Thiết kế và thi công hệ thống đo SpO2, nhịp tim và quản lý dữ liệu trên Web server sử dụng ESP8266 giao tiếp với cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30102 và lưu trữ các thông số thu nhận được từ cảm biến trên Web server. Chương trình được viết trên hệ điều hành tương thích với các hệ thống Windows, Mac và Linux.
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, việc áp dụng khoa học công nghệ và kỹ thuật hiện đại trong y tế nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống và thúc đẩy xu hướng toàn cầu về bảo vệ sức khỏe đang được chú trọng và phát triển.
Việc ứng dụng công nghệ trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe đang ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh gia tăng các bệnh mãn tính như đau tim và huyết áp cao Để chẩn đoán và can thiệp kịp thời, việc giám sát liên tục các chỉ số nhịp tim và nồng độ oxy trong máu là cần thiết Tuy nhiên, việc tự chẩn đoán nồng độ oxy trong máu thấp, hay còn gọi là giảm oxy máu, không phải là điều dễ dàng do nhiều yếu tố sức khỏe và môi trường Nhịp tim có thể được đo thông qua sự thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua mô, trong khi máu khử oxy có đặc điểm hấp thụ ánh sáng khác biệt so với máu được oxy hóa ở bước sóng đỏ và hồng ngoại.
Sự hấp thụ oxy trong máu cho phép ước tính độ bão hòa oxy, hay còn gọi là nồng độ oxy trong máu (SpO2) Chỉ số này là một chỉ báo sức khỏe quan trọng, thường được xem là dấu hiệu quan trọng thứ năm trong việc đánh giá tình trạng sức khỏe của một người.
Thiết bị đo nhịp tim và độ bão hòa oxy từ ngón tay sẽ giúp người sử dụng và giám sát theo dõi các chỉ số sức khỏe quan trọng một cách dễ dàng Là sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh, chúng em đã hoàn thành các môn học liên quan đến hệ thống thông tin y tế và quyết định nghiên cứu lập trình để áp dụng kiến thức vào đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG” hệ thống này.
Hệ thống đo nhịp tim và SpO2, cùng với quản lý dữ liệu ứng dụng IoTs, là một đề tài nghiên cứu quan trọng Nhóm chúng em đã tiến hành khảo sát các phương pháp thực hiện và nghiên cứu các cảm biến đo nhịp tim cũng như nồng độ oxy trong máu Việc áp dụng các công nghệ này không chỉ giúp theo dõi sức khỏe cá nhân mà còn nâng cao hiệu quả trong quản lý dữ liệu y tế.
11 khiển Node MCU (ESP8266) và gửi dữ liệu lên Web server để người giám sát có thể truy cập, theo dõi các chỉ số trên bất cứ lúc nào.
Mục tiêu
Hệ thống đo SpO2 và nhịp tim được thiết kế và thi công sử dụng ESP8266, kết nối với cảm biến MAX30102 để thu thập dữ liệu Các thông số từ cảm biến được lưu trữ trên Web server, cho phép quản lý dữ liệu hiệu quả Chương trình tương thích với các hệ điều hành Windows, Mac và Linux, mang lại sự linh hoạt cho người dùng.
Nội dung nghiên cứu
Trong bài viết về “Thiết kế và thi công hệ thống đo nhịp tim, SpO2 và quản lý dữ liệu ứng dụng IoT”, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện các bước cần thiết để phát triển hệ thống này.
