Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh hệ thống y tế và các bệnh viện thường xuyên đối mặt với tình trạng quá tải, nhu cầu chăm sóc sức khỏe và điều trị tại nhà ngày càng gia tăng. Việc tuân thủ phác đồ điều trị đóng vai trò quyết định đến hiệu quả hồi phục của bệnh nhân. Tuy nhiên, đối với người cao tuổi—nhóm đối tượng thường mắc các bệnh mãn tính và phải sử dụng đồng thời nhiều loại thuốc theo các khung giờ phức tạp—tình trạng suy giảm trí nhớ thường dẫn đến việc quên uống thuốc, uống sai liều lượng hoặc uống nhầm loại thuốc.

Khảo sát thực tế các giải pháp thương mại và đề tài nghiên cứu trước đó cho thấy:

  • Thiết bị PillDrill hỗ trợ theo dõi đơn thuốc qua cơ chế quét mã nhưng chi phí cao và đòi hỏi thao tác quét phức tạp.
  • Sản phẩm của hãng LASPERAL chỉ dừng lại ở tính năng báo giờ cơ bản và bị giới hạn ở 2 khay chứa thuốc.
  • Mô hình của nhóm sinh viên Đại học Duy Tân chỉ hỗ trợ phân loại thuốc theo toa phù hợp với môi trường khoa phòng bệnh viện, chưa tối ưu cho việc sử dụng độc lập tại hộ gia đình.
  • Đề tài của tác giả Lê Hồ Quang và Nguyễn Quốc Khương sử dụng kết hợp hai vi điều khiển (ESP8266 NodeMCU và Arduino Mega) cùng hệ thống truyền động cơ khí phức tạp (động cơ bước BYJ48 và mạch điều khiển ULN2003) để xoay khay thuốc, làm tăng kích thước và chi phí phần cứng.

Xuất phát từ các bất cập trên, đề tài "Thiết kế và thi công hộp thuốc thông minh dùng cho người già" do sinh viên Đặng Đức Mạnh và Nguyễn Hà Phương Thảo thực hiện (ngành Kỹ thuật Y sinh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, năm 2020) được triển khai nhằm chế tạo một thiết bị phân chia thuốc nhỏ gọn, hỗ trợ nhắc nhở đa phương thức, kiểm soát hành vi mở nắp hộp và cảnh báo từ xa qua mạng viễn thông.

Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình hộp thuốc thông minh giúp người bệnh uống thuốc đúng giờ, đúng liều lượng; phát hiện chính xác việc đóng/mở từng ngăn thuốc; cảnh báo tại chỗ bằng âm thanh, ánh sáng và tự động gửi tin nhắn văn bản (SMS) đến người thân khi bệnh nhân quên uống thuốc; hỗ trợ cài đặt lịch trình linh hoạt qua ứng dụng di động Android hoặc website.

Nhiệm vụ nghiên cứu

Đề tài xác định 8 nội dung thực hiện cụ thể:

  1. Tìm hiểu các tài liệu chuyên ngành về hộp thuốc thông minh và vi điều khiển tích hợp.
  2. Nghiên cứu kết nối module NodeMCU ESP8266 với mạng Internet để đồng bộ và cập nhật dữ liệu.
  3. Nghiên cứu và xây dựng Web server cùng ứng dụng di động trên nền tảng MIT App Inventor 2.
  4. Lập trình giao tiếp và hiển thị thông số thời gian, trạng thái lên màn hình LCD.
  5. Thiết kế kết cấu cơ khí và mô hình 3D cho toàn bộ hệ thống.
  6. Thi công phần cứng, lắp ráp mạch in (PCB), chạy thử nghiệm thực tế và hiệu chỉnh sai số.
  7. Viết tài liệu báo cáo kỹ thuật đồ án tốt nghiệp.
  8. Bảo vệ đồ án trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị nhúng quản lý lịch trình uống thuốc, cơ chế phát hiện hành vi đóng/mở khay chứa và truyền thông dữ liệu cảnh báo đa kênh (Wi-Fi, GSM).
  • Phạm vi dạng thuốc: Thiết bị được thiết kế chuyên biệt cho các loại thuốc dạng viên nén, viên nang.
  • Phạm vi thời gian chứa: Quản lý chu trình thuốc cho 7 ngày trong tuần, mỗi ngày hỗ trợ 3 cữ uống (Sáng, Trưa, Chiều), tương ứng với tổng cộng 21 ngăn chứa độc lập.
  • Phạm vi vật lý và nguồn điện: Kích thước mô hình giới hạn dưới 30 cm chiều cao, chiều dài và chiều rộng dưới 50 cm; sử dụng nguồn điện một chiều điện áp thấp 5V.
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 10/03/2020 đến ngày 04/08/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

