Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mạng viễn thông toàn cầu đã mở ra khả năng triển khai các ứng dụng giám sát, điều khiển từ xa và tự động hóa với chi phí thấp, tính an toàn cao và tiện lợi. Song song với sự tiến bộ công nghệ, công tác chăm sóc sức khỏe cho người cao tuổi đang trở thành vấn đề cấp thiết của xã hội hiện đại. Dẫn liệu từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) cho thấy toàn cầu có hơn 1 tỷ người trưởng thành thừa cân, 860 triệu bệnh nhân mắc các bệnh mãn tính và hơn 600 triệu người trên 60 tuổi. Thống kê từ Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh Hoa Kỳ (CDC) cũng chỉ ra rằng những thành tựu y học hiện đại đã nâng tuổi thọ trung bình tại các quốc gia phát triển lên trên 75 tuổi, kéo theo tỷ trọng chi tiêu y tế rất lớn dành cho việc kiểm soát các chứng bệnh mãn tính, đặc biệt là bệnh lý tim mạch và huyết áp.

Đối với người cao tuổi, việc chủ động theo dõi thường xuyên các chỉ số huyết áp và nhịp tim tại nhà giúp tầm soát sớm các biến cố nguy hiểm và có biện pháp xử lý kịp thời. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế và thi công máy đo huyết áp, nhịp tim cho người già" được thực hiện tại Bộ môn Điện tử Viễn thông, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng một thiết bị đo huyết áp và nhịp tim cá nhân di động, kích thước nhỏ gọn, cho phép người dùng tự kiểm tra sức khỏe tự động ở mọi nơi. Khi phát hiện các thông số bất thường hoặc tình trạng khẩn cấp, thiết bị tự động kích hoạt chức năng gửi tin nhắn SMS chứa dữ liệu đo và thực hiện cuộc gọi khẩn cấp đến số điện thoại của người thân đã được thiết lập sẵn trong hệ thống thông qua mạng di động GSM.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và tập lệnh điều khiển của module truyền thông GSM SIM800L.
  2. Khảo sát cấu trúc phần cứng và phương thức lập trình cho board vi điều khiển Arduino Nano.
  3. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết y sinh về huyết áp tâm thu, huyết áp tâm trương và nhịp tim.
  4. Nghiên cứu hoạt động của module thời gian thực (RTC) IC DS1307.
  5. Nghiên cứu giao tiếp và điều khiển hiển thị trên màn hình LCD Nokia 5110.
  6. Nghiên cứu thông số kỹ thuật và đặc tính ngõ ra của cảm biến áp suất MPX5050GP.
  7. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, thi công mạch in phần cứng và lắp ráp toàn bộ hệ thống thiết bị.
  8. Viết báo cáo tổng kết và bảo vệ đề tài.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được xác định:

  • Không gian thực hiện: Bộ môn Điện tử Viễn thông, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 10/09/2015 đến ngày 17/01/2016.
  • Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống tập trung vào việc thu nhận tín hiệu áp suất buồng khí từ vòng bít quấn cổ tay/cánh tay, xử lý tính toán các chỉ số huyết áp và nhịp tim; hiển thị kết quả kèm thời gian thực lên LCD Nokia 5110; phát tin nhắn cảnh báo và thực hiện cuộc gọi khẩn cấp qua giao tiếp GSM tới số điện thoại cố định cài trước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên lý đo y sinh

Hệ thống được xây dựng dựa trên hướng dẫn chẩn đoán tăng huyết áp của Ủy ban Quốc gia và Hiệp hội Tăng huyết áp Châu Âu (2003). Về mặt sinh lý học, huyết áp tâm thu (Systolic Blood Pressure - SBP) là áp lực máu lớn nhất tác động lên thành động mạch khi tim co bóp; huyết áp tâm trương (Diastolic Blood Pressure - DBP) là áp lực máu thấp nhất trong khoảng thời gian giãn nghỉ giữa hai nhịp đập của tim. Nhịp tim là số lần tim đập trong khoảng thời gian một phút, chịu ảnh hưởng bởi độ tuổi, thể trạng, trạng thái vận động, cảm xúc và điều kiện môi trường.

