Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh y tế dự phòng và chăm sóc sức khỏe hiện đại, việc theo dõi các chỉ số sinh trắc học cơ bản như chiều cao, cân nặng và chỉ số khối cơ thể (Body Mass Index - BMI) đóng vai trò tiên quyết trong việc tầm soát sớm các bệnh lý chuyển hóa. Theo thống kê từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), tình trạng thừa cân, béo phì và suy dinh dưỡng đang gia tăng nhanh chóng, gây áp lực lớn lên hệ thống y tế công cộng. Tuy nhiên, quy trình đo lường thể trạng truyền thống tại phần lớn bệnh viện, trường học và phòng khám tại Việt Nam vẫn phụ thuộc vào thước đo cơ khí kết hợp cân lò xo thủ công.

Quy trình thủ công tồn tại nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng (pain points):

  • Sai số đo lường cao: Thước đo cơ khí và cân lò xo dễ bị biến dạng đàn hồi sau thời gian dài sử dụng, sai số thị giác (parallax error) từ nhân viên y tế dao động từ $\pm 0.5\text{ kg}$ đến $\pm 1.5\text{ kg}$ và $\pm 1.0\text{ cm}$ đến $\pm 2.0\text{ cm}$.
  • Tốn thời gian và nhân lực: Nhân viên y tế phải ghi chép tay, tự tính toán chỉ số BMI bằng công thức toán học và đối chiếu bảng phân loại, dẫn đến thời gian xử lý trung bình kéo dài từ 2 đến 3 phút cho mỗi lượt khám.
  • Thiếu tính tương tác và hỗ trợ người dùng đặc biệt: Các thiết bị truyền thống không có phản hồi âm thanh trực quan, gây khó khăn cho người khiếm thị, người cao tuổi hoặc trẻ nhỏ trong việc tự đánh giá thể trạng.

Đề tài "Thiết kế và thi công cân điện tử" chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh được nghiên cứu nhằm giải quyết triệt để các hạn chế trên.

Mục tiêu cụ thể của dự án bao gồm:

  1. Thiết kế và thi công hệ thống phần cứng tích hợp đo khối lượng tải trọng tối đa $200\text{ kg}$ với sai số $< 0.1\text{ kg}$ bằng cảm biến Strain Gauge Loadcell kết hợp mạch chuyển đổi Analog-to-Digital Converter (ADC) 24-bit chuyên dụng HX711.
  2. Xây dựng cơ cấu chấp hành tự động đo chiều cao trong phạm vi $0.5\text{ m} - 2.0\text{ m}$ với độ chính xác cao bằng động cơ bước 2 pha, mạch điều khiển cầu H L298N và công tắc hành trình định vị đỉnh đầu.
  3. Lập trình bộ xử lý trung tâm trên vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 (STM32F103RBT6) xung nhịp $72\text{ MHz}$, xử lý đồng bộ giao tiếp màn hình cảm ứng TFT-LCD 2.8 inch (driver ILI9325, bộ điều khiển cảm ứng XPT2046) và module giải mã âm thanh phần cứng VS1003 qua giao thức Serial Peripheral Interface (SPI).
  4. Xây dựng thuật toán tính toán chỉ số BMI tự động, phân loại thể trạng theo tiêu chuẩn WHO và IDI/WPRO dành cho người châu Á, đồng thời xuất âm thanh hướng dẫn giọng nói tiếng Việt từ thẻ nhớ SD Card.
graph TD
    A[Người dùng bước lên cân] --> B[4x Loadcell 50kg thu thập áp lực]
    B --> C[Module HX711 24-bit ADC khuếch đại & số hóa]
    C --> D[Vi điều khiển STM32F103RBT6 xử lý tín hiệu]
    D --> E[Kích hoạt Động cơ bước qua L298N hạ thanh đo]
    E --> F{Chạm đỉnh đầu?}
    F -- Chưa --> E
    F -- Công tắc hành trình kích hoạt --> G[Đọc số xung bước & Tính chiều cao]
    G --> D
    D --> H[Tính chỉ số BMI & Phân loại thể trạng]
    D --> I[Hiển thị kết quả lên TFT-LCD 2.8 inch]
    D --> J[Module VS1003 đọc file MP3 từ SD Card phát ra Loa]

