Đồ án: Thiết kế tủ thuốc nhắc bệnh nhân uống thuốc đúng giờ - Phạm Văn Bảo

Tài liệu đồ án thiết kế và thi công tủ thuốc thông minh, tự động nhắc uống thuốc đúng giờ, đúng liều. Gồm sơ đồ mạch, code và hướng dẫn chi tiết.

• Tác giả: Phạm Văn Bảo
• Người hướng dẫn: ThS. Phan Vân Hoàn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện - Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Tủ Thuốc Nhắc Bệnh Nhân Uống Thuốc Đúng Giờ Và Đúng Liều
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Tủ Thuốc Thông Minh Nhắc Uống Thuốc Tự Động

Tủ thuốc thông minh nhắc uống thuốc tự động là một thiết bị điện tử hiện đại được thiết kế để giúp bệnh nhân tuân thủ đúng thời gian và liều lượng uống thuốc. Trong cuộc sống hiện đại, nhiều người bệnh gặp khó khăn trong việc nhớ lịch uống thuốc do công việc bận rộn hoặc suy giảm trí nhớ. Hệ thống tủ thuốc thông minh giải quyết vấn đề này bằng cách cung cấp các thông báo tự động, hướng dẫn lấy thuốc và gọi điện cảnh báo khi bệnh nhân không tuân thủ. Đây là một giải pháp tiên tiến kết hợp công nghệ điện tử, vi điều khiển và giao tiếp di động GSM để nâng cao hiệu quả điều trị và chất lượng cuộc sống của người bệnh.

1.1. Ý Nghĩa và Tầm Quan Trọng của Đồ Án

Đồ án tủ thuốc thông minh có ý nghĩa y tế và xã hội rất lớn. Việc uống thuốc đúng giờ và đúng liều là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả điều trị các bệnh mãn tính. Thiết bị này giúp giảm tỷ lệ bệnh nhân không tuân thủ điều trị, cải thiện kết quả chữa bệnh và giảm chi phí y tế. Đặc biệt hữu ích cho người cao tuổi, bệnh nhân với các bệnh mãn tính như tiểu đường, cao huyết áp.

1.2. Mục Tiêu và Phạm Vi Của Đề Tài

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và thi công một hệ thống tủ thuốc thông minh hoàn chỉnh với các chức năng nhắc nhở, hướng dẫn lấy thuốc và cảnh báo tự động. Phạm vi đề tài bao gồm tính toán thiết kế mạch điện, lập trình vi điều khiển, thiết kế giao diện người dùng và thi công mô hình thực tế đầy đủ các tính năng.

II. Các Thành Phần Kỹ Thuật Chính của Hệ Thống

Tủ thuốc thông minh nhắc uống thuốc được xây dựng từ nhiều thành phần kỹ thuật hiện đại. Vi điều khiển Arduino Mega 2560 đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm điều khiển toàn bộ hệ thống. Màn hình Nextion NX4024T032 cung cấp giao diện người dùng trực quan để cài đặt lịch và liều thuốc. Module thời gian thực DS1307 đảm bảo độ chính xác của thời gian. Module SIM800L kết nối mạng GSM để gọi điện cảnh báo. Cảm biến, công tắc hành trình và loa Bluetooth hoàn thiện các chức năng phát hiện và thông báo.

2.1. Vi Điều Khiển và Hệ Thống Xử Lý Trung Tâm

Arduino Mega 2560 là trung tâm điều khiển của hệ thống tủ thuốc thông minh. Vi điều khiển này có khả năng xử lý nhanh, tích hợp nhiều cổng giao tiếp (UART, SPI, I2C) cho phép kết nối với các thành phần ngoại vi. Nó đủ mạnh để chạy các thuật toán phức tạp, quản lý dữ liệu lịch uống thuốc và điều khiển các hoạt động của hệ thống.

2.2. Giao Diện Người Dùng và Hiển Thị

Màn hình cảm ứng Nextion cung cấp giao diện thân thiện, dễ sử dụng cho người bệnh. Người dùng có thể cài đặt lịch uống thuốc, liều lượng và xem các thông báo trực quan. Giao diện được thiết kế với nút bấm lớn, chữ rõ ràng phù hợp với nhóm người cao tuổi.

2.3. Module Giao Tiếp và Cảnh Báo

Module SIM800L sử dụng mạng GSM để gọi điện cảnh báo khi bệnh nhân không lấy thuốc. Loa Bluetooth phát âm thanh nhắc nhở. Cảm biến và công tắc hành trình phát hiện sự có mặt của thuốc và hành động của bệnh nhân, đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác.