Để xác định các thông số này, đề tài kết hợp cơ sở lý thuyết của phương pháp Korotkoff và phương pháp đo dao động (Oscillometric method):

  • Phương pháp Korotkoff: Dựa trên hiện tượng thay đổi âm thanh mạch đập tương ứng với sự biến thiên áp lực của túi khí ép lên cánh tay.
  • Phương pháp dao động (Oscillometric): Động cơ bơm khí làm căng vòng bít (cuff) ép chặt động mạch làm ngưng trệ dòng lưu thông máu. Sau khi đạt áp lực vượt mức huyết áp tâm thu, van xả điện tử mở dần dần để xì hơi. Sự tái lưu thông của dòng máu gây nên những biến thiên áp suất nhỏ tuần hoàn tác động ngược lại buồng khí của vòng bít. Tín hiệu dao động này được cảm biến áp suất ghi nhận. Khi áp lực vòng bít giảm, biên độ dao động tăng dần đến cực đại tại điểm áp lực động mạch trung bình (Mean Arterial Pressure - MAP), sau đó suy giảm nhanh chóng cho đến khi đạt huyết áp tâm trương.
Độ tuổi (Năm) Nhịp tim mục tiêu (nhịp/phút) Nhịp tim tối đa (nhịp/phút)
20 100 - 107 200
30 95 - 162 190
35 93 - 157 185
40 90 - 153 180
45 88 - 149 175
50 85 - 145 170
55 83 - 140 165
60 80 - 136 160
65 78 - 132 155
70 75 - 128 150
Nhóm độ tuổi Huyết áp tối thiểu (mmHg) Huyết áp trung bình (mmHg) Huyết áp tối đa (mmHg)
15 - 19 tuổi 105 / 73 117 / 77 120 / 81
20 - 24 tuổi 108 / 75 120 / 79 132 / 83
25 - 29 tuổi 109 / 76 121 / 80 133 / 84
30 - 34 tuổi 110 / 77 122 / 81 134 / 85
35 - 39 tuổi 111 / 78 123 / 82 135 / 86
40 - 44 tuổi 112 / 79 125 / 83 137 / 87
45 - 49 tuổi 115 / 80 127 / 84 139 / 88
50 - 54 tuổi 116 / 81 129 / 85 142 / 89
55 - 59 tuổi 118 / 82 131 / 86 144 / 90
60 - 64 tuổi 121 / 83 134 / 87 147 / 91

Lý thuyết mạng truyền thông GSM và định vị GPS

Chuẩn mạng thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile Communications) sử dụng kết hợp hai phương thức truy cập đa người dùng TDMA và FDMA, phân chia phổ tần thành hai băng riêng biệt: băng lên (Uplink: 890 - 915 MHz) và băng xuống (Downlink: 935 - 960 MHz).

Đặc tính kỹ thuật Giá trị thông số
Dải tần phát (Uplink) 890 - 915 MHz
Dải tần thu (Downlink) 935 - 960 MHz
Độ rộng phổ mỗi kênh 200 kHz
Số lượng kênh vô tuyến 124
Số khe thời gian (Timeslot) 8
Phương pháp đa truy cập TDMA / FDM
Phương pháp ghép kênh Ghép song công phân chia theo tần số (FDD)
Phương thức điều chế GMSK
Bộ lọc sử dụng Bộ lọc Gaussian (hệ số BT = 0.3)
Mã hóa thoại 13 kbit/s (sử dụng bộ mã hóa RPE-LTP)
Tốc độ bit dữ liệu 270.833 kbit/s

Ngoài ra, văn bản trình bày cấu trúc lý thuyết hệ thống định vị toàn cầu GPS (Navstar GPS) do Bộ Quốc phòng Mỹ thiết lập gồm 24 vệ tinh hoạt động (cùng 4 vệ tinh dự trữ) bay quanh Trái Đất ở độ cao quỹ đạo khoảng 20.200 km (bán kính quỹ đạo 26.600 km), phát trên hai tần số sóng mang L1 (1575.42 MHz) và L2 với hai mã điều chế thô C/A và chính xác P, xác định vị trí máy thu qua thuật toán giao cắt mặt cầu từ tối thiểu 4 vệ tinh.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nhóm tác giả sử dụng các phương pháp:

  • Phương pháp tham khảo và tổng hợp tài liệu: Thu thập dữ liệu kỹ thuật từ datasheet nhà sản xuất (Freescale, Atmel, SIMCom, Maxim Integrated), tài liệu hướng dẫn y tế và các giáo trình chuyên ngành vi điều khiển, viễn thông.
  • Phương pháp thiết kế và thực nghiệm kỹ thuật: Lựa chọn linh kiện phần cứng; thiết kế mạch nguyên lý, vẽ mạch in PCB; xây dựng thuật toán điều khiển trên môi trường Arduino IDE bằng ngôn ngữ C/C++; lắp ráp phần cứng hoàn chỉnh và kiểm thử chức năng vận hành thực tế.
  • Phương pháp đánh giá và nhận xét: Kiểm tra các chỉ số đo được, phân tích tính ổn định của mạch truyền thông SIM800L khi gửi tin nhắn SMS và thực hiện cuộc gọi khẩn cấp.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống thiết bị đo được cấu trúc thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ:

  1. Khối điều khiển trung tâm: Board Arduino Nano trang bị vi điều khiển 8-bit AVR ATmega328 (hoặc ATmega32), hoạt động với tần số thạch anh 16 MHz, bộ nhớ Flash nạp chương trình qua bootloader, cung cấp 14 chân I/O số (trong đó có 6 chân tạo xung PWM) và 6 ngõ vào tương tự (A0 đến A5) tích hợp bộ chuyển đổi ADC 10-bit (độ phân giải 1024 mức, đọc dải điện áp 0V - 5V hoặc dùng điện áp tham chiếu AREF).
  2. Khối cảm biến áp suất: Cảm biến MPX5050GP của hãng Freescale Semiconductor, hoạt động theo nguyên lý cảm biến áp điện silicon, xuất tín hiệu điện áp tương tự tỷ lệ tuyến tính với áp suất khí trong buồng khí (từ 0 đến 50 kPa / khoảng 0 đến 375 mmHg) đưa về chân ADC của vi điều khiển.
  3. Khối cơ cấu bơm và xả khí: Động cơ bơm khí mini Oken Seiko và van xả điện tử KSV05A-12V, kết hợp với bao tay (cuff) để thực hiện quy trình tăng - giảm áp lực cơ học lên động mạch.
  4. Khối truyền thông GSM: Module SIM800L hỗ trợ 4 băng tần GSM/GPRS (850/900/1800/1900 MHz), điện áp hoạt động từ 3.2V đến 4.4V, giao tiếp Serial UART với vi điều khiển bằng tập lệnh AT cải tiến.
  5. Khối hiển thị: Màn hình đồ họa đơn sắc LCD Nokia 5110 độ phân giải 84x48 pixel, điều khiển qua giao thức nối tiếp SPI/Digital.
  6. Khối thời gian thực: IC RTC DS1307 kết hợp thạch anh 32.768 kHz và pin nuôi dự phòng, giao tiếp I2C với vi điều khiển nhằm lưu trữ và cập nhật giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm.
  7. Khối nguồn và quản lý sạc pin: Mạch sạc sử dụng IC TP4056 dành cho pin sạc Lithium, tự động kiểm soát dòng sạc và điện áp bảo vệ pin.
Khối chức năng Linh kiện chính Giao tiếp / Vai trò kỹ thuật
Điều khiển trung tâm Arduino Nano (ATmega328) Xử lý thuật toán, ADC 10-bit, điều khiển ngoại vi
Cảm biến đo áp suất MPX5050GP (Freescale) Chuyển đổi áp suất buồng bít sang tín hiệu Analog
Bơm và van khí Oken Seiko & KSV05A-12V Tạo áp lực ép mạch và xả khí có kiểm soát
Truyền thông di động Module SIM800L Gửi SMS và quay số khẩn cấp qua tập lệnh AT
Hiển thị dữ liệu LCD Nokia 5110 (84x48) Hiển thị kết quả đo, thời gian, trạng thái hệ thống
Thời gian thực (RTC) IC DS1307 Đồng hồ thời gian thực qua giao thức I2C
Nguồn & Sạc IC TP4056 Quản lý sạc pin Lithium, cung cấp điện áp vận hành

