Chương 1. Giới thiệu 3 HVTH: Nguyễn Đăng Quốc Xây dựng hệ thống giám sát sức khỏe trên nền CN ĐTĐM GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường - Mô hình hóa hệ thống, giới thiệu các thành phần và chức năng của chúng, các công nghệ giao tiếp dữ liệu giữa các thành phần và nguyên lý hoạt động của hệ thống. Chương 4: Cấu hình hệ thống và thiết kế mạch cảm biến - Cấu hình các thông số để hệ thống có thể hoạt động. - Tính toán các thông số, thiết kế phần cứng, phát triển chương trình phần mềm cho mạch cảm biến.
Chương 5: Phát triển ứng dụng di động - Trình bày các lưu đồ giải thuật và chức năng của của các khối trong ứng dụng di động. - Phát triển ứng dụng di động trên nền tảng Android Chương 6: Xây dựng mô hình điện toán đám mây - Xây dựng cơ sở dữ liệu và thiết kế web quản lý cho mô hình điện toán đám mây. Chương 7: Kết quả thực nghiệm - Trình bày các kết quả đạt được sau khi các thành phần được kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh. - So sánh hệ thống với kết quả của một số bài báo đã được đăng trên các tạp chí.
Chương 8: Kết luận và hướng phát triển - Nhận xét các kết quả đã đạt được, những đóng góp của đề tài, chỉ ra những điều còn hạn chế và đưa ra hướng phát triển cho đề tài trong tương lai. Giới thiệu 4 HVTH: Nguyễn Đăng Quốc Xây dựng hệ thống giám sát sức khỏe trên nền CN ĐTĐM GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường CHƯƠNG 2.1 Mạng cảm biến cơ thể Mạng cảm biến cơ thể (BASN) là phần chính và rất quan trọng trong hệ thống giám sát sức khỏe. Một BASN là sự kết hợp của nhiều nút cảm biến thông minh được gắn hoặc cấy vào cơ thể người để giám sát, phát hiện những thay đổi bất thường của cơ thể. Mỗi nút có khả năng cảm biến, lấy mẫu và xử lý một hay nhiều tín hiệu y tế (như nhiệt độ cơ thể, nhịp tim, huyết áp, độ bão hòa oxy trong máu, mức đường huyết), hoạt động thể lý (tư thế cơ thể, loại vận động hay cường độ vận động) và các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, huyết áp) [3].1 Cảm biến y tế Trong BASN thì các cảm biến y tế đóng vai trò trung tâm.
Các cảm biến y tế thông thường với kết nối bằng dây đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong y khoa. Tuy nhiên với các cảm biến nhỏ gọn có thể hoạt động không dây trong hệ thống theo dõi sức khỏe từ xa vẫn đang được nghiên cứu và vẫn chưa được phổ biến rộng rãi [4]. Để thiết kế các cảm biến cần đáp ứng những yêu cầu sau: Có kích thước nhỏ gọn: các cảm biến này phải được gắn hoặc mang trên người bệnh nhân liên tục trong thời gian dài nên vấn đề kích thước và khối lượng là điều cần được quan tâm. Trong đó, phần lớn kích thước và khối lượng cảm biến hiện nay là do nguồn pin cung cấp.
Do đó, một bước đột phá trong công nghệ chế tạo pin sẽ rất hữu ích trong việc tối ưu hóa mạng cảm biến. Hiện nay, công nghệ nano và thiết kế vi mạch đang phát triển mạnh mẽ mở ra hy vọng lớn trong việc thu gọn kích thước của cảm biến không chỉ ở mức độ mang trên người mà có thể sẽ được cấy vào trong cơ thể. Độ tin cậy cao: độ chính xác luôn là vấn đề cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng y tế. Sử dụng hệ thống chăm sóc sức khỏe từ xa, các bác sĩ hoàn toàn không có một cơ sở nào khác ngoài các thông số nhận được từ Chương 2.
