố truy tìm khu vực ngã
E. Yếu tố cấp cứu kịp thời
F. Yếu tố chính xác của cảnh báo
G. Yếu tố mở rộng hoặc nâng cấp phát triển hệ thống
Để thực hiện được mục tiêu cảnh báo ngã hữu hiệu và quan sát liên
tục đồng thời cảnh báo cho những người có trách nhiệm ở không hiện hữu
ở khu vực tai nạn xảy ra, tai nạn ngã cần được xác định bởi các thông số
bao gồm sự kiện ngã, thời điểm ngã, vị trí ngã. Những thơng tin là sự kiện
ngã và thời gian ngã hồn tồn có thể là những thơng tin được tổ chức dưới
10

dạng text hoặc các tín hiệu dưới dạng âm thanh báo động, nhưng đối với
thơng tin vị trí xảy ra tai nạn vốn là mục đích của đề tài này đặt ra sẽ là
những thông tin không thể thể hiện được dưới dạng text mà cần được gắn
với bản đồ định vị. Một trong những ứng dụng điển hình dưới dạng này là
bản đồ google map, là ứng dụng mà người dùng có thể hình dung được vị
trí của địa điểm cần tiếp cận. Như vậy thông tin cần được tổ chức dưới
dạng đa phương tiện mà dạng thông tin này chỉ có thể thực hiện được thơng
qua mạng internet.
2.1.1 Băng thơng
Đối với những ứng dụng địi hỏi kết nối internet, bên cạnh giao thức
kết nối TCP/IP, băng thông là một trong những yếu tố kỹ thuật cần quan
tâm đến, bởi tốc độ truyền thông tin của mạng sẽ quyết định tốc độ cập nhật
của thông tin, cũng là tốc độ lấy mẫu để quan sát. Băng thông thấp nghĩa là
tốc độ lấy mẫu thấp trong khi băng thông cao sẽ địi hỏi chi phí viễn thơng cao.
So với những năm cuối của thế kỷ trước, băng thông hiện tại đã có
những tiến bộ vượt bậc nhờ hệ thống thơng tin cáp quang đa mode. Bên
cạnh đó với tiêu chí phát triển các dịch vụ viễn thông đa phương tiện, ngồi
hình ảnh, âm thanh, sự truy cập internet cũng được trang bị cho các thiết bị
di động thông qua mạng viễn thơng khơng dây, do đó, băng thơng viễn
thơng di động được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, do giá thành của các thiết
bị viễn thơng khá đắt tiền, vì vậy, ở Việt Nam, luôn tồn tại nhiều loại băng
thông khác nhau tương ứng với các dịch vụ viễn thông khác nhau.
Thị trường viễn thông trong nước tồn tại 2 nhà mạng chính là Viettel
và VNPT là 2 nhà mạng cung cấp chính các dịch vụ viễn thơng mà đường
truyền của họ được tạo ra từ nền tảng phần cứng vật lý. Những nhà mạng
khác như Mobifone, Gmobile là những nhà mạng phát triển ở khu vực nhỏ
và phát triển dịch vụ dựa trên thuê lại đường truyền của các nhà mạng khác.
Trong khuôn khổ của đề tài này, bởi tính tiện dụng và cơ động của 2 nhà
mạng cung cấp dịch vụ internet di động Viettel và VNPT, nên đề tài quan

tâm đến số liệu băng thông của 2 nhà mạng này.
11


Hình 7: Băng thơng trung bình của VNPT
Theo như cơng bố từ số liệu của nhà mạng VNPT, ở tốc độ 3G của họ
đạt được 384 kbps trong khi nhà mạng Viettel lại công bố đạt được 2 Mbps,
nhanh hơn gấp 6 lần. Nhưng ở thế hệ 4G, tốc độ của nhà mạng VNPT lại
có băng thơng gấp đơi so với băng thông của Viettel. Đối với những ứng
dụng IoT, tốc độ mạng cần tương đương với mạng LAN, nghĩa là xấp xỉ
100 Mbps. Như vậy, với băng thông của mạng 4G, hệ thống IoT có thể
tương thích với những ứng dụng địi hỏi kết nối Internet. Những mạng viễn
thơng 5G, nếu được triển khai ở tại Việt Nam sẽ tạo những nền tảng kỹ
thuật, cơng nghệ cịn tốt hơn nữa. Tuy nhiên giá thành phần cứng cũng sẽ là
một trong những vấn đề cần thoả hiệp. Hiện nay, đa số các thiết bị viễn
thông đều đã được trang bị phần cứng hỗ trợ 4G với giá thành hợp lý, vì
vậy, đây cũng chính là một trong những điều kiện khả thi để thực hiện đề
tài này.

