Đồ án hệ thống đo nhiệt độ, nhịp tim, SpO2 và phun sát khuẩn - ĐH SPKT

Hướng dẫn thiết kế và thi công hệ thống đo nhiệt độ, nhịp tim, nồng độ oxy trong máu kết hợp phun sát khuẩn tự động giúp kiểm tra sức khỏe hiệu quả.

• Tác giả: Lê Phú Quang
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Đình Phú
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử - truyền thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình hệ thống đo nhiệt độ, nhịp tim, nồng độ oxi trong máu và phun sát khuẩn
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống đo nhiệt độ nhịp tim SpO2

Hệ thống đo nhiệt độ nhịp tim SpO2 kết hợp các cảm biến sinh trắc học hiện đại nhằm theo dõi liên tục các chỉ số sinh tồn quan trọng. Nhiệt độ cơ thể phản ánh tình trạng sức khỏe tổng quát, nhịp tim đánh giá hoạt động tim mạch, trong khi SpO2 đo nồng độ oxy trong máu xác định khả năng vận chuyển oxy của hồng cầu. Việc tích hợp chức năng phun sát khuẩn tự động nâng cao giá trị ứng dụng trong môi trường y tế và cộng đồng. Hệ thống sử dụng vi điều khiển trung tâm kết nối không dây Bluetooth với ứng dụng di động, cho phép theo dõi thời gian thực và cảnh báo tức thì khi chỉ số vượt ngưỡng an toàn. Các thành phần chính bao gồm cảm biến nhiệt độ MLX90614, module đo nhịp tim SpO2 MAX30100, mạch phun sát khuẩn tự động, và module hiển thị LCD 16x2.

1.1. Chức năng và ứng dụng chính

Hệ thống cung cấp bốn chức năng cốt lõi: đo nhiệt độ không xâm lấn thông qua cảm biến hồng ngoại, theo dõi nhịp tim thông qua quang trắc học, đo SpO2 bằng phương pháp hấp thụ ánh sáng, và phun sát khuẩn tự động khi phát hiện nguy cơ nhiễm khuẩn. Các ứng dụng chính bao gồm giám sát sức khỏe bệnh nhân tại nhà, trạm y tế lưu động, phòng khám đa khoa, và môi trường công cộng cần kiểm soát dịch bệnh. Khả năng kết nối không dây cho phép tích hợp vào hệ thống quản lý sức khỏe thông minh, hỗ trợ nhân viên y tế theo dõi từ xa.

1.2. Các tiêu chuẩn kỹ thuật cơ bản

Hệ thống tuân thủ tiêu chuẩn IEC 60601-1 cho thiết bị y tế, đảm bảo an toàn điện và sinh học. Độ chính xác đo nhiệt độ đạt ±0.2°C trong khoảng 35-42°C, nhịp tim ±1 bpm, SpO2 ±2%. Thời gian phản hồi cảm biến dưới 1 giây, dung lượng pin 2000mAh cung cấp hoạt động liên tục 48 giờ. Nhiệt độ hoạt động 10-40°C, độ ẩm 10-80% không ngưng tụ. Khả năng chống nhiễu điện từ đạt tiêu chuẩn FCC Part 15, đảm bảo hoạt động ổn định trong môi trường bệnh viện.

II. Phân tích nhu cầu và thách thức trong thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống đo đa chỉ số sinh tồn gặp nhiều thách thức về độ chính xác, tiêu thụ năng lượng, và tích hợp chức năng. Nhu cầu theo dõi liên tục trong thời gian dài đòi hỏi giải pháp tối ưu hóa tiêu thụ điện năng mà vẫn duy trì độ chính xác. Việc kết hợp nhiều cảm biến trong không gian hạn chế gây nhiễu tín hiệu, đòi hỏi kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến. Chi phí sản xuất phải cân bằng giữa chất lượng cảm biến thương mại sẵn có và hiệu suất hoạt động. Thách thức tiếp theo là tích hợp chức năng phun sát khuẩn tự động mà không ảnh hưởng đến độ tin cậy của phép đo. Hệ thống phải hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường thay đổi, từ phòng điều hòa đến ngoài trời nắng nóng.

2.1. Yêu cầu kỹ thuật đối với cảm biến sinh trắc học

Cảm biến nhiệt độ yêu cầu dải đo rộng 20-60°C với độ phân giải 0.1°C, phản hồi nhanh dưới 200ms. Module đo nhịp tim SpO2 cần độ nhạy cao với tín hiệu yếu, chống nhiễu ánh sáng môi trường. Độ chính xác SpO2 đạt ±3% trong khoảng 70-100%, nhịp tim ±5 bpm. Tất cả cảm biến phải tương thích với giao tiếp I2C tốc độ 400kHz, tiêu thụ dưới 5mA ở chế độ hoạt động. Độ bền cơ học đảm bảo hoạt động 10.000 chu kỳ đo liên tục, chịu được va đập 100G.

2.2. Thách thức trong tích hợp phun sát khuẩn

Hệ thống phun sát khuẩn tự động phải đảm bảo liều lượng chính xác 0.5-2ml/cm², thời gian phun 1-3 giây. Việc phun không được ảnh hưởng đến hoạt động của cảm biến, đặc biệt là cảm biến nhiệt độ hồng ngoại. Giải pháp sử dụng van điện từ mini với tốc độ phản hồi 50ms, dung tích dung dịch 100ml đủ cho 50 lần phun. Hệ thống cảnh báo khi dung dịch sát khuẩn sắp hết, kết nối không dây gửi thông báo đến ứng dụng di động. Thiết kế mạch in phải tách biệt khu vực điện tử khỏi khu vực tiếp xúc dung dịch.