Nội dung 1: Tìm hiểu tổng quan về cảm biến
Nội dung 2: Hiểu được các lệnh cơ bản của C/C++ trong lập trình ESP8266
Nội dung 3: Hiểu được cách kết nối hệ thống thu nhận, xử lý tín hiệu
Nội dung 4: Thiết kế sơ đồ khối của đề tài và giải thích được nguyên lý hoạt động, chức năng của các khối
Nội dung 5: Thiết kế sơ đồ mạch và mô phỏng mạch
Nội dung 6: Viết chương trình
Nội dung 7: Lựa chọn linh kiện phù hợp
Nội dung 8: Chạy thử nghiệm, thi công và hoàn thiện sản phẩm
Nội dung 9: Thực hiện viết báo cáo đề tài
Nội dung 10: Tiến hành báo cáo đề tài
Giới hạn
- Thiết kế của thiết bị có kích thước: 60 x 60 mm
- Sử dụng module cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30102 giao tiếp với ESP8266
- Sử dụng Web server để nhận và lưu dữ liệu từ các vi điều khiển
- Người thân có thể theo dõi các chỉ số: nhịp tim, SpO2.
Bố cục đề tài
Trong báo cáo này, chúng em đã nỗ lực trình bày rõ ràng phương pháp và cách thức hoạt động Bố cục báo cáo được chia thành năm phần.
Phần 1: Tổng quan về chủ đề, mục tiêu, phạm vi và bố cục của chủ đề
Phần 2: Cơ sở lý thuyết Về kiến thức về các thành phần như vi điều khiển, cảm biến và phần mềm lập trình liên quan
Phần 3: Tính toán và thiết kế hệ thống
Phần 4: Thi công hệ thống
Phần 5: Kết luận và phát triển đề tài
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái niệm về nhịp tim và oxy trong máu (SpO2)
Nhịp tim, hay nhịp đập, được xác định là số lần tim đập trong một phút và có sự khác biệt giữa các cá nhân Nhịp tim bình thường dao động từ 60 đến 100 bpm (nhịp mỗi phút) khi cơ thể ở trạng thái nghỉ ngơi Tuy nhiên, giá trị này có thể thay đổi tùy thuộc vào thời điểm đo và hoạt động diễn ra trước đó.
SpO2, hay độ bão hòa oxy, là chỉ số đo lường tỷ lệ hemoglobin mang oxy trong máu so với hemoglobin không mang oxy Để cơ thể hoạt động hiệu quả, mức oxy trong máu cần duy trì từ 94% đến 100% Tỷ lệ này phản ánh sức khỏe của hemoglobin trong việc vận chuyển oxy đến các mô.
Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu
Hình 1 Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30102
MAX30102 là một mô-đun đo oxy xung nhịp và theo dõi nhịp tim tích hợp
Sản phẩm này tích hợp đèn LED, bộ tách sóng quang, phần tử quang học và thiết bị điện tử với độ nhiễu thấp, giúp loại bỏ ánh sáng xung quanh một cách hiệu quả.
MAX30102 cung cấp một giải pháp hệ thống hoàn chỉnh để dễ dàng trong quá trình thiết kế cho các thiết bị di động và thiết bị đeo được [7]
Module cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30102 có 8 chân, được bao gồm trong Bảng 1 dưới đây:
Bảng 1 Chức năng chân cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30102
1 RD Không có kết nối
2 SCL Đầu vào xung clock I2C
4 IRD Không có kết nối
5 VIN Điện áp đầu vào
8 INT Ngắt hoạt động ở mức thấp Kết nối với điện áp bên ngoài bằng một điện trở kéo lên
Bảng 2 Thông số kỹ thuật cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30102
TÊN THÔNG SỐ GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ
Mức điện áp hoạt động 1.8 Vdc
Mức dũng điện hoạt động 600 àA
2.1.2.2 Cấu trúc bên trong cảm biến
Cấu trúc bên trong của cảm biến MAX30102 hiển thị trong Hình 2
Hình 2 Cấu trúc bên trong của cảm biến nhịp tim và oxy trong máu
Hệ thống con SpO2 bao gồm chức năng khử ánh sáng xung quanh (ALC), bộ chuyển đổi tương tự sang số sigma-delta với tốc độ lấy mẫu 10,24MHz và bộ lọc thời gian rời rạc độc quyền Tốc độ dữ liệu đầu ra của ADC có thể được lập trình linh hoạt, dao động từ 50 mẫu mỗi giây (sps) đến 3200 sps.
