Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế & thi công thiết bị đo nhiệt độ hồng ngoại IoT

Toàn văn đồ án thiết kế máy đo thân nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc. Ứng dụng công nghệ IoT để giám sát và quản lý dữ liệu nhiệt độ từ xa hiệu quả.

• Tác giả: Vũ Thị Ngọc Ánh
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Đức Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Y Sinh
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Thiết Bị Đo Nhiệt Độ Cơ Thể Con Người Bằng Hồng Ngoại Sử Dụng Công Nghệ IoTs
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Máy đo Thân nhiệt Hồng ngoại IoT

Đồ án máy đo thân nhiệt hồng ngoại ứng dụng công nghệ IoT là một dự án nghiên cứu khoa học nhằm thiết kế và thi công thiết bị đo nhiệt độ cơ thể con người hiện đại. Đây là sản phẩm kết hợp giữa công nghệ cảm biến hồng ngoại MLX90614, vi điều khiển ESP8266 NodeMCU, và kết nối Internet of Things (IoT). Đồ án được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, khoa Điện - Điện tử, bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y Sinh. Mục tiêu chính là phát triển thiết bị y tế thông minh có khả năng đo nhiệt độ chính xác, truyền dữ liệu qua mạng WiFi, và hiển thị kết quả trên giao diện web thân thiện.

1.1. Tầm quan trọng của Công nghệ Đo Nhiệt độ Hồng ngoại

Công nghệ hồng ngoại là phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc, an toàn và hiệu quả. Cảm biến MLX90614 có khả năng phát hiện tia hồng ngoại từ vật thể và chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ chính xác. Ứng dụng trong y tế, thiết bị này giúp đo nhanh, an toàn và phù hợp cho các môi trường vệ sinh khắt khe như bệnh viện, phòng khám.

1.2. Vai trò của IoT trong Hệ thống Y tế Hiện đại

Internet of Things (IoT) cho phép thiết bị kết nối mạng, truyền dữ liệu từ xa và giám sát theo thời gian thực. Hệ thống này sử dụng module WiFi ESP8266 để truyền dữ liệu nhiệt độ lên web server 000webhost. Người dùng có thể theo dõi kết quả qua giao diện PHP/CSS từ bất kỳ đâu, hỗ trợ chẩn đoán y tế từ xa.

II. Cấu trúc và Thành phần Kỹ thuật của Dự án

Đồ án máy đo thân nhiệt hồng ngoại IoT được xây dựng trên kiến trúc hệ thống ba tầng: tầng cảm biến, tầng xử lý và tầng giao tiếp. Các linh kiện chính bao gồm cảm biến MLX90614 (đo nhiệt độ), module ESP8266 NodeMCU (xử lý và kết nối WiFi), màn hình OLED (hiển thị), và module MP3-TF-16P (phát âm thanh). Hệ thống sử dụng giao tiếp I2C cho cảm biến, UART cho giao tiếp serial, và WiFi cho kết nối mạng. Các linh kiện được tích hợp trên bo mạch PCB tùy chỉnh, lắp ráp trong vỏ nhôm chuyên dụng, tạo thành sản phẩm hoàn chỉnh có tính thực tiễn cao.

2.1. Cảm biến MLX90614 và Nguyên lý Hoạt động

MLX90614 là cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc được sử dụng để phát hiện bức xạ nhiệt từ cơ thể con người. Nguyên lý hoạt động dựa trên định luật Stefan-Boltzmann, thiết bị nhận tín hiệu hồng ngoại, xử lý qua bộ khuếch đại, và chuyển đổi thành dữ liệu số qua I2C. Độ chính xác đạt ±0.5°C, phạm vi đo từ -40°C đến 125°C, phù hợp cho ứng dụng y tế.

2.2. Hệ thống Kết nối WiFi và Truyền dữ liệu

Module ESP8266 NodeMCU đóng vai trò vi điều khiển chính và bộ phát WiFi. Thiết bị nhận dữ liệu từ cảm biến MLX90614 qua I2C, xử lý theo chương trình lập trình Arduino IDE, rồi truyền lên web server qua kết nối WiFi. Dữ liệu được lưu trữ trên cơ sở dữ liệu và hiển thị qua dashboard web sử dụng PHP và CSS, cho phép giám sát từ xa.