12


Hình 8: Băng thơng trung bình của Viettel
Lý do các hệ thống IoT địi hỏi băng thơng lớn là do những dữ liệu đa
phương tiện thường rất lớn và để cải thiện các dịch vụ viễn thông mà
những dạng dữ liệu này tồn tại tại rất nhiều gateway được tổ chức phân tán,
và những dịch vụ tích hợp sẽ phải tải những số liệu này về gateway chỉ
định của hệ thống, từ đây với sự kết nối đa người dung, những kết nối với
nhau sẽ có những hiệu ứng tương tác mang lại những hiệu quả mong muốn.
Đối với hệ thống định vị, dẫn đường là một trong những yêu cầu bắt buộc

và những số liệu bản đồ có độ phân giải cao sẽ chiếm một lượng băng
thông rất lớn. Thực tế cho thấy, với tốc độ viễn thông 4G như hiện nay ở
Việt Nam, người dùng có thể thực hiện các dịch vụ dẫn đường thời gian
thực.
2.1.2 Dữ liệu
Dạng dữ liệu mà hệ thống cảnh báo ngã bao gồm 3 loại:
- Dạng dữ liệu dạng thông tin đa phương tiện:
Dạng dữ liệu dạng thông tin đa phương tiện bao gồm âm thanh và
hình ảnh. Mỗi một gói dữ liệu âm thanh và hình ảnh bao gồm những kiểu
dữ liệu khác nhau tuỳ thuộc vào kiểu dữ liệu được quy ước định dạng bao
gồm dạng dữ liệu nén, dạng dữ liệu đánh dấu, và các số nguyên hoặc số
thực thể hiện các giá trị đo. Từ những dạng dữ liệu quy ước về định dạng
13


bao gồm các thông tin về định danh (những file có kích thước lớn), mã vị
trí (trong hình ảnh), mã màu sắc, mã các giá trị đo, những dữ liệu truyền đi
có thể dễ dàng được ghép nối lại thành một file hồn chỉnh khi truyền.
Trong khi đó những định dạng dữ liệu đối với thông tin dạng âm thanh lại
có thêm những thơng tin đánh dấu thứ tự loa phát, tốc độ lấy mẫu để quy
ước tần số phát.

Hình 9: Cấu trúc dữ liệu ảnh dạng TIFF

Hình 10: Cấu trúc file âm thanh định dạng Wav
14


Sở dĩ Những file âm thanh, hình ảnh, thơng thường là những gói dữ
liệu lớn mà những thơng tin truyền theo dạng không đồng bộ. Nếu những

