Thiết kế và thi công hệ thống gọi khẩn dành cho bệnh nhân

Đồ án thiết kế và thi công hệ thống gọi khẩn dành cho bệnh nhân - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Tấn Dũng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trường Duy
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh
• Đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống gọi khẩn dành cho bệnh nhân
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống gọi khẩn dành cho bệnh nhân tại ĐH SPKT TP

Hệ thống gọi khẩn dành cho bệnh nhân đóng vai trò then chốt trong công tác điều trị y tế hiện đại. Tại bệnh viện, người bệnh thường đối mặt với các diễn biến sức khỏe bất ngờ. Nhu cầu trợ giúp y tế khẩn cấp đòi hỏi thời gian phản hồi gần như tức thì. Đồ án tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tập trung giải quyết bài toán này. Nghiên cứu do sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Trường Duy. Mục tiêu cốt lõi là xây dựng thiết bị báo động nội bộ tin cậy. Hệ thống kết nối trực tiếp vị trí giường bệnh với phòng trực ban của nhân viên y tế. Quá trình truyền phát tín hiệu được thực hiện hoàn toàn qua sóng vô tuyến. Thiết bị hỗ trợ nhân viên y tế phản ứng kịp thời trước các sự cố tim mạch, đột quỵ hoặc té ngã. Mô hình đảm bảo khả năng hoạt động liên tục trong môi trường bệnh viện phức tạp. Chi phí chế tạo thấp là ưu thế lớn giúp mô hình dễ tiếp cận các cơ sở y tế tuyến dưới. Việc ứng dụng công nghệ nhúng vào thiết bị y tế mang lại giá trị thực tiễn cao.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu đề tài tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật

Khoa Điện - Điện tử trường ĐH SPKT TP.HCM luôn chú trọng các đề tài gắn liền thực tiễn lâm sàng. Sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh thực hiện đồ án nhằm phục vụ cộng đồng y tế. Đề tài ra đời trong bối cảnh nhiều bệnh viện chịu áp lực lớn về nhân lực chăm sóc. Bệnh nhân khó tiếp cận y tá khi xảy ra biến cố nguy kịch vào ban đêm. Đồ án giải quyết khoảng cách giao tiếp này bằng kỹ thuật tự động hóa không dây. Nhóm nghiên cứu khảo sát chi tiết nhu cầu thực tế tại các buồng bệnh. Tiêu chuẩn an toàn điện sinh học và độ nhạy tín hiệu được đặt lên hàng đầu. Công trình tạo nền tảng cho việc tự chủ thiết bị y tế nội địa giá thành thấp.

1.2. Tầm quan trọng của hệ thống gọi y tá trong chăm sóc sức khỏe

Phản ứng nhanh là yếu tố sinh tử trong điều trị lâm sàng. Nhiều trường hợp cấp cứu tim mạch đòi hỏi can thiệp trong vài phút đầu. Chuông gọi thông thường có dây thường gây vướng víu và khó triển khai linh hoạt. Hệ thống gọi khẩn cấp không dây mang lại tính cơ động vượt trội. Bệnh nhân có thể kích hoạt báo động dễ dàng ngay tại đầu giường. Nhân viên y tế tại phòng trực nhận cảnh báo tức thời bằng âm thanh và đèn chỉ thị màu. Cơ chế phân loại cấp độ khẩn cấp giúp đội ngũ y bác sĩ sắp xếp ưu tiên xử lý chuẩn xác. Sự kịp thời này ngăn ngừa đáng kể các biến chứng nguy hiểm cho người bệnh. Thiết bị nâng cao chỉ số an toàn và chất lượng dịch vụ y tế.

II. Thực trạng và vấn đề của hệ thống gọi khẩn dành cho bệnh nhân

Nhiều bệnh viện hiện nay vẫn áp dụng các phương thức gọi y tá truyền thống. Hệ thống có dây cố định phát sinh chi phí lắp đặt rất cao. Việc đục tường đi dây làm gián đoạn hoạt động khám chữa bệnh. Dây cáp ngầm cũng dễ đứt gãy sau thời gian dài vận hành ngầm trong tường. Các chuông báo cơ học thông thường không phân loại được mức độ nghiêm trọng của ca bệnh. Nhân viên y tế không thể phân biệt giữa trường hợp khẩn cấp và yêu cầu hỗ trợ sinh hoạt thông thường. Điều này dẫn tới sự chậm trễ trong các ca cấp cứu trụy tim hoặc xuất huyết đột ngột. Một số cơ sở đầu tư hệ thống không dây nhập khẩu từ nước ngoài. Tuy nhiên, giá thành thiết bị nhập khẩu vô cùng đắt đỏ. Linh kiện thay thế khan hiếm khiến việc bảo dưỡng gặp nhiều rào cản. Ngoài ra, sóng Wi-Fi bệnh viện thường xuyên quá tải do lượng người truy cập đông. Băng thông nghẽn gây gián đoạn đường truyền tín hiệu khẩn. Các rào cản tài chính và kỹ thuật đặt ra yêu cầu bức thiết về một giải pháp nội địa hóa tối ưu.

