Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong các cơ sở y tế và bệnh viện, trang thiết bị máy móc y tế đóng vai trò quyết định đến chất lượng khám chữa bệnh. Đây là những thiết bị chuyên dụng, có giá thành đầu tư cao, yêu cầu độ chính xác nghiêm ngặt và số lượng thường bị giới hạn. Để đáp ứng nhu cầu điều trị, nhiều cơ sở y tế phải ký hợp đồng thuê thiết bị từ các đơn vị cung cấp dịch vụ bên ngoài. Thực tế này dẫn đến nhu cầu cấp thiết từ hai phía: người quản lý bệnh viện cần nắm rõ tình trạng hoạt động, tần suất sử dụng và tổng thời gian vận hành của máy để phân bổ hợp lý, bảo trì định kỳ, tránh hư hỏng gây sai số chẩn đoán; đồng thời bên cho thuê cũng cần giám sát tổng thời gian hoạt động để tính toán khấu hao và thu hồi máy về bảo dưỡng đúng chu kỳ.
Tại Việt Nam, công tác kiểm tra, bảo trì máy móc y tế chủ yếu thực hiện theo chu kỳ tuần, tháng, năm hoặc đột xuất. Nếu theo dõi thủ công, quy trình đòi hỏi nhiều nhân lực, chi phí và thời gian nhưng hiệu quả quản lý không cao. Đặc biệt, trong môi trường bệnh viện, tiếp xúc bề mặt là một trong những trung gian lây truyền bệnh truyền nhiễm; việc thu thập dữ liệu bằng tiếp xúc vật lý làm tăng nguy cơ lây nhiễm chéo. Từ yêu cầu thực tế đó, đề tài "Thiết bị giám sát trạng thái máy móc không tiếp xúc, sử dụng công nghệ truyền thông Bluetooth Low Energy và Wi-Fi" được thực hiện nhằm chế tạo một thiết bị giám sát không can thiệp vào các thông số vận hành điện của máy, tự động cập nhật dữ liệu không dây về trung tâm quản lý.
Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án bao gồm:
- Thiết kế mạch bo mạch chính (Mainboard) bao gồm khối nguồn, khối giám sát và đo đạc thông số điện, mạch điều khiển đóng ngắt thiết bị.
- Thiết kế module truyền thông không dây tích hợp cả công nghệ Bluetooth Low Energy (BLE) và Wi-Fi.
- Phân tích ảnh hưởng của tín hiệu tần số cao tới thiết kế module truyền thông BLE thông qua mô phỏng phát xạ và bức xạ ăng-ten.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Các dòng máy móc y tế hoạt động bằng nguồn điện xoay chiều một pha 220V/50Hz. Tác giả khảo sát các dòng máy y tế từ nhỏ đến lớn và giới hạn phạm vi thiết kế cho nhóm máy có công suất vừa và nhỏ với dòng tiêu thụ tối đa dưới 10A (tương đương công suất tiêu thụ tối đa 2200W).
- Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm RF3i (Lab RF3i), Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, từ ngày 01/02/2022 đến ngày 05/08/2022.