III. Giải pháp thiết kế mô hình hệ thống đo đa chỉ số

Mô hình sử dụng kiến trúc vi điều khiển ESP32 làm trung tâm xử lý, tích hợp giao tiếp WiFi/Bluetooth cho truyền dữ liệu thời gian thực. Cảm biến nhiệt độ MLX90614 kết nối qua giao diện I2C, cung cấp dữ liệu nhiệt độ bề mặt da với độ chính xác cao. Module MAX30100 đo nhịp tim SpO2 thông qua kỹ thuật quang trắc học, sử dụng hai diode phát sáng đỏ và hồng ngoại. Mạch phun sát khuẩn tích hợp van điện từ điều khiển bởi tín hiệu PWM từ vi điều khiển. Hệ thống sử dụng nguồn 5V/2A, tích hợp pin Li-ion dung lượng 2000mAh với mạch sạc USB-C. Phần mềm nhúng được lập trình bằng Arduino IDE, tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng ở chế độ chờ.

3.1. Lựa chọn linh kiện và cảm biến phù hợp

Cảm biến nhiệt độ MLX90614ESF-BAA được chọn do dải đo rộng -70°C đến 380°C, độ phân giải 0.02°C, tiêu thụ 1.5mA. Module MAX30100 sử dụng diode LED đỏ (660nm) và hồng ngoại (880nm), tiêu thụ 5.5mA. Vi điều khiển ESP32-WROOM-32 cung cấp 2 lõi Xtensa 32-bit, 520KB SRAM, hỗ trợ giao tiếp không dây. Màn hình LCD 16x2 hiển thị 4 dòng dữ liệu, kết nối I2C tiêu thụ 10mA. Mạch in 4 lớp đảm bảo tín hiệu không bị nhiễu, lớp mặt dưới dành cho mạch nguồn.

3.2. Tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng

Hệ thống sử dụng chế độ ngủ sâu ESP32 (0.8mA) khi không đo, thức dậy mỗi 5 phút để kiểm tra chỉ số. Cảm biến MAX30100 hoạt động 10 giây mỗi lần đo, tiêu thụ 5.5mA. Cảm biến nhiệt độ chỉ hoạt động khi có yêu cầu đo, tiêu thụ 1.5mA. Mạch phun sát khuẩn sử dụng van điện từ tiêu thụ 100mA trong 2 giây. Nguồn cung cấp sử dụng pin Li-ion 18650 3.7V/2000mAh, mạch sạc TP4056 tích hợp bảo vệ quá dòng. Hệ thống tự động tắt nguồn khi dung lượng pin dưới 10% để bảo vệ pin.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của hệ thống

Hệ thống đo nhiệt độ nhịp tim SpO2 kết hợp phun sát khuẩn thể hiện giải pháp toàn diện cho giám sát sức khỏe thời gian thực. Kết quả thử nghiệm cho thấy độ chính xác đạt 98.5% so với thiết bị y tế chuyên dụng, thời gian phản hồi dưới 1 giây. Tính năng phun sát khuẩn tự động giúp giảm nguy cơ lây nhiễm chéo trong môi trường đông người. Hệ thống dễ dàng mở rộng thêm cảm biến khác như huyết áp hoặc glucose. Chi phí sản xuất ước tính 120 USD, thấp hơn 60% so với thiết bị nhập khẩu tương đương. Ứng dụng di động cung cấp giao diện thân thiện, hỗ trợ đa ngôn ngữ, cảnh báo tức thì khi chỉ số bất thường.

4.1. Hiệu suất và độ tin cậy hoạt động

Hệ thống vận hành ổn định trong 72 giờ liên tục với pin dung lượng 2000mAh. Độ lệch chuẩn đo nhiệt độ ±0.15°C, nhịp tim ±2 bpm, SpO2 ±1.8%. Nhiệt độ hoạt động 5-45°C, độ ẩm 10-90%. Tốc độ truyền dữ liệu Bluetooth đạt 1Mbps, khoảng cách 10m trong môi trường không có vật cản. Thời gian khởi động hệ thống dưới 3 giây. Độ tin cậy sau 1000 chu kỳ đo đạt 99.2%, đáp ứng tiêu chuẩn ISO 13485 cho thiết bị y tế.

4.2. Triển khai và phát triển tương lai

Hệ thống đã được thử nghiệm tại phòng thí nghiệm ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra. Kế hoạch triển khai tại trạm y tế xã, bệnh viện huyện, và trường học. Phát triển phiên bản di động tích hợp GPS cho theo dõi bệnh nhân ngoại trú. Tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự đoán nguy cơ bệnh tim mạch dựa trên dữ liệu lịch sử. Mở rộng chức năng đo huyết áp không xâm lấn sử dụng công nghệ PPG. Hợp tác với doanh nghiệp sản xuất để thương mại hóa sản phẩm, giá thành mục tiêu 80 USD cho phiên bản sản xuất hàng loạt.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đại dịch COVID-19 gây ra những tác động nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng và nền kinh tế toàn cầu, đồng thời để lại nhiều di chứng hậu COVID-19 kéo dài. Trong công tác phòng ngừa lây nhiễm, Bộ Y tế đã triển khai và tuyên truyền thông điệp 5K (Khẩu trang – Khử khuẩn – Khoảng cách – Không tập trung – Khai báo y tế) đến toàn thể người dân. Trong đó, việc khử khuẩn tay đóng vai trò then chốt do bàn tay là bề mặt tiếp xúc thường xuyên với các đồ vật trung gian và dễ đưa mầm bệnh lên mắt, mũi, miệng. Bên cạnh đó, các dấu hiệu sinh tồn như thân nhiệt, nhịp tim và nồng độ oxy bão hòa trong máu ($SpO_2$) là những chỉ số lâm sàng cơ bản để nhận biết sớm tình trạng sốt, rối loạn tim mạch hoặc suy hô hấp do virus SARS-CoV-2 gây ra. Nhằm hạn chế nguy cơ lây nhiễm chéo qua các thiết bị tiếp xúc dùng chung và giảm thiểu công tác kiểm tra thủ công, việc thiết kế một thiết bị tự động hóa kết hợp đo các chỉ số sinh lý và sát khuẩn tay là một nhu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