Cơ sở lý thuyết 5 HVTH: Nguyễn Đăng Quốc Xây dựng hệ thống giám sát sức khỏe trên nền CN ĐTĐM GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường các cảm biến. Do đó, cần có các cảm biến không chỉ có độ nhạy, độ chính xác cao mà còn đáng tin cậy trong quá trình giao tiếp với các thiết bị trung gian. Vấn đề năng lượng: Các cảm biến cần có khả năng hoạt động độc lập trong thời gian dài để thu nhận tín hiệu bệnh lý của bệnh nhân, do đó cần tiêu thụ ít năng lượng và kéo dài thời gian hoạt động. Sự tương thích: Các nhà sản xuất khác nhau cần có một tiêu chuẩn chung khi thiết kế các cảm biến y tế để có thể đạt được một sự thống nhất khi kết hợp với nhau trong một hệ thống lớn phục vụ giám sát sức khỏe con người.1: (a) Cảm biến võng mạc và (b) cảm biến chuyển động Một số cảm biến đang được nghiên cứu hiện nay [3]: Cảm biến ECG và nhịp tim.
Cảm biến theo dõi nồng độ glucose trong máu. Cảm biến vận động. Cảm biến hô hấp. Cảm biến nồng độ Oxy trong máu.
Cảm biến huyết áp. Cảm biến nhiệt độ cơ thể. Cảm biến các thông số môi trường. Cơ sở lý thuyết 6 HVTH: Nguyễn Đăng Quốc Xây dựng hệ thống giám sát sức khỏe trên nền CN ĐTĐM GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường 2.2 Các chuẩn giao tiếp không dây dùng trong mạng cảm biến cơ thể Một trong những yêu cầu quan trọng trong BASN là các chuẩn giao tiếp giữa các cảm biến với nhau hay với ứng dụng di động.
Các chuẩn giao tiếp này cần phải sử dụng năng lượng thấp, độ tin cậy cao, tương thích với nhiều thiết bị. Một số tiêu chuẩn đang được nghiên cứu và ứng dụng hiện nay gồm: ZigBee, WirelessHART, 6LoWPAN, ISA100.11, Classic Bluetooth, Bluetooth Low Energy [5]. Trong đó Classic Bluetooth, ZigBee và Bluetooth Low Energy là những công nghệ kết nối tiềm năng cho các mạng BASN. ZigBee: ZigBee được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.4, được phát triển bởi ZigBee Alliance, cho các mạng cá nhân tốc độ thấp.
ZigBee hoạt động ở các băng tần 868 MHz ở châu Âu, 915 MHz ở Mỹ và Australia, thông dụng trên toàn thế giới ở 2. Tốc độ dữ liệu thay đổi từ 20Kbps ở 868 MHz đến 250Kbps ở 2. Classic Bluetooth: Được chuẩn hóa trong IEEE 802. Classic Bluetooth hoạt động ở băng tần 2.
Nó có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 3Mb/s. Bluetooth ưu điểm hơn ZigBee ở tốc độ truyền và đang được tích hợp trong hầu hết các thiết bị cầm tay nhưng tiêu thụ năng lượng nhiều hơn, hỗ trợ ít nút mạng hơn so với ZigBee [7]. Bluetooth Low Energy: Bluetooth LE được thiết kế cho phép các thiết bị đòi hỏi tiêu thụ năng lượng thấp hơn, ít phức tạp hơn và chi phí thấp hơn so với Classic Bluetooth. Nó hoạt động ở băng tần 2.
Hệ thống LE sử dụng một bộ thu phát nhảy tần để chống nhiễu, fading và cung cấp nhiều sóng mang FHSS. Hoạt động vô tuyến LE sử dụng một bộ điều chế tần số nhị phân để giảm thiểu độ phức tạp của bộ thu phát. Hỗ trợ tốc độ dữ liệu là 1 Mb/s.1 thể hiện các đặc điểm kỹ thuật của Bluetooth Low Energy và so sánh với Classic Bluetooth và ZigBee. Cơ sở lý thuyết 7 HVTH: Nguyễn Đăng Quốc Xây dựng hệ thống giám sát sức khỏe trên nền CN ĐTĐM GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường Technical Classic Bluetooth LE Zigbee Specification Bluetooth 2.4GHz MHz, 915MHz Power 1W 10-500mW 30mW Target Battery Life 6 months - 2 (1,000mAh coin cell Days-months 1-2 years years battery) Range 100m >100m 100m Data Rate 1-3 Mbps 1 Mbps 25-250 Kbps Mesh, Star, Network Topologies Scatternet Scatternet Cluster 128-bit AES with 128-bit 128 bit symmetric Security Counter Mode encryption encryption keys CBC-MAC Time to wake and 100ms 3ms 15ms transit Not defined; Number of nodes 1 master, implementation 254 nodes per network 7 slaves dependent Bảng 2.1: Bảng so sánh đặc điểm của kết nối Classic Bluetooth, Bluetooth LE và ZigBee 2.0+ (Bluetooth Smart Technology) Công nghệ không dây Bluetooth là một hệ thống thông tin liên lạc tầm ngắn dùng để thay thế cáp kết nối các thiết bị điện tử di động hoặc cố định.