2.1. Hạn chế từ hệ thống chuông báo có dây truyền thống

Hệ thống báo động có dây bộc lộ nhiều điểm yếu cố hữu. Thi công mạng lưới dây dẫn đòi hỏi can thiệp thô bạo vào kết cấu phòng bệnh. Bụi bẩn và tiếng ồn trong quá trình khoan đục gây ảnh hưởng xấu tới môi trường vô trùng. Chi phí dây dẫn và máng ghen kỹ thuật chiếm tỷ trọng ngân sách rất lớn. Khi giường bệnh cần tái cấu trúc hoặc di chuyển, hệ thống dây không thể điều chỉnh linh hoạt. Việc bảo trì định kỳ gặp trở ngại do đường dây nằm âm tường. Khi xảy ra sự cố chập cháy ngầm, kỹ thuật viên mất nhiều ngày để xác định vị trí hỏng. Điều này làm gián đoạn trực tiếp mạng lưới giám sát y tế và làm tăng chi phí quản lý vận hành.

2.2. Thách thức kỹ thuật khi truyền dữ liệu không dây bệnh viện

Không gian bệnh viện chứa rất nhiều nguồn nhiễu điện từ phức tạp. Các máy chụp X-quang, máy cộng hưởng từ và thiết bị nội soi liên tục phát ra bức xạ. Tường bê tông dày và vách chì chắn bức xạ làm suy hao tín hiệu vô tuyến nghiêm trọng. Sóng vô tuyến rất dễ bị phản xạ hoặc hấp thụ mạnh khi gặp vật cản. Vấn đề trễ gói tin hoặc mất tín hiệu tại các góc khuất đe dọa sự an toàn của bệnh nhân. Khoảng cách truyền xa cũng đặt ra bài toán về độ suy hao công suất. Ngoài ra, việc sử dụng nguồn adapter gắn tường tạo ra sự bất tiện lớn khi cần di chuyển thiết bị phát. Nhóm nghiên cứu cần giải pháp cân bằng giữa mức tiêu thụ điện năng và cự ly truyền dẫn ổn định.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống gọi khẩn dành cho bệnh nhân SPKT

Đồ án tốt nghiệp tại ĐH SPKT TP.HCM đưa ra giải pháp phần cứng tối ưu chi phí. Trọng tâm của hệ thống là vi điều khiển ATmega328P trên nền tảng bo mạch Arduino Nano. Vi điều khiển này vận hành ở tần số 16MHz cùng bộ nhớ Flash 32KB. Kích thước nhỏ gọn giúp thiết bị dễ dàng bố trí tại đầu giường bệnh nhân. Kênh truyền dẫn không dây sử dụng module RF NRF24L01 hoạt động ở dải tần 2.4GHz. Module này do Nordic Semiconductor sản xuất, kết nối với vi điều khiển qua giao tiếp SPI tốc độ cao. Mức tiêu thụ điện năng của module rất thấp, giúp kéo dài tuổi thọ mạch nguồn. Phía khối phát tích hợp ba nút nhấn tương ứng ba mức báo động: khẩn cấp cao, hỗ trợ y tế và nhắc nhở dịch vụ. Mỗi nút nhấn tương ứng với các màu sắc trực quan gồm đỏ, vàng và xanh. Phía khối thu đặt tại phòng trực y tá, gồm mạch giải mã tín hiệu, còi cảnh báo và hệ thống đèn LED hiển thị. Khi bệnh nhân nhấn nút, vi điều khiển đóng gói dữ liệu và phát sóng ngay lập tức. Khối thu tiếp nhận dữ liệu, kích hoạt còi và bật sáng đèn màu tương ứng để định danh vị trí.

3.1. Thiết kế phần cứng với vi điều khiển và module NRF24L01

Phần cứng khối phát được tinh gọn tối đa nhằm tạo thuận tiện khi thao tác. Vi điều khiển Arduino Nano đóng vai trò xử lý trung tâm nhờ kích thước nhỏ gọn. Bo mạch hỗ trợ dải điện áp linh hoạt từ 5 đến 12VDC, cung cấp 14 chân I/O số. Module vô tuyến NRF24L01 giao tiếp trực tiếp với vi điều khiển qua cổng SPI. Tần số hoạt động 2.4GHz cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao và ổn định. Dòng điện tiêu thụ ở trạng thái chờ của module chỉ ở mức microampere, giúp tiết kiệm năng lượng vượt trội. Khối nhận tín hiệu bao gồm module thu NRF24L01, còi chíp báo động và dàn đèn LED màu. Thiết kế mạch in hai lớp giúp hạn chế tối đa hiện tượng nhiễu tín hiệu giữa các linh kiện.

3.2. Thuật toán điều khiển và cơ chế phân loại cảnh báo

Thuật toán phần mềm được lập trình theo cơ chế ngắt để phản hồi tức thì. Mỗi nút bấm đại diện cho một byte mã hóa trạng thái duy nhất. Khi người dùng nhấn nút màu đỏ, hệ thống xác lập ưu tiên cao nhất cho ca cấp cứu tính mạng. Nút màu vàng thông báo nhu cầu hỗ trợ thuốc men hoặc kiểm tra thể trạng. Nút màu xanh biểu thị yêu cầu phục vụ vệ sinh cá nhân hoặc nước uống. Vi điều khiển phát liên tục các gói tin xác nhận để đảm bảo tín hiệu không bị thất thoát. Khối nhận liên tục lắng nghe trên kênh tần số định sẵn. Sau khi nhận đúng mã định danh, vi điều khiển kích hoạt còi báo động ngắt quãng theo nhịp chuẩn y tế và kích sáng đèn LED chỉ thị.