thông tin để lắp ghép khi nhận được không rõ ràng, file được tạo ra sẽ là
những số liệu lộn xộn mà không thể lắp ghép theo thứ tự, và như vậy
những gói tin nhận được sẽ khơng cịn giá trị. Đối với nhiều gói dữ liệu lớn
hơn nữa, bao gồm cả thư mục, thì những gói truyền đi sẽ bao gồm những
thơng tin địa chỉ của cả thư mục được nén và sau đó giải nén.
Với tốc độ lấy mẫu lớn (âm thanh) và lượng mẫu lớn được tổ chức
dưới dạng ma trận (hình ảnh), số lượng dữ liệu và độ lớn dữ liệu là rất đáng
kể, ví dụ một ảnh có kích thước 640x480 được định dạng TIFF sẽ có kích
thước cỡ 20 MB hoặc 1 file audio dài một phút có định dạng wav sẽ có
kích thước khoảng 2 MB ở tốc độ lấy mẫu 22kbps. Bên cạnh đó các ảnh và
âm thanh được cùng đóng gói với nhau để có được một clip thể hiện dạng
video. Những dữ liệu dạng âm thanh, hình ảnh, hoặc video được gọi là
thơng tin đa phương tiện. Các thông tin đa phương tiện luôn chiếm một
lượng băng thơng lớn bởi kích thước của từng phần tử đã không nhỏ.
Chất lượng của thông tin đa phương tiện cũng đồng thời là một vấn đề
khi những ứng dụng ngày một đòi hỏi yêu cầu cao hơn với độ phân giải của
hình ảnh lớn hơn, âm thanh trung thực hơn ở trong một video, vì vậy băng
thơng sẽ chiếm nhiều hơn nữa. Ví dụ để trả giá cho một giây video với định
dạng 8k và âm thanh 88kbps sẽ chiếm hữu một băng thông 1Gbps, tương
đương với một thuê bao 5G của nhà mạng Viettel hoặc VNPT đã cơng bố.
Bên cạnh u cầu về giải trí, những thông tin đa phương tiện bắt buộc như
ảnh vệ tinh đa phổ cũng là những gói tin cực lớn bởi định dạng dữ liệu lớn
(độ phân giải tín hiệu cực cao) và độ phân giải không gian cũng rất lớn thì
chỉ một ảnh của nó cũng đã chiếm dung lượng vài terabyte.
Nếu như sử dụng phương pháp quan sát cảnh báo ngã bằng hình ảnh,
có thể thấy, với phân tích nếu trên, hệ thống sẽ phải trả giá bằng một tốc độ
tính tốn cực lớn dẫn đến chi phí giá thành rất cao và những tính tốn này
bắt buộc phải thực hiện tại khu vực mà không cho phép thu thập và xử lý ở
15

tại máy chủ bởi tốc độ đường truyền 4G sẽ khơng cho phép thực hiện. Hơn
thế nữa, giá thành tính tốn sẽ khơng thể thực hiện trên một máy chủ thơng
thường mà địi hỏi thực hiện tính tốn đám mây. Do đó, chi phí tính tốn
cũng sẽ khơng hề nhỏ.
Mặc dù phương pháp cảnh báo ngã bằng phân tích hình ảnh có thể cho
được mức cảnh báo chính xác cao thơng qua mơ hình máy học và học sâu
sử dụng cơng nghệ AI, nhưng sự trả giá tính tốn và băng thông sẽ là vấn
đề cản trở thực hiện bởi chi phí q cao. Do đó, đề tài lựa chọn sử dụng
phương pháp đo các thông số chuyển động kết hợp với những định nghĩa
ngã ở các điểm bất thường để cảnh báo, phương pháp này có ưu điểm là giá
thành rẻ và ưu cầu về băng thông thấp, phù hợp với điều kiện công nghệ
khả ứng dụng hiện nay.
- Dạng dữ liệu dạng ký tự:
Dạng dữ liệu dạng text khá đơn giản, vốn được tổ chức dưới dạng
bảng mã hố để đối chiếu với các ký tự. Thay vì gửi một ký tự bằng hình
ảnh, những ký tự được tạo sẵn và đưa vào bảng mã, vì thế thay vì dữ liệu
dạng hình ảnh, số liệu dạng ký tự được lưu trữ dưới dạng các bit thể hiện vị
trí các ký tự. Như vậy, không gian chiếm dụng bộ nhớ sẽ nhỏ đi rất nhiều.
Sở dĩ người ta phải tổ chức một cách phức tạp như vậy là bởi vì những
chiếc máy tính đầu tiên có năng lực lưu trữ và tính tốn thấp, vì vậy cách tổ
chức định dạng dữ liệu như vậy làm giảm thiểu bộ nhớ và khối lượng tính
tốn.
Trong hệ thống cảnh cáo ngã, mặc dù những dữ liệu dạng ký tự là khá
ít, xong chúng cũng đóng vai trị quan trọng bởi nó thể hiện được định dạng
các kênh đo để bảo đảm rằng dữ liệu sẽ không bị mất mát và thứ tự của nó
được đảm bảo khi tái tạo. Với những thiết bị sử dụng cảnh báo ngã dạng đo
các thông số chuyển động và dữ liệu định vị. Dữ liệu dạng ký tự sẽ là
những ký tự đi kèm và nó sẽ là những thơng tin đánh dấu để các gói dữ liệu
khơng bị mất tính đồng bộ khi tái tạo.

16