Thiết kế phần mềm và cấu hình tập lệnh

Chương trình phần mềm được xây dựng trên Arduino IDE (sử dụng GNU toolchain, AVR Libc và avrdude để nạp mã nguồn C/C++), tổ chức theo hai hàm chuẩn setup() để thiết lập ban đầu và loop() để lặp vô hạn các tác vụ giám sát.

Thuật toán của hệ thống được module hóa thành các lưu đồ giải thuật:

  • Lưu đồ chương trình chính: Khởi tạo các ngoại vi (LCD, SIM800L, DS1307, ADC), đọc trạng thái nút nhấn, điều khiển động cơ bơm căng vòng bít, kích hoạt quy trình đo và xử lý hiển thị.
  • Lưu đồ xử lý cảm biến: Đọc liên tục điện áp từ ngõ ra của cảm biến MPX5050GP qua bộ ADC 10-bit trong suốt quá trình xả khí, lọc và phân tích dao động áp suất thành mạch máu để trích xuất 3 thông số: huyết áp tâm thu (SBP), huyết áp tâm trương (DBP) và nhịp tim.
  • Lưu đồ đọc thời gian thực DS1307: Truy xuất dữ liệu thời gian qua bus I2C và cập nhật định kỳ lên màn hình hiển thị.
  • Lưu đồ ngắt gọi khẩn cấp: Xử lý sự kiện khi có tín hiệu nút bấm khẩn cấp hoặc khi các chỉ số đo vượt ngưỡng an toàn, kích hoạt module SIM800L gửi tin nhắn SMS và thực hiện cuộc gọi cảnh báo.
Cú pháp lệnh AT Chức năng cấu hình và điều khiển SIM800L
AT Kiểm tra trạng thái giao tiếp giữa vi điều khiển (TE) và module SIM (MT)
ATZ Reset modem về cấu hình mặc định ban đầu
ATE0 Tắt chế độ phản hồi ký tự (echo) nhằm đơn giản hóa dữ liệu nhận
AT+CLIP=1 Bật tính năng hiển thị số thuê bao của cuộc gọi đến
AT&W Lưu cấu hình cài đặt vào bộ nhớ không bay hơi của SIM800L
AT+CMGF=1 Thiết lập định dạng tin nhắn SMS ở chế độ Text (thay vì chế độ PDU)
AT+CNMI=2,1,0,0,0 Cấu hình quy tắc thông báo tự động cho TE khi có tin nhắn SMS mới
AT+CSAS Lưu cấu hình tin nhắn SMS vào bộ nhớ cố định
AT+CMGS="SDT" Gửi tin nhắn SMS chứa dữ liệu đo đến số điện thoại chỉ định
ATD*SODIENTHOAI; Thực hiện cuộc gọi thoại trực tiếp đến số điện thoại cài sẵn
ATH Ngắt hoặc kết thúc cuộc gọi đang thực hiện
AT+CMGD=1 Xóa nội dung tin nhắn lưu tại ngăn nhớ chỉ định
AT+CMGDA="DEL ALL" Xóa toàn bộ tin nhắn SMS đang lưu trữ trên SIM

