LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ ngành Kỹ thuật Điện tử “Hệ thống phát hiện sớm tình trạng đột quỵ của người cao tuổi” là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu khoa học độc lập, nghiêm túc. Ngoài việc sử dụng lại kết quả nghiên cứu của các tác giả khác như được trích dẫn trong tài liệu thì các kết quả của nghiên cứu này chưa từng được công bố trong bất cứ luận văn nào khác trước đây. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, được rút trích từ quá trình nghiên cứu thực nghiệm. Các phương pháp nêu trong luận văn được rút ra từ những cơ sở lý luận và quá trình nghiên cứu tìm hiểu.
Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 02 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Minh Hiền iii LỜI CẢM TẠ Trước tiên , em xin đươ ̣c gửi lời cảm ơn đế n Ban Giám hiêụ , các Thầy , Cô trong khoa Điê ̣n - Điê ̣n tử trường Đa ̣i ho ̣c Sư pha ̣m Kỹ thuâ ̣t Thành phố Hồ Chí Minh , đã tâ ̣n tiǹ h giảng da ̣y, truyề n đa ̣t kiế n thức và ta ̣o điề u kiê ̣n thuâ ̣n lơ ̣i cho em trong suố t quá trình học tập vừa qua. Em xin chân thành gửi đế n Thầ y PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn Trưởng khoa Công Nghệ trường Đại học Cần Thơ lời cảm ơn sâu sắ c. Trong thời gian thực hiê ̣n đề tài Thầy đã quan tâm theo dõi , tâ ̣n tình hướng dẫn và đô ̣ng viên để em hoàn thành tố t luâ ̣n văn này. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đế n gia đình , bạn bè và đồng nghiệp đã nhiê ̣t tình giúp đỡ, ủng hộ, đô ̣ng viên em trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luâ ̣n văn này.
Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 02 năm 2016 Học viên Phạm Minh Hiền iv TÓM TẮT Đột quỵ thường xảy ra đột ngột với rất ít dấu hiệu báo trước. Việc phát hiện sớm tình trạng đột quỵ giúp giảm rủi ro, đặc biệt là thời điểm “3 giờ vàng” đầu tiên. Nghiên cứu này nhằm tìm kiếm một giải pháp phát hiện sớm tình trạng đột quỵ cho người cao tuổi thông qua: (i) phát hiện tình trạng té ngã bằng cảm biến gia tốc, (ii) phát hiện hành vi sinh hoạt bất thường so với thói quen hằng ngày, dựa trên kỹ thuật xác định vị trí sinh hoạt của họ trong nhà, theo thời gian thực. Cơ chế định vị này được thực hiện nhờ phương pháp đo khoảng cách bằng sóng vô tuyến.
Khi hệ thống phát hiện sự cố, nó sẽ cảnh báo hai cấp cho người cao tuổi và cho người giám sát qua mạng điện thoại di động. Thực nghiệm bước đầu cho thấy tính khả thi của giải pháp là rất cao. ABSTRACT Stroke usually occurs suddenly with a little of known signs. Early detection of the stroke status can reduce risks, especially in first 3 “golden” hours.
This study aims to develop a solution for early detecting the stroke status of the elderly through: (i) detecting the state of falls by acceleration sensor, (ii) seeking abnormal activities of the elders, in comparision with the daily routine, based on locating their activities in the house, in real time. The positioning mechanism is realized by measuring the distance using radio waves. When the system detects a problem, it will alert two levels for the elderly and for the caring people via the mobile phone networks. Initial experiments showed that the solution is feasible.
v MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan iii Cảm tạ iv Tóm tắt v Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt/ký hiệu khoa học ix Danh sách các hình xii Danh sách các bảng xvi Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1 1.1 Một số phương pháp sử dụng truyền tin không dây theo dõi chăm sóc sức khỏe 5 1.2 Các kết quả nghiên cứu 10 1.2 Mục đích của đề tài 17 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 17 1.4 Phương pháp nghiên cứu 18 1.5 Tóm tắt đề tài 19 Chƣơng 2.1 Tổng quan về các giao thức truyền thông không dây 21 2.2 Khái quát về mạng cảm biến không dây WSNs 22 2.3 Khái quát về mạng PAN không dây WPAN 23 2.4 Khái quát về chuẩn Zigbee/IEEE 802.3 Kiến trúc mạng ZigBee 28 2.4 Các ứng dụng của chuẩn Zigbee 32 2.5 Định vị trong mạng cảm biến không dây WSN 33 2.1 Pha phân khoảng 33 2.2 Pha định vị 33 2.6 Định vị nút mạng trong WSN 35 2.1 Các kỹ thuật xác định vị trí nút mạng 35 2.2 Mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu và khoảng cách 40 2.3 Thuật toán xác định vị trí dựa vào khoảng cách 41 2.7 Các phương pháp nhận dạng đột quỵ 43 2.1 Phương pháp sử dụng cảm biến đeo trên người 43 2.2 Phương pháp sử dụng cảm biến môi trường 44 2.3 Phương pháp dựa trên xử lý hình ảnh 44 Chƣơng 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG 46 3.1 Giới thiệu chung 46 3.2 Phần cứng hệ thống 48 3.1 Thiết bị theo dõi 49 3.2 Thiết bị định vị 53 3.3 Thiết bị quản lý 54 3.3 Phần mềm hệ thống 57 Chƣơng 4. THIẾT KẾ THUẬT TOÁN 59 4.1 Phát hiện tình trạng té ngã 59 4.2 Xác định vị trí sử dụng RSSI 60 4.1 Khảo sát giá trị RSSI từ module Xbee RF 61 vii 4.2 Tính toán khoảng cách dựa vào tham số RSSI 63 4.3 Thuật toán định vị E-MinMax 65 4.4 Kết quả thực nghiệm 67 4.3 Phát hiện hành vi bất thường 76 4.5 Lưu đồ chương trình điều khiển thiết bị theo dõi 82 4.6 Lưu đồ chương trình điều khiển thiết bị định vị 84 4.7 Lưu đồ chương trình điều khiển thiết bị quản lý 85 4.8 Tiến hành thí nghiệm 86 4.9 Kết quả đạt được 86 Chƣơng 5.1 Các kết quả đạt được 89 5.2 Hướng phát triển của đề tài 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC 95 viii DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT/KÝ HIỆU KHOA HỌC 2D 2 Dimension – 2 chiều 3D 3 Dimension – 3 chiều AOA Angle of arrival – Góc nhìn đến API Application Programming Interface - Giao diện lập trình ứng dụng CID Cluster Identifier - Nhận dạng chùm CLH Cluster Head - Đầu cụm COM Communication - Cổng giao tiếp CPU Central Processing Unit - Bộ phận xử lý trung tâm EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory – Bộ nhớ không mất dữ liệu khi ngừng cung cấp điện FFD Full Function Device - Thiết bị đầy đủ chức năng GPRS General Packet Radio Service - Công nghệ chuyển mạch gói GPS Global Positioning System - Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile - Thông tin di động toàn cầu GTS Guaranteed Time Slot - Đảm bảo khe thời gian I2C Inter-Integrated Circuit - Giao thức truyền nhận đồng bộ IC Integrated Circuit - Mạch tích hợp ID Identification - Nhận dạng ID-PAN Identification Personal Area Network - Nhận dạng mạng cá nhân IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers - Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử IEEE 802 là họ các chuẩn IEEE dành cho các mạng LAN và mạng MAN ix IR InfraRed - Hồng ngoại LAN Local Area Network - Mạng máy tính cục bộ LOS Line-of-Sight – Nhìn thẳng LR-WPAN Low rate Wireless