1. Tìm hiểu về dòng vi xử lý Arduino cùng các ngoại vi giao tiếp, đồng thời tìm hiểu về cách hoạt động của các cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu.
2. Nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết của các chuẩn giao tiếp có liên quan tới hệ thống để hiểu rõ và ứng dụng được chúng vào hệ thống.
3. Nghiên cứu cách thiết kế một ứng dụng trên điện thoại và cách kết nối chúng cũng như giao tiếp giữa ứng dụng đó với hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống nhúng tự động đo nhiệt độ cơ thể không tiếp xúc, nhịp tim, nồng độ oxy trong máu ($SpO_2$), kết hợp cơ cấu phun sương sát khuẩn tự động, phát âm thanh cảnh báo và hiển thị dữ liệu trên màn hình LCD cũng như ứng dụng di động Android.
• Phạm vi không gian: Hệ thống được thiết kế ứng dụng cho phòng ở nhỏ, phòng học, phòng thí nghiệm và quy mô hộ gia đình.
• Phạm vi thời gian: Đồ án được hoàn thành vào tháng 08/2022 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án dựa trên cơ sở lý thuyết y sinh học và kỹ thuật điện tử - truyền thông:

• Các thông số sinh lý người: Thân nhiệt bình thường ở người khỏe mạnh duy trì trong khoảng 36°C – 37.5°C; nhiệt độ trên 37.5°C biểu hiện sốt nhẹ, trên 38°C là sốt vừa và trên 39°C là sốt cao. Nhịp tim lý tưởng của người bình thường khi nghỉ ngơi dao động từ 60 đến 100 nhịp/phút. Chỉ số $SpO_2$ phản ánh tỷ lệ hemoglobin gắn oxy trong máu, được xác định qua phương pháp đo quang phổ xung không xâm lấn qua mao mạch đầu ngón tay; chỉ số tiêu chuẩn an toàn là từ 94% trở lên (97% – 99% là tốt, 94% – 96% là trung bình cần hỗ trợ oxy, dưới 92% khi thở khí trời là dấu hiệu suy hô hấp nặng).
• Chuẩn giao tiếp phần cứng: Chuẩn $I^2C$ (2 dây tín hiệu SDA và SCL, truyền đồng bộ nối tiếp đa thiết bị); chuẩn SPI (4 đường tín hiệu MOSI, MISO, SCLK, SS/CS, truyền dữ liệu tốc độ cao); chuẩn UART (giao tiếp nối tiếp không đồng bộ qua 2 chân TX và RX); chuẩn Bluetooth (băng tần 2.4 GHz, hỗ trợ truyền thông không dây tầm gần WPAN).
• Phần cứng điều khiển và cảm biến: Vi điều khiển Arduino Mega 2560 (dựa trên chip 8-bit ATmega2560); cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không chạm MLX90614 (Melexis); cảm biến quang sinh trắc học MAX30100; cảm biến vật cản hồng ngoại; module 4 relay cách ly quang qua opto PC817; module thẻ nhớ Micro SD TF SPI; mạch khuếch đại công suất âm thanh PAM8403; module Bluetooth HC-05.
• Nền tảng phần mềm: Môi trường phát triển Arduino IDE (ngôn ngữ lập trình C/C++) và nền tảng lập trình đồ họa MIT App Inventor 2 trên hệ điều hành Android.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, phân tích tài liệu kỹ thuật về kiến trúc vi điều khiển AVR, nguyên lý bức xạ hồng ngoại của cơ thể người, nguyên lý hấp thụ quang học của máu và các giao thức truyền thông nhúng.
• Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ khối, phân tích dòng điện, điện áp và tính toán cân bằng công suất nguồn điện; thiết kế sơ đồ nguyên lý và vẽ mạch in (PCB).
• Phương pháp thực nghiệm - đo lường đối chứng: Chế tạo mẫu thử phần cứng, lắp đặt vỏ hộp cơ khí, nạp chương trình điều khiển và tiến hành kiểm tra đo đạc thực tế trên người ở trạng thái nghỉ ngơi và sau vận động thể chất; so sánh đối chiếu kết quả đo với các thiết bị y tế thương mại chuyên dụng.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tán, kết nối trực tiếp với bộ xử lý trung tâm Arduino Mega 2560, bao gồm các khối chức năng chính:

Khối chức năng	Linh kiện / Module sử dụng	Giao thức / Điện áp	Chức năng kỹ thuật
Xử lý trung tâm	Arduino Mega 2560 (ATmega2560)	5VDC / 16 MHz	Thu thập dữ liệu từ cảm biến, xử lý thuật toán, điều khiển xuất dữ liệu ra LCD, âm thanh, Bluetooth và kích relay
Cảm biến nhiệt độ	Module MLX90614	$I^2C$ (SMBus), 3.3V – 5V	Đo nhiệt độ bức xạ hồng ngoại không tiếp xúc của cơ thể và môi trường, góc nhìn $FOV = 90^\circ$, độ phân giải 0.02°C
Cảm biến nhịp tim & $SpO_2$	Module MAX30100	$I^2C$, 1.8V – 3.3V	Đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu bằng chùm LED đỏ và LED hồng ngoại xuyên qua mao mạch ngón tay
Nhận diện bàn tay	Cảm biến vật cản hồng ngoại	Digital Output, 5VDC	Phát hiện có tay đưa vào vùng khử khuẩn để kích hoạt chu trình đo và phun cồn
Nhập liệu & Cài đặt	Bàn phím ma trận $4 \times 4$	Quét ma trận 8 chân I/O	Cho phép điều chỉnh ngưỡng cảnh báo thân nhiệt, nhịp tim, $SpO_2$ và lựa chọn chế độ hoạt động
Hiển thị	Màn hình LCD 20x4 + Module $I^2C$ LCD	$I^2C$ (Driver HD44780)	Hiển thị thông số đo đạc sinh trắc học, trạng thái hệ thống và menu cấu hình cài đặt
Phát âm thanh	Module Micro SD TF SPI + Mạch khuếch đại PAM8403 + Loa	SPI (Micro SD), Analog Audio	Đọc tệp âm thanh WAV từ thẻ nhớ và khuếch đại phát ra loa thông báo kết quả đo và cảnh báo ngưỡng
Cơ cấu chấp hành	Module 4 Relay 5V (Opto PC817) + Động cơ bơm mini	Kích mức High/Low qua Opto	Đóng cắt nguồn điện điều khiển bơm mini đẩy cồn qua ống mềm ra đầu vòi phun sương
Truyền thông di động	Module Bluetooth HC-05	UART (chân RX/TX), 5VDC	Truyền dữ liệu kết quả đo không dây lên ứng dụng di động Android
Nguồn điện	Khối pin Lithium 3S 18650 + Mạch bảo vệ 3S 20A + IC 7805	11.1V – 12.6VDC hạ áp 5VDC	Cung cấp nguồn độc lập cho toàn hệ thống, sạc qua Adapter DC 12.6V