Khảo sát phụ tải một số thiết bị y tế tiêu biểu làm cơ sở lựa chọn dải đo được trình bày trong bảng sau:
| STT |
Tên máy móc y tế |
Chế độ |
Mức tiêu thụ danh định |
| 1 |
Máy phân tích nước tiểu Dirui H-500 |
Hoạt động |
40W - 220V - 0.18A |
| 2 |
Máy phân tích hóa sinh RX-50 |
Hoạt động |
80W - 220V - 0.36A |
| 3 |
Máy điện tâm đồ 12 MEI ECG |
Hoạt động |
60VA - 220V - 0.27A |
| 4 |
Máy phân tích huyết học tự động ABX Micros 60 |
Hoạt động |
230VA - 220V - 1.1A |
| 5 |
Máy siêu âm tự động UPS 400 |
Hoạt động |
400W - 220V - 1.8A |
| 6 |
Máy siêu âm 3D/4D Siemens X300 |
Hoạt động |
600VA - 220V - 2.7A |
| 7 |
Máy thở Noccarc V310 ICU |
Hoạt động |
440VA - 220V - 2A |
| 8 |
Máy thở không xâm lấn Allied Meditec Vista |
Hoạt động |
550W - 220V - 2.5A |
| 9 |
Máy khử trùng thiết bị mổ Memmert SN55 (53L) |
Hoạt động |
2000W - 220V - 9.1A |
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết đo lường điện xoay chiều một pha, lý thuyết truyền thông không dây tần số 2.4 GHz và kỹ thuật thiết kế mạch cao tần (RF):
- Cơ sở đo lường: Xác định giá trị điện áp hiệu dụng ($U_{RMS}$), dòng điện hiệu dụng ($I_{RMS}$), công suất tác dụng ($P$), công suất phản kháng ($Q$), công suất biểu kiến ($S$) và hệ số công suất ($\cos\varphi$). Thiết bị tuân thủ các chuẩn đo lường năng lượng quốc tế gồm IEC 62053-21, IEC 62053-22, EN50470-3, OIML R46, ANSI C12.
- Công nghệ tự hiệu chuẩn mSure: Tích hợp trong vi mạch ADE9153A của hãng Analog Devices. Công nghệ này tạo tín hiệu mô phỏng từ nguồn chuẩn nội, tính toán hàm truyền của cảm biến để suy ra hằng số chuyển đổi (Conversion Constant - CC) và độ tin cậy ước tính (Certainty of Estimation - CERT) theo thời gian thực mà không cần ngắt tải hay sử dụng nguồn chuẩn bên ngoài.
- Tiêu chuẩn truyền thông và phát xạ: Chuẩn truyền thông SPI (Serial Peripheral Interface) chế độ 0 và 3; chuẩn mạng không dây IEEE 802.11 (Wi-Fi mesh 802.11s); chuẩn Bluetooth Low Energy 5.0 (BLE) dải tần ISM 2.4 GHz; giới hạn phát xạ điện từ theo tiêu chuẩn FCC CFR47-15.
Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:
- Phương pháp phân tích - tính toán lý thuyết: Tính toán mạch phân áp điện trở cho kênh điện áp, chọn giá trị điện trở shunt và hệ số khuếch đại PGA cho kênh dòng điện, tính toán thông số biến áp xung và mạch chuyển đổi flyback cho khối nguồn 220VAC - 5VDC sử dụng IC TOP223.
- Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm CST Studio Suite để mô phỏng tham số $S_{11}$, đồ thị bức xạ của ăng-ten dạng chữ T (T-shape) tích hợp trên bo mạch hai lớp và mô phỏng đánh giá phát xạ trường điện từ (EMI).
- Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Đo đạc so sánh thông số đo điện của thiết bị với đồng hồ vạn năng Keysight U1232A; đo kiểm khoảng cách truyền sóng trong môi trường thông thoáng và có vật cản; kiểm tra đồ thị bức xạ trong buồng đo anechoic và kiểm tra chức năng thu phát RF bằng hệ thống đo chuyên dụng Keysight X8711A IoT.
- Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật từ tài liệu bán hàng thiết bị y tế; datasheet của các nhà sản xuất bán dẫn (Analog Devices, Silicon Labs, Nordic Semiconductor, Espressif Systems); số liệu thực nghiệm đo đạc từ thiết bị chế tạo.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được thiết kế dưới dạng một thiết bị ổ cắm thông minh nhỏ gọn, bao gồm các khối chức năng chính:
1. Khối cảm biến đo điện
- Lựa chọn IC đo lường: Tác giả sử dụng IC ADE9153A với 3 bộ chuyển đổi ADC 24-bit, tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) đạt 88 dB, hỗ trợ đo lường công suất và tích hợp công nghệ tự hiệu chuẩn mSure.