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Dẫn nhập

Chương này phân tích tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh già hóa dân số và sự phổ biến của các bệnh mãn tính liên quan đến tim mạch, huyết áp. Đặt vấn đề kết hợp công nghệ vi điều khiển và mạng viễn thông GSM để chế tạo thiết bị y tế cá nhân tự động theo dõi sức khỏe cho người già. Xác định rõ mục đích nghiên cứu, 8 nhiệm vụ cụ thể, giới hạn kỹ thuật của sản phẩm, phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa thực tiễn của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan các nguyên lý sinh lý học và kỹ thuật y sinh phục vụ phép đo huyết áp và nhịp tim, gồm phương pháp đo Korotkoff và phương pháp dao động (Oscillometric). Cung cấp các bảng tham chiếu chuẩn y tế về huyết áp và nhịp tim theo từng độ tuổi. Khảo sát nguyên lý hoạt động của các dòng cảm biến áp suất của hãng Freescale. Giới thiệu nền tảng mã nguồn mở Arduino (lịch sử, cấu trúc phần cứng vi điều khiển Atmel/AVR, IDE, quy trình cài đặt driver và nạp chương trình). Trình bày cơ sở lý thuyết về mạng thông tin di động GSM (các băng tần thu/phát, ghép kênh TDMA/FDM, dịch vụ thoại, dịch vụ bản tin ngắn SMS) và tổng quan cấu trúc 3 phân đoạn của hệ thống định vị toàn cầu GPS.

Chương 3: Giới thiệu một số linh kiện

Nội dung chương 3 đi sâu vào thông số kỹ thuật, sơ đồ chân và chức năng của từng linh kiện được sử dụng trong thiết kế:

  • Module GSM SIM800L: Thông số nguồn cấp, băng tần, sơ đồ chân và hệ thống tập lệnh AT chi tiết dùng để cấu hình gọi điện thoại, nhận diện cuộc gọi đến và truyền nhận tin nhắn SMS.
  • Board vi điều khiển Arduino Nano: Sử dụng chip AVR (ATmega328/ATmega32), sơ đồ bố trí chân I/O số, chân xung PWM, chân ngõ vào tương tự ADC và chuẩn giao tiếp nối tiếp.
  • IC thời gian thực DS1307: Cấu trúc chân, thanh ghi lưu trữ dữ liệu thời gian và sơ đồ kết nối I2C.
  • IC sạc pin TP4056: Bảng chức năng chân, trạng thái đèn báo sạc cho pin Lithium.
  • Cảm biến áp suất MPX5050GP: Cấu trúc màng cảm ứng áp điện silicon và dải chuyển đổi điện áp.
  • Cơ cấu cơ điện: Động cơ bơm khí Oken Seiko và van xả điện tử KSV05A-12V.
  • Màn hình LCD Nokia 5110: Sơ đồ chân tín hiệu và khả năng hiển thị ma trận điểm 84x48.

Chương 4: Thiết kế phần cứng

Chương 4 trình bày chi tiết sơ đồ khối tổng quát và sơ đồ nguyên lý mạch của toàn bộ thiết bị. Thuyết minh rõ các khối chức năng: khối điều khiển trung tâm Arduino Nano; khối cảm biến MPX5050GP kết nối với các nút nhấn điều khiển; khối cơ cấu chấp hành điều khiển động cơ bơm Oken Seiko và van xả điện tử KSV05A qua các tầng đệm công suất; khối hiển thị LCD Nokia 5110; khối thời gian thực DS1307; khối truyền thông SIM800L; khối cấp nguồn và mạch sạc pin TP4056. Chương này cũng trình bày bản vẽ thiết kế mạch in PCB hoàn chỉnh.

Chương 5: Thiết kế phần mềm

Chương 5 tập trung xây dựng cấu trúc thuật toán và các lưu đồ giải thuật chi tiết của hệ thống, bao gồm:

  • Lưu đồ chương trình chính (quản lý trình tự khởi động, nhận tín hiệu nút bấm và kích hoạt chu trình đo).
  • Lưu đồ giải thuật đọc dữ liệu thời gian thực từ DS1307 qua giao thức I2C.
  • Lưu đồ giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến áp suất MPX5050GP, chuyển đổi ADC 10-bit và trích xuất chỉ số huyết áp tâm thu, tâm trương, nhịp tim theo phương pháp dao động.
  • Lưu đồ giải thuật phục vụ ngắt cuộc gọi và gửi tin nhắn SMS cảnh báo khẩn cấp qua module SIM800L.