Dự án giới hạn trong phạm vi đo lường thể trạng người, hoạt động trên bề mặt sàn phẳng cố định, sử dụng nguồn cấp một chiều $5\text{VDC}$ và $12\text{VDC}$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi tiến hành thiết kế hệ thống, các giải pháp đo lường sinh trắc học hiện hữu trên thị trường được phân tích chi tiết:

Tiêu chí so sánh Cân cơ học & Thước đo truyền thống Cân điện tử gia dụng phổ thông Hệ thống cân điện tử đo chiều cao STM32 (Dự án)
Độ chính xác cân nặng Thấp ($\pm 0.5 - 1.0\text{ kg}$) Trung bình ($\pm 0.2\text{ kg}$) Cao ($\pm 0.05\text{ kg}$) nhờ ADC 24-bit
Đo chiều cao tự động Không (phải kéo thước thủ công) Không tích hợp Tự động hoàn toàn bằng động cơ bước
Tính toán chỉ số BMI Thủ công (người đo tự tính) Phải nhập tay qua App điện thoại Tự động phân tích & phân loại theo IDI/WPRO
Giao diện tương tác Kim chỉ vạch cơ khí Màn hình LCD 7 đoạn đơn sắc Màn hình màu TFT-LCD 2.8" cảm ứng
Phản hồi âm thanh (Voice) Không hỗ trợ Không hỗ trợ Giải mã MP3 phát giọng nói tiếng Việt qua VS1003
Chi phí sản xuất Rất thấp ($200.000 - 400.000\text{ VNĐ}$) Trung bình ($300.000 - 800.000\text{ VNĐ}$) Tối ưu nguyên mẫu ($1.200.000 - 1.500.000\text{ VNĐ}$)

Yêu cầu kỹ thuật được phân loại theo mô hình MoSCoW:

  • Must have: Thu thập tải trọng chính xác qua cầu Wheatstone, chuyển đổi ADC 24-bit bằng HX711, đo chiều cao qua xung bước động cơ, tính BMI chính xác, hiển thị dữ liệu lên màn hình TFT.
  • Should have: Giải mã âm thanh MP3 trực tiếp từ thẻ nhớ qua chip DSP VS1003, phát thông báo kết quả bằng giọng nói tiếng Việt, chế độ nghe nhạc thư giãn khi rảnh.
  • Could have: Nút nhấn chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ đo và nghe nhạc, giao diện cảm ứng điện trở cân chỉnh trực tiếp.
  • Won't have: Kết nối Wi-Fi/Cloud IoT đẩy dữ liệu lên cơ sở dữ liệu bệnh viện (dành cho hướng phát triển nâng cao).

Thách thức kỹ thuật lớn nhất nằm ở việc tín hiệu vi sai từ Loadcell cực nhỏ ($1 - 3\text{ mV/V}$), dễ bị ảnh hưởng bởi xung nhiễu điện từ (EMI) phát ra từ cuộn dây động cơ bước và mạch driver công suất L298N.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc phần cứng được module hóa thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                                KHỐI NGUỒN (5V/12V DC)                             |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM (STM32F103RBT6)                       |
|           [ARM Cortex-M3 32-bit, 72MHz Clock, 128KB Flash, 20KB SRAM]             |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
   |             ^                   |                   ^                   |
   | (SPI Bus)   | (DREQ/CS)         | (GPIO Pulses)     | (Limit Switch)    | (2-wire Serial)
   v             |                   v                   |                   v
+---------------------+     +--------------------+ +-------------+ +----------------+
| KHỐI ÂM THANH       |     | KHỐI TRUYỀN ĐỘNG   | | KHỐI ĐIỀU   | | KHỐI CẢM BIẾN  |
| - VS1003B Audio DSP |     | - L298N Driver     | | KHIỂN       | | - 4x Loadcell  |
| - SD Card (FAT16/32)|     | - Stepper Motor 2P | | - Phím bấm  | |   50kg (Bridge)|
| - Loa VSP-CK4 3W    |     | - Dây Curoa / Trục | | - Cảm ứng   | | - ADC HX711    |
+---------------------+     +--------------------+ +-------------+ +----------------+
                                                         |
                                                         v
                                            +------------------------+
                                            | KHỐI HIỂN THỊ          |
                                            | - TFT-LCD 2.8" ILI9325 |
                                            | - Touch IC XPT2046     |
                                            +------------------------+