  • Vi điều khiển trung tâm ESP8266 (ESP-12E NodeMCU): Sử dụng chip nạp CP2102, bộ nhớ Flash 4MB, tích hợp Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n (băng tần 2.4 GHz) và ngăn xếp giao thức TCP/IP, hỗ trợ giao tiếp ở mức điện áp logic 3.3V.
  • Giao thức đồng bộ thời gian NTP (Network Time Protocol): Lấy thời gian thực thông qua mạng Internet dựa trên giao thức UDP (cổng 123) và thuật toán "intersection algorithm" của Keith Marzullo, cho phép cập nhật giờ UTC chính xác đến từng mili-giây mà không cần dùng đến module đồng hồ thời gian thực (RTC) phần cứng chuyên dụng.
  • Cơ sở dữ liệu đám mây Firebase Realtime Database & Firebase Hosting: Dịch vụ đám mây của Google lưu trữ dữ liệu dưới định dạng JSON, hỗ trợ cơ chế đồng bộ thời gian thực hai chiều giữa ứng dụng điều khiển và mạch vi điều khiển ESP8266.
  • Module GSM/GPRS SIM800A: Module truyền thông di động sử dụng khe Micro SIM, giao tiếp qua giao thức UART ở tốc độ baud tiêu chuẩn, thực thi tập lệnh AT (AT, ATD, ATH, AT+CMGF, AT+CMGS) để gửi tin nhắn SMS cảnh báo.
  • Module hiển thị LCD 16x2 kết hợp mạch chuyển đổi I2C: Màn hình tinh thể lỏng 16 ký tự x 2 dòng (driver HD44780), tích hợp module I2C (địa chỉ mặc định 0x27) giúp giảm số lượng chân điều khiển từ vi điều khiển xuống còn 2 dây tín hiệu (SDA, SCL).
  • IC ghi dịch mở rộng ngoại vi:
    • IC 74HC595: IC ghi dịch 8-bit nối tiếp sang song song, sử dụng để điều khiển độc lập 21 LED chỉ thị và 1 còi chíp (buzzer) từ 3 chân vi điều khiển.
    • IC 74HC165: IC ghi dịch 8-bit song song sang nối tiếp, sử dụng để đọc trạng thái của 21 công tắc hành trình kiểm tra nắp hộp chỉ với 4 đường tín hiệu vi điều khiển.
  • Nền tảng phần mềm:
    • MIT App Inventor 2: Thiết kế ứng dụng Android dạng kéo thả khối lệnh (Block logic), kết nối TinyDB để lưu trữ cấu hình cục bộ và giao tiếp Firebase.
    • HTML/CSS: Xây dựng giao diện Web quản trị với các trang giới thiệu, đăng nhập và trang cài đặt thông số giờ hẹn.
    • Arduino IDE: Biên dịch và nạp firmware C/C++ cho ESP8266.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Áp dụng định luật Ohm và định luật Kirchhoff để tính toán dòng định mức, sụt áp và công suất tiêu thụ của toàn bộ linh kiện trên hệ thống nhằm xác định nguồn cấp điện an toàn.
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Thiết kế mạch in bằng phần mềm chuyên dụng, gia công bo mạch thủ công qua phương pháp ủi nhiệt và ăn mòn hóa học (axit); thiết kế kết cấu cơ khí 3D trên SolidWorks và gia công cắt laser mica.
  • Phương pháp kiểm thử chức năng: Đánh giá độ tin cậy của việc nhận dạng tín hiệu đóng/mở nắp hộp, độ trễ truyền dữ liệu qua Wi-Fi lên Firebase và khả năng gửi tin nhắn SMS của SIM800A trong các kịch bản thử nghiệm thực tế.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống được tổ chức thành 8 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