- Kênh đo dòng điện: Sử dụng kênh A của ADE9153A kết hợp với điện trở shunt có giá trị $R_{shunt} = 1\text{ m}\Omega$. Với dải dòng đo tối đa $I_{RMS} = 10\text{A}$ và hệ số khuếch đại lập trình được của bộ khuếch đại (PGA) chọn $AI_PGAGAIN = 16$, độ sụt áp trên shunt đạt giá trị an toàn trong khoảng động của ADC. Chân IBP và IBN của kênh B không dùng được nối trực tiếp với nhau.
- Kênh đo điện áp: Sử dụng mạch phân áp với điện trở lớn $R_{large} = 1\text{ M}\Omega$ và điện trở nhỏ $R_{small} = 1\text{ k}\Omega$. Tín hiệu điện áp lưới 220VAC được giảm áp vi sai giả đưa vào chân VAP và VAN.
- Cấu hình thanh ghi và mSure: Thiết lập thanh ghi cấu hình tần số
SELFREQ bằng 0 (cho lưới 50Hz); ghi giá trị 1000 vào thanh ghi VDIV_RSMALL; thanh ghi VLEVEL được đặt giá trị 0x22EA28 ($2,288,168$). Thời gian chạy mSure hiệu chuẩn kênh dòng điện ở chế độ Normal Mode là 20 giây và kênh điện áp là 40 giây để đạt sai số mục tiêu dưới 0.3%.
- Cách ly tín hiệu và nguồn: Nhằm bảo vệ an toàn cho khối xử lý trung tâm và loại bỏ nhiễu từ phần điện cao thế, giao tiếp SPI giữa ADE9153A và vi điều khiển được cách ly quang - số thông qua IC SI8651BB của Silicon Labs (hỗ trợ cách ly điện áp 2500Vrms, tốc độ truyền 150 Mbps, độ trễ lan truyền 13 ns).
2. Khối truyền thông không dây
- Khối Wi-Fi: Sử dụng module ESP32-WROOM-32D tích hợp vi xử lý ESP32-D0WD, bộ nhớ SPI flash 4MB, thạch anh 40MHz. Module đóng vai trò SPI Master để đọc dữ liệu từ ADE9153A, điều khiển rơ-le và gửi dữ liệu lên máy chủ web qua mạng Wi-Fi/Wi-Fi mesh 802.11s.
- Khối BLE: Sử dụng IC nRF52832 của hãng Nordic Semiconductor (lõi ARM Cortex-M4 32-bit tốc độ 64MHz, bộ nhớ flash 512KB, RAM 64KB, độ nhạy thu -96 dBm). Tác giả tự thiết kế module BLE riêng biệt có kích thước $17\text{ mm} \times 31\text{ mm}$, tích hợp ăng-ten dạng chữ T (T-shape) trực tiếp trên lớp đồng của mạch in hai lớp. Ăng-ten được tính toán và tinh chỉnh kích thước thông qua mô phỏng CST Studio Suite để phối hợp trở kháng $50\Omega$ ở tần số 2.45 GHz.
Bảng so sánh lựa chọn IC truyền thông BLE trong đồ án:
| Tiêu chí |
QN9080 |
CC2540 |
nRF51822 |
nRF52832 |
nRF52840 |
| Chuẩn BLE |
BLE 5.0 |
BLE 4.0 |
BLE 4.0 |
BLE 5.0 |
BLE 5.0 |
| Dòng tiêu thụ |
3.5 mA |
20.5 mA |
9.7 mA |
5.3 mA |
4.8 mA |
| Độ nhạy thu |
-95 dBm |
-91.5 dBm |
-85 dBm |
-96 dBm |
-103 dBm |
| Công suất phát |
-20 đến 2 dBm |
-23 đến 4 dBm |
-20 đến 4 dBm |
-20 đến 4 dBm |
-20 đến 8 dBm |
| Bộ nhớ Flash / RAM |
512 KB / 128 KB |
128 KB / 8 KB |
256 KB / 16 KB |
512 KB / 64 KB |
1 MB / 256 KB |
3. Khối nguồn và đóng ngắt phụ tải
- Mạch nguồn xung 220VAC - 5VDC: Thiết kế theo cấu trúc flyback sử dụng IC nguồn tích hợp TOP223 của Power Integrations, biến áp xung chuyên dụng, cung cấp điện áp ngõ ra 5VDC ổn định.