Personal Area Network - Mạng cá nhân không dây tốc độ thấp MAN Metropolitan Area Network - Mạng khu vực đô thị MEMS Micro ElectroMechanical Systems - Hệ thống cảm biến vi cơ điện tử N-LOS Non-Line-of-Sight –Khuất PDA Personal Digital Assistant - Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân QoS Quality of Service - Chất lượng dịch vụ RAM Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập tạm thời RF Radio Frequency - Tần số sóng vô tuyến RFD Reduced Function Device - Thiết bị thiếu chức năng RFID Radio Frequency Identification Device - Thiết bị nhận dạng ROM Read Only Memory - Bộ nhớ chỉ đọc RSSI Receiver Signal Strength Indicator – Cường độ tín hiệu nhận RT Reveiver and Transmitter – Truyền và nhận RTC Real Time Clock - Đồng hồ thời gian thực SIM Subscriber Identity Module - Thẻ nhận dạng thuê bao SMS Short Message Service - Dịch vụ tin nhắn ngắn SPI Serial Peripheral Interface - Giao tiếp nối tiếp đồng bộ SRAM Static Random Access Memory - Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh TDOA Time difference of arrival - Sự khác biệt thời gian đến TOA Time of arrival - Thời gian đến x UART Universal Synchronous & Asynchronous serial - Bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ USB Universal Serial Bus – Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính UWB Untra Wide Band – Siêu băng rộng WiFi Wireless Fidelity - Hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến WLAN Wireless Local Area Network - Mạng nội hạt không dây WPAN Wireless Personal Area Network-PANs - Mạng cá nhân không dây WSN Wireless Sensor Network - Mạng cảm biến không dây ZC ZigBee Coordinator - Bộ thu thập dữ liệu ZED ZigBee End-device - Thiết bị cuối ZR ZigBee Router - Bộ chuyển tiếp tín hiệu xi DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Biểu đồ số ca tử vong trên toàn cầu mỗi năm do đột quỵ theo độ tuổi 2 Hình 1.2: Mạch máu não bị tắc, vỡ làm máu không thể lưu thông 3 Hình 1.3: Nguy cơ đột quỵ ở người cao tuổi 4 Hình 1.4: “Giờ vàng” trong cấp cứu đột quỵ não 5 Hình 1.5: Liên lạc với những người thân cận giúp đỡ 5 Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống RFID 6 Hình 1.7: Phát triển mạng lưới Zigbee 8 Hình 1.8: Mạng vô tuyến phạm vi trên/trong cơ thể người 8 Hình 1.9: Thẻ hồng ngoại chủ động 10 Hình 1.10: Vòng đeo tay Fitbit Surge theo dõi nhịp tim 24/7 15 Hình 1.11: Thiết bị di động giúp phát hiện sớm đột quỵ 16 Hình 1.12: Thiết bị phát hiện dạng đột quỵ bằng sóng siêu âm 16 Hình 2.1: Các nhóm truyền thông không dây 21 Hình 2.2: Bộ tiêu chuẩn IEEE 802.3: Cấu trúc của giao thức ZigBee 27 Hình 2.4: Các thiết bị Zigbee 27 Hình 2.5: Cấu trúc liên kết mạng 28 Hình 2.6: Cấu trúc mạng hình sao (Star) 29 Hình 2.7: Cấu trúc mạng mắt lưới (Mesh) 29 Hình 2.8: Cấu trúc mạng hình cây (Cluster Tree) 30 Hình 2.9: Hoạt động cấu trúc mạng hình cây (Cluster Tree) 30 Hình 2.10: Các ứng dụng của ZigBee 31 Hình 2.11: Ứng dụng của Zigbee cho ngôi nhà thông minh 32 Hình 2.12: Phép đo ba cạnh tam giác 33 xii Hình 2.13: Định vị bằng vùng giao nhau 34 Hình 2.14: Phép đo đạc tam giác 34 Hình 2.15: Định vị bằng khả năng tối đa 35 Hình 2.16: Mô hình truyền sóng trong không gian 36 Hình 2.17: Phương pháp sử dụng nguyên tắc TOA multilateration cho vị trí 2D 37 Hình 2.18: Xác định vị trí sử dụng kỹ thuật AOA 37 Hình 2.19: Nguyên tắc góc tới 38 Hình 2.20: Phương pháp AOA 39 Hình 2.21: Phương pháp Trilateration 41 Hình 2.