  1. Khối nguồn: Cung cấp điện áp ổn định 5V DC cho toàn bộ vi mạch và ngoại vi.
  2. Khối xử lý trung tâm (ESP8266 NodeMCU): Thu thập dữ liệu giờ hẹn từ Firebase qua Wi-Fi, đọc thời gian thực từ NTP Server, so khớp thời gian để kích hoạt cảnh báo và xử lý tín hiệu cảm biến.
  3. Khối hiển thị (LCD 16x2 qua I2C): Hiển thị thời gian thực và các thông báo trạng thái.
  4. Khối cảnh báo tại chỗ: Gồm 21 LED đơn đỏ (5mm) đặt tại từng ngăn và 1 buzzer phát âm thanh báo động, ghép nối qua 3 IC 74HC595.
  5. Khối cảm biến nắp hộp: Gồm 21 công tắc hành trình gắn phía sau mỗi ngăn thuốc, đọc tín hiệu về vi điều khiển thông qua 3 IC 74HC165.
  6. Khối cảnh báo di động (SIM800A): Nhận lệnh từ ESP8266 để gửi SMS đến số điện thoại người thân khi người bệnh không lấy thuốc sau thời gian quy định.
  7. Khối giao diện người dùng (App Android & Web): Cho phép người dùng nhập thời gian uống thuốc, chọn thứ trong tuần và đồng bộ dữ liệu.
  8. Cơ sở dữ liệu Firebase: Lưu trữ trạng thái và biến cấu hình hẹn giờ dạng JSON.

Tính toán nguồn và điện trở mạch điện

Tổng dòng điện tiêu thụ tối đa của các thành phần trong hệ thống được tính toán như sau:

STT Tên linh kiện Điện áp hoạt động (V) Dòng tiêu thụ tối đa (mA) Số lượng Tổng dòng tính toán (mA)
1 ESP8266 NodeMCU 5.0 170 1 170
2 Màn hình LCD 16x2 5.0 120 1 120
3 Module chuyển đổi I2C 5.0 160 1 160
4 Module GSM SIM800A 5.0 2000 (đỉnh) 1 2000
5 LED chỉ thị (đỏ) 1.8 - 2.4 15 21 315
6 Còi báo (Buzzer) 5.0 20 1 20
7 IC ghi dịch 74HC595 5.0 6 3 18
8 IC ghi dịch 74HC165 5.0 4 3 12

Tổng dòng điện toàn hệ thống: $$I_{\text{tổng}} = 170 + 120 + 160 + 2000 + 315 + 20 + 18 + 12 = 2.815\text{ A} \approx 2.8\text{ A}$$

Tổng công suất tiêu thụ tối đa tính toán: $$P_{\text{tổng}} = \sum (U \times I) = 12.418\text{ W}$$

Từ kết quả tính toán, nhóm nghiên cứu lựa chọn Adapter nguồn DC $5\text{V} - 3\text{A}$ (công suất danh định 15W) để đảm bảo biên độ an toàn và ổn định khi SIM800A phát sóng ở công suất đỉnh.

Để bảo vệ LED và hạn chế chói mắt cho người lớn tuổi, điện trở hạn dòng $R$ được tính theo định luật Kirchhoff 2: $$R = \frac{V_{cc} - V_{led}}{I_{led}} = \frac{3.3\text{V} - 1.8\text{V}}{10\text{mA}} = 150,\Omega$$

Thi công cơ khí và phần cứng

  • Kết cấu vỏ hộp: Sử dụng vật liệu mica trong và trắng sữa có độ dày 4 mm, cắt định hình bằng máy laser từ bản vẽ SolidWorks (xuất định dạng .dxf). Kích thước tổng thể là $330 \times 258 \times 120\text{ mm}$, thiết kế dạng bậc thang 3 tầng (Sáng, Trưa, Chiều) nhằm tránh va quẹt giữa các nắp mở.
  • Khay thuốc: Sử dụng 3 bộ hộp chia 7 ngăn của Daiso Japan (kích thước mỗi khay $18.1 \times 3\text{ cm}$, kích thước mỗi ngăn con $2.5 \times 3\text{ cm}$).
  • Cải tiến công tắc hành trình: Cần tiếp xúc kim loại ban đầu của công tắc hành trình đòi hỏi nắp hộp phải mở một góc $> 135^\circ$ mới kích hoạt tiếp điểm. Tác giả đã tiến hành uốn lại thanh truyền động cơ học dạng gấp khúc, giúp hạ góc mở nắp phát hiện trạng thái xuống $> 90^\circ$, đảm bảo độ nhạy khi đóng/mở nắp thực tế.
  • Chế tạo bo mạch in (PCB): Phân tách thành 2 bo mạch riêng biệt để tối ưu diện tích và độ tin cậy: Board điều khiển trung tâm và Board kiểm tra công tắc hành trình. Bo mạch được gia công thủ công qua quy trình 9 bước (đánh nhám, in nhiệt, ủi chuyển mực, bóc giấy, ăn mòn axit, rửa sạch, phủ bảo vệ bằng nhựa thông lỏng, khoan lỗ chân cắm từ 0.8 mm đến 3 mm và kiểm tra thông mạch bằng đồng hồ VOM).