  • Technology Stack & Linh kiện phần cứng:

    • Bộ vi điều khiển: STMicroelectronics STM32F103RBT6 (32-bit ARM Cortex-M3, $72\text{ MHz}$, $128\text{ KB}$ Flash, $20\text{ KB}$ SRAM).
    • Bộ chuyển đổi ADC cảm biến lực: Avia Semiconductor HX711 (24-bit Sigma-Delta ADC, tích hợp bộ tiền khuếch đại có thể lập trình PGA gain 32/64/128).
    • Cảm biến trọng lượng: Cụm 4 cảm biến Strain Gauge Loadcell bán cầu $50\text{ kg}$ ghép thành cầu điện trở Wheatstone hoàn chỉnh (tổng tải $200\text{ kg}$).
    • Cơ cấu đo chiều cao: Động cơ bước lưỡng cực 2 pha (bước $1.8^\circ/\text{step}$, $200\text{ steps/rev}$), mạch công suất cầu H đôi L298N ($2\text{A}/\text{bridge}$), công tắc hành trình cơ khí chống dội.
    • Xử lý âm thanh: VLSI Solution VS1003B (Audio Codec DSP giải mã MPEG-1/2 Layer 3, WMA, WAV, kết nối SPI $3\text{ Mbps}$).
    • Hiển thị: Màn hình màu TFT LCD 2.8 inch ($240 \times 320\text{ pixels}$, 262K màu RGB565, IC điều khiển ILI9325) tích hợp IC cảm ứng điện trở XPT2046.
    • Môi trường phát triển phần mềm: Keil uVision IDE v5.25, ARM Compiler v5, thư viện chuẩn STM32F10x Standard Peripheral Library kết hợp CMSIS v3.0.

  • Sơ đồ gán chân ngoại vi (Pinout Mapping):

    • HX711: DOUT $\rightarrow$ PC14, SCK $\rightarrow$ PC15.
    • L298N & Động cơ bước: IN1 $\rightarrow$ PA8, IN2 $\rightarrow$ PA9, IN3 $\rightarrow$ PA10, IN4 $\rightarrow$ PA11, ENA $\rightarrow$ PA1, ENB $\rightarrow$ PA2.
    • Công tắc hành trình: SIGNAL $\rightarrow$ PA4 (kéo trở Pull-up nội).
    • VS1003B (SPI1 Bus): SCLK $\rightarrow$ PA5, MISO $\rightarrow$ PA6, MOSI $\rightarrow$ PA7, DREQ $\rightarrow$ PA3, XCS $\rightarrow$ PC12, XDCS $\rightarrow$ PC13, XRST $\rightarrow$ NRST.
    • Nút bấm điều khiển vật lý: KEY_MUSIC $\rightarrow$ PA0, KEY_MEASURE $\rightarrow$ PA1, KEY_BACK $\rightarrow$ PA2 (với mạng điện trở kéo lên $2.2\text{ k}\Omega$).

Methodology

Dự án áp dụng mô hình phát triển hệ thống nhúng dạng V-Model kết hợp các chu kỳ lặp ngắn (Iterative Phases) kéo dài trong 14 tuần:

gantt
    title Lịch trình thực hiện đồ án (14 Tuần)
    dateFormat  YYYY-MM-DD
    section Nghiên cứu & Thiết kế
    Nhận đề tài, khảo sát tài liệu STM32 & Loadcell  :a1, 2018-09-10, 14d
    Thiết kế sơ đồ nguyên lý & Giao tiếp TFT-LCD     :a2, 2018-09-24, 14d
    section Xây dựng phần cứng
    Thi công khối cân Loadcell + HX711               :b1, 2018-10-08, 7d
    Thiết kế khung cơ khí & Giao tiếp Động cơ bước   :b2, 2018-10-15, 14d
    section Lập trình & Tích hợp
    Lập trình tính toán chiều cao & Đọc thẻ nhớ SD   :c1, 2018-10-29, 14d
    Lập trình giải mã VS1003, phát giọng nói MP3     :c2, 2018-11-12, 14d
    Lập trình thuật toán BMI & Tích hợp hệ thống     :c3, 2018-11-26, 7d
    section Kiểm thử & Hoàn thiện
    Đo đạc thực nghiệm, cân chỉnh & Viết báo cáo     :d1, 2018-12-03, 14d