III. Quá Trình Thiết Kế và Thi Công Hệ Thống

Quá trình phát triển tủ thuốc thông minh nhắc uống thuốc bao gồm nhiều giai đoạn quan trọng. Đầu tiên là tính toán thiết kế mạch điện, xác định công suất cần thiết và chọn các linh kiện phù hợp. Tiếp theo là thi công bo mạch in quy mô nhỏ, lắp ráp các linh kiện điện tử. Các mạch được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi tích hợp vào mô hình. Phần mềm được lập trình bằng Arduino IDE cho vi điều khiển và Nextion Editor cho giao diện màn hình. Cuối cùng, mô hình được đóng gói và thử nghiệm các chức năng nhắc nhở, hướng dẫn lấy thuốc và cảnh báo tự động.

3.1. Tính Toán Thiết Kế Mạch Điện

Bước đầu tiên là xác định nhu cầu công suất của hệ thống bao gồm vi điều khiển, màn hình, module GSM, loa, cảm biến. Tính toán điện áp, dòng điện cần thiết cho mỗi thành phần. Chọn adapter 5V 2A phù hợp và thiết kế mạch nguồn ổn định. Thiết kế sơ đồ nguyên lý chi tiết kết nối tất cả các thành phần theo nguyên tắc điện tử.

3.2. Thi Công Bo Mạch và Lắp Ráp

Thi công bo mạch in nhỏ gồm bố trí linh kiện, đảm bảo không xung đột và đủ khoảng cách.焊接các linh kiện điện tử với kỹ thuật chuyên nghiệp. Lắp ráp toàn bộ mô hình, gắn cảm biến, công tắc hành trình, loa vào tủ thuốc. Kiểm tra kết nối điện, thử nghiệm từng chức năng riêng biệt.

3.3. Lập Trình Hệ Thống

Lập trình vi điều khiển Arduino sử dụng ngôn ngữ C++ để điều khiển logic của hệ thống. Thiết kế giao diện Nextion với các màn hình cài đặt, hiển thị thông báo. Tích hợp chuẩn giao tiếp UART, I2C, SPI để các thành phần giao tiếp với nhau. Chương trình quản lý lịch uống thuốc, liều lượng và kích hoạt cảnh báo tự động.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm và Đánh Giá Hiệu Suất

Sau khi hoàn thành thiết kế và thi công, hệ thống tủ thuốc thông minh đã được thử nghiệm toàn diện. Các kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đặt ra. Chức năng nhắc nhở theo lịch hoạt động chính xác, giao diện người dùng dễ sử dụng. Hướng dẫn lấy thuốc hiển thị rõ ràng trên màn hình với âm thanh loa. Cảnh báo tự động kích hoạt khi bệnh nhân không lấy thuốc trong thời gian quy định. Đồ án có giá trị ứng dụng cao trong lĩnh vực y tế cộng đồng và chăm sóc bệnh nhân tại nhà.

4.1. Các Chức Năng Đạt Được

Tủ thuốc thông minh thành công thực hiện: cài đặt lịch uống thuốc chính xác, nhắc nhở âm thanh và hình ảnh tại đúng thời gian, hướng dẫn lấy thuốc chi tiết, ghi nhận khi bệnh nhân lấy thuốc qua cảm biến, gọi điện cảnh báo tự động nếu không lấy thuốc, lưu lịch sử sử dụng trên thẻ SD.

4.2. Đánh Giá Hiệu Suất và Ưu Điểm

Hệ thống hoạt động ổn định, độ chính xác cao, giao diện thân thiện người dùng. Tiết kiệm điện năng nhờ thiết kế tối ưu. Có khả năng mở rộng thêm tính năng trong tương lai. Chi phí sản xuất hợp lý, phù hợp cho triển khai rộng rãi trong các cơ sở y tế.

4.3. Hướng Phát Triển Tương Lai

Đồ án có thể phát triển thêm: kết nối ứng dụng di động để thân nhân theo dõi, cơ sở dữ liệu đám mây lưu trữ dữ liệu, AI dự đoán nhu cầu thuốc, tích hợp cảm biến sức khỏe đo huyết áp, nhân tim.

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 các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.  Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán.

Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài về thiết kế và các tính toán liên quan đến đề tài.  Chương 4: Thi công hê ṭ hống. Chương này gồm kết quả thi công phần cứng và những kết quả hiển thị trên màn hình và giao diện điện thoại.  Chương 5: Kết quả_Nhận xét_Đánh giá.