Trình điều khiển LED tích hợp cả LED đỏ và hồng ngoại, cho phép điều chỉnh xung LED nhằm thực hiện các phép đo SpO2 và nhịp tim Dòng điện cho LED có thể được lập trình trong khoảng từ 0 đến 50mA, tương ứng với điện áp cung cấp phù hợp.
2.1.2.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến
Trong phương pháp phản xạ, đèn LED và photodiode được đặt cạnh nhau ở cùng một phía, như mô tả trong Hình 3 Phương pháp này cho phép một phần ánh sáng phản xạ từ ngón tay trở lại cảm biến Mỗi nhịp tim sẽ làm tăng lượng máu trong ngón tay, dẫn đến việc nhiều ánh sáng hơn được phản xạ trở lại cảm biến.
Hình 3 Hình ảnh mô tả cấu trúc thu phát phản xạ bằng LED và cách đặt tay để thu nhận tín hiệu [8]
Cảm biến đo nồng độ oxy trong máu sử dụng hai đèn LED phát ra ánh sáng ở quang phổ Đỏ (650nm) và Hồng ngoại (950nm) Được đặt trên ngón tay, cảm biến này hoạt động hiệu quả tại những vị trí da mỏng, cho phép ánh sáng xuyên qua mô dễ dàng Lượng ánh sáng mà ngón tay hấp thụ phụ thuộc vào nhiều tính chất vật lý, và các đặc tính này được máy đo oxy xung sử dụng để tính toán độ bão hòa oxy trong máu Những yếu tố ảnh hưởng đến lượng ánh sáng bị hấp thụ bao gồm độ dày của da và các đặc điểm sinh lý khác.
1 Nồng độ của chất hấp thụ ánh sáng
2 Chiều dài của đường truyền ánh sáng trong chất hấp thụ
3 Oxyhemoglobin và deoxyhemoglobin hấp thụ ánh sáng đỏ và hồng ngoại khác nhau [10]
Khi tim bơm máu, lượng oxy trong máu tăng lên do có nhiều máu hơn, và khi tim thư giãn, thể tích máu cung cấp oxy giảm Thời gian giữa sự tăng và giảm oxy trong máu giúp xác định nhịp tim Máu được oxy hóa hấp thụ nhiều ánh sáng hồng ngoại và truyền ánh sáng đỏ, trong khi máu đã khử oxy lại hấp thụ ánh sáng đỏ và truyền ánh sáng hồng ngoại Cảm biến MAX30102 đọc các mức độ hấp thụ ánh sáng cho cả hai nguồn sáng và lưu trữ chúng trong bộ đệm có thể truy cập qua giao thức I2C.
Module thu phát Wifi ESP8266
Bo mạch NodeMCU ESP8266 được trang bị mô-đun ESP-12E với chip ESP8266, sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa 32-bit LX106 RISC Bộ vi xử lý này hỗ trợ RTOS và có tần số xung nhịp điều chỉnh từ 80MHz đến 160MHz NodeMCU sở hữu 128 KB RAM và 4MB bộ nhớ Flash cho việc lưu trữ dữ liệu và chương trình, mang lại khả năng xử lý cao với Wi-Fi tích hợp.
2.2.2 Cấu trúc Module thu phát Wifi ESP8266
- Phần mềm: Node MCU có thể được lập trình với Arduino IDE
- Phần cứng: Thực hiện giao tiếp với các loại cảm biến, có các cổng giao tiếp UART, SPI và I2C
- Hình 4 cho thấy hình dạng chung, thứ tự các chân ngõ ra và các cổng giao tiếp của ESP8266
Hình 4 Mặt trước của Module thu phát Wifi ESP8266
Bảng 3 Thông số kỹ thuật của Module thu phát Wifi ESP8266
TÊN THÔNG SỐ GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ
Bộ nhớ Flash 4 MB Điện áp hoạt động 3.3 V Điện áp vào 5 V
- Từ Hình 5, các chức năng từng khối được giải thích như sau [13]:
CPU ESP8266 được trang bị bộ vi xử lý Tensilica L106 32-bit RISC, với mức tiêu thụ điện năng thấp và tốc độ xung nhịp tối đa lên tới 160 MHz Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) cùng với ngăn xếp Wi-Fi giúp tối ưu hóa 80% công suất xử lý cho việc lập trình.