- Mạch hạ áp và cách ly nguồn: Sử dụng IC ổn áp tuyến tính AMS1117-3.3 để hạ áp từ 5V xuống 3.3V cấp cho ESP32 và nRF52832; đồng thời sử dụng khối chuyển đổi DC-DC cách ly để cấp nguồn riêng 3.3V độc lập cho IC ADE9153A.
- Mạch đóng ngắt: Sử dụng một rơ-le (relay) điều khiển bởi chân GPIO26 của ESP32 thông qua transistor để thực hiện chức năng ngắt hoặc cấp điện cho phụ tải từ xa khi có lệnh quản lý.
- Đóng gói cơ khí: Toàn bộ mạch chính (Mainboard), module BLE và nguồn xung được tích hợp vào khối vỏ nhựa dạng ổ cắm chuyển đổi với kích thước tổng thể $75\text{ mm} \times 115\text{ mm}$.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Đặt vấn đề và giải pháp
Tác giả phân tích nhu cầu giám sát thiết bị y tế trong các cơ sở y tế và bệnh viện, nhấn mạnh sự cần thiết của giải pháp đo lường không tiếp xúc để phòng tránh lây nhiễm chéo. Chương này tiến hành khảo sát mức tiêu thụ điện năng của 15 loại thiết bị y tế từ nhiều nhà sản xuất, chia phụ tải y tế thành ba nhóm: nhóm máy tính/xử lý dữ liệu công suất nhỏ ($<1\text{A}$), nhóm thiết bị công suất trung bình ($<10\text{A}$) và nhóm máy công suất lớn ($10\text{A}$ đến hàng trăm Ampe như máy X-quang, máy chụp cộng hưởng từ CT Scanner). Đồ án xác lập phạm vi phục vụ nhóm thiết bị tiêu thụ công suất vừa và nhỏ ($<10\text{A}$, tối đa 2200W). Phương pháp xác định trạng thái làm việc (tắt, chờ, đang hoạt động, chuyển chế độ) được xác lập dựa trên hai đại lượng đo: dòng điện tiêu thụ và hệ số công suất $\cos\varphi$, trong đó giá trị dòng điện được ưu tiên làm chỉ số phân loại chính.
Chương 2: Lựa chọn phương thức và lý thuyết chung
Chương này đánh giá các giải pháp cảm biến đo điện một pha chuyên dụng của hãng Analog Devices (ADE9153A, ADE7566, ADE7757, ADE7753). ADE9153A được lựa chọn nhờ tích hợp công nghệ tự hiệu chuẩn mSure. Tác giả trình bày cấu trúc thanh ghi, sơ đồ khối 3 bộ ADC 24-bit, các đường dẫn dữ liệu tính toán công suất tác dụng (AWATT), phản kháng (AFVAR), biểu kiến (AVA) và giá trị hiệu dụng ở tốc độ 4 kSPS. Chương cũng phân tích chi tiết kết quả thử nghiệm thực địa công nghệ mSure kéo dài 10 năm mô phỏng do tổ chức độc lập VTT/MIKES (Phần Lan) thực hiện cùng công ty Helen Electrical Network, chứng minh độ lệch sai số duy trì trong phạm vi 0.1%. Về truyền thông, chương trình bày nguyên lý giao tiếp SPI 4 dây (chế độ 0 và 3), kiến trúc mạng Wi-Fi mesh 802.11s, các vai trò nút trong mạng Bluetooth mesh (Node, Relay Node, Proxy Node, Friend Node, Low Power Node) và cơ chế tiết kiệm năng lượng của chuẩn BLE 5.0 so với Bluetooth Classic.