IV. Đánh giá thực nghiệm hệ thống gọi khẩn dành cho bệnh nhân

Thực nghiệm kiểm chứng khả năng vận hành của hệ thống diễn ra qua nhiều kịch bản đo đạc. Kết quả kiểm tra 50 lần bấm nút liên tục cho thấy hiệu suất ấn tượng. Ở khoảng cách 10m, 30m và 70m, tỷ lệ truyền nhận dữ liệu thành công đạt tuyệt đối 50/50 lần. Tỷ lệ này duy trì đồng đều cả trong điều kiện không vật cản lẫn khi có chướng ngại vật ngăn cách. Khi tăng cự ly lên 110m không vật cản, số lần nhận lệnh đạt 35/50 lần cùng độ trễ khoảng 2 giây. Khoảng cách vận hành tối ưu nhất của thiết bị được xác định trong vùng từ 30m đến 70m. Hệ thống đáp ứng xuất sắc các tiêu chí về tốc độ phản hồi và tính trực quan. Kích thước mô hình nhỏ gọn, chi phí thấp, thuận tiện cho việc thi công và sửa chữa tại bệnh viện. Tuy nhiên, thiết bị vẫn còn một số điểm hạn chế cần khắc phục trong các phiên bản kế tiếp. Đường truyền dễ bị suy hao khi xung quanh có mật độ thiết bị điện tử dày đặc. Việc sử dụng nguồn adapter cắm trực tiếp gây hạn chế khi bệnh nhân cần di chuyển. Hướng phát triển tiếp theo là tích hợp pin sạc dự phòng và mở rộng mạng cảm biến dạng lưới Mesh.

4.1. Kết quả thử nghiệm cự ly truyền nhận và độ trễ tín hiệu

Dữ liệu thực nghiệm chứng minh độ ổn định cao của sóng NRF24L01 trong môi trường bệnh viện. Tại cự ly 10m, 30m và 70m, hệ thống ghi nhận xác suất tiếp nhận tín hiệu tuyệt đối 100%. Sự xuất hiện của tường ngăn không làm suy giảm tỷ lệ truyền lệnh ở khoảng cách dưới 70m. Tín hiệu kích hoạt đèn LED và còi báo động gần như tức thời. Khi khoảng cách tăng lên 110m, tỷ lệ truyền thành công giảm còn 70%. Hiện tượng suy hao bức xạ xuất hiện và độ trễ dao động ở mức 2 giây. Ở cự ly xa hơn 100m, thao tác ấn giữ nút lâu hơn giúp khối thu bắt sóng chuẩn xác hơn. Kết quả cho thấy thiết bị hoàn toàn đáp ứng bán kính hoạt động của một khoa điều trị tiêu chuẩn.

4.2. Tiềm năng ứng dụng thực tế và định hướng nâng cấp hệ thống

Mô hình sở hữu tiềm năng ứng dụng thực tế rất lớn tại các bệnh viện vừa và nhỏ. Chi phí chế tạo linh kiện thấp tạo ưu thế cạnh tranh vượt trội so với các sản phẩm thương mại. Cấu trúc không dây loại bỏ hoàn toàn chi phí đục phá hạ tầng để lắp đặt. Nhân viên bảo trì dễ dàng sửa chữa hoặc thay thế linh kiện Arduino phổ thông. Trong tương lai, hệ thống cần được tích hợp thêm màn hình LCD hoặc OLED để hiển thị chi tiết số phòng bệnh. Việc bổ sung pin sạc Lithium và giao thức định tuyến mạng Mesh giúp mở rộng vùng phủ sóng xuyên tầng. Nhóm nghiên cứu cũng hướng tới việc kết nối cơ sở dữ liệu qua Wi-Fi để lưu trữ lịch sử báo động trên máy chủ bệnh viện.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng áp lực tại các cơ sở khám chữa bệnh sau những giai đoạn dịch bệnh phức tạp đòi hỏi các giải pháp hỗ trợ nhằm tối ưu hóa nguồn lực nhân sự y tế. Trong quá trình điều trị, đặc biệt tại các phòng hồi sức tích cực hoặc khu nội trú, bệnh nhân thường xuyên đối mặt với các tình huống biến chuyển sức khỏe đột ngột. Nếu không có phương tiện liên lạc kịp thời, nguy cơ xảy ra rủi ro y khoa và tai biến là rất lớn. Tại các cơ sở y tế tuyến huyện, xã hoặc thôn, việc trang bị các hệ thống báo gọi y tá kỹ thuật số thương mại còn gặp nhiều rào cản do chi phí cao và quy trình đi dây phức tạp; việc gọi hỗ trợ chủ yếu phụ thuộc vào việc thân nhân trực tiếp đi tìm nhân viên y tế.

Xuất phát từ thực trạng trên, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống gọi khẩn dành cho bệnh nhân" được thực hiện bởi nhóm tác giả thuộc Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu trung tâm của đồ án là thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo tình trạng bệnh nhân từ đầu giường đến phòng trực của nhân viên y tế thông qua vi điều khiển Arduino, truyền nhận dữ liệu qua sóng vô tuyến (RF), phát tín hiệu âm thanh bằng còi báo và hiển thị trực quan số phòng, số giường lên màn hình LED cùng mức độ khẩn cấp tương ứng.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được phân định thành 8 nội dung chính:

1. Tìm hiểu các đề tài nghiên cứu về hệ thống gọi khẩn trong cơ sở y tế.
2. Tìm hiểu về vi điều khiển và các linh kiện điện tử sử dụng trong hệ thống.
3. Lựa chọn linh kiện phần cứng phù hợp với tiêu chí kỹ thuật và giá thành.
4. Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình và hệ thống cơ sở dữ liệu liên quan.
5. Thiết kế phần cứng bao gồm sơ đồ nguyên lý và mạch in PCB.
6. Viết chương trình điều khiển cho khối phát và khối thu.
7. Xây dựng mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh của hệ thống.
8. Đánh giá kết quả thực hiện thông qua đo kiểm thực tế.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống truyền nhận tín hiệu gọi khẩn cấp không dây giữa bệnh nhân và nhân viên y tế. Phạm vi nghiên cứu về mặt thời gian được thực hiện từ ngày 09/09/2024 đến ngày 22/12/2024 (bảo vệ tốt nghiệp tháng 01/2025). Về mặt không gian và chức năng, hệ thống được thiết kế hướng tới môi trường phòng bệnh nội trú và phòng hồi sức tích cực (ICU). Hệ thống được giới hạn trong phạm vi truyền tín hiệu số giường, số phòng và 3 mức độ cảnh báo; không tích hợp camera giám sát hình ảnh bệnh nhân, không kết nối hiển thị lên máy chủ trung tâm và không lưu trữ hồ sơ bệnh án chi tiết.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng lý thuyết về bức xạ điện từ và sóng vô tuyến (Radio Frequency - RF) trong dải tần số 2.4 GHz để xây dựng kênh truyền thông không dây tầm ngắn và trung bình. Cấu trúc liên kết mạng không dây được nghiên cứu dựa trên khả năng của module NRF24L01: một module có thể kết nối đồng thời với 5 module khác, cho phép phát triển mạng hình cây lên đến 5 cấp với dung lượng lý thuyết tối đa 3.125 nút truyền nhận, tương đương với 3.125 giường bệnh trong một mạng quản lý tập trung.

Khung kỹ thuật của hệ thống dựa trên các thành phần phần cứng và giao thức chuẩn:

• Vi điều khiển ATmega328P trên bo mạch Arduino Nano V3.0: Xung nhịp hoạt động 16 MHz, bộ nhớ Flash 32 KB, SRAM 2 KB, EEPROM 1 KB, 14 chân I/O số và 8 chân đầu vào tương tự.
• Chuẩn giao tiếp ngoại vi nối tiếp SPI (Serial Peripheral Interface): Sử dụng cấu trúc Master - Slave để truyền nhận dữ liệu tốc độ cao giữa Arduino Nano và module RF qua 4 đường tín hiệu: SCLK (Serial Clock), MOSI (Master Out Slave In), MISO (Master In Slave Out) và CSN/SS (Chip Select Not).
• Module sóng RF NRF24L01 và NRF24L01 + PA + LNA 2.4 GHz 100 mW: Sử dụng dải tần 2.4 GHz với 125 kênh tần số, tốc độ truyền dữ liệu từ 250 Kbps đến 2 Mbps, điện áp hoạt động 3.3V.
• Thanh ghi dịch 8-bit chốt đầu ra 74HC595N: Giúp giải phóng chân vi điều khiển bằng cách nhận dữ liệu nối tiếp qua chân DS và xuất song song ra 8 chân Q0–Q7 điều khiển LED 7 đoạn thông qua các xung nhịp SH_CP (Clock) và ST_CP (Latch).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết mạch điện tử, thiết kế mô phỏng phần cứng và thực nghiệm kiểm chứng:

• Tính toán giá trị điện trở hạn dòng cho các diode phát quang (LED) đơn và LED 7 đoạn anode chung để đảm bảo tuổi thọ linh kiện ở dòng định mức 20 mA.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) trên phần mềm Proteus 8 Professional; gia công bảng mạch in dạng cắm jumper để tăng tính linh hoạt khi sửa chữa, thay thế linh kiện.
• Lập trình nhúng bằng ngôn ngữ C/C++ trên nền tảng Arduino IDE.
• Phương pháp thực nghiệm đo kiểm tỷ lệ truyền nhận dữ liệu: Tiến hành phát tín hiệu 50 lần cho mỗi khoảng cách (10m, 30m, 70m, 110m) ở hai trạng thái môi trường có vật cản và không có vật cản để xác định tỷ lệ thành công và độ trễ phản hồi.

Nguồn tài liệu tham khảo được kế thừa từ các công trình nghiên cứu trước đó, tiêu biểu là đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Anh về hệ thống báo gọi y tá không dây kết hợp phần mềm quản lý và công bố quốc tế của Mohamed Hesham Aref cùng các cộng sự (2018) về hệ thống gọi y tá không dây trong cơ sở y tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được tổ chức thành hai phân hệ độc lập: thiết bị phát tín hiệu đặt tại đầu giường bệnh nhân và thiết bị nhận cảnh báo đặt tại phòng trực nhân viên y tế.

+---------------------------------------------------------------+
|                      BỘ PHÁT TẠI GIƯỜNG BỆNH                  |
|  [Khối nút nhấn] -> [Arduino Nano] -> (SPI) -> [NRF24L01]     |
|   (Xanh/Vàng/Đỏ)        (PULL UP)              (+PA+LNA)      |
+---------------------------------------------------------------+
                                | (Sóng vô tuyến 2.4 GHz)
                                v
+---------------------------------------------------------------+
|                      BỘ THU TẠI PHÒNG TRỰC                    |
|  [NRF24L01] -> (SPI) -> [Arduino Nano]                        |
|                            |                                  |
|                            +--> [Còi báo động 90dB / LED màu] |
|                            +--> (3 chân) -> [IC 74HC595N]     |
|                                                  |            |
|                                                  v            |
|                                       [LED 7 đoạn (Phòng/Giường)]
+---------------------------------------------------------------+

Kiến trúc phần cứng bộ phát (thiết bị yêu cầu hỗ trợ)