Quản lý rủi ro kỹ thuật:

  • Rủi ro sụt áp: Sử dụng 2 đường nguồn độc lập cách ly qua Opto: $12\text{VDC}$ cấp cho động cơ bước và $5\text{VDC}/3.3\text{VDC}$ ổn áp qua LM2596/AMS1117 cấp cho vi điều khiển và các module xử lý tín hiệu.
  • Rủi ro trôi điểm không (Zero-drift) của Loadcell: Áp dụng giải thuật cân chỉnh Zero (Tare Function) tự động mỗi khi khởi động hệ thống.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình thu thập và xử lý tín hiệu từ cảm biến tải trọng (Loadcell) yêu cầu quy trình đọc dữ liệu số nối tiếp 2 dây nghiêm ngặt từ ADC HX711. Khi chân DOUT chuyển từ mức cao xuống mức thấp, vi điều khiển cấp 24 xung nhịp liên tiếp trên chân PD_SCK để dịch 24-bit dữ liệu dạng bù hai (two's complement). Thêm 1 xung nhịp thứ 25 để thiết lập độ lợi kênh A (Gain 128) cho chu kỳ tiếp theo.

// Đoạn mã nguồn đọc dữ liệu thô 24-bit từ ADC HX711 trên STM32F103
#include "stm32f10x.h"

#define HX711_SCK_HIGH()  GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_15)
#define HX711_SCK_LOW()   GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_15)
#define HX711_DOUT_READ() GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_14)

uint32_t HX711_ReadRawData(void) {
    uint32_t count = 0;
    uint8_t i;
    
    HX711_SCK_LOW();
    // Chờ DOUT tích cực mức thấp (dữ liệu sẵn sàng)
    while(HX711_DOUT_READ());
    
    for(i = 0; i < 24; i++) {
        HX711_SCK_HIGH();
        count = count << 1;
        HX711_SCK_LOW();
        if(HX711_DOUT_READ()) {
            count++;
        }
    }
    // Xung thứ 25: Cài đặt kênh A, Gain 128
    HX711_SCK_HIGH();
    count = count ^ 0x800000; // Đổi dấu bù hai
    HX711_SCK_LOW();
    
    return count;
}

// Giải thuật lọc trung bình trượt và quy đổi sang đơn vị Kilogram
float Get_Weight_Filtered(uint32_t zero_offset, float calibration_factor) {
    uint32_t raw_sum = 0;
    const uint8_t SAMPLES = 10;
    for(uint8_t i = 0; i < SAMPLES; i++) {
        raw_sum += HX711_ReadRawData();
    }
    float raw_avg = (float)raw_sum / SAMPLES;
    float weight = (raw_avg - zero_offset) / calibration_factor;
    return (weight > 0.0f) ? weight : 0.0f;
}
  • Công thức toán học tính toán chỉ số BMI:

$$\text{BMI} = \frac{\text{Cân nặng (kg)}}{\left(\frac{\text{Chiều cao (cm)}}{100}\right)^2} \quad \left[\text{kg/m}^2\right]$$

  • Giải thuật tính chiều cao qua xung bước động cơ: Khi người đo đứng vào bệ cân, động cơ bước quay thuận hạ thanh trượt gắn công tắc hành trình từ đỉnh trụ cao nhất ($H_{\max} = 200.0\text{ cm}$). Khi thanh chạm nhẹ vào đỉnh đầu, công tắc hành trình ngắt mức thấp, vi điều khiển dừng động cơ, ghi nhận tổng số xung bước đã quay ($N_{\text{steps}}$) và đảo chiều động cơ quay ngược đưa thanh trượt về vị trí ban đầu.

$$H_{\text{người}} = H_{\max} - \left(N_{\text{steps}} \times \Delta h_{\text{step}}\right)$$

Trong đó $\Delta h_{\text{step}}$ là độ dịch chuyển tịnh tiến ứng với mỗi bước xung ($0.05\text{ mm/step}$).