ESP8266 được trang bị bộ điều khiển bộ nhớ cùng với các đơn vị bộ nhớ như SRAM và ROM, cho phép truy cập tất cả các đơn vị bộ nhớ khi cần thiết Bộ phân xử bộ nhớ sẽ xác định trình tự thực hiện các yêu cầu này theo thời gian mà bộ xử lý nhận được.
Sử dụng flash SPI bên ngoài cho phép lưu trữ chương trình người dùng, với khả năng hỗ trợ dung lượng bộ nhớ lý thuyết lên đến 16 MB.
Hình 5 Sơ đồ kết nối bên trong của Module thu phát Wifi ESP8266
- Sơ đồ chân của Module thu phát Wifi ESP8266 được mô tả ở Hình 6:
Hình 6 Sơ đồ chân Module thu phát Wifi ESP8266 [12]
- Chức năng khác nhau ở mỗi chân ngõ ra được liệt kê chi tiết ở Bảng 4:
Bảng 4 Chức năng chân Module thu phát Wifi ESP8266 [13]
Số chân Tên Chức năng
2 LNA Giao tiếp anten RF
3 VDD3P3 Công suất Khuếch đại 3.0 ~ 3.6V
4 VDD3P3 Công suất Khuếch đại 3.0 ~ 3.6V
7 CHIP_EN Chân kích hoạt chip
Cao: Bật, chip hoạt động bình thường Thấp: Tắt
11 VDDPST Chân số/chân cấp nguồn IO (1.8V~3.3V)
12 MTCK GPIO13, HSPI_MOSI, UART_CTS
13 MTDO GPIO15, HPSI_CS, UART0_RTS
15 GPIO0 GPIO0, SPI_CS2, đèn Wifi
17 VDDPST Chân số/chân cấp nguồn IO (1.8V~3.3V)
18 SDIO_DATA2 GPIO9, Kết nối với SD_D2, SPIHD,
19 SDIO_DATA3 GPIO10, Kết nối với SD_D3, SPIWP,
20 SDIO_CMD GPIO11, Kết nối với SD_CMD,
21 SDIO_CLK GPIO6, Kết nối với SD_CLK
22 SDIO_DATA0 GPIO7, Kết nối với SD_D0, SPI_MSIO
23 SDIO_DATA1 GPIO8, Kết nối với SD_D1, SPI_MOSI
26 U0TXD GPIO1, UART Tx, SPI_CS1
27 XTAL_OUT Kết nối với ngõ ra thạch anh dao động
28 XTAL_IN Kết nối với ngõ vào thạch anh dao động
31 RES12K Kết nối nối tiếp với điện trở 12 kΩ và kết nối với đất
32 EXT_RSTB Tín hiệu đặt lại bên ngoài
Nguồn
Pin là linh kiện chứa nhiều lớp, chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng, cung cấp nguồn năng lượng thiết yếu.
Có hai loại pin chính: pin sơ cấp, hay còn gọi là pin dùng một lần, được thiết kế để sử dụng chỉ một lần và sau đó sẽ bị loại bỏ; và pin thứ cấp, hay pin nạp được, cho phép người dùng sạc và sử dụng nhiều lần.
Hình 7 Hình minh họa các loại Pin
Pin Lithium-ion 3.7V – 100mA là loại pin sạc lại nhiều lần, nổi bật với mật độ năng lượng cao, cho phép lưu trữ dung lượng lớn trong kích thước nhỏ gọn Pin Li-ion cũng có ưu điểm là ít bị tự xả, giúp giữ năng lượng lâu hơn.