Chương 3: Tìm hiểu và thiết kế thiết bị
Trọng tâm chương là các bước tính toán và thiết kế chi tiết phần cứng. Tác giả tính toán giá trị điện trở shunt $1\text{ m}\Omega$, mạch phân áp $1\text{ M}\Omega / 1\text{ k}\Omega$, xác định hằng số chuyển đổi thực tế $TARGET_AICC$ và $TARGET_AVCC = 26,362,852\text{ nV/code}$, cùng hệ số công suất danh định $25\text{ }\mu\text{W/code}$. Để bảo vệ phần xử lý, tác giả lập bảng so sánh 9 IC cách ly số SPI và chọn SI8651BB. Tiếp đó, tác giả thiết kế module BLE dùng chip nRF52832, tự thiết kế ăng-ten dạng chữ T trên PCB, mô phỏng tham số phản xạ $S_{11}$ và phát xạ điện từ EMI bằng CST Studio Suite đạt chuẩn FCC CFR47-15. Phần nguồn được tính toán chi tiết theo cấu trúc flyback với IC TOP223 (220VAC sang 5VDC), kết hợp ổn áp AMS1117-3.3 và mạch nguồn cách ly cho cảm biến. Cuối cùng, chương trình bày lưu đồ thuật toán điều khiển của ESP32, cơ chế nhận dạng trạng thái phụ tải và thiết kế giao diện theo dõi trên web cũng như ứng dụng nRF Connect trên điện thoại di động.
Chương 4: Kết quả và đánh giá
Chương này công bố số liệu thực nghiệm của thiết bị chế tạo hoàn chỉnh. Tác giả tiến hành đo kiểm thông số điện (điện áp, dòng điện, công suất, hệ số công suất) trên các phụ tải thực tế, đối chiếu trực tiếp với kết quả đo từ đồng hồ vạn năng Keysight U1232A để xác định sai số. Về truyền thông không dây, tác giả kiểm tra module BLE thông qua hệ thống đo chức năng thiết bị IoT chuyên dụng Keysight X8711A, đo đạc khoảng cách truyền nhận trong điều kiện không gian mở và điều kiện có vật cản, đồng thời ghi nhận đồ thị bức xạ chuẩn hóa của ăng-ten trong buồng đo anechoic. Dữ liệu truyền nhận qua Wi-Fi lên máy chủ và hiển thị giao diện giám sát được kiểm tra về tính liên tục và độ ổn định của bản tin.
Kết luận và phương hướng phát triển
Đồ án tóm tắt các kết quả đạt được: hoàn thành thiết bị giám sát không tiếp xúc dạng ổ cắm kích thước $75\text{ mm} \times 115\text{ mm}$, tích hợp module BLE $17\text{ mm} \times 31\text{ mm}$ do tác giả tự thiết kế có ăng-ten vi dải, mạch đo ADE9153A có cách ly an toàn và nguồn xung vận hành ổn định. Phương hướng phát triển bao gồm việc mở rộng dải đo cho các dòng máy y tế công suất lớn ($>10\text{A}$), nâng cấp giao thức định tuyến mạng mesh không dây cho số lượng nút lớn trong toàn bệnh viện và nâng cao cấp bảo vệ công nghiệp cho vỏ thiết bị.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã chế tạo thành công mẫu thử nghiệm phần cứng hoàn chỉnh và đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:
- Chế tạo phần cứng tích hợp: Thiết kế và đóng gói thành công thiết bị giám sát dạng ổ cắm trung gian kích thước $75\text{ mm} \times 115\text{ mm}$. Thiết bị tự cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới 220VAC thông qua mạch nguồn xung flyback sử dụng IC TOP223 mà không cần adapter ngoài.