III. Quá trình Thiết kế Thi công và Lập trình

Quá trình thực hiện đồ án máy đo thân nhiệt hồng ngoại IoT trải qua các giai đoạn: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, tính toán và thiết kế mạch điện, thi công bo mạch PCB, lắp ráp linh kiện, đóng gói sản phẩm và lập trình hệ thống. Phần cứng được thiết kế với độ tin cậy cao, sử dụng mạch ổn áp AMS1117 để cấp nguồn 3.3V cho các module. Phần mềm được chia thành hai phần: chương trình vi điều khiển quản lý cảm biến và kết nối WiFi, và chương trình web server để hiển thị và xử lý dữ liệu. Toàn bộ hệ thống được kiểm tra, hiệu chuẩn và tối ưu hóa để đạt hiệu năng tối ưu.

3.1. Thiết kế Mạch điện và Sơ đồ Nguyên lý

Sơ đồ nguyên lý được thiết kế để tích hợp tất cả linh kiện thành một hệ thống hoạt động ổn định. Cảm biến MLX90614 được kết nối qua I2C với ESP8266, màn hình OLED cũng dùng I2C, module MP3-TF-16P kết nối qua SPI. Nguồn điện được cấp từ pin 9V, hạ áp xuống 3.3V bằng IC AMS1117 ổn định. Các kỳ cụm điện trở, tụ, diode bảo vệ được bố trí hợp lý.

3.2. Lập trình Vi điều khiển và Web Server

Phần mềm Arduino IDE được dùng để lập trình ESP8266, thiết lập kết nối WiFi, đọc dữ liệu từ MLX90614, điều khiển hiển thị OLED và phát âm thanh. Phần web server sử dụng PHP để xử lý dữ liệu, CSS để tạo giao diện đẹp, lưu trữ trên 000webhost. Dashboard web cho phép xem lịch sử nhiệt độ, thống kê, cảnh báo khi sốt cao.

IV. Ứng dụng Thực tiễn và Hướng Phát triển

Đồ án máy đo thân nhiệt hồng ngoại IoT có ứng dụng thực tiễn rộng rãi trong lĩnh vực y tế hiện đại. Thiết bị có thể được triển khai tại bệnh viện, phòng khám, trường học để đo nhanh nhiệt độ cho nhiều người liên tiếp. Hệ thống IoT cho phép bác sĩ giám sát từ xa, cảnh báo tự động khi phát hiện sốt cao, hỗ trợ chẩn đoán sớm các bệnh nhiễm trùng, dịch bệnh. Trong tương lai, dự án có thể mở rộng thêm các cảm biến y tế khác (nhịp tim, SPO2), tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để dự báo sức khỏe, kết nối với hệ thống EHR của bệnh viện, và phát triển ứng dụng mobile cho người dùng cá nhân.

4.1. Ứng dụng trong Y tế và Sức khỏe Cộng đồng

Máy đo nhiệt độ hồng ngoại IoT có thể giúp sàng lọc các bệnh nhân sốt cao nhanh chóng tại cổng bệnh viện, trung tâm y tế. Hệ thống giám sát từ xa cho phép bác sĩ theo dõi bệnh nhân tại nhà, gửi cảnh báo khi nhiệt độ bất thường. Lưu trữ dữ liệu dài hạn giúp phân tích xu hướng sức khỏe, hỗ trợ nghiên cứu dịch bệnh.

4.2. Hướng Phát triển và Nâng cấp Tương lai

Các hướng phát triển tiếp theo bao gồm: tích hợp thêm cảm biến (nhịp tim, độ ẩm), phát triển app mobile độc lập, áp dụng AI/ML để dự báo sức khỏe, kết nối với hệ thống EHR, tối ưu pin để hoạt động lâu dài, mã hóa dữ liệu để bảo mật cao hơn, chuẩn hóa để đạt tiêu chuẩn y tế quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày đầy đủ và chi tiết các lý thuyết liên quan đến đo nhiệt độ, IoT và các nội dung liên quan đến đề tài. Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Trong chương này sẽ trình bày các tính toán và thiết kế các module phần cứng cũng như phần mềm.

Chương 4: Thi công hệ thống Trong chương 4 sẽ trình bày quá trình thi công hệ thống và hướng dẫn sử dụng hệ thống. Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Trong chương này sẽ trình bày kết quả của hệ thống, nhận xét và đánh giá kết quả dựa trên các mục tiêu đề ra ban đầu. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Trong chương này nêu kết luận và đưa ra hướng phát triển cho đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ là một trong số những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất.

Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ. Đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ. Thang nhiệt độ tuyệt đối được thiết lập dựa vào tính chất của khí lý tưởng. Có 3 thang nhiệt độ được sử dụng là Kelvin, Celsius và Fahrenheit.