Pin Li-Ion hoạt động dựa trên nguyên tắc trao đổi ion lithium giữa hai điện cực để thực hiện quá trình sạc và xả điện, đồng thời sử dụng dung dịch điện ly làm môi trường hoạt động Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, pin Li-Ion nên được sạc trong khoảng nhiệt độ từ 5 đến 45 độ C.
- Dung lượng pin: 100 mAH (tối đa); Đánh giá hiện tại: 1.8A, điện áp đầu ra (không tải): 3,7 V ± 0,1 V
2.3.2 Module tăng áp DC – DC SX1308 [15]
Module tăng áp DC-DC SX1308 với chip SX1308 có kích thước nhỏ gọn và hiệu suất cao, cho phép điều chỉnh công suất đầu ra lên đến 28V Sản phẩm tích hợp điện trở RDS thấp 100mΩ và sử dụng mosfet bán dẫn hiệu ứng trường, hỗ trợ dòng điện đầu ra tối đa 2A SX1308 được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị mạng 3G, sản phẩm kỹ thuật số, nguồn năng lượng di động và các thiết bị sử dụng pin.
2.3.2.2 Cấu trúc Module tăng áp DC – DC SX1308
- Module tăng áp DC – DC SX1308 có ngõ vào ra như Hình 8
Hình 8 Hình ảnh của DC-DC SX1308 và các chân ngõ ra
Bảng 5 Thông số kỹ thuật của Module tăng áp DC – DC SX1308
TÊN THÔNG SỐ GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ
Tần số dao động 1.2 MHz
Hiệu suất 95 % Điện áp đầu vào DC 2 – 24 V Điện áp đầu ra DC 2 – 28 V
Dòng điện đầu ra tối đa 2 A
- Mạch nguyên lý của Module tăng áp DC – DC SX1308 được mô tả qua hình 2 dưới đây:
Hình 9 Mạch nguyên lý của Module tăng áp DC – DC SX1308
Chức năng từng chân của IC SX1308:
- VIN: Điện áp đầu vào
Đầu vào điều khiển EN có chức năng bật hoặc tắt bộ điều chỉnh Khi đầu vào EN ở mức cao, bộ chuyển đổi sẽ được kích hoạt, trong khi mức thấp sẽ tắt nó Để tự động khởi động khi không sử dụng, hãy kết nối đầu vào EN với nguồn cung cấp đầu vào.
- SW: Công tắc nguồn đầu ra Kết nối cuộn cảm công suất và bộ chỉnh lưu đầu ra với SW SW có thể xoay giữa GND và 28V
- FB: Điện áp FB là 0,6V Kết nối với bộ chia điện áp Trong mạch còn có Diode SS34 giúp bảo vệ mạch nhờ trạng thái phân cực.
Mạch sạc pin TP4506 [16]
Mạch sạc pin TP4506 sử dụng IC TP4056, có chức năng ngắt tải để bảo vệ pin khi điện áp giảm quá thấp, giúp tránh hư hỏng pin (chai pin) Mạch này được thiết kế để sạc các loại pin Lithium có điện áp từ 3.7 đến 4.2VDC, như Pin Lipo và Pin 18650 Với kích thước nhỏ gọn và cổng USB kết nối tiện dụng, mạch còn được trang bị đèn báo để thông báo trạng thái sạc.