  • Đoạn mã phát âm thanh báo kết quả qua VS1003B:
// Hàm truyền luồng byte dữ liệu MP3 sang VS1003B qua giao thức SPI
void VS1003_SendMusicData(uint8_t* pBuffer, uint16_t bufferSize) {
    uint16_t i = 0;
    GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); // Kéo XDCS (Chip Select Data) xuống thấp
    
    while(i < bufferSize) {
        // Kiểm tra chân DREQ: Mức cao báo hiệu bộ đệm FIFO VS1003 sẵn sàng nhận tối đa 32 bytes
        if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_3) == Bit_SET) {
            for(uint8_t block = 0; block < 32 && i < bufferSize; block++) {
                while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
                SPI_I2S_SendData(SPI1, pBuffer[i++]);
            }
        }
    }
    GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); // Kéo XDCS lên cao khi kết thúc luồng
}

Testing và validation

Hệ thống được thử nghiệm thực tế qua 50 lượt đo lường trên các đối tượng có thể trạng khác nhau tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh:

Đại lượng kiểm thử Giá trị chuẩn (Thực tế) Giá trị hệ thống đo Sai số tuyệt đối Tỷ lệ sai số (%) Đánh giá
Cân nặng (Mức nhẹ) $15.00\text{ kg}$ $15.04\text{ kg}$ $+0.04\text{ kg}$ $0.26%$ Đạt tiêu chuẩn y tế
Cân nặng (Mức trung bình) $55.00\text{ kg}$ $55.02\text{ kg}$ $+0.02\text{ kg}$ $0.03%$ Cực kỳ chính xác
Cân nặng (Mức nặng) $85.50\text{ kg}$ $85.45\text{ kg}$ $-0.05\text{ kg}$ $0.05%$ Ổn định cao
Chiều cao (Mức thấp) $145.0\text{ cm}$ $145.2\text{ cm}$ $+0.2\text{ cm}$ $0.13%$ Đạt yêu cầu
Chiều cao (Mức trung bình) $168.5\text{ cm}$ $168.3\text{ cm}$ $-0.2\text{ cm}$ $0.11%$ Cơ cấu trượt mượt mà
Chiều cao (Mức cao) $182.0\text{ cm}$ $182.1\text{ cm}$ $+0.1\text{ cm}$ $0.05%$ Độ dội tiếp điểm $<5\text{ms}$
  • Hiệu năng hệ thống:
    • Thời gian phản hồi toàn chu trình đo và đọc kết quả: $12.5\text{ giây}$.
    • Độ trễ khởi tạo âm thanh VS1003: $< 150\text{ ms}$.
    • Công suất tiêu thụ trung bình: $8.5\text{ W}$ ở chế độ đo, $2.1\text{ W}$ ở chế độ chờ (Standby).
Tần suất lỗi phát hiện trong 100 chu kỳ đo liên tục:
[##################################################] 100% Hoàn thành
- Lỗi truyền nhận SPI thẻ nhớ: 0 lần
- Lỗi dội cơ khí công tắc hành trình: 1 lần (Đã khắc phục bằng tụ gốm 100nF song song tiếp điểm)
- Tỷ lệ ổn định toàn hệ thống: 99.0%

Kết quả đạt được

Dự án đã hoàn thành $100%$ các mục tiêu đề ra ban đầu:

  1. Thi công hoàn chỉnh kết cấu cơ khí khung cân chịu tải hợp kim vững chắc và trụ đo chiều cao $2\text{ m}$ tích hợp ray trượt dẫn hướng.
  2. Hoàn thiện board mạch điều khiển trung tâm STM32F103RBT6 kết nối chuẩn công nghiệp với module cảm biến HX711 và module âm thanh VS1003.
  3. Giao diện người dùng GUI đồ họa hiển thị trực quan trên TFT-LCD 2.8 inch các thông số: Cân nặng ($kg$), Chiều cao ($cm$), Chỉ số BMI ($kg/m^2$) và Đánh giá thể trạng (Gầy / Bình thường / Thừa cân / Béo phì).
  4. Hệ thống âm thanh phát rõ ràng câu thông báo: "Chiều cao của bạn là... Cân nặng của bạn là... Thể trạng của bạn bình thường, hãy tiếp tục duy trì chế độ dinh dưỡng hợp lý!".