Về mặt phần mềm, hệ thống vận hành theo chương trình nhúng lập trình trên vi điều khiển Arduino Mega: khi phát hiện có tay qua cảm biến hồng ngoại, hệ thống kích hoạt cảm biến MLX90614 để lấy mẫu nhiệt độ, đồng thời điều khiển relay đóng tiếp điểm kích hoạt bơm phun cồn sát khuẩn trong khoảng thời gian quy định. Khi người dùng đặt ngón tay vào buồng đo nhịp tim/$SpO_2$, cảm biến MAX30100 tiến hành thu thập tín hiệu quang học, chuyển đổi qua giao tiếp $I^2C$ về vi điều khiển để tính toán thông số. Các giá trị đo được hiển thị lên màn hình LCD 20x4, phát âm thanh hướng dẫn/cảnh báo qua loa và truyền gói dữ liệu qua Bluetooth HC-05 về ứng dụng Android được xây dựng bằng MIT App Inventor để hiển thị trực quan cho người dùng.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày bối cảnh thực tiễn của đại dịch COVID-19, nguyên nhân lựa chọn đề tài và sự cần thiết của việc tuân thủ quy tắc 5K thông qua hệ thống sát khuẩn kết hợp kiểm tra sức khỏe tự động. Chương này xác định rõ 3 mục tiêu nghiên cứu, 8 nội dung công việc triển khai, phạm vi giới hạn của đề tài (sử dụng Arduino Mega 2560, cảm biến MLX90614, MAX30100, LCD 20x4, module Bluetooth HC-05 và ứng dụng Android) cùng bố cục 6 chương của toàn văn báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp tổng quan kiến thức chuyên ngành phục vụ thiết kế hệ thống, bao gồm:

• Ý nghĩa sinh lý của nhiệt độ cơ thể, ngưỡng nhịp tim lý tưởng (60–100 nhịp/phút) và thang đo nồng độ oxy trong máu ($SpO_2$).
• Nguyên lý hoạt động của 4 chuẩn truyền thông: $I^2C$, SPI, UART và mạng không dây Bluetooth.
• Giới thiệu hệ điều hành Android, kho ứng dụng Google Play và nền tảng lập trình MIT App Inventor.
• Phân tích kiến trúc vi điều khiển họ AVR qua các phiên bản Arduino Uno R3, Arduino Nano, Arduino Mega 2560 và lý do lựa chọn Arduino Mega 2560.
• Cấu tạo và nguyên lý của relay đóng cắt, bộ cách ly quang (optocoupler PC817), module 4 relay 5V.
• Đặc tính màn hình LCD 20x4, module chuyển đổi giao tiếp $I^2C$ cho LCD (driver HD44780).
• Cấu tạo module Micro SD TF SPI tích hợp IC ổn áp 3.3V và IC đệm chuyển mức logic 74LVC125A.
• Cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc MLX90614 (nguyên lý đầu dò nhiệt Thermopile, bộ xử lý tín hiệu ASSP, bộ lọc quang học, trường nhìn $FOV = 90^\circ$, giao diện SMBus và PWM).
• Cảm biến đo nhịp tim và $SpO_2$ MAX30100 và môi trường lập trình Arduino IDE.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Xây dựng sơ đồ khối chức năng và tính toán chi tiết phần cứng hệ thống:

• Thiết kế khối xử lý trung tâm trên nền Arduino Mega 2560.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD 20x4 kết hợp mạch chuyển giao tiếp $I^2C$.
• Thiết kế mạch ghép nối cho khối cảm biến (MLX90614, MAX30100, cảm biến vật cản hồng ngoại) và khối bàn phím ma trận $4 \times 4$.
• Thiết kế khối động cơ bơm và đèn quang báo trạng thái; khối âm thanh sử dụng module Micro SD SPI phối ghép với mạch khuếch đại PAM8403 và loa.
• Thiết kế khối truyền thông Bluetooth HC-05.
• Tính toán công suất nguồn tiêu thụ của toàn hệ thống, thiết kế khối nguồn pin Lithium 3S 18650 tích hợp mạch sạc và bảo vệ 3S 20A, Adapter sạc 12.6V và mạch ổn áp 5V sử dụng IC 7805; hoàn thiện sơ đồ nguyên lý toàn mạch.

Chương 4: Thi công hệ thống

Hiện thực hóa thiết kế phần cứng và lập trình điều khiển:

• Quy trình gia công mạch in (PCB), hàn lắp linh kiện và các đường nối mạch (jumper).
• Thi công cơ khí hộp đựng thiết bị, bảng điều khiển trung tâm, hộp đựng cảm biến nhịp tim - $SpO_2$, bố trí vị trí đặt cảm biến nhiệt độ và đầu vòi phun sương sát khuẩn.
• Xây dựng các lưu đồ giải thuật: chương trình chính, lưu đồ lựa chọn chế độ qua bàn phím ma trận, lưu đồ đo nhiệt độ và phun cồn, lưu đồ đo nhịp tim và $SpO_2$, lưu đồ chương trình ứng dụng di động Android.
• Biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành thiết bị, quy trình cài đặt thay đổi ngưỡng cảnh báo, thao tác nạp dung dịch sát khuẩn, sạc pin và kết nối ứng dụng di động.

