I. Thiết kế hệ thống đo lường thông minh
Đề tài tập trung vào thiết kế một đồng hồ đo nhịp tim và nồng độ oxy, đếm bước chân và calories tiêu thụ. Đây là một hệ thống thông minh, tích hợp nhiều cảm biến và thuật toán xử lý dữ liệu. Mục tiêu là tạo ra một thiết bị nhỏ gọn, chính xác, dễ sử dụng, phục vụ việc theo dõi sức khỏe cá nhân. Hệ thống dựa trên nguyên lý thu thập dữ liệu từ các cảm biến nhịp tim, cảm biến SpO2, và con quay hồi chuyển để tính toán các thông số cần thiết. Việc xử lý dữ liệu được thực hiện trên một vi điều khiển, sử dụng các thuật toán đếm bước chân và thuật toán tính calo. Giao diện người dùng được thiết kế thân thiện, hiển thị rõ ràng các thông số quan trọng. Thiết kế phần cứng bao gồm việc lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch điện tử, và thiết kế PCB. Thiết kế phần mềm bao gồm việc viết firmware cho vi điều khiển, xử lý dữ liệu, và hiển thị thông tin lên màn hình.
1.1. Thiết kế phần cứng
Phần cứng của hệ thống bao gồm các cảm biến: cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy (MAX30102), cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển (MPU-6050). Việc lựa chọn các cảm biến này dựa trên độ chính xác, kích thước nhỏ gọn, và khả năng tích hợp. Vi điều khiển đóng vai trò trung tâm, xử lý dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thành phần khác của hệ thống. Vi điều khiển Atmega328P được sử dụng do tính khả dụng và khả năng lập trình dễ dàng. Thiết kế mạch điện tử đảm bảo cung cấp nguồn điện ổn định cho các thành phần, xử lý tín hiệu từ các cảm biến, và truyền dữ liệu đến màn hình hiển thị. Thiết kế PCB sử dụng phần mềm chuyên dụng (Altium Designer) để đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của mạch. Quản lý năng lượng cũng được xem xét kỹ lưỡng, sử dụng pin Lithium-Polymer và mạch sạc hiệu quả. Các tiêu chuẩn điện tử học và tiêu chuẩn y tế được tuân thủ nghiêm ngặt trong suốt quá trình thiết kế.
1.2. Thiết kế phần mềm
Phần mềm bao gồm firmware được viết bằng ngôn ngữ lập trình C/C++ cho vi điều khiển. Firmware thực hiện các chức năng chính: thu thập dữ liệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu bằng các thuật toán, tính toán nhịp tim, nồng độ oxy, số bước chân, và calories tiêu thụ. Thuật toán đếm bước chân dựa trên dữ liệu từ cảm biến gia tốc, phân tích các thay đổi gia tốc để xác định bước chân. Thuật toán tính calo sử dụng thông tin về cân nặng, nhịp tim, và số bước chân để ước tính lượng calo tiêu thụ. Phần mềm cũng bao gồm giao diện người dùng đơn giản, hiển thị các thông số quan trọng trên màn hình LCD. Chuẩn giao tiếp I2C được sử dụng để kết nối giữa vi điều khiển và các cảm biến. Việc kiểm thử và hiệu chỉnh phần mềm được thực hiện để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của hệ thống.
II. Thử nghiệm và đánh giá
Sau khi hoàn thành thiết kế và chế tạo, hệ thống được thử nghiệm để đánh giá hiệu suất và độ chính xác. Các thử nghiệm bao gồm đo nhịp tim, nồng độ oxy, đếm bước chân trong các điều kiện khác nhau. Kết quả thử nghiệm được so sánh với các thiết bị đo tiêu chuẩn để đánh giá độ chính xác của hệ thống. Các chỉ số như độ chính xác đo lường, thời lượng pin, và sự ổn định của hệ thống được đánh giá cụ thể. Phân tích dữ liệu từ các thử nghiệm giúp xác định điểm mạnh và điểm yếu của hệ thống, từ đó đề xuất các cải tiến cho phiên bản tiếp theo. Báo cáo thử nghiệm bao gồm các biểu đồ, bảng số liệu, và phân tích chi tiết về hiệu suất của hệ thống. Đánh giá tổng thể về hệ thống dựa trên các tiêu chí: độ chính xác, độ tin cậy, khả năng sử dụng, và giá thành.
2.1. Phân tích kết quả thử nghiệm
Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đạt được độ chính xác chấp nhận được trong phạm vi ứng dụng. Độ chính xác đo nhịp tim và nồng độ oxy được đánh giá dựa trên sự so sánh với các thiết bị đo chuẩn. Độ chính xác đếm bước chân được đánh giá bằng cách so sánh với số bước chân được đếm thủ công. Phân tích sai số được thực hiện để xác định các nguồn gây ra sai số và tìm cách khắc phục. Thời lượng pin được thử nghiệm trong điều kiện hoạt động liên tục để đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống. Phân tích dữ liệu cho thấy hệ thống đáp ứng được yêu cầu về thời lượng pin. Dữ liệu thử nghiệm được trình bày dưới dạng biểu đồ và bảng số liệu, giúp dễ dàng so sánh và phân tích.
2.2. Đề xuất và hướng phát triển
Dựa trên kết quả thử nghiệm và đánh giá, một số đề xuất được đưa ra để cải thiện hệ thống. Việc nâng cao độ chính xác đo lường có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến hơn. Thiết kế giao diện người dùng thân thiện hơn để dễ dàng sử dụng. Tích hợp thêm các chức năng như kết nối không dây (Bluetooth, ANT+) để truyền dữ liệu lên điện thoại hoặc máy tính. Nghiên cứu và phát triển các thuật toán tiên tiến hơn để cải thiện độ chính xác và hiệu quả của hệ thống. Tối ưu hóa phần cứng để giảm kích thước và tiêu thụ năng lượng. Nghiên cứu thị trường để xác định nhu cầu và xu hướng phát triển của đồng hồ đo nhịp tim thông minh.