Triển khai phần mềm và thuật toán điều khiển

  • Phần mềm ESP8266: Khi khởi động, module thiết lập kết nối Wi-Fi, đồng bộ giờ thực từ NTP Server và kết nối đến Realtime Database qua chuỗi khóa bảo mật và đường dẫn host. Chu kỳ quét định kỳ so sánh giờ hệ thống với giờ cài đặt. Khi trùng khớp, IC 74HC595 kích hoạt LED tương ứng nhấp nháy cùng còi buzzer. Một bộ đếm thời gian 5 phút được kích hoạt; nếu sau 5 phút công tắc hành trình của đúng ngăn thuốc đó chưa đổi trạng thái (chưa mở nắp), ESP8266 phát lệnh AT điều khiển SIM800A gửi tin nhắn: "Nguoi benh chua lay thuoc".
  • Ứng dụng MIT App Inventor: Gồm 3 màn hình chức năng:
    • Screen1: Màn hình khởi động, hiển thị thông tin đồ án và yêu cầu nhập mật khẩu bảo mật (kiểm tra qua TinyDB).
    • Screen2: Màn hình cấu hình giờ/phút bằng công cụ TimePicker, chọn các ngày trong tuần (Repeat) và nút chuyển trạng thái gửi dữ liệu lên Firebase.
    • Screen3: Màn hình thay đổi mật khẩu (yêu cầu nhập mã PIN mặc định ban đầu là 2020).
  • Giao diện Web: Thiết kế bằng HTML/CSS gồm trang chủ giới thiệu thông tin đề tài, trang đăng nhập xác thực tài khoản và trang điều khiển trung tâm chứa các nút lệnh SET, ON, OFF, DONE để nạp dữ liệu giờ và kích hoạt lịch trình trên Firebase.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong chăm sóc sức khỏe người cao tuổi tại gia đình và giảm tải bệnh viện. Phân tích ưu và nhược điểm của các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hộp thuốc tự động (PillDrill, LASPERAL, ĐH Duy Tân, đồ án của Lê Hồ Quang - Nguyễn Quốc Khương). Xác định rõ mục tiêu, 8 nội dung nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật (21 ngăn, nguồn 5V, kích thước dưới $30 \times 50 \times 50\text{ cm}$) và bố cục 6 chương của báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về các linh kiện phần cứng và công nghệ phần mềm được lựa chọn:

  • Phần cứng: Cấu trúc và thông số vi điều khiển ESP8266 NodeMCU, màn hình LCD 16x2, module I2C (driver HD44780), module SIM800A (tập lệnh AT), nguyên lý cơ khí của công tắc hành trình, sơ đồ chân và cách ghép nối chuỗi nối tiếp của IC ghi dịch 74HC595 và 74HC165.
  • Phần mềm và giao thức: Phương thức hoạt động của giao thức NTP (UDP port 123) và thuật toán "intersection algorithm"; kiến trúc Firebase Realtime Database và Firebase Hosting; các thành phần cơ bản của ngôn ngữ HTML (bảng thẻ tag) và CSS; lý thuyết về các chuẩn truyền thông I2C (địa chỉ 7-bit) và các chuẩn Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n/a/ac/ad.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Xây dựng sơ đồ khối tổng thể của hệ thống gồm 8 khối chức năng. Thực hiện tính toán chi tiết tải điện của từng linh kiện (ESP8266: 170mA, LCD: 120mA, I2C: 160mA, SIM800A: 2000mA, LED: 315mA, Buzzer: 20mA, IC 74HC595: 18mA, IC 74HC165: 12mA) để rút ra tổng dòng $2.815\text{ A}$, tổng công suất $12.418\text{ W}$ và chọn Adapter $5\text{V} - 3\text{A}$. Thiết lập phương trình Kirchhoff tính điện trở hạn dòng LED ($150,\Omega$). Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch, bản vẽ mô hình 3D vỏ hộp 3 tầng bậc thang bằng SolidWorks kích thước $330 \times 258 \times 120\text{ mm}$, khay mica $250 \times 61\text{ mm}$ và cấu trúc các màn hình chức năng của App di động và Web quản trị.