- Tự thiết kế module BLE nhỏ gọn: Chế tạo thành công module truyền thông BLE nRF52832 kích thước $17\text{ mm} \times 31\text{ mm}$, tích hợp ăng-ten T-shape trên mạch in hai lớp, đáp ứng các chỉ tiêu phát xạ theo chuẩn FCC CFR47-15 và được kiểm chứng đồ thị bức xạ trong buồng đo anechoic.
- Đo lường chính xác và tự hiệu chuẩn: Mạch đo sử dụng IC ADE9153A kết hợp điện trở shunt $1\text{ m}\Omega$ cho phép đo dòng điện đến 10A và điện áp 220V với tính năng tự hiệu chuẩn mSure (20s cho kênh dòng điện, 40s cho kênh điện áp), loại bỏ yêu cầu phải đưa thiết bị về phòng thí nghiệm chuẩn hóa định kỳ.
- Cách ly an toàn tuyệt đối: Giao tiếp SPI được cách ly quang - số qua IC SI8651 đạt mức chịu đựng điện áp $2500\text{V}_{rms}$, kết hợp nguồn đất cách ly giúp bảo vệ vi điều khiển và người vận hành khỏi nguy cơ rò rỉ điện lưới.
- Đa phương thức truyền thông: Dữ liệu trạng thái máy móc được cập nhật đồng thời qua giao thức Wi-Fi lên hệ thống máy chủ giám sát từ xa và qua kết nối BLE tới ứng dụng di động (nRF Connect).
Bảng tổng hợp đặc tính kỹ thuật của thiết bị đã hoàn thiện:
| Thông số / Thành phần |
Chi tiết kỹ thuật trong đồ án |
| Kích thước thiết bị tổng thể |
$75\text{ mm} \times 115\text{ mm}$ (dạng ổ cắm cắm nối tiếp) |
| Kích thước module BLE |
$17\text{ mm} \times 31\text{ mm}$ (nRF52832, ăng-ten T-shape tích hợp) |
| Điện áp hoạt động / Tần số |
220VAC / 50Hz (1 pha) |
| Dòng điện / Công suất tối đa |
$10\text{A} \text{ RMS}$ / $2200\text{W}$ |
| IC đo lường chuyên dụng |
ADE9153A (Analog Devices, ADC 24-bit, công nghệ mSure) |
| IC cách ly tín hiệu SPI |
SI8651BB-B-IS1R (Silicon Labs, cách ly $2500\text{V}_{rms}$, 150 Mbps) |
| Vi điều khiển / Wi-Fi |
ESP32-WROOM-32D (Espressif, 4MB Flash, Wi-Fi 802.11 b/g/n) |
| Cấu trúc nguồn |
Nguồn xung Flyback (IC TOP223) kết hợp LDO AMS1117-3.3 |
| Công cụ đo kiểm đánh giá |
Keysight U1232A, Keysight X8711A IoT Test System, Buồng anechoic |
So với các giải pháp ổ cắm thông minh thương mại hoặc các nghiên cứu giám sát phụ tải thông thường, đồ án có đóng góp kỹ thuật rõ nét ở việc tích hợp công nghệ tự hiệu chuẩn mSure vào một nút cảm biến IoT y tế không tiếp xúc, tự thiết kế khối RF BLE tích hợp ăng-ten vi dải đạt chuẩn phát xạ thay vì sử dụng module đúc sẵn, và áp dụng thiết kế cách ly hoàn toàn giữa mạch đo cao áp và khối điều khiển số.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Mặc dù đã hoàn thành chế tạo và thử nghiệm thiết bị, đồ án còn một số hạn chế được tác giả ghi nhận:
- Giới hạn dải công suất phụ tải: Thiết bị hiện chỉ đo được các máy móc tiêu thụ dòng điện tối đa 10A (công suất dưới 2200W). Chưa thể áp dụng trực tiếp cho các hệ thống máy y tế công suất lớn như máy chụp cộng hưởng từ MRI hay máy chụp cắt lớp CT Scanner (vốn có dòng hoạt động từ hàng chục đến hàng trăm Ampe).