Bộ phát gồm khối nguồn sử dụng adapter 9V–2A, mạch hạ áp 3.3V cấp cho module RF, khối xử lý trung tâm Arduino Nano, module phát NRF24L01 + PA + LNA 2.4 GHz 100 mW và khối nút nhấn 3 màu (Xanh, Vàng, Đỏ). Các nút nhấn được cấu hình ngõ vào ở chế độ INPUT_PULLUP tận dụng điện trở kéo lên nội của vi điều khiển, trạng thái bình thường ở mức cao và chuyển sang mức thấp khi được nhấn. Giá trị điện trở hạn dòng cho LED đơn chỉ thị trạng thái nút nhấn được tính toán theo công thức: $$R_{led} = \frac{4{,}2\text{ V} - 2{,}2\text{ V}}{20\text{ mA}} = 100,\Omega$$

Nhằm triệt tiêu hiện tượng giao thoa và nhiễu tín hiệu trên đường truyền SPI tốc độ cao, đường mạch của hai tín hiệu MISO và MOSI trên mạch in được đi tách biệt và cuốn dây nối đất (GND) bảo vệ xung quanh.

Kiến trúc phần cứng bộ thu (thiết bị hiển thị và cảnh báo)

Bộ thu gồm hai khối nguồn cấp riêng biệt (nguồn cho Arduino Nano và nguồn cho khối hiển thị), module thu NRF24L01, Arduino Nano, IC ghi dịch 74HC595N, 2 LED 7 đoạn anode chung hiển thị số phòng và số giường, 3 LED đơn tương ứng 3 mức độ cảnh báo và còi báo động công suất âm thanh 90 dB (tần số 3.5 kHz, điện áp 3–6V). Việc tích hợp IC 74HC595N cho phép điều khiển toàn bộ các đoạn của LED 7 đoạn chỉ bằng 3 chân xuất tín hiệu của vi điều khiển thay vì phải sử dụng trực tiếp 7 chân I/O. Điện trở hạn dòng cho các thanh LED 7 đoạn với nguồn cấp 9V và sụt áp trên LED là 7.2V được tính toán: $$R_{led} = \frac{9\text{ V} - 7{,}2\text{ V}}{20\text{ mA}} = 90,\Omega \approx 100,\Omega$$

Thuật toán điều khiển và phần mềm

Toàn bộ mã nguồn được biên dịch và nạp thông qua Arduino IDE.

• Quy trình hoạt động của bộ phát: Hệ thống khởi tạo các thư viện giao tiếp SPI, thư viện điều khiển RF và cấu hình các chân ngõ vào nút nhấn. Vi điều khiển quét liên tục trạng thái cổng vào; khi phát hiện nút được nhấn, dữ liệu mã hóa số phòng, số giường và mức độ khẩn cấp được đóng gói và truyền sang module NRF24L01 qua giao tiếp SPI để phát vào không gian.
• Quy trình hoạt động của bộ thu: Sau khi cấp nguồn và khởi tạo module NRF24L01 ở chế độ thu tín hiệu (RX), vi điều khiển liên tục kiểm tra bộ đệm nhận. Khi nhận được gói dữ liệu từ không gian truyền đến, chương trình giải mã thông tin, xuất dữ liệu qua thanh ghi dịch 74HC595N để hiển thị số phòng và số giường lên LED 7 đoạn, đồng thời bật sáng LED chỉ thị màu tương ứng và kích hoạt còi báo động 90 dB liên tục. Nhân viên y tế sau khi tiếp nhận thông tin sẽ nhấn nút Reset cơ học trên mạch thu để ngắt còi báo, xóa màn hình hiển thị và đưa hệ thống về trạng thái chờ ban đầu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh thực tiễn của ngành y tế, nhu cầu cấp thiết về thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp giữa bệnh nhân và nhân viên y tế nhằm giảm tải công tác túc trực tại giường. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống gọi khẩn không dây giá thành thấp, dễ thi công, ứng dụng phù hợp cho các cơ sở y tế tuyến cơ sở. Bố cục toàn văn, các nhiệm vụ nghiên cứu cùng giới hạn đề tài (không camera, không máy chủ theo dõi, chỉ xử lý số giường, số phòng và tín hiệu báo động) được xác lập đầy đủ.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp cơ sở khoa học về sóng vô tuyến RF, cấu tạo bức xạ điện từ và các khối chức năng trong một hệ thống điều khiển từ xa (khối phát lệnh, khối mã hóa, khối dao động cao tần, khối điều chế, khối khuếch đại, khối tách sóng và giải mã). Nội dung đi sâu phân tích thông số kỹ thuật, cấu hình chân và nguyên lý giao tiếp của các linh kiện chính: vi điều khiển ATmega328P trên bo mạch Arduino Nano, module thu phát NRF24L01 và NRF24L01 + PA + LNA 2.4 GHz 100 mW, IC ghi dịch 74HC595N, cấu tạo LED 7 đoạn anode chung, thông số còi báo động 3–6V (90 dB, 3.5 kHz) và giao thức truyền thông nối tiếp SPI (SCLK, MOSI, MISO, CS/SS). Cấu trúc liên kết mạng hình cây mở rộng tối đa 3.125 nút của NRF24L01 cũng được chứng minh bằng lý thuyết.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối tổng thể của bộ phát và bộ thu, phân tích chức năng của từng khối thành phần. Tác giả trình bày sơ đồ nguyên lý kết nối giữa các linh kiện, các phép tính toán xác định giá trị điện trở phân áp và bảo vệ LED đơn ($100,\Omega$), LED 7 đoạn ($100,\Omega$). Chương này cũng nêu rõ giải pháp thiết kế đường mạch trên bo mạch in: bố trí các chân MISO và MOSI cách ly với các đường dây điện áp khác để hạn chế hiện tượng can nhiễu xung nhịp cao tần.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ tiến trình hiện thực hóa sản phẩm từ mô phỏng trên Proteus 8 đến thi công mạch in PCB thực tế cho 3 khối: mạch phát, mạch thu và mạch hiển thị LED 7 đoạn riêng biệt. Hệ thống sử dụng các hàng chân cắm (jumper) để liên kết module giúp việc sửa chữa và thay thế linh kiện dễ dàng. Chương này phân tích chi tiết lưu đồ thuật toán điều khiển bộ phát và bộ thu, giới thiệu môi trường lập trình Arduino IDE, thống kê bảng dự toán linh kiện chi tiết và lập bảng so sánh giá thành với các thiết bị gọi y tá thương mại trên thị trường. Hướng dẫn vận hành hệ thống cùng quy ước phân loại 3 mức độ màu sắc của nút nhấn được chuẩn hóa cụ thể.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Chương 5 công bố các hình ảnh mô hình thực tế đã đóng gói hoàn thiện của bộ phát và bộ thu. Nội dung trọng tâm là bảng số liệu thử nghiệm thực tế đánh giá độ tin cậy của đường truyền vô tuyến ở các cự ly 10m, 30m, 70m và 110m trong điều kiện có và không có vật cản. Các nhận xét khách quan về ưu điểm độ nhạy cao ở cự ly 30–70m, nhược điểm độ trễ tăng và suy hao sóng khi vượt quá 110m cùng các giải pháp khắc phục bằng phần cứng (bọc kim loại, chống nhiễu chân tín hiệu) được trình bày cụ thể.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết việc hoàn thành toàn bộ mục tiêu đề ra về thiết kế phần cứng, viết phần mềm điều khiển và thử nghiệm mô hình thực tế. Hướng phát triển của đề tài được định hướng vào việc tối ưu hóa kích thước mạch, tích hợp nguồn pin sạc di động thay cho adapter cắm tường, mở rộng khả năng giám sát qua phần mềm quản lý trung tâm và bổ sung các cảm biến đo sinh hiệu bệnh nhân.