Chương 6: Kết quả thi công, kết luận và hướng phát triển đề tài

Tổng kết toàn bộ quá trình thi công sản phẩm phần cứng thực tế và nạp phần mềm điều khiển. Đưa ra các hình ảnh về sản phẩm hoàn thiện và board mạch in PCB. Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu ban đầu và đề xuất các định hướng phát triển nhằm nâng cao tính năng của thiết bị trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thi công chính

Đề tài đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu thiết kế và chế tạo phần cứng, phần mềm theo kế hoạch:

  • Chế tạo thành công thiết bị đo huyết áp, nhịp tim cá nhân di động, nhỏ gọn, hoạt động bằng pin sạc thông qua mạch quản lý nguồn TP4056.
  • Thi công hoàn chỉnh bo mạch in PCB tích hợp vi điều khiển Arduino Nano, cảm biến MPX5050GP, module GSM SIM800L, IC thời gian thực DS1307 và màn hình LCD Nokia 5110.
  • Vận hành ổn định hệ thống cơ cấu khí nén gồm động cơ bơm Oken Seiko và van xả điện tử KSV05A-12V phục vụ quy trình bơm xả túi khí theo đúng chu trình đo dao động.
  • Ứng dụng thành công giải thuật xử lý tín hiệu điện áp tương tự từ cảm biến áp suất thông qua bộ chuyển đổi ADC 10-bit của Arduino Nano để trích xuất các thông số huyết áp tâm thu, huyết áp tâm trương và nhịp tim.
  • Thiết lập thành công giao tiếp điều khiển module SIM800L bằng tập lệnh AT chuẩn, cho phép tự động gửi tin nhắn SMS báo cáo thông số sức khỏe và kích hoạt cuộc gọi khẩn cấp đến số điện thoại người thân khi có sự cố.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

So với các thiết bị đo huyết áp truyền thống thuần túy chỉ hiển thị kết quả tại chỗ, nghiên cứu đã tích hợp công nghệ viễn thông GSM (module SIM800L) trực tiếp vào thiết bị y tế cá nhân. Đóng góp này mang lại giải pháp cảnh báo từ xa kịp thời cho người thân hoặc nhân viên y tế trong các tình huống người cao tuổi gặp biến cố sức khỏe đột ngột, giúp thu hẹp khoảng cách thời gian tiếp cận cứu trợ y tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Giao diện hiển thị sử dụng màn hình LCD Nokia 5110 có kích thước nhỏ (84x48 pixel), độ phân giải hạn chế.
  • Khả năng lưu trữ lịch sử các lần đo trực tiếp trên thiết bị còn hạn chế, chưa có bộ nhớ ngoài dung lượng lớn để theo dõi dữ liệu sức khỏe trong thời gian dài.
  • Nội dung lý thuyết về hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được khảo sát ở Chương 2 nhưng chưa được tích hợp hoàn chỉnh lên bo mạch thực nghiệm phần cứng trong phạm vi thời gian của đồ án.

Hướng phát triển đề tài

  • Tích hợp thêm module phần cứng định vị GPS để truyền kèm tọa độ địa lý chính xác của người già trong tin nhắn SMS cầu cứu khẩn cấp.
  • Nâng cấp màn hình hiển thị có kích thước lớn hơn, giao diện đồ họa trực quan và dễ quan sát hơn cho người cao tuổi.
  • Tối ưu hóa kích thước mạch in PCB và vỏ hộp sản phẩm để đạt độ thẩm mỹ công nghiệp, thuận tiện mang theo người như một thiết bị đeo tay.
  • Cải tiến thuật toán xử lý tín hiệu số nhằm nâng cao hơn nữa độ chính xác của phép đo dao động trong môi trường có nhiễu chuyển động cơ học.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Y sinh và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về việc thiết kế thiết bị đo y sinh ứng dụng cảm biến áp suất màng bán dẫn MPX5050GP và thuật toán đo dao động Oscillometric.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu phát triển hệ thống nhúng: Cung cấp cấu trúc sơ đồ nguyên lý phần cứng hoàn chỉnh, phương pháp kết nối phối hợp giữa vi điều khiển AVR (Arduino Nano) với các khối chức năng ngoại vi như IC thời gian thực I2C DS1307, LCD Nokia 5110 qua SPI, mạch quản lý sạc pin TP4056 và cơ cấu chấp hành động cơ/van khí.
  • Lập trình viên phần mềm nhúng và ứng dụng viễn thông: Cung cấp bảng tra cứu và hướng dẫn chi tiết về tập lệnh AT thực tế điều khiển module SIM800L trong các ứng dụng tự động gửi SMS và quay số cuộc gọi khẩn cấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị sử dụng nguyên lý nào và linh kiện gì để đo huyết áp và nhịp tim?