- Điều kiện thử nghiệm thực tế: Do các hạn chế về an toàn dịch bệnh trong giai đoạn nghiên cứu, việc tiếp cận đo đạc thực tế trên các dòng máy y tế chuyên sâu tại bệnh viện bị giới hạn; số liệu đặc tính phụ tải ban đầu phải tham khảo qua tài liệu thương mại của nhà sản xuất.
- Quy mô mạng thử nghiệm: Đồ án mới dừng lại ở việc kiểm thử truyền thông cho một nút thiết bị độc lập truyền về máy chủ hoặc điện thoại, chưa triển khai mạng mesh đồng thời với số lượng lớn nút để đánh giá tải mạng và độ trễ phân tán.
Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:
- Thiết kế lại mạch chuẩn hóa tín hiệu đầu vào sử dụng biến dòng (Current Transformer - CT) trên kênh đo B của ADE9153A để mở rộng dải đo cho các phụ tải y tế công suất lớn ($>10\text{A}$).
- Tối ưu hóa thuật toán định tuyến và triển khai thực nghiệm hệ thống mạng Bluetooth mesh hoặc Wi-Fi mesh đa nút trong môi trường bệnh viện thực tế.
- Hoàn thiện thiết kế cơ khí đạt các tiêu chuẩn công nghiệp về chống cháy nổ, kháng khuẩn bề mặt và tăng cường khả năng chống can nhiễu điện từ trong môi trường y tế.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Đo lường, Tin học Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông và Kỹ thuật Y sinh.
Các nội dung có giá trị tham khảo cụ thể bao gồm:
- Thiết kế mạch đo lường điện chuyên dụng: Toàn bộ quy trình tính toán thông số phần cứng cho IC ADE9153A (chọn điện trở shunt, mạch chia áp, thiết lập thanh ghi gain, thanh ghi chế độ, tính toán các hằng số chuyển đổi Target CC) và quy trình thiết lập chế độ tự hiệu chuẩn mSure.
- Thiết kế mạch cách ly an toàn cao áp: Phương pháp lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch cách ly giao tiếp số tốc độ cao (SPI) dùng IC cách ly SI8651, cách ly nguồn đất giữa vùng điện lưới 220VAC và vùng vi điều khiển điện áp thấp.
- Thiết kế và mô phỏng ăng-ten vi dải: Quy trình sử dụng phần mềm CST Studio Suite để thiết kế, mô phỏng phối hợp trở kháng và tối ưu hóa ăng-ten dạng chữ T tích hợp trực tiếp trên mạch in PCB 2 lớp cho dải tần 2.4 GHz, cùng phương pháp đánh giá phát xạ điện từ theo chuẩn FCC.
- Tính toán nguồn xung Flyback: Tài liệu cung cấp lưu đồ và phương pháp tính toán chi tiết mạch nguồn xung từ 220VAC xuống 5VDC sử dụng IC TOP223 kèm bản vẽ nguyên lý đầy đủ.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lựa chọn cảm biến ADE9153A thay vì các IC đo năng lượng khác như ADE7753 hay ADE7566?
ADE9153A được lựa chọn vì sở hữu công nghệ tự động hiệu chuẩn mSure (mSure autocalibration). Công nghệ này cho phép vi mạch tự phát hiện và bù sai số đo lường trong suốt vòng đời hoạt động bằng cách bơm tín hiệu chuẩn nội mà không cần sử dụng đồng hồ đo tham chiếu bên ngoài hay ngắt hoạt động của máy móc. Ngoài ra, vi mạch này tích hợp sẵn 3 bộ ADC 24-bit hiệu năng cao, tỉ số SNR đạt 88 dB, hỗ trợ tính toán trực tiếp các thông số $U, I, P, Q, S, \cos\varphi$ và giao tiếp qua chuẩn SPI tốc độ cao lên tới 10 MHz.