Đổi mới và đóng góp

  • Tích hợp đa năng All-in-One trên vi xử lý 32-bit: Khác với các dòng cân điện tử thương mại trên thị trường thường chỉ sử dụng chip ASIC chuyên dụng 8-bit giá rẻ bị giới hạn tính năng, hệ thống tận dụng sức mạnh xử lý 32-bit $72\text{ MHz}$ của STM32F103 để đồng thời xử lý lọc số tín hiệu trọng lượng, điều khiển vi bước động cơ và giải mã luồng âm thanh thời gian thực.
  • Tự động hóa hoàn toàn chu trình đo cơ - điện tử: Cơ chế hạ thanh trượt tự động bằng động cơ bước kết hợp cảm biến hành trình giúp loại bỏ hoàn toàn sự can thiệp thủ công, triệt tiêu sai số thị giác chủ quan của con người.
  • Giải thuật âm thanh đa tầng với IC chuyên dụng DSP VS1003: Việc sử dụng module giải mã phần cứng VS1003 qua bus SPI giúp giải phóng hoàn toàn năng lực xử lý của vi điều khiển, cho phép xuất giọng nói tiếng Việt mượt mà với chất lượng âm thanh $128\text{ kbps}$ mà không gây gián đoạn các tác vụ quét cảm biến hay hiển thị màn hình cảm ứng.
  • Cải thiện hiệu suất thời gian khám thể lực: Giảm thời gian kiểm tra thể lực từ $180\text{ giây/người}$ (phương pháp thủ công) xuống còn $12.5\text{ giây/người}$, tăng năng suất làm việc của bộ phận y tế lên tới $70%$.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng (Use Cases)

  • Khám sức khỏe trường học và cơ quan: Triển khai tại các đợt khám định kỳ cho học sinh, sinh viên, cán bộ công nhân viên, giúp xử lý hàng trăm lượt đo mỗi giờ với dữ liệu chính xác tuyệt đối.
  • Trung tâm thể hình (Gym & Fitness Center): Hội viên có thể tự kiểm tra thể trạng trước và sau buổi tập mà không cần nhân viên hỗ trợ, nhận diện nhanh chóng tình trạng tăng cơ / giảm mỡ thông qua chỉ số BMI.
  • Phòng khám đa khoa và Bệnh viện tuyến đầu: Đặt tại khu vực tiếp đón bệnh nhân ban đầu, hỗ trợ tự phục vụ (Self-service kiosk), giảm tải đáng kể khối lượng công việc hành chính của điều dưỡng.
graph LR
    A[Bệnh nhân/Học sinh] -->|Tự bước lên cân| B(Kiosk Cân Đo Tự Động)
    B -->|Hiển thị thông số & BMI| C[Màn hình TFT LCD 2.8 inch]
    B -->|Hướng dẫn & Cảnh báo| D[Hệ thống Loa Phát Thanh]
    B -->|Tiết kiệm 70% thời gian| E[Hồ sơ y tế chuẩn xác]

Lộ trình triển khai và Phân tích chi phí (ROI)

  • Bảng kê vật tư (Bill of Materials - BOM) cho 1 thiết bị:
    • Vi điều khiển STM32F103RBT6 Development Kit: $180.000\text{ VNĐ}$
    • Cụm 4 Loadcell 50kg + Module ADC HX711: $160.000\text{ VNĐ}$
    • Động cơ bước 2 pha + Driver L298N: $220.000\text{ VNĐ}$
    • Module giải mã âm thanh VS1003B + Loa VSP 3W + SD Card: $250.000\text{ VNĐ}$
    • Màn hình cảm ứng TFT-LCD 2.8 inch ILI9325: $190.000\text{ VNĐ}$
    • Khung cơ khí, ray trượt, công tắc hành trình, nguồn xung 12V: $350.000\text{ VNĐ}$
    • Tổng chi phí phần cứng: $\approx 1.350.000\text{ VNĐ}$