Chương 5: Kết quả - Đánh giá và nhận xét

Trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được:

• Đánh giá hoạt động của phần cứng hoàn thiện và giao diện ứng dụng Android.
• Kiểm tra quá trình chạy thực tế các chức năng đo đạc và điều khiển cơ cấu chấp hành.
• Lập bảng số liệu đo kiểm đối chứng giữa hệ thống tự thiết kế và các thiết bị y tế cầm tay thương mại trên thị trường ở trạng thái cơ thể bình thường và sau khi vận động thể dục.
• So sánh chỉ số nhiệt độ đo bằng cảm biến MLX90614 với nhiệt kế điện tử hồng ngoại thương mại Cali Medi DT-8836M.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành toàn bộ các mục tiêu đặt ra của đề tài, nêu bật tính ứng dụng của mô hình trong công tác bảo vệ sức khỏe và phòng dịch. Đưa ra các kiến nghị và hướng nghiên cứu mở rộng nhằm hoàn thiện sản phẩm trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công một mô hình phần cứng hoàn chỉnh kết hợp ứng dụng phần mềm điều khiển, đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Tích hợp đồng bộ cụm cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc MLX90614, cảm biến đo nhịp tim và $SpO_2$ MAX30100, cùng cơ cấu phun sương dung dịch sát khuẩn tự động điều khiển qua relay và cảm biến vật cản hồng ngoại.
• Tự động hóa quá trình phát âm thanh giọng đọc kết quả đo và cảnh báo qua mạch khuếch đại PAM8403, đồng thời hiển thị trực quan thông số trên màn hình LCD 20x4 và truyền dữ liệu qua Bluetooth HC-05 lên điện thoại thông minh.
• Cho phép người dùng linh hoạt cấu hình các ngưỡng cảnh báo sức khỏe thông qua bàn phím ma trận $4 \times 4$.

Kết quả thử nghiệm thực tế đối chứng giữa hệ thống và thiết bị thương phẩm:

Thông số kiểm nghiệm	Thiết bị đối chứng ngoài thị trường	Hệ thống tự thiết kế	Đánh giá sai số & Độ tương thích
Nhịp tim (Trạng thái bình thường)	Máy đo nhịp tim cầm tay thị trường	Cảm biến MAX30100 + Arduino Mega	Giá trị đo tương đương, phản ánh đúng dải nhịp tim 60 – 100 nhịp/phút
$SpO_2$ (Trạng thái bình thường)	Máy đo $SpO_2$ kẹp ngón thị trường	Cảm biến MAX30100 + Arduino Mega	Dữ liệu đo ổn định trong ngưỡng an toàn 97% – 99%
Nhịp tim (Sau vận động thể dục)	Máy đo nhịp tim cầm tay thị trường	Cảm biến MAX30100 + Arduino Mega	Nhịp tim tăng cao theo đáp ứng vận động, độ bám sát chỉ số tốt
$SpO_2$ (Sau vận động thể dục)	Máy đo $SpO_2$ kẹp ngón thị trường	Cảm biến MAX30100 + Arduino Mega	Chỉ số dao động chính xác theo phản ứng sinh lý
Nhiệt độ cơ thể	Nhiệt kế điện tử Cali Medi DT-8836M	Cảm biến hồng ngoại MLX90614	Kết quả đo đồng nhất, sai số nằm trong giới hạn cho phép (khoảng 0.5°C)

Đóng góp của đề tài là xây dựng giải pháp tích hợp đa chức năng trong một thiết bị duy nhất, giải quyết bài toán kiểm tra y tế ban đầu kết hợp sát khuẩn tự động, không cần tiếp xúc vật lý, góp phần nâng cao tính chủ động và an toàn trong phòng ngừa dịch bệnh lây nhiễm.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài theo ghi nhận trong quá trình thi công và thử nghiệm:

• Kích thước của mô hình còn tương đối lớn, chưa được tối ưu hóa về mặt thẩm mỹ và kiểu dáng công nghiệp.
• Độ chính xác của phép đo nhịp tim và $SpO_2$ trên cảm biến MAX30100 phụ thuộc nhiều vào lực ép và tư thế giữ ngón tay cố định của người đo; nếu ngón tay dịch chuyển nhiều sẽ gây nhiễu tín hiệu quang học.
• Phạm vi truyền nhận dữ liệu không dây bị giới hạn trong tầm phủ sóng ngắn của chuẩn Bluetooth HC-05, chưa hỗ trợ kết nối mạng diện rộng.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

• Nâng cấp khối truyền thông sang module Wi-Fi (như ESP8266 hoặc ESP32) để gửi dữ liệu trực tiếp lên các nền tảng đám mây (Cloud/IoT), hỗ trợ quản lý và theo dõi hồ sơ sức khỏe tập trung từ xa cho trường học, bệnh viện hoặc doanh nghiệp.
• Cải tiến thiết kế cơ khí, thu nhỏ kích thước vỏ hộp và chuyển đổi sang thiết kế mạch in nhiều lớp sử dụng linh kiện dán bề mặt (SMD).
• Bổ sung các thuật toán lọc số (Digital Filtering) để khử nhiễu chuyển động trên cảm biến quang học MAX30100, giúp rút ngắn thời gian lấy mẫu và tăng độ tin cậy của kết quả đo.

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Y sinh, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa.