Kết quả và đóng góp

Dữ liệu thử nghiệm thực nghiệm

Độ tin cậy của kênh truyền vô tuyến 2.4 GHz được kiểm chứng qua chuỗi thử nghiệm thực tế với 50 lần kích hoạt ngẫu nhiên giữa 3 nút chức năng (Đỏ, Xanh, Vàng) tại các khoảng cách khác nhau:

Khoảng cách	Điều kiện môi trường	Số lần nhấn nút	Số lần nhận thành công	Ghi chú kỹ thuật
10m	Không vật cản	50	50/50	Tín hiệu đáp ứng tức thời
30m	Không vật cản	50	50/50	Tín hiệu đáp ứng tức thời
70m	Không vật cản	50	50/50	Tín hiệu bắt và thu ổn định
110m	Không vật cản	50	35/50	Độ trễ $\pm 2$ giây, cần nhấn giữ nút lâu hơn
10m	Có vật cản (tường)	50	50/50	Đáp ứng tốt, không suy hao
30m	Có vật cản (tường)	50	50/50	Đáp ứng tốt, không suy hao
70m	Có vật cản (tường)	50	50/50	Hoạt động tin cậy trong môi trường phòng bệnh

Quy chuẩn hóa quy trình phân loại mức độ khẩn cấp

Đồ án đã thiết lập quy chuẩn màu sắc cho hệ thống gọi đầu giường bệnh nhân:

• Nút màu xanh: Dành cho thân nhân bệnh nhân khi có nhu cầu gặp nhân viên y tế để trao đổi thông tin chăm sóc định kỳ hoặc tình hình sức khỏe thông thường.
• Nút màu vàng: Dành cho bệnh nhân khi gặp các triệu chứng bất ổn ở mức độ nhẹ (đau, nhức mỏi, khó chịu cần hỗ trợ chăm sóc cơ bản).
• Nút màu đỏ: Dành cho trường hợp khẩn cấp, bệnh nhân nguy kịch cần sự can thiệp y tế tức thời của bác sĩ; nút này có thể do chính bệnh nhân hoặc điều dưỡng túc trực bấm báo động.

Đóng góp về mặt kinh tế và kỹ thuật

Hệ thống giải quyết bài toán kinh tế thông qua việc tối ưu hóa chi phí chế tạo so với các giải pháp thương mại đang lưu hành:

Tên thiết bị trên thị trường	Đơn vị cung ứng / Model	Mức giá tham chiếu trên thị trường
Hệ thống báo gọi y tá Digital	Commax	12.000.000 VNĐ
Máy chủ trực y tá	Commax JNS-4CM	8.000.000 VNĐ
Nút gọi khẩn cấp	Commax ES-400	506.000 VNĐ
Nút ấn gọi y tá không dây	MTCALL	380.000 VNĐ

Chi phí linh kiện thực tế để chế tạo một bộ hệ thống hoàn chỉnh trong đề tài thấp hơn đáng kể so với thiết bị thương mại. Trong quá trình gia công thực tế, chi phí hoàn thành mô hình có mức chênh lệch khoảng 171.000 VNĐ so với dự toán ban đầu do phát sinh hư hỏng một số linh kiện thử nghiệm. Mức giá thành thấp đạt được nhờ ba yếu tố:

1. Loại bỏ hoàn toàn hệ thống dây cáp tín hiệu phức tạp, thay bằng module thu phát sóng RF NRF24L01.
2. Tinh gọn cấu trúc phần cứng, chỉ tập trung giải quyết triệt để hai chức năng cốt lõi là định danh vị trí (phòng/giường) và báo động khẩn cấp theo mức độ.
3. Tận dụng vật liệu vỏ hộp in nhựa chi phí thấp, tối ưu cho sản xuất nhỏ lẻ.