2. Thiết bị nhận biết trạng thái hoạt động của máy móc y tế dựa trên nguyên lý nào?
Trạng thái máy móc được nhận biết tự động thông qua việc đo liên tục dòng điện tiêu thụ ($I_{RMS}$) và hệ số công suất ($\cos\varphi$). Do mỗi trạng thái (không hoạt động, chế độ chờ, chế độ vận hành thường, chế độ quét/cấp tải) của máy y tế có mức tiêu thụ công suất khác biệt, hệ thống sẽ so sánh giá trị dòng điện tức thời với các ngưỡng định mức đã thiết lập. Trong trường hợp các chế độ có hệ số công suất tương đương, thiết bị ưu tiên sử dụng độ lớn dòng điện tiêu thụ làm tiêu chí phân loại chính.
3. Hằng số chuyển đổi Target CC và thời gian tự hiệu chuẩn mSure được cấu hình ra sao trong thiết bị?
Vì thông số phần cứng thực tế ($R_{shunt} = 1\text{ m}\Omega$, $I_{max} = 10\text{A}$, mạch chia áp $1\text{ M}\Omega / 1\text{ k}\Omega$) khác với mạch mẫu của nhà sản xuất, tác giả đã tính toán lại các hằng số chuyển đổi mục tiêu gồm $TARGET_AICC$ cho dòng điện và $TARGET_AVCC = 26,362,852\text{ nV/code}$ cho điện áp. Thời gian chạy mSure được cấu hình là 20 giây đối với kênh dòng điện (Normal Mode) và 40 giây đối với kênh điện áp để đạt sai số ước tính dưới 0.3%.
4. Vai trò của IC SI8651 trong sơ đồ nguyên lý là gì?
IC SI8651 của Silicon Labs là bộ cách ly số đa kênh sử dụng công nghệ cách ly điện dung, có khả năng chịu điện áp cách ly lên tới $2500\text{V}_{rms}$ và tốc độ truyền dẫn dữ liệu đạt 150 Mbps. Trong thiết bị, SI8651 nằm ở giữa IC ADE9153A và vi điều khiển ESP32 nhằm cách ly hoàn toàn các đường tín hiệu bus SPI (MOSI, MISO, SCLK, SS). Việc này đảm bảo phần mạch vi điều khiển điện áp thấp và giao diện người dùng được an toàn tuyệt đối trước các xung điện áp cao hoặc sự cố rò điện từ lưới xoay chiều 220VAC.
5. Những hệ thống thiết bị đo kiểm chuyên dụng nào đã được sử dụng để đánh giá thiết bị?
Chất lượng của thiết bị được thẩm định thông qua ba công cụ đo lường chuyên dụng:
- Đồng hồ vạn năng Keysight U1232A: Dùng làm thiết bị chuẩn để đối chiếu và đánh giá sai số đo các thông số điện áp, dòng điện, công suất và $\cos\varphi$.
- Buồng đo anechoic: Dùng để đo đạc và vẽ đồ thị bức xạ không gian chuẩn hóa của ăng-ten T-shape trên module BLE.
- Hệ thống đo kiểm chức năng thiết bị IoT Keysight X8711A: Dùng để phân tích công suất phát, độ nhạy thu và kiểm tra toàn diện chất lượng truyền tin RF của module BLE nRF52832.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Lê Anh Tài đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế thiết bị giám sát trạng thái máy móc y tế không tiếp xúc, đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về an toàn điện và độ chính xác đo lường. Nghiên cứu nổi bật ở khả năng tự thiết kế phần cứng tích hợp cao, làm chủ công nghệ tự hiệu chuẩn mSure trên IC ADE9153A, thiết kế thành công module BLE với ăng-ten vi dải tích hợp và kết hợp linh hoạt hai phương thức truyền thông không dây Wi-Fi và BLE. Kết quả thử nghiệm trên các hệ thống đo kiểm chuyên dụng Keysight khẳng định thiết bị vận hành ổn định, cung cấp giải pháp kỹ thuật tin cậy cho việc quản lý, giám sát và phân bổ thiết bị tại các bệnh viện và cơ sở y tế.