Thang Kelvin – Thang nhiệt độ đo động học tuyệt đối. Thang Kelvin đơn vị đo là °K, trong thang Kelvin người ta gắn cho nhiệt độ điểm của điểm cân bằng của ba trạng thái nước – nước đá – hơi nước một giá trị bằng 273,15°K. Từ thang Kelvin người ta xác định các thang đo mới là Celsius và Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ. Thang Celsius có đơn vị đo nhiệt độ là °C, một độ Celsius bằng một độ Kelvin.

Quan hệ giữa độ Celsius và độ Kelvin được xác định theo công thức:     T o C  T o K  273,15 (2.1) Thang Fahrenheit có đơn vị đo là °F, công thức liên hệ giữa độ Celsius và độ Fahrenheit là:   9   T o F  T o C  32 5 (2.2) Người ta thường sử dụng 3 phương pháp sau đây để đo nhiệt độ: ₋ Phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, lỏng, khí. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ₋ Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứng seebeck, Thomson, Peltier. ₋ Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt.

 Các loại nhiệt kế và cảm biến nhiệt độ trong thực tế. ₋ Nhiệt kế giãn nở. ₋ Nhiệt kế gốm – kim loại (Dilatomet). ₋ Nhiệt kế thủy ngân.

₋ Cặp nhiệt điện (Thermocouple). ₋ Nhiệt điện trở kim loại (RTD – resistance temperature detector). ₋ Nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor). ₋ Cảm biến bán dẫn (Diode, Tranzito, IC).

₋ Nhiệt kế hồng ngoại [21].2 ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG HỒNG NGOẠI 2.1 Đặc điểm và tính chất của tia hồng ngoại Tia hồng ngoại được viết tắt là IR là một loại năng lượng bức xạ không thể nhìn thấy bằng mắt thường nhưng có thể cảm nhận được vì nó có nhiệt độ cao. Tần số hồng ngoại dao động từ 3GHz đến 400THz và bước sóng ước tính nằm trong khoảng 760nm và 1mm. Hồng ngoại thường được chia thành ba loại là hồng ngoại gần, trung và xa.1: Bức xạ của quang phổ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Dải hồng ngoại gần (NIR) nằm gần ánh sáng màu đỏ của phổ ánh sáng khả kiến nhất, có bước sóng từ 750nm đến 1300nm và tần số dao động từ khoảng 215THz đến 400THz.

Dải hồng ngoại này bao gồm các bước sóng dài nhất và tần số ngắn nhất và tạo ra ít nhiệt nhất. Dải hồng ngoại trung (MIR) bao gồm các bước sóng từ 1300nm đến 3000nm, tần số dao động từ 20THz đến 215THz. Bước sóng trong dải hồng ngoại xa (FIR) mở rộng từ 3000nm đến 1mm, tần số dao động từ 0,3THz đến 20THz. Nhóm này bao gồm các bước sóng ngắn nhất và tần số cao nhất và nó tạo ra nhiều nhiệt nhất.

Tia hồng ngoại được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực đời sống, sản xuất như sấy khô, sưởi, đo nhiệt độ, tiệt trùng cho sản phẩm…trong các thiết bị điện như bếp điện từ, lò vi sóng, trong camera dùng để quay phim chụp hình ban đêm, máy quang phổ… 2.2 Đo nhiệt độ bằng hồng ngoại Mỗi vật thể có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối đều phát ra bức xạ điện từ bề mặt, tỷ lệ thuận với nhiệt độ nội tại của nó. Một phần của bức xạ nội tại là bức xạ hồng ngoại, có thể dùng để đo nhiệt độ cơ thể. Bức xạ hồng ngoại có thể lan truyền trong không khí, nhờ có thấu kính các chùm tia này sẽ hội tụ vào đầu dò để tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ. Tín hiệu này sau đó sẽ được khuếch đại và sử dụng xử lý tín hiệu số liên tiếp để cho tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ của đối tượng đo.

Trong quá trình tìm kiếm vật liệu quang học mới, William Hereschel đã vô tình phát hiện ra bức xạ hồng ngoại năm 1800. Ông đã làm đen đầu cảm biến của nhiệt kế thủy ngân và sử dụng nó để đo nhiệt độ của các màu sắc khác nhau trong phổ ánh sáng được phát ra bằng cách chiếu 1 chùm ánh sáng mặt trời qua một thấu kính. Bằng cách này ông đã đo được nhiệt độ của các màu khác khác nhau trong phổ ánh sáng. Khi di chuyển nhiệt kế đến vùng tối phía cuối của ánh sáng đỏ, ông phát hiện nhiệt độ vẫn tiếp tục tăng lên và nó tăng lên rất nhiều.