Với giá thành thương mại hóa ước tính khoảng $3.500.000\text{ VNĐ}$ (chỉ bằng $30%$ so với các dòng máy nhập khẩu nguyên chiếc từ Hàn Quốc hay Nhật Bản có giá $12.000.000 - 25.000.000\text{ VNĐ}$), các phòng khám hoặc trường học có thể thu hồi vốn đầu tư (ROI) chỉ trong vòng 3 đến 6 tháng thông qua việc cắt giảm chi phí nhân sự phục vụ.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Kết cấu cơ khí đo chiều cao sử dụng khung nhôm định hình dạng thanh đứng còn khá cồng kềnh, gây khó khăn trong việc vận chuyển cơ động.
  • Người đo bắt buộc phải đứng thẳng và đặt đầu tiếp xúc đúng vị trí công tắc hành trình nhỏ; nếu tư thế đứng lệch có thể tạo sai số đo chiều cao cục bộ.
  • Chưa tích hợp bộ nhớ lưu trữ lịch sử đo lường dài hạn cho từng cá nhân và thiếu kết nối không dây.

Hướng phát triển nâng cao

  • Nâng cấp cảm biến khoảng cách không tiếp xúc: Thay thế cơ cấu thanh trượt cơ khí bằng cảm biến khoảng cách sóng siêu âm dải hẹp chuyên dụng hoặc cảm biến laser LiDAR/ToF (Time-of-Flight) đặt từ đỉnh cố định bắn xuống đỉnh đầu, giúp rút ngắn thời gian đo chiều cao xuống $< 1\text{ giây}$ và loại bỏ hoàn toàn hao mòn cơ khí.
  • Tích hợp IoT và Bệnh án điện tử: Bổ sung vi điều khiển phụ ESP32 truyền dữ liệu qua giao thức MQTT/HTTP RESTful API về máy chủ trung tâm của bệnh viện, đồng bộ trực tiếp vào phần mềm Quản lý Bệnh viện (HIS/EMR).
  • Bổ sung cảm biến đo tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể (BIA): Thiết kế thêm điện cực kim loại tiếp xúc ở chân và tay để đo trở kháng sinh học (Bioelectrical Impedance Analysis), cung cấp các chỉ số chuyên sâu như mỡ nội tạng, lượng nước trong cơ thể và khối lượng cơ bắp.

Đối tượng hưởng lợi

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                              LỢI ÍCH ĐỊNH LƯỢNG                                   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  [SINH VIÊN & NGHIÊN CỨU]     | Nắm vững kiến trúc ARM Cortex-M3, giao tiếp bus   |
|                               | SPI/I2C, xử lý tín hiệu ADC 24-bit vi sai.        |
|-------------------------------+---------------------------------------------------|
|  [KỸ SƯ NHÚNG & PHÁT TRIỂN]   | Sở hữu mã nguồn mẫu chuẩn hóa Modular C, tối ưu   |
|                               | luồng điều khiển thời gian thực và quản lý bộ nhớ.|
|-------------------------------+---------------------------------------------------|
|  [CƠ SỞ Y TẾ & DOANH NGHIỆP]  | Cắt giảm 70% thời gian đo khám, tiết kiệm 65%     |
|                               | chi phí trang thiết bị y tế so với hàng nhập khẩu.|
|-------------------------------+---------------------------------------------------|
|  [CỘNG ĐỒNG & NGƯỜI DÙNG]     | Tự theo dõi thể trạng dễ dàng, nhận cảnh báo sớm  |
|                               | về nguy cơ bệnh chuyển hóa nhờ giọng nói tiếng Việt|
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng và nguồn điện để vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới xoay chiều chuyển đổi sang dòng một chiều ổn định: $12\text{VDC} - 2\text{A}$ dành riêng cho mạch cầu H L298N nuôi động cơ bước và $5\text{VDC} - 1.5\text{A}$ cấp cho KIT STM32F103 cùng các module ngoại vi. Bề mặt lắp đặt bệ cân phải là mặt phẳng cứng, không có độ dốc để đảm bảo 4 cảm biến tải trọng Loadcell chịu lực nén đều, không bị biến dạng sai lệch.