Về mặt kỹ thuật, đề tài giải quyết thành công bài toán tiết kiệm chân vi điều khiển cho Arduino Nano thông qua IC 74HC595N và kiểm soát tốt hiện tượng can nhiễu tín hiệu tần số cao trên đường truyền SPI bằng giải pháp đi dây mass (GND) bọc quanh đường truyền MISO/MOSI.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế kỹ thuật được chính nhóm tác giả chỉ ra trong quá trình thử nghiệm gồm:

• Tín hiệu vô tuyến dễ bị suy giảm chất lượng và xuất hiện hiện tượng can nhiễu khi vận hành trong không gian có mật độ thiết bị điện tử y tế dày đặc.
• Khi cự ly truyền vượt quá 110m, độ trễ tín hiệu tăng lên khoảng $\pm 2$ giây và đòi hỏi người dùng phải giữ nút nhấn lâu hơn để gói tin truyền đi thành công; tỷ lệ truyền nhận ở cự ly này giảm xuống còn 35/50 lần (70%).
• Hệ thống chưa thực sự tinh giản về mặt kích thước mô hình đóng gói.
• Bộ thiết bị còn phụ thuộc vào nguồn cấp cố định từ adapter 9V cắm lưới điện, gây bất tiện về tính cơ động khi cần di chuyển hoặc lắp đặt linh hoạt theo giường bệnh lưu động.
• Chưa tích hợp hệ thống camera truyền hình ảnh trực tiếp và chưa kết nối cơ sở dữ liệu bệnh án về máy chủ trung tâm.

Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất:

• Bổ sung khối pin sạc dự phòng tích hợp mạch quản lý nguồn nhằm nâng cao tính linh hoạt, cho phép thiết bị hoạt động độc lập ngay cả khi mất điện lưới.
• Thiết kế giao diện phần mềm quản lý trên máy tính hoặc ứng dụng di động cho phòng trực trung tâm để lưu trữ lịch sử các cuộc gọi khẩn.
• Nghiên cứu tích hợp các module cảm biến sinh hiệu (nhịp tim, nồng độ oxy trong máu SpO2) để tự động phát cảnh báo khi bệnh nhân rơi vào trạng thái nguy kịch mà không thể tự bấm nút.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Y sinh, Kỹ thuật Điện tử – Viễn thông, Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa khi tiếp cận các đề tài thiết kế thiết bị hỗ trợ y tế hoặc hệ thống nhúng giao tiếp vô tuyến tầm ngắn.

Những nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao trong tài liệu gồm:

• Phương pháp tính toán điện trở hạn dòng thực tế cho hệ thống hiển thị LED kết hợp vi điều khiển.
• Sơ đồ mạch nguyên lý và layout mạch in trên Proteus 8 ứng dụng IC ghi dịch 74HC595N để mở rộng ngõ ra cho Arduino Nano.
• Kỹ thuật bố trí mạch in để chống nhiễu cho chuẩn truyền thông SPI tần số cao giữa vi điều khiển và module thu phát NRF24L01 + PA + LNA.
• Phương pháp luận tổ chức thử nghiệm thực nghiệm đo kiểm tỷ lệ truyền nhận gói tin không dây trong môi trường có và không có vật cản.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống phân định các mức độ khẩn cấp của bệnh nhân như thế nào?
Hệ thống sử dụng 3 nút nhấn với quy ước màu sắc riêng biệt: nút màu xanh dành cho thân nhân bệnh nhân khi cần gặp nhân viên y tế trao đổi thông tin; nút màu vàng dành cho bệnh nhân báo tình trạng mệt mỏi, đau nhức ở mức độ nhẹ; nút màu đỏ dành cho các tình huống khẩn cấp, bệnh nhân nguy kịch cần bác sĩ can thiệp ngay lập tức. Tương ứng trên bộ thu sẽ có 3 đèn LED chỉ thị đúng màu sắc của nút được bấm.

Tại sao tác giả sử dụng IC ghi dịch 74HC595N kết hợp với Arduino Nano trong mạch thu?
Do Arduino Nano bị giới hạn số lượng chân I/O số (chỉ có 14 chân digital), nếu kết nối trực tiếp với 2 LED 7 đoạn sẽ tiêu tốn nhiều chân điều khiển. Việc tích hợp IC ghi dịch 8-bit 74HC595N cho phép chuyển đổi dữ liệu nối tiếp thành dữ liệu song song, giúp điều khiển hiển thị LED 7 đoạn chỉ bằng 3 chân ngõ ra của Arduino Nano (DS, SH_CP, ST_CP), tiết kiệm tài nguyên chân cho các khối chức năng khác.

Hiệu suất truyền nhận không dây của hệ thống trong thực nghiệm đạt được như thế nào?
Trong điều kiện khoảng cách từ 10m đến 70m, hệ thống đạt tỷ lệ truyền nhận thành công tuyệt đối 50/50 lần (100%) ở cả hai điều kiện có vật cản và không có vật cản. Khi khoảng cách tăng lên 110m (không vật cản), tỷ lệ truyền nhận giảm xuống còn 35/50 lần (70%) và xuất hiện độ trễ khoảng $\pm 2$ giây, yêu cầu người dùng phải nhấn giữ nút lâu hơn.