Cuối cùng ông đã tìm ra được điểm nhiệt độ cao nhất của vùng ngoài ánh sáng đỏ, ngày nay vùng ánh sáng đó được gọi là hồng ngoại. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Định luật bức xạ Planck đã chỉ ra mối tương quan của phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc: Bức xạ đặc trưng M  s của vật thể đen tuyệt đối phụ thuộc vào nhiệt độ T của nó và bước sóng  .3)  5 e hc /  kT 1  e 5 1 Trong đó: - c: tốc độ ánh sáng - c1 = 3, 74.m - h: hằng số Planck - k: hằng số Boltzman Hình 2.2: Bức xạ của quang phổ dựa vào bước sóng của ánh sáng Dựa theo mô tả của hình trên thì khi nhiệt độ càng tăng thì bước sóng của bức xạ trong phổ ánh sáng càng ngắn đi. Dựa vào công thức trên ta có thể suy ra được những công thức tương quan khác.

Bằng cách tích hợp cảm biến của các bức xạ ánh sáng có bước sóng từ 0 đến vô cùng thì có thể đo được giá trị bức xạ phát ra của vật thể. Mối tương quan này gọi là định luật Stefan Boltzmann. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2.4)  Xây dựng một nhiệt kế hồng ngoại Cấu trúc cơ bản của một nhiệt kế hồng ngoại gồm: đầu vào quang học là bức xạ hồng ngoại được hội tụ trên đầu dò hồng ngoại. Đầu dò này sẽ tạo ra những tín hiệu điện tương ứng với bức xạ, sau đó tín hiệu này được đưa vào bộ khuếch đại để tiến hành những xử lý khác.

Theo như hình mô tả dưới đây, sau khi tín hiệu đầu vào đã được khuếch đại sẽ được chuyển thành tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó đưa vào bộ xử lý để đưa đến ngõ ra. Nếu ngõ ra mong muốn là dạng tín hiệu tương tự thì người ta lại đưa tín hiệu trên qua bộ DAC để chuyển đổi tín hiệu trước khi đưa ra ngõ ra.3: Cấu trúc cơ bản của một nhiệt kế hồng ngoại Để giảm bớt sự ảnh hưởng từ nhiệt độ môi trường người ta sử dụng một đầu dò thứ hai để ghi lại nhiệt độ của thiết bị hoặc của kênh quang học của nó. Việc tính toán nhiệt độ của đối tượng đo được thực hiện theo ba bước sau: 1. Chuyển đổi bức xạ hồng ngoại nhận được thành dạng tín hiệu điện.

Bù bức xạ nền từ thiết thị và vật thể đo. Tuyến tính hóa và đưa nhiệt độ ra ngõ ra.  Đầu dò hồng ngoại Yếu tố quan trọng nhất của nhiệt kế hồng ngoại chính là đầu dò hồng ngoại, nơi tiếp nhận các bức xạ hồng ngoại. Có 2 loại đầu dò hồng ngoại là đầu dò nhiệt và đầu dò lượng tử.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Với đầu dò nhiệt, nhiệt độ của cảm biến thay đổi dựa vào sự hấp thụ của bức xạ điện tử. Sự thay đổi nhiệt độ phụ thuộc vào thuộc tính với nhiệt độ của đầu dò. Có 3 loại đầu dò nhiệt là: - Cặp nhiệt điện bức xạ (Thermopiles) - Đầu dò thủy điện (Pyroelectric detectors) - Vi nhiệt kế (Bolometers).

Đầu dò lượng tử hoạt động dựa trên hiệu ứng quang học: các photon nhìn thấy được của bức xạ hồng ngoại dẫn đến sự gia tăng năng lượng lượng lên mức cao hơn của các electron trong vật liệu bán dẫn. Khi các electron này quay trở lại mức năng lượng ban đầu sẽ tạo ra một tín hiệu điện (dưới dạng điện áp hoặc năng lượng điện). Tín hiệu điện thu được có độ chính xác cao, tốc độ của đầu dò lượng tử rất nhanh chỉ trong khoảng nano giây đến micro giây. Sự khác nhau quyết định giữa đầu dò lượng tử và đầu dò nhiệt là sự tốc độ phản ứng nhanh với bức xạ hấp thụ được.

Nhiệt độ cảm biến sử dụng đầu dò nhiệt thì thay đổi khá chậm, thời gian để thay đổi giá trị xấp xỉ mili giây trong khi đầu dò lượng tử lại thay đổi rất nhanh chỉ trong khoảng vài nano giây đến micro giây. Tuy nhiên đầu dò nhiệt lại phù hợp với nhiều ứng dụng hơn.