Chương 4: Thi công hệ thống

Mô tả toàn diện quy trình chế tạo thực tế:

  • Thiết kế mạch in, bố trí linh kiện 3D cho Board điều khiển trung tâm và Board kiểm tra cảm biến. Trình bày chi tiết quy trình 9 bước gia công PCB thủ công và danh mục vật tư cơ khí (ốc M3, ke góc in 3D, mica 4mm).
  • Cải tạo góc mở tiếp điểm công tắc hành trình từ $> 135^\circ$ xuống $> 90^\circ$.
  • Lắp ráp hoàn chỉnh kết cấu cơ khí và đóng gói phần cứng vào thân hộp.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình chính trên ESP8266, lưu đồ xử lý dữ liệu App và lưu đồ trang Web.
  • Hướng dẫn các bước thiết lập dự án trên MIT App Inventor 2, cấu hình cơ sở dữ liệu Firebase (Rules, Database Secrets, kết nối JSON) và tài liệu hướng dẫn vận hành thiết bị.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Trình bày hình ảnh sản phẩm hoàn thiện sau khi gia công và kết quả thực nghiệm hệ thống. Đánh giá tính ổn định trong việc đồng bộ thời gian từ NTP, mức độ phản hồi của cơ sở dữ liệu Firebase khi nhận lệnh từ App và Web, khả năng phát tín hiệu cảnh báo tại chỗ (LED đỏ và còi chíp), độ chính xác khi phát hiện mở nắp ngăn thuốc và chức năng gửi SMS qua SIM800A. Đưa ra các nhận xét khách quan về ưu điểm và hạn chế của phần cứng lẫn phần mềm.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, xác nhận hệ thống đã thi công hoàn chỉnh và hoạt động đúng theo các thông số thiết kế. Đồng thời chỉ ra các điểm còn tồn tại và đề xuất các giải pháp kỹ thuật mở rộng cho đề tài trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

Hệ thống hộp thuốc thông minh đã được thi công và thử nghiệm hoàn chỉnh với các kết quả cụ thể:

  • Mô hình phần cứng hoàn chỉnh bằng mica bậc thang 3 tầng chứa đủ 21 ngăn thuốc cho 7 ngày (Sáng, Trưa, Chiều), kích thước thực tế $330 \times 258 \times 120\text{ mm}$.
  • Vi điều khiển ESP8266 đồng bộ thời gian thực chuẩn xác qua NTP server qua Wi-Fi và hiển thị rõ ràng trên LCD 16x2.
  • Ứng dụng App Android (SmartPillBox) và Website quản lý thiết lập lịch uống thuốc ổn định, đồng bộ tức thời dữ liệu lên Firebase Realtime Database.
  • Hệ thống cảnh báo tại chỗ hoạt động chính xác: Khi đến giờ hẹn, LED đỏ tại đúng vị trí ngăn thuốc tương ứng nhấp nháy đồng thời còi buzzer phát âm thanh nhắc nhở.
  • Bộ phận cảm biến công tắc hành trình phát hiện chuẩn xác góc mở nắp $> 90^\circ$.
  • Kịch bản cảnh báo từ xa: Khi quá thời gian 5 phút tính từ lúc chuông reo mà người bệnh chưa mở nắp hộp thuốc, hệ thống tự động điều khiển module SIM800A gửi tin nhắn SMS cảnh báo đến số điện thoại đã lưu.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  1. Tối ưu hóa tài nguyên phần cứng: Giải quyết bài toán mở rộng 42 đường I/O (21 ngõ ra LED/buzzer và 21 ngõ vào công tắc hành trình) trên một vi điều khiển có số chân hạn chế như ESP8266 NodeMCU bằng cách kết hợp 3 IC 74HC595 và 3 IC 74HC165, giúp tiết kiệm chân vi điều khiển mà vẫn đảm bảo tính độc lập từng ngăn.
  2. Tiết giảm chi phí chế tạo: Thay thế hoàn toàn module RTC phần cứng bằng giải pháp giao thức NTP qua mạng Internet, vừa giảm giá thành vừa đảm bảo độ chính xác thời gian mili-giây.
  3. Đa dạng hóa phương thức điều khiển: Tích hợp đồng thời cả nền tảng Website (HTML/CSS) và ứng dụng di động Android (MIT App Inventor) thông qua trung gian đám mây Firebase Realtime Database, giúp người nhà có thể giám sát và cài đặt lịch uống thuốc từ xa một cách linh hoạt.
  4. Cải tiến cơ khí thực dụng: Thiết kế vỏ hộp dạng bậc thang và hiệu chỉnh góc tác động của công tắc hành trình, giúp việc mở nắp dễ dàng và nhận diện trạng thái đóng/mở chính xác mà không cần hệ thống cảm biến quang học đắt tiền hay cơ cấu chuyển động cơ khí phức tạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Phụ thuộc kết nối mạng: Toàn bộ quá trình lấy thời gian thực (NTP) và nhận dữ liệu cài đặt mới phụ thuộc hoàn toàn vào sóng Wi-Fi; khi mất kết nối Internet, hệ thống không thể tự cập nhật giờ nếu bị ngắt nguồn.
  • Giới hạn kiểm tra thuốc: Hệ thống mới chỉ phát hiện được hành vi mở/đóng nắp hộp thông qua công tắc hành trình cơ học, chưa kiểm soát được lượng thuốc thực tế bên trong ngăn có được lấy ra hay chưa.
  • Gia công mạch in thủ công: Các bo mạch PCB tự gia công bằng phương pháp thủ công 1 lớp nên kích thước còn lớn và tính thẩm mỹ chưa đạt mức công nghiệp.
  • Phạm vi dạng thuốc: Chỉ phù hợp cho thuốc dạng viên, chưa hỗ trợ thuốc dạng lỏng hoặc các loại thuốc đòi hỏi bảo quản lạnh.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp

  • Bổ sung module cảm biến cân nặng (Loadcell) hoặc cảm biến quang học (hồng ngoại) tại đáy từng ngăn thuốc để kiểm tra chính xác lượng thuốc đã được lấy ra ngoài hay chưa.
  • Tích hợp thêm module RTC (như DS3231) dự phòng trên bo mạch để duy trì thời gian thực độc lập ngay cả khi mất kết nối mạng Wi-Fi hoặc mất điện.
  • Thiết kế và đặt gia công mạch in PCB 2 lớp chuyên nghiệp theo chuẩn công nghiệp để giảm kích thước và tăng độ bền cơ học.
  • Nâng cấp ứng dụng di động hỗ trợ đa nền tảng (cả Android và iOS) và tích hợp các tính năng nâng cao như lưu trữ nhật ký uống thuốc chi tiết của bệnh nhân.
  • Nghiên cứu cơ cấu khay thuốc tự động đẩy hoặc nắp khóa thông minh để ngăn chặn tuyệt đối việc người bệnh mở nhầm các ngăn thuốc chưa đến cữ.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Y sinh, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Cơ điện tử và Công nghệ Thông tin (IoT): Cung cấp tài liệu mẫu mực về quy trình thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống nhúng IoT phục vụ chăm sóc sức khỏe tại nhà, từ khâu tính toán tải điện, thiết kế mạch nguyên lý, gia công PCB đến lập trình vi điều khiển và ứng dụng di động.
  • Người nghiên cứu các giải pháp mở rộng I/O cho vi điều khiển: Phần kỹ thuật ghép nối chuỗi nối tiếp các IC ghi dịch 74HC595 (xuất dữ liệu) và 74HC165 (đọc dữ liệu) là tài liệu tham khảo trực quan cho các bài toán điều khiển nhiều ngõ vào/ra với số lượng chân vi điều khiển hạn chế.
  • Kỹ sư phát triển ứng dụng IoT kết nối Firebase: Cung cấp quy trình từng bước kết nối ESP8266 với Firebase Realtime Database và tích hợp với ứng dụng MIT App Inventor 2 phục vụ các hệ thống điều khiển và giám sát từ xa.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống không sử dụng module thời gian thực RTC rời (như DS1307 hay DS3231) mà lại sử dụng giao thức NTP?
Trả lời: Tác giả tận dụng module Wi-Fi tích hợp sẵn trên ESP8266 NodeMCU để lấy thời gian thực từ NTP Server thông qua mạng Internet (giao thức UDP, cổng 123). Giải pháp này giúp tiết kiệm chi phí linh kiện phần cứng, giảm độ phức tạp khi đi dây trên bo mạch mà vẫn đảm bảo độ chính xác thời gian cao (trong phạm vi vài mili-giây so với giờ chuẩn UTC) nhờ thuật toán "intersection algorithm".