Các tính năng chính của công nghệ không dây Bluetooth là tiêu thụ điện năng thấp, và chi phí thấp. Có hai dạng hệ thống công nghệ không dây Bluetooth: Tốc độ cơ bản (BR) và năng lượng thấp (LE). Cả hai hệ Chương 2. Cơ sở lý thuyết 8 HVTH: Nguyễn Đăng Quốc Xây dựng hệ thống giám sát sức khỏe trên nền CN ĐTĐM GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường thống đều bao gồm các cơ chế phát hiện thiết bị, thiết lập kết nối và duy trì kết nối.
Hệ thống BR/EDR bao gồm tốc độ dữ liệu tăng cường (EDR) tùy chọn, điều khiển truy cập môi trường (MAC) và lớp vật lý (PHY). Hệ thống tốc độ cơ bản cung cấp các kết nối đồng bộ và bất đồng bộ với tốc độ dữ liệu của 721,2 kbps cho tốc độ cơ bản, 2.1 Mbps cho tốc độ dữ liệu tăng cường và hoạt động tốc độ cao lên đến 24 Mbps với 802. Hệ thống LE bao gồm các tính năng được thiết kế để cho các thiết bị đòi hỏi tiêu thụ năng lượng thấp hơn, ít phức tạp hơn và chi phí thấp hơn so với BR/EDR. Hệ thống LE cũng được thiết kế cho các trường hợp sử dụng trong các ứng dụng với tốc độ dữ liệu thấp hơn và có chu kỳ làm việc ngắn hơn.
Tùy vào trường hợp sử dụng, một hệ thống có thể bao gồm một hoặc nhiều thành phần BR/EDR hoặc/và LE. Các thiết bị triển khai cả hai hệ thống có thể giao tiếp với các thiết bị khác cũng hỗ trợ cả hai hệ thống cũng như các thiết bị được hỗ trợ một trong hai hệ thống. Hệ thống lõi Bluetooth bao gồm một máy chủ và một hoặc nhiều bộ điều khiển. Một máy chủ là một thực thể luận lý được định nghĩa là tất cả các lớp bên trên giao diện điều khiển máy chủ (HCI).
Một bộ điều khiển là một thực thể luận lý được định nghĩa là tất cả các lớp bên dưới HCI. Việc thực hiện các máy chủ và bộ điều khiển có thể chứa các bộ phận tương ứng của HCI. Có hai loại bộ điều khiển đó là: bộ điều khiển chính và bộ điều khiển phụ.Việc thực hiện lõi Bluetooth chỉ có một bộ điều khiển chính có thể là một trong các cấu hình sau: - Bộ điều khiển BR/EDR bao gồm phần vô tuýến, băng tần cơ sở, quản lý liên kết, và HCI. - Bộ điều khiển LE bao gồm LE PHY, lớp liên kết và HCI.
- Một bộ điều khiển kết hợp BR/EDR và LE. Cơ sở lý thuyết 9 HVTH: Nguyễn Đăng Quốc Xây dựng hệ thống giám sát sức khỏe trên nền CN ĐTĐM GVHD: PGS.TS Lê Tiến Thường Hình 2.2: Các kiểu kết hợp máy chủ và bộ điều khiển (từ trái sang phải): Bộ điều khiển chính chỉ có LE, Bộ điều khiển chính chỉ có BR/EDR, bộ điều khiển chính BR/EDR với một bộ điều khiển phụ AMP, và BR/EDR với nhiều bộ điều khiển phụ AMP.