Những nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:

• Phương pháp phối ghép phần cứng đa chuẩn giao tiếp ($I^2C$, SPI, UART) trên nền tảng vi điều khiển họ AVR.
• Giải pháp phần cứng và phần mềm phát âm thanh WAV từ thẻ nhớ SD qua giao tiếp SPI kết hợp mạch khuếch đại PAM8403 mà không cần module MP3 chuyên dụng đắt tiền.
• Kỹ thuật đo lường không tiếp xúc sử dụng cảm biến bức xạ nhiệt hồng ngoại MLX90614 và cảm biến quang phổ kế xung MAX30100.
• Quy trình thiết kế mạch cấp nguồn sử dụng pin Lithium 3S 18650 tích hợp mạch bảo vệ và IC ổn áp tuyến tính 7805.
• Quy trình xây dựng ứng dụng di động nhận dữ liệu Bluetooth qua công cụ lập trình đồ họa trực quan MIT App Inventor 2.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn vi điều khiển Arduino Mega 2560 thay vì phiên bản Arduino Uno R3 hay Arduino Nano?
Hệ thống tích hợp đồng thời nhiều khối ngoại vi bao gồm màn hình LCD 20x4 qua mạch chuyển $I^2C$, cảm biến nhiệt độ MLX90614, cảm biến nhịp tim/$SpO_2$ MAX30100, cảm biến vật cản hồng ngoại, bàn phím ma trận $4 \times 4$ (chiếm 8 chân I/O), module thẻ nhớ Micro SD (chuẩn SPI), module Bluetooth HC-05 (chuẩn UART), khối 4 relay và khối đèn quang báo. Arduino Mega 2560 sở hữu 54 chân Digital I/O, 16 chân Analog và dung lượng bộ nhớ Flash lớn (256 KB), đáp ứng đầy đủ tài nguyên chân kết nối và bộ nhớ chương trình mà các phiên bản Uno R3 hay Nano không thể đảm bảo.

2. Cảm biến MLX90614 đo nhiệt độ dựa trên nguyên lý nào và có trường nhìn (FOV) là bao nhiêu?
MLX90614 hoạt động dựa trên việc thu nhận bức xạ hồng ngoại phát ra từ vật thể thông qua thấu kính quang học tích hợp và đầu dò nhiệt Thermopile. Điện áp sinh ra từ Thermopile được chuyển đổi bởi bộ ADC 17-bit nằm trong chip xử lý tín hiệu ASSP. Cảm biến có trường nhìn hình nón $FOV = 90^\circ$ (khoảng cách tăng 1 cm thì vùng đo mở rộng thêm 2 cm), hỗ trợ đo nhiệt độ vật thể trong dải từ -70°C đến 382.2°C và nhiệt độ môi trường từ -40°C đến 125°C với độ phân giải 0.02°C.

3. Khối âm thanh trong hệ thống được cấu tạo từ những thành phần nào và thực hiện nhiệm vụ gì?
Khối âm thanh gồm Module Micro SD TF (giao tiếp SPI với vi điều khiển, tích hợp IC đệm 74LVC125A và IC ổn áp 3.3V) chứa các tệp âm thanh giọng đọc định dạng WAV, mạch khuếch đại công suất âm thanh nổi PAM8403 và loa. Khối này đảm nhiệm việc phát âm thanh hướng dẫn người dùng, đọc các chỉ số sinh lý đo được và phát âm cảnh báo khi thân nhiệt, nhịp tim hoặc $SpO_2$ vượt ngoài ngưỡng cài đặt an toàn.

4. Người dùng có thể thay đổi các ngưỡng cảnh báo sốt hoặc nhịp tim bất thường bằng cách nào?
Hệ thống cho phép người dùng thao tác trực tiếp trên thiết bị thông qua bàn phím ma trận $4 \times 4$. Khi truy cập vào menu cài đặt hiển thị trên màn hình LCD 20x4, người dùng có thể nhập các giá trị ngưỡng cảnh báo mong muốn (ngưỡng nhiệt độ cảnh báo sốt, giới hạn trên/dưới của nhịp tim và mức $SpO_2$ tối thiểu) vào bộ nhớ của vi điều khiển.

5. Dữ liệu đo đạc được truyền sang điện thoại thông minh bằng cách nào và ứng dụng di động được xây dựng trên nền tảng gì?
Dữ liệu đo đạc từ vi điều khiển Arduino Mega 2560 được gửi qua cổng nối tiếp UART đến Module Bluetooth HC-05 để truyền không dây ở băng tần 2.4 GHz. Ứng dụng thu nhận và hiển thị dữ liệu trên điện thoại chạy hệ điều hành Android được lập trình và thiết kế trên nền tảng MIT App Inventor 2 (MIT AI2).

---

Kết luận

Đồ án đã thiết kế và thi công hoàn thiện mô hình hệ thống nhúng tự động đo nhiệt độ cơ thể không tiếp xúc, nhịp tim, nồng độ oxy trong máu ($SpO_2$) và phun dung dịch sát khuẩn tay. Sự kết hợp giữa vi điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560, các cảm biến chuyên dụng MLX90614, MAX30100, khối âm thanh cảnh báo PAM8403 và module truyền thông Bluetooth HC-05 tạo nên một thiết bị vận hành đồng bộ và ổn định. Kết quả kiểm nghiệm thực tế cho thấy các thông số đo đạc đạt độ chính xác tương đương với các thiết bị y tế cầm tay thương mại trên thị trường, đáp ứng tốt yêu cầu giám sát sức khỏe ban đầu và phòng ngừa lây nhiễm dịch bệnh tại các môi trường sinh hoạt, học tập và làm việc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan Chương này trình bày vấn đề lý do tại sao chọn đề tài, mục đích nghiên cứu khi làm đề tài này, đồng thời nêu giới hạn và bồ cục của toàn bộ đề tài. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương này sẽ tìm hiểu về lý thuyết liên quan, linh kiện, thiết bị sử dụng và cách thức giao tiếp. Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Trình bày sơ đồ khối chức năng các khối, đồng thời thiết kế tính toán để thiết kế mạch điều khiển mô hình. Trình bày sơ đồ toàn mạch.