Giải pháp chống nhiễu đường truyền SPI giữa Arduino Nano và module NRF24L01 được xử lý ra sao?
Do hai chân tín hiệu MISO và MOSI rất dễ bị can nhiễu từ các dây dẫn điện xung quanh khi truyền ở tần số cao, trong quá trình thiết kế mạch in PCB, nhóm tác giả đã tách xa đường chạy của hai dây này so với các đường mạch khác, đồng thời sử dụng kỹ thuật cuốn dây nối đất (GND) bao quanh đường tín hiệu và sử dụng module RF có vỏ kim loại bảo vệ.

Âm lượng và thông số kỹ thuật của còi báo động tại phòng trực là bao nhiêu?
Còi báo động sử dụng điện áp định mức 3–6V, dòng tiêu thụ 20 mA, hoạt động ở dải tần số 3.5 kHz, tạo ra mức áp suất âm thanh đạt 90 dB và có thể vận hành trong phạm vi nhiệt độ từ -20°C đến 70°C.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống gọi khẩn dành cho bệnh nhân" của nhóm sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã chế tạo thành công một hệ thống cảnh báo không dây hoàn chỉnh từ phần cứng mạch in đến phần mềm điều khiển. Hệ thống vận hành ổn định trong cự ly thực tế từ 50m đến 80m, cho phép truyền nhận chính xác số phòng, số giường và 3 cấp độ khẩn cấp đến phòng trực y tế với độ trễ thấp và âm lượng cảnh báo 90 dB rõ ràng. Mô hình cung cấp một giải pháp kỹ thuật có chi phí chế tạo thấp, dễ lắp đặt và bảo trì, mở ra khả năng ứng dụng thực tiễn phù hợp cho các cơ sở y tế tuyến cơ sở.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương này tính toán thiết kế hệ thống, thiết kế sơ đồ khối, nêu chức năng từng khối và nguyên lý hoạt động của nó. • Chương 4: Thi công sản phẩm Chương này trình bày lưu đồ giải thuật chính, lưu đồ con và giải thích, thi công mạch, sơ đồ mạch layout, lắp ráp, kiểm tra đóng gói sản phẩm, thi công mô hình, lập trình hệ thống. • Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá Chương này trình bày kết quả mô hình từ đó đưa ra đánh giá, nhận xét. • Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CẢNH GỌI KHẨN Mục đích của hệ thống cảnh báo khẩn cấp dành cho bệnh nhân là hỗ trợ bệnh nhân trong việc báo động nhanh chóng khi cần trợ giúp, đặt biệt trong các tình huống khẩn cấp về sức khỏe, hệ thống này thường được áp dụng tại bệnh viện, viện dưỡng lão, hoặc tại nhà cho những bệnh nhân cần chăm sóc đặc biệt.

Hệ thống cảnh báo khẩn trong bệnh viện thì nơi yêu cầu là giường của bệnh nhân (có thể là thân nhân bệnh nhân), còn nơi xử lý yêu cầu là nhân viên y tế. Việc áp dụng hệ thống này giúp nhân viên y tế giảm đáng kể thời gian túc trực cạnh bệnh nhân. Bệnh nhân có thể yêu cầu hỗ trợ từ xa bằng cách ấn nút vào thiết bị cảnh báo đặt ở đầu giường bệnh và tín hiệu sẽ truyền đến thiết bị theo dõi trung tâm đặt ở phòng trực của nhân viên y tế với những thông tin y tế như: số phòng, số giường và mức độ nặng nhẹ của bệnh nhân.1 Sơ đồ khái quát hệ thống cảnh báo khẩn trong bệnh viện Mô hình của hệ thống cảnh báo khẩn gồm những thành phần như hệ thống nút nhấn được đặt ở đầu giường bệnh nhân, khối xử lý tín hiệu thu và nhận, thiết bị cảnh báo và hệ thống đèn để nhận biết số giường và số phòng cũng như mức độ nghiêm trọng của bệnh nhân. Hệ thống cảnh báo khẩn mà chúng em nghiên cứu sẽ sử dụng các module thu phát RF để truyền thông tin mà không sử dụng cáp truyền tín hiệu.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG SÓNG VÔ TUYẾN (RF) 2.1 Khái niệm “RF (radio frequency) là một kiểu bức xạ điện từ với bước sóng trong phổ điện từ dài hơn ánh sáng hồng ngoại. Sóng vô tuyến có tần số từ 3kHz đến 300GHz, tương ứng với bước sóng từ 100mm đến 1km. Nó thường được hình thành trong tự nhiên nhờ sấm sét hoặc bởi các đối tượng thiên văn. Qua nhiều năm nghiên cứu thì con người đã tạo ra nó.

Hiện nay thường được sử dụng cho các hệ thống như radar, phát thanh, liên lạc vô tuyến di động, cố định và hệ thống dẫn đường khác.Với các tần số khác nhau của sóng vô tuyến thì lại có đặc tính lan truyền khác nhau trong khí quyển Trái Đất.”[6] “Sóng điện từ (Electromagnetic waves) còn được gọi là bức xạ điện từ là sự truyền của điện từ trường trong không gian và là sóng ngang. Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng. 2 Hình sóng điện từ 2.2 Điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến (RF) Một trong những ứng dụng hữu ích nhất của sóng RF đó là điều khiển từ xa. Điều khiển từ xa bằng sóng RF là loại điều khiển xuất hiện đầu tiên và đến nay vẫn giữ vai trò quan trọng và phổ biến trong cuộc sống.