24 sạc đầy hiển thị trạng thái pin, thích hợp cho các ứng dụng sử dụng pin sạc: Robot, mạch cảm biến không dây
2.4.2 Cấu trúc mạch sạc pin TP4506
- Mạch sạc pin TP4506 được mô tả như hình ở bên dưới:
Hình 10 Mạch sạc pin TP4506
Bảng 6 Thông số kỹ thuật của Mạch sạc pin TP4506
TÊN THÔNG SỐ GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ
Cổng đầu vào Micro USB hoặc IN+ IN- Điện áp đầu vào 4.5 ~ 5.5 V
- Hình 10 bên dưới cho thấy rõ mạch nguyên lý của mạch sạc TP4056
Hình 11 Mạch nguyên lý của mạch TP4056
• Vcc: Điên áp đầu vào
• CE: Đầu vào cho phép IC TP4056 Đầu vào cao sẽ đặt thiết bị ở chế độ hoạt động bình thường
Chân TEMP được sử dụng để cảm nhận nhiệt độ trong bộ pin Lithium ion, kết nối với đầu ra của điện trở nhiệt NTC Nếu điện áp của chân TEMP thấp hơn 45% hoặc cao hơn 80% của điện áp nguồn VIN trong thời gian quá 0,15 giây, quá trình sạc pin sẽ tạm ngừng do nhiệt độ không đạt yêu cầu Để tắt chức năng cảm nhận nhiệt độ, người dùng có thể nối đất chân TEMP.
Chân BAT là điểm kết nối với pin, nơi mà cực dương của pin được kết nối Trong chế độ tắt chip hoặc chế độ ngủ, chân BAT tiêu thụ dòng điện dưới 2uA Ngoài ra, chân BAT cũng cung cấp dòng điện để nạp pin và duy trì điện áp điều chỉnh ở mức 4.2V.
PROG thiết lập dòng điện sạc không đổi thông qua việc kết nối điện trở RISET từ chân ISET với GND Trong chế độ sạc trước, điện áp tại chân ISET được điều chỉnh xuống còn 0,2V, trong khi ở chế độ dòng điện sạc không đổi, điện áp này được điều chỉnh lên 2V.
STDBY: Khi kết thúc quá trình sạc pin, đầu ra sẽ chuyển sang trạng thái sạc hoặc xả Chân cắm sẽ được kéo xuống thấp nhờ một công tắc bên trong, nếu không, chân sẽ duy trì trạng thái trở kháng cao.
CHRG: Khi pin đang được sạc, trạng thái sạc xả sẽ được mở đầu, với chân cắm được kéo xuống thấp nhờ một công tắc bên trong Nếu không có sự can thiệp này, chân cắm sẽ ở trạng thái trở kháng cao.
- Hoạt động của mạch TP4056:
• Led đỏ báo đang sạc, led xanh lá báo sạc đầy
• Bảo vệ: Quá nhiệt, tự ngắt khi pin đầy 4,2v và pin cạn dưới 2,5v
Lưu ý rằng việc lắp đặt cực B+ và B- (cực dương và cực âm của pin) cũng như OUT+ và OUT- (cực dương và cực âm của tải) phải được thực hiện đúng cách để tránh hư hỏng Khi điện áp đầu vào vượt quá 5,2V, dòng sạc sẽ giảm xuống dưới 1A để bảo vệ IC khỏi quá nhiệt Dòng sạc được quy định là 0,4C, tương đương 40% dung lượng pin Đối với pin lâu ngày không sử dụng và có điện áp dưới 3V, cần giám sát quá trình sạc vì pin có thể nóng lên và không đạt được điện áp tối đa 4,2V Nếu bạn cần điện áp đầy trên 4,2V, hãy liên hệ với tôi.
Màn hình OLED 0.96 inch I2C [17]
Màn hình OLED được cấu tạo từ nhiều lớp, bao gồm tấm nền, anode, lớp hữu cơ và cathode, hoạt động bằng cách phát ra ánh sáng tương tự như đèn LED thông qua quá trình phát lân quang điện tử Một trong những ưu điểm nổi bật của màn hình OLED là các lớp hữu cơ mỏng, nhẹ và mềm dẻo hơn so với các lớp tinh thể trên màn hình LED hay LCD, cho phép ứng dụng công nghệ OLED trong việc chế tạo màn hình gập và cuộn.