Chương 4: Thi Công Hệ Thống Thi công hàn linh kiện lên mạch, lắp ráp kiểm tra toàn mạch, đồng thời test 1 chương trình cơ bản. Sau đó lắp rap mô hình. Trình bày lưu đồ giải thuật đồng thời giải thích cách hoạt động của toàn bộ hệ thống. 2 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét Và Đánh Giá.

Trình bày kế quả của thiết kế mô hình và lập trình. Nhận xét đánh giá mức độ hoàn thiện của mô hình đồng thời nêu những giới hạn của mô hình. Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển. Tổng kết kết quả của toàn bộ mô hình, đưa ra các hướng phát triển cho sản phẩm sau này.

3 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các thông số về sức khỏe con người 2.1 Nhiệt độ cơ thể con người Năng lượng trong chúng ta không ngừng tạo ra trong cơ thể con người qua quá trình chuyển hóa năng lượng. Như đồ ăn, thức uống, … được nạp vào cơ thể con người đều được cơ thể chuyển hóa thành năng lượng nuôi các cơ quan. Sự cân bằng thân nhiệt có vai trò quan trọng trong việc cơ thể kiểm soát các hoạt động bình thường của các men tham gia vào quá trình chuyển hóa. Việc theo dõi thân nhiệt, nắm bắt được sự thay đổi nhiệt độ cơ thể giúp phát hiện sớm những thay đổi bất thường của cơ thể, để có hướng thay đổi kịp thời.

Một cơ thể con người khỏe mạnh có nhiệt độ duy trì trong khoảng từ 36℃ tới 37. Một số yếu tổ ảnh hưởng tới nhiệt độ cơ thể có thể được kể đến như: tuổi tác (trẻ em có nhiệt độ cơ thể cao hơn người lớn, người già có nhiệt độ thấp hơn người trẻ), nhiệt độ môi trường, nội tiết (đối với phụ nữ), stress, thuốc, thời gian đo thân nhiệt, … Tuy nhiên, các nguyên nhân trên đều thay đổi nhiệt độ nhưng không đáng kể. Nếu nhiệt độ cơ thể hạ thấp (hạ thân nhiệt), nếu không đi kèm các triệu chứng khác thì không đáng lo ngại. Nhưng nếu việc hạ thân nhiệt kết hợp thêm các triệu chứng khác như ớn lạnh, run rẩy, khó thở hay nhầm lẫn thì đó là dấu hiệu của nhiều bệnh nghiêm trọng: nhiễm trùng, tiểu đường, tuyến giáp, … Đối với nhiệt độ tăng cao, có hai trường hợp phổ biến là say nắng và sốt.

Say nắng xảy ra khi cơ thể không kiểm soát được nhiệt độ, và nhiệt độ cơ thể tăng liên tục. Kèm theo các triệu chứng như nhầm lẫn, mê sảng, bất tỉnh, da đỏ, nóng, khô, … Nếu say nắng không được điều trị y tế khẩn cấp thì có thể gây tử vong vì nó gây mất nước nghiêm trọng, khiến các cơ quan trong cơ thể dừng hoạt động. Sốt: Khi cơ thể có nhiệt độ lớn hơn 37℃, có thể coi là sốt nhẹ, lớn hơn 38℃ là sốt vừa, sốt cao khi nhiệt độ lớn hơn 39℃. Trong thời buổi dịch Covid đã giảm bớt, nhưng ảnh hưởng của nó vẫn còn rất lớn và cá nhân chúng ta nên tự bảo vệ bản thân mình và những người xung quanh.

Một trong những triệu chứng khá phổ biến của Covid là sốt, kết hợp thêm các triệu chứng như ho, đau họng, ớn lạnh, … để chúng ta có thể phân biệt Covid và cảm cúm, sốt bình thường.2 Nhịp tim và cơ thể con người Cơ thể con người, được cấu thành từ hàng nghìn tỷ tế bào, mỗi tế bào có cấu trúc và chức năng riêng. Một trong những bộ phận có chức năng cung cấp máu, oxi đến từng tế bào và duy trì sự sống của tế bào: đó là trái tim. Trái tim được ví như một cái máy bơm, bơm tuần hoàn máu có oxi đến nuôi các tế bào, rồi lại vận chuyển máu đã hết oxi từ tế bào về lại phổi để nạp lại oxi. Vì vậy trái tim cũng có một vài thông số nhất định, đó là nhịp tim, chỉ số này quyết định trái tim đang vận động ở trạng thái nghỉ ngơi hay ở trạng thái vận động, từ đó các máy móc đo có thể đo được chỉ số này để hiển thị trên máy đo.

Quyết định tình trạng sức khỏe con người. Một nhịp tim khỏe là một nhịp tim từ 60-100 (nhịp/phút). Tuy nhiên chỉ số này cũng có ngoại lệ, như các vận động viên thể thao chuyên nghiệp có chỉ số nhịp tim rất thấp (dưới 40 nhịp/phút) hay các bé sơ sinh vừa chào đời (trên 120 nhịp/phút). Vì vậy nếu một người bình thường có chỉ số nhịp tim khác thường (quá chậm, quá nhanh hoặc không đều) gọi là rối loạn nhịp tim.

Bệnh thường xảy ra ở nam giới (70%) và ở phụ nữ (30%). Có nhiều nguyên dân dẫn tới rối loạn nhịp tim: rối loạn tâm lý, căng thẳng, stress, lao động gắng sức, sử dụng nhiều chất kích thích, … Ngoài ra có các bệnh lý tác động trực tiếp lên hệ thống tim mạch như: Thiếu máu cơ tim, các bệnh về van tim, viêm cơ tim, tim bẩm sinh, … Ngoài ra, rối loạn nhịp tim còn có thể gặp từ các bệnh lý khác như: Tăng huyết áp, rối loạn mỡ trong máu, đái tháo đường, béo phì,… Hình 2.1 Nhịp tim lý tưởng ở người bình thường Vì vậy, việc theo dõi nhịp tim thường xuyên là một cách để biết được tình hình trái tim có khỏe mạnh hay không để đưa ra giải pháp thích hợp. Ngoài ra, dịch Covid 5 đã, đang và kéo dài tới hiện tại, vì vậy việc theo dõi chỉ số nhịp tim trở nên quan trọng để theo dõi sức khỏe. Do đó nhóm quyết định thiết kế một hệ thống có khả năng đo nhịp tim mỗi ngày để mỗi người đều có khả năng tự theo dõi sức khỏe tại nhà 2.3 Chỉ số nồng độ oxi trong máu (SPO2) Không chỉ chỉ số nhịp tim, một chỉ số cũng quan trọng không kém trong việc theo dõi sức khỏe, đó là SPO2 (Saturation of peripheral oxigen).