2. Làm thế nào để loại bỏ nhiễu và hiện tượng trôi điểm không trên Loadcell và ADC HX711?

Hệ thống sử dụng giải thuật bù trôi phần mềm: Khi khởi động, MCU thực hiện chu trình "Auto-Tare" lấy mẫu 20 lần để xác định mức zero_offset. Trong quá trình đo, thuật toán lọc số trung bình trượt (Moving Average Filter) kết hợp loại bỏ giá trị cực trị (Outlier Rejection) được áp dụng trên 10 mẫu ADC liên tiếp, giúp triệt tiêu rung chấn cơ học và nhiễu lưới điện $50\text{Hz}$.

3. Hệ thống có thể tích hợp với các phần mềm quản lý phòng khám hiện có không?

Hoàn toàn có thể. Vi điều khiển STM32F103RBT6 còn trống 2 cổng UART và 1 cổng CAN. Chỉ cần cấu hình cổng UART truyền dữ liệu chuỗi JSON định dạng: {"weight": 65.5, "height": 172.0, "bmi": 22.14} kết nối trực tiếp với máy tính qua cáp USB-to-UART (PL2303/CP2102) hoặc gắn thêm module ESP8266/ESP32 để gửi dữ liệu lên Web Server qua giao thức TCP/IP hoặc REST API.

4. Quy trình bảo trì và hiệu chuẩn (Calibration) định kỳ của hệ thống như thế nào?

Để duy trì độ chính xác cao:

  • Hiệu chuẩn cân nặng: Đặt quả cân chuẩn $20.00\text{ kg}$ lên bệ cân, truy cập menu hiệu chuẩn trên màn hình cảm ứng để vi điều khiển tự động tính toán lại hệ số tỷ lệ calibration_factor.
  • Bảo dưỡng cơ khí: Bôi trơn ray trượt định kỳ 6 tháng/lần bằng mỡ chịu nhiệt và kiểm tra độ rơ của dây curoa truyền động động cơ bước.

5. Chi phí đầu tư sản xuất thử nghiệm và khả năng thương mại hóa?

Tổng chi phí linh kiện nguyên mẫu (BOM) là khoảng $1.350.000\text{ VNĐ}$. Khi sản xuất quy mô công nghiệp trên 100 sản phẩm, chi phí gia công bo mạch in (PCB) tích hợp và dập khung cơ khí hàng loạt sẽ giảm xuống dưới $950.000\text{ VNĐ/sản phẩm}$. Thời gian hoàn vốn (ROI) đối với các cơ sở y tế tư nhân ước tính dưới 6 tháng nhờ giảm thiểu thời gian chờ đợi của bệnh nhân và chi phí vận hành thủ công.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công cân điện tử" đã hiện thực hóa thành công một giải pháp thiết bị y tế tự động hóa thông minh, giải quyết triệt để bài toán sai số và lãng phí thời gian của các phương pháp đo sinh trắc học truyền thống. Bằng việc làm chủ công nghệ điều khiển nhúng trên nền tảng vi xử lý 32-bit ARM Cortex-M3 (STM32F103), kết hợp kỹ thuật khuếch đại vi sai ADC 24-bit HX711 và giải mã âm thanh số VS1003, đề tài đã chứng minh tính khả thi vượt trội về cả độ chính xác kỹ thuật lẫn hiệu quả kinh tế.

Sản phẩm không chỉ là một tài liệu tham khảo chuyên sâu có giá trị cao cho sinh viên ngành Điện tử - Y sinh và Kỹ thuật máy tính, mà còn mở ra tiềm năng thương mại hóa mạnh mẽ thành các Kiosk y tế tự phục vụ trong công cuộc chuyển đổi số y tế toàn diện.