Hình 12 Mặt trước của OLED 0.96inch I2C
- Thông số kĩ thuật màn hình OLED 0.96inch I2C được thể hiện ở Bảng 5 và chức năng của các chân được thể hiện ở Bảng 6:
Bảng 7 Thông số kỹ thuật của OLED 0.96inch I2C
TÊN THÔNG SỐ GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ Điện áp hoạt động 3.3 - 5 VDC
Công suất tiêu thụ 0.04 W Độ phân giải 128x64 Pixel Độ rộng màn hình 0.96 Inch
Bảng 8 Chức năng chân OLED 0.96inch I2C
Web Server
Trong lĩnh vực mạng, máy khách (Client) là phần cứng hoặc phần mềm tương tác với nhà cung cấp dữ liệu, trong khi máy chủ web (Web Server) là phần mềm hoạt động trên máy chủ, luôn lắng nghe yêu cầu từ người dùng qua cổng truyền thông Khi máy khách yêu cầu một trang web, máy chủ web sẽ tìm kiếm tài nguyên cần thiết và gửi kết quả trở lại Kết nối giữa máy khách và máy chủ thường diễn ra qua mạng, với giao thức TCP/IP là phổ biến nhất Máy chủ web không chỉ đơn thuần phản hồi các yêu cầu về tài liệu tĩnh mà còn có nhiều tính năng khác Trình duyệt web giúp người dùng truy xuất và hiển thị thông tin từ máy chủ web thông qua giao thức HTTP, cho phép truy cập bằng cách nhập URL.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Giới thiệu hệ thống
Bộ xử lý trung tâm nhận tín hiệu từ cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30102, thực hiện tính toán và xử lý tín hiệu Ngoài ra, nó còn có khả năng gửi dữ liệu lên web server.
Thiết kế và tính toán hệ thống
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối
Hình 13 Sơ đồ khối của hệ thống đo nhịp tim, SpO2 và quản lý dữ liệu IOT
• Khối nguồn: Có chức năng cung cấp nguồn cho toàn bộ mạch để hoạt động
Khối vi điều khiển có vai trò quan trọng trong việc nhận và xử lý tín hiệu y sinh từ cảm biến, đồng thời gửi dữ liệu lên Web Server và điều khiển khối hiển thị.
• Khối cảm biến: Có chức năng thu nhận tín hiệu y sinh và gửi dữ liệu cho khối vi điều khiển
• Khối hiển thị: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối vi điều khiển và hiển thị các chỉ số nhịp tim và SpO2 trên thiết bị
WEB SERVER ĐIỆN THOẠI KHỐI HIỂN
• Web Server: Môi trường cho các thiết bị truy cập và xem dữ liệu nhịp tim và SpO2 thông qua Wifi
• PC và Điện thoại: Truy cập vào môi trường Web Server để theo dõi chỉ số nhịp tim và SpO2
Hình 14 Pin lithium được kết nối vào mạch sạc pin TP4506
- Pin Lithium 3.7V – 100mAh nối vào cổng BAT+, BAT- của mạch sạc pin
- Module tăng áp DC – DC SX1308 có chân VIN nối với chân BAT+ thông qua công tắc ON-OFF, chân GND nối với chân BAT-.
Hình 15 Cấp nguồn cho ESP8266
- VOUT của Module tăng áp DC – DC SX1308 5V-1A dùng để cấp nguồn cho vi điều khiển ESP8266 thông qua ngõ vào VIN và GND trên vi điều khiển
- ESP266 có chức năng cấp nguồn, tính toán và xử lý tín hiệu nhận được từ khối cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30102
• Chân SCL nối vào D1 (SCL)
• Chân SDA nối vào D2 (SDA)
Hình 16 Kết nối khối vi điều khiển và khối cảm biến nhịp tim và oxy trong máu
ESP8266 sử dụng giao thức I2C, trong đó chân SCL tạo xung clock, trong khi chân SDA đảm nhận vai trò truyền dữ liệu (DATA) nhận thông tin từ cảm biến Max30102.