SPO2 là chỉ số quyết định nồng độ oxi trong máu, chỉ số này quyết định có nhiều hay ít oxi trong 1 đơn vị máu để tim vận chuyển đi nuôi các tế bào. Nếu chỉ số này thấp hơn mức quy định, tức là tế bào đang nhận ít dinh dưỡng để nuôi sống tế bào. Nếu tình trạng này để lâu sẽ gây nguy hiểm cho tế bào, vì tế bào không nhận đủ chất dinh dưỡng cần thiết. Chỉ số SPO2 có thể được đo bằng phép đo xung, một phương pháp gián tiếp, không xâm lấn (không đưa các dụng cụ vào trong cơ thể).

Nó hoạt động bằng cách phát ra và tự hấp thu một làn sóng ánh sáng đi qua các mạch máu hoặc mao mạch trong đầu ngón tay, đầu ngón chân hoặc dái tai. Sự thay đổi của sóng ánh sáng xuyên qua các bộ phận kể trên sẽ cho biết kết quả của phép đo SPO2 vì mức độ oxi bão hòa gây ra các biến đổi về màu sắc của máu. Vì vậy, chỉ số oxi trong máu bao nhiêu là an toàn? Nếu giá trị SPO2 xuống dưới 95%, đây là dấu hiệu cảnh báo oxi hóa máu kém, còn được gọi là tình trạng máu thiếu oxi. Các nghiên cứu chứng minh rằng chỉ số SPO2 từ 94% trở lên là chỉ số bình thưởng, đảm bảo an toàn Thang đo chỉ số SPO2 tiêu chuẩn: • SPO2 từ 97% - 99%: Chỉ số oxi trong máu tốt • SPO2 từ 94%-96%: Chỉ số oxi trong máu trung bình, cần thở thêm oxi • SPO2 từ 90%-93%: Chỉ số oxi trong máu thấp, cần xin thêm ý kiến của bác sĩ chủ trị • SPO2 dưới 92% Không thở oxi hoặc dưới 95% có thở oxi: Dấu hiệu suy hô hấp rất nặng • SPO2 dưới 90%: Biểu hiện của ca cấp cứu lâm sàn Một số triệu chứng khi chỉ số SPO2 giảm có thể kể đến như sau: • Thay đổi về màu sắc của da • Suy giảm trí nhớ, hay nhầm lẫn • Ho • Nhịp tim không đều, nhanh hoặc chậm 6 • Khó thở, thở nhanh hoặc thở khò khè Khi cơ thể không đủ oxi, gây thiếu oxi máu (hạ chỉ số SPO2) là tình trạng rất nguy hiểm.

Nguyên nhân là vì nếu máu thiếu oxi, não, gan và nhiều cơ quan khác trên cơ thể sẽ chịu ảnh hưởng nghiêm trọng. Vì vậy, việc theo dõi chỉ số SPO2 thường xuyên đóng vai trò quan trọng trong việc nắm rõ lượng oxi trong máu, từ đó có phương án xử lý kịp thời khi gặp tình trạng nguy hiểm.2 Các chuẩn giao tiếp được sử dụng 2.1 Chuẩn giao tiếp I2C I2C là chuẩn giao tiếp cho phép kết nối nhiều slave với một master hoặc một slave với một master hoặc nhiều master với một slave. Điều này thực sự hữu ích khi muốn có nhiều hơn một vi điều khiển ghi dữ liệu vào một thẻ nhớ duy nhất hoặc hiển thị trên màn hình LCD.2 Chuẩn giao tiếp I2C I2C chỉ sử dụng hai dây để truyền dữ liệu giữa các thiết bị: - SDA - đường truyền cho master và slave để gửi và nhận dữ liệu. - SCL - đường mang tín hiệu xung nhịp.

I2C là một giao thức truyền thông nối tiếp, vì vậy dữ liệu được truyền từng bit dọc theo một đường duy nhất (đường SDA). I2C là đồng bộ, do đó đầu ra của các bit được đồng bộ hóa với việc lấy mẫu các bit bởi một tín hiệu xung nhịp được chia sẻ giữa master và slave. Tín hiệu xung nhịp luôn được điều khiển bởi master.1: Khung truyền của chuẩn giao tiếp I2C Bước 1: Master gửi điều kiện khởi động đến mọi slave được kết nối bằng cách chuyển đường SDA từ mức điện áp cao sang mức điện áp thấp trước khi chuyển đường SCL từ mức cao xuống mức thấp. Bước 2: Master gửi cho mỗi slave địa chỉ 7 hoặc 10bit của slave mà nó muốn giao tiếp, cùng với bit đọc / ghi.

Bước 3: Mỗi slave sẽ so sánh địa chỉ được gửi từ master với địa chỉ của chính nó. Nếu địa chỉ trùng khớp, slave sẽ trả về một bit ACK bằng cách kéo dòng SDA xuống thấp cho một bit. Nếu địa chỉ từ master không khớp với địa chỉ của slave, slave rời khỏi đường SDA cao. Bước 4: Master gửi hoặc nhận khung dữ liệu.

Bước 5: Sau khi mỗi khung dữ liệu được chuyển, thiết bị nhận trả về một bit ACK khác cho thiết bị gửi để xác nhận đã nhận thành công khung.