2. Làm thế nào vi điều khiển ESP8266 điều khiển được 21 đèn LED và đọc trạng thái 21 công tắc hành trình khi vi điều khiển có số chân I/O rất hạn chế?
Trả lời: Đề tài sử dụng phương pháp ghép nối IC ghi dịch:

  • Dùng 3 IC 74HC595 (ghép nối tiếp) kết nối vào 3 chân (D6, D7, D8) của NodeMCU để mở rộng thành 24 ngõ ra điều khiển 21 LED và 1 buzzer.
  • Dùng 3 IC 74HC165 (ghép nối tiếp) kết nối vào 4 chân (D0, D3, D4, D5) của NodeMCU để đọc dữ liệu song song từ 21 công tắc hành trình thành chuỗi nối tiếp.

3. Tại sao tác giả phải thay đổi hình dáng thanh tiếp xúc kim loại của công tắc hành trình trong quá trình thi công?
Trả lời: Ban đầu, thanh tiếp xúc của công tắc hành trình là dạng thanh thép phẳng dài, đòi hỏi nắp hộp thuốc phải mở một góc lớn hơn $135^\circ$ mới kích hoạt được tiếp điểm. Tác giả đã bẻ gấp góc lại thanh kim loại này để nắp hộp chỉ cần mở một góc lớn hơn $90^\circ$ là đã tác động lên tiếp điểm, giúp hệ thống phát hiện việc mở nắp nhanh chóng và tin cậy hơn.

4. Tổng công suất tiêu thụ tối đa của toàn mạch là bao nhiêu và nguồn điện được lựa chọn như thế nào?
Trả lời: Tổng dòng tiêu thụ tính toán lớn nhất của các linh kiện là $2.815\text{ A}$ (trong đó module SIM800A chiếm dòng đỉnh $2\text{A}$ khi truyền dữ liệu), tương ứng công suất tiêu thụ toàn mạch $P = 12.418\text{ W}$ ở điện áp 5V. Do đó, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn Adapter $5\text{V} - 3\text{A}$ (15W) để cấp nguồn hoạt động ổn định và an toàn.

5. Cơ chế xử lý của hệ thống diễn ra như thế nào khi đến giờ uống thuốc mà người bệnh không lấy thuốc?
Trả lời: Khi giờ thực trùng với giờ hẹn, ESP8266 kích hoạt nhấp nháy LED đỏ tại ngăn thuốc cần uống và bật còi buzzer cảnh báo. Đồng thời vi điều khiển bắt đầu đếm thời gian 5 phút; nếu sau 5 phút trạng thái công tắc hành trình tại ngăn đó không đổi (nắp hộp chưa được mở), ESP8266 sẽ gửi lệnh AT qua cổng UART để kích hoạt module SIM800A gửi tin nhắn SMS với nội dung "Nguoi benh chua lay thuoc" đến số điện thoại của người thân.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công hộp thuốc thông minh dùng cho người già" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đặt ra từ thiết kế phần cứng, thi công mô hình 21 ngăn bằng mica 3 tầng đến lập trình điều khiển nhúng trên ESP8266 và xây dựng ứng dụng di động/web qua cơ sở dữ liệu đám mây Firebase. Thiết bị giải quyết hiệu quả bài toán nhắc nhở đúng giờ, chỉ dẫn đúng vị trí ngăn thuốc và gửi tin nhắn cảnh báo người thân khi người bệnh quên uống thuốc. Mặc dù còn phụ thuộc vào kết nối Internet Wi-Fi và gia công mạch in thủ công, công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho việc ứng dụng công nghệ IoT vào các thiết bị hỗ trợ chăm sóc sức khỏe tại gia đình.