3.2.2.3 Khối cảm biến siêu âm
- Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu được sử dụng là MAX30102 với 4 chân ngõ ra: VCC, SCL, SDA và GND
Hình 17 Khối cảm biến trong mạch
Khi ESP8266 khởi động chương trình, cảm biến sẽ chuyển mức điện áp SDA từ cao xuống thấp trước khi SCL thay đổi tương tự Khi ESP8266 gửi tín hiệu bắt đầu, cảm biến sẽ hoạt động và dữ liệu sẽ được truyền qua chân SDA (chân DATA) đến ESP8266.
Hình 18 Kết nối khối vi điều khiển và khối hiển thị
Oled 0.96inch sử dụng chuẩn giao tiếp I2C trong đó chân SCL có tác dụng tạo ra xung clock Chân còn lại là chân SDA là chân truyền dữ liệu (DATA) hiển thị lên màn hình OLED
THI CÔNG HỆ THỐNG
Giới thiệu
- Kiểm tra và sửa lỗi.
Thực thi hệ thống
4.2.1 Sơ đồ kết nối mạch
Hình 19 là hình ảnh sơ đồ kết nối mạch hoàn chỉnh sau khi tính toán và thiết kế hệ thống đo nhịp tim, SpO2
Hình 19 Sơ đồ kết nối mạch
Bảng 9: Bảng thống kê linh kiện
STT TÊN LINH KIỆN SỐ
2 Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30102
4 Module tăng áp DC – DC
Hình 20 Kết nối linh kiện (khối nguồn): ESP8266, SX1308, TP4506
Hình 21 Kết nối linh kiện (khối cảm biến và hiển thị kết nối vi điều khiển)
Mục đích của việc lập trình là:
Cảm biến MAX30102 cung cấp chuỗi tín hiệu số đến chân đọc dữ liệu của vi điều khiển, yêu cầu giải mã để trích xuất các giá trị từ tín hiệu hồng ngoại mà cảm biến thu nhận được.
- Từ giá trị này vi điều khiển có thể làm nhiệm vụ tính toán và cho ra được giá trị nhịp tim và SpO2
- Ngoài ra vi điều khiển ra hỗ trợ tạo ra một môi trường Web để gửi dữ liệu lên tiện cho việc truy cập để xem thông tin
Hình 22 Lưu đồ giải thuật
Setup cảm biến, màn hình oled, module Wifi Đọc dữ liệu từ cảm biến
Hiển thị Oled Nhịp tim, SpO2
Tạo Web server và gửi dữ liệu
Chương trình sẽ thu thập dữ liệu từ cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu, sau đó xử lý tín hiệu bằng vi điều khiển và gửi thông tin lên máy chủ web.
- Hộp đựng khối nguồn, khối vi xử lý và OLED có kích thước như sau:
Hình 23 Hình ảnh bên trong của hộp
Hình 24 Hình ảnh bên ngoài của hộp và kẹp đặt tay b) Kết quả đo
Hình 25 Giao diện trang Web sau khi thiết kế
Hình 25 minh họa giao diện thiết kế nhằm theo dõi nhịp tim và SpO2 của bệnh nhân, bao gồm các thông tin quan trọng như địa chỉ IP, họ và tên bệnh nhân, số phòng, cùng danh sách các thông tin liên quan.
Hình 26 Truy cập giao diện Web Server thông qua máy tính
Sau khi đo nhịp tim và chỉ số SpO2, dữ liệu sẽ được gửi lên máy chủ web Hình ảnh dưới đây minh họa kết quả đo nhịp tim khi truy cập qua máy tính.
66 (bpm) và SpO2 88% Nhịp tim cho ra kết quả bình thường và SpO2 thấp
Hình 27 Truy cập giao diện Web Server thông qua điện thoại
- Hình 27 cho thấy kết quả đo được bằng cách truy cập bằng điện thoại:
Nhịp tim 57 (bpm) và SpO2 77% Nhịp tim thấp và SpO2 thấp