Chương này đưa ra nhận xét và đánh giá sản phẩm mô hình đã hoàn thành.  Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Chương này trình bày ngắn gọn những kết quả đã thu được dựa vào những phương pháp, thuật toán đã kiến nghị ban đầu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU 2.1 Chuẩn giao tiếp UART UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter là kiểu truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ thường là một mạch tích hợp. Mục đích của UART là để truyền tín hiệu qua lại lẫn nhau (ví dụ truyền tín hiệu từ Laptop vào Modem hay ngược lại) hay truyền từ vi điều khiển tới vi điều khiển, từ laptop tới vi điều khiển.1 Gói dữ liệu truyền của UART Các thông số trong chuẩn truyền UART: - Packet: Một gói dữ liệu được truyền đi, bao gồm bit Start, khung truyền dữ liệu, bit parity, bit Stop - Bit Start: thường được giữ ở mức điện áp cao khi nó không truyền dữ liệu. Để bắt đầu truyền dữ liệu, UART truyền sẽ kéo bit này từ cao xuống thấp trong một chu kỳ xung nhịp. Khi UART nhận phát hiện sự chuyển đổi điện áp cao sang thấp, nó bắt đầu đọc các bit trong khung dữ liệu ở tần số của tốc độ truyền.

- Khung dữ liệu: chứa dữ liệu được truyền, nó có thể dài từ 5 đến 8 bit nếu sử dụng một bit parity. Nếu không có bit parity nào được sử dụng, khung dữ liệu có thể dài 9 bit. Bit parity có tác dụng kiểm tra xem dữ liệu có bị thay đổi trong quá trình truyền không bằng cách là kiểm tra tổng số bit 1 là chẵn hay lẻ rồi so sánh với dữ liệu. Nếu tổng số bit 1 là chẵn mà bit parity bằng 0 thì quá trình truyền không có lỗi và nếu bằng 1 thì đường truyền bị lỗi khiến dữ liệu bị thay đổi.

- Bit Stop: để báo hiệu sự kết thúc của gói dữ liệu, UART gửi sẽ điều khiển đường truyền dữ liệu từ điện áp thấp đến điện áp cao trong ít nhất hai bit Nguyên lý hoạt động: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT UART truyền sẽ nhận dữ liệu từ một bus dữ liệu. Dữ liệu được truyền từ bus dữ liệu sang UART truyền ở dạng song song rồi thêm bit start, bit parity và bit stop để tạo gói dữ liệu. Sau đó, gói dữ liệu được xuất ra dạng nối tiếp tuần tự ở chân Tx rồi truyền qua chân Rx của UART nhận.

UART nhận đọc các gói dữ liệu nhận được rồi loại bỏ bit start, bit parity và bit stop. Sau đó chuyển đổi dữ liệu trở lại dạng song song. Cuối cùng, UART nhận chuyển gói dữ liệu song song qua bus dữ liệu.2 Sóng truyền UART Hình 2.3 Quá trình truyền UART Hình 2.4 Quá trình nhận UART 2.2 Chuẩn giao tiếp SPI SPI (Serial Peripheral Bus): là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất. Đây là kiểu truyền thông Master-Slave, trong đó có 1 chip BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Master điều phối quá trình tuyền thông và các chip Slaves được điều khiển bởi Master vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave. SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SC (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select). [8] - SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SC báo 1bit dữ liệu đến hoặc đi.

Sự tồn tại của chân SC giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể đạt rất cao. Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master - MISO (Master Input /Slave Output): Nếu là chip Master thì đây là đường Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau. - MOSI (Master Output / Slave Input): Nếu là chip Master thì đây là đường Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input.

MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau. - SS (Slave Select): SS là đường chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip Slave đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đường SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave đó. Chỉ có 1 đường SS trên mỗi Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.

 Nguyên lí hoạt động: Mỗi chip Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8 bit. Cứ mỗi xung nhịp do Master tạo ra trên đường giữ nhịp SCK, 1bit trong thanh ghi của Master được truyền qua Slave trên đường MOSI, đồng thời 1bit trong thanh ghi của chip Slave cũng được truyền qua Master trên đường MISO. Do 2 gói dữ liệu trên 2 chip được gởi qua lại đồng thời nên quá trình truyền dữ liệu này được gọi là “song công”. Hình dưới đây mô tả quá trình truyền 1 gói dữ liệu thực hiện bởi module SPI trong AVR, bên trái là chip Master và bên phải là Slave.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.5 Truyền dữ liệu SPI 2.3 Chuẩn giao tiếp I2C I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter-Integrated Circuit. Đây là đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau. Bus I2C được sử dụng làm bus giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại Vi điều khiển 8051, PIC, ARM Hình 2.6 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi Đặc điểm giao tiếp I2C Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL).