Thiết bị ứng dụng phương pháp đo dao động (Oscillometric method) kết hợp cơ sở lý thuyết của phương pháp Korotkoff. Cơ cấu phần cứng gồm động cơ bơm khí Oken Seiko, van xả điện tử KSV05A-12V, bao tay (cuff) và cảm biến áp suất MPX5050GP của hãng Freescale. Cảm biến chuyển đổi độ dao động áp lực buồng khí thành tín hiệu điện áp tương tự, đưa về bộ chuyển đổi ADC 10-bit của Arduino Nano để trích xuất chỉ số huyết áp tâm thu, huyết áp tâm trương và nhịp tim.

2. Module SIM800L thực hiện nhiệm vụ gì và được điều khiển bằng phương thức nào?

Module SIM800L đóng vai trò là khối truyền thông viễn thông không dây trong mạng GSM. Vi điều khiển Arduino Nano điều khiển SIM800L qua giao tiếp Serial UART bằng tập lệnh AT cải tiến (như AT+CMGF=1 để đặt chế độ Text, AT+CMGS để gửi tin nhắn SMS chứa kết quả đo, và ATD để thực hiện cuộc gọi khẩn cấp tự động đến số điện thoại người thân khi có sự cố).

3. Cấu trúc phần cứng của hệ thống bao gồm những khối chức năng nào?

Phần cứng của hệ thống được chia thành 7 khối chính:

  1. Khối điều khiển trung tâm (Arduino Nano sử dụng ATmega328/ATmega32).
  2. Khối cảm biến áp suất (MPX5050GP) và nút nhấn điều khiển.
  3. Khối cơ cấu bơm và van xả điện tử (Oken Seiko, KSV05A-12V).
  4. Khối truyền thông GSM (Module SIM800L).
  5. Khối hiển thị (LCD Nokia 5110 độ phân giải 84x48).
  6. Khối thời gian thực (IC DS1307 giao tiếp I2C).
  7. Khối nguồn và mạch sạc pin Lithium (IC TP4056).

4. Phần mềm điều khiển hệ thống gồm những khối giải thuật chính nào?

Chương trình được phát triển trên Arduino IDE bằng C/C++, bao gồm 4 lưu đồ giải thuật chính:

  1. Lưu đồ chương trình chính (quản trị hệ thống, nút nhấn và điều khiển chu trình bơm xả).
  2. Lưu đồ đọc thời gian thực từ IC DS1307 qua I2C.
  3. Lưu đồ xử lý dữ liệu cảm biến MPX5050GP qua ADC 10-bit để tính toán huyết áp và nhịp tim.
  4. Lưu đồ ngắt khẩn cấp xử lý lệnh gọi điện thoại và gửi tin nhắn SMS cảnh báo qua SIM800L.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công máy đo huyết áp, nhịp tim cho người già" đã thiết kế và chế tạo thành công một thiết bị y tế cá nhân di động tích hợp công nghệ viễn thông GSM trên nền tảng vi điều khiển Arduino Nano. Hệ thống ứng dụng phương pháp đo dao động với cảm biến áp suất MPX5050GP để xác định chính xác các chỉ số huyết áp tâm thu, tâm trương, nhịp tim và hiển thị kết quả kèm thời gian thực lên LCD Nokia 5110. Điểm nổi bật của đề tài là khả năng tự động gửi tin nhắn SMS và quay số khẩn cấp qua module SIM800L đến người thân khi người bệnh gặp nguy hiểm. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao trong việc chăm sóc sức khỏe chủ động cho người cao tuổi và là tài liệu tham khảo chi tiết cho các nghiên cứu phát triển thiết bị nhúng y sinh.