SDA là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ để đồng bộ và chỉ theo một hướng. Khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào đường bus I2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ nối với dây SCL. Mỗi dây SDA hãy SCL đều được nối với điện áp dương của nguồn cấp thông qua một điện trở kéo lên (pullup resistor). Sự cần thiết của các điện trở kéo này là vì chân giao tiếp I2C của các thiết bị ngoại vi thường là dạng cực máng hở (opendrain hay opencollector).

Giá trị của các điện trở này khác nhau tùy vào từng thiết bị và chuẩn giao tiếp, thường dao động trong khoảng 1 KΩ đến 4. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chế độ hoạt động (tốc độ truyền): Các bus I2C có thể hoạt động ở ba chế độ, hay nói cách khác các dữ liệu trên bus I2C có thể được truyền trong ba chế độ khác nhau. - Chế độ tiêu chuẩn (Standard mode) - Chế độ nhanh (Fast mode) - Chế độ cao tốc High-Speed (Hs) mode Hình 2.7 Trình tự truyền bit trên đường truyền Trình tự truyền bit trên đường truyền: - Thiết bị chủ tạo một điều kiện start.

Điều kiện này thông báo cho tất cả các thiết bị tớ lắng nghe dữ liệu trên đường truyền. - Thiết bị chủ gửi địa chỉ của thiết bị tớ mà thiết bị chủ muốn giao tiếp và cờ đọc/ghi dữ liệụ (nếu cờ thiết lập lên 1 thì byte tiếp theo được truyền từ thiết bị tớ đến thiết bị chủ, nếu cờ thiết lập xuống 0 thì byte tiếp theo truyền từ thiết bị chủ đến thiết bị tớ). - Khi thiết bị tớ trên bus I2C có địa chỉ đúng với địa chỉ mà thiết bị chủ gửi sẽ phản hồi lại bằng một xung ACK. - Giao tiếp giữa thiết bị chủ và tớ trên bus dữ liệu bắt đầu.

Cả chủ và tớ đều có thể nhận hoặc truyền dữ liệu tùy thuộc vào việc truyền thông là đọc hay viết. Bộ truyền gửi 8bit dữ liệu tới bộ nhận, bộ nhận trả lời với một bit ACK. - Để kết thúc quá trình giao tiếp, thiết bị chủ tạo ra một điều kiện stop.2 Giới thiệu mạng di động GSM GSM là viết tắt của từ " The Global System for Mobile Communication" -Mạng thông tin di động toàn cầu. GSM là tiêu chuẩn chung cho các thuê bao di động di chuyển giữa các vị trí địa lý khác nhau mà vẫn giữ được liên lạc .[6] BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Các mạng điện thoại GSM ở Việt Nam Ở Việt Nam và các nước trên Thế giới , mạng điện thoại GSM vẫn chiếm đa số, Việt Nam có 3 mạng điện thoại GSM đó là :  Mạng Vinaphone : 091 => 094.  Công nghệ của mạng GSM Các mạng điện thoại GSM sử dụng công nghệ TDMA - TDMA là viết tắt của từ Time Division Multiple Access " - Phân chia các truy cập theo thời gian. Giải thích : Đây là công nghệ cho phép 8 máy di động có thể sử dụng chung 1 kênh để đàm thoại , mỗi máy sẽ sử dụng 1/8 khe thời gian để truyền và nhận thông tin.  Công nghệ CDMA Khác với công nghệ TDMA của các mạng GSM là công nghệ CDMA của các mạng như  Mạng Sphone 095…  Mạng EVN.

 CDMA là viết tắt của " Code Division Multiple Access " - Phân chia các truy cập theo mã. Giải thích : Công nghệ CDMA sử dụng mã số cho mỗi cuộc gọi, và nó không sử dụng một kênh để đàm thoại như công nghệ TDMA mà sử dụng cả một phổ tần (nhiều kênh một lúc) vì vậy công nghệ này có tốc độ truyền dẫn tín hiệu cao hơn công nghệ TDMA.