Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp "Hiện thực vòng đeo tay đo thân nhiệt và tracking" (Temperature Measurement and Tracking Bracelet) được thực hiện bởi sinh viên Trần Phước Tấn và Nguyễn Hoàng Phúc, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Duy Xuân Bách và ThS. Phạm Minh Quân tại Khoa Kỹ thuật Máy tính, Trường Đại học Công nghệ Thông tin – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh (2021).

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Đề tài xuất phát từ bối cảnh đại dịch COVID-19 diễn biến phức tạp tại Việt Nam – quốc gia có quy mô dân số gần 100 triệu người và có đường biên giới đất liền dài với nơi bùng phát dịch bệnh đầu tiên. Trong giai đoạn chưa phổ biến vắc-xin, nguy cơ xuất hiện các ổ dịch nhỏ trong cộng đồng là rất lớn, đòi hỏi các biện pháp kiểm soát dịch tễ nghiêm ngặt. Bên cạnh các quy định phòng dịch như "Thông điệp 5K" (Khẩu trang – Khử khuẩn – Khoảng cách – Không tập trung – Khai báo y tế) của Bộ Y tế, việc giám sát y tế thủ công gặp nhiều khó khăn về nhân lực và thời gian.

Khảo sát thị trường cho thấy các dòng vòng đeo tay thông minh thương mại thời điểm đó phần lớn tập trung vào tính năng thể thao, rất ít thiết bị tích hợp cảm biến đo thân nhiệt bề mặt da, hoặc các thiết bị đo nhiệt độ chuyên dụng lại thiếu khả năng định vị và theo dõi lịch trình di chuyển. Việc nghiên cứu, thiết kế một thiết bị đeo tay thông minh tích hợp đồng thời cảm biến thân nhiệt và mô-đun định vị GPS giúp cung cấp công cụ tự động hóa giám sát y tế, hỗ trợ lực lượng cán bộ y tế khoanh vùng nhanh chóng các đối tượng tiếp xúc gần và ca nghi nhiễm.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Văn bản xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Thiết kế phần cứng vòng đeo tay tích hợp cảm biến đo thân nhiệt bề mặt da, cảm biến nhiệt độ môi trường, bộ thu định vị GPS và mô-đun truyền thông không dây (Bluetooth Low Energy và LoRa).
  2. Xây dựng giải thuật thu thập, xử lý tín hiệu và cơ chế lưu trữ dữ liệu ngoại tuyến khi mất kết nối mạng.
  3. Thiết lập hệ thống máy chủ (Server) trên nền tảng đám mây để lưu trữ các tham số thân nhiệt, tọa độ địa lý và mốc thời gian tương ứng.
  4. Lập trình ứng dụng trên thiết bị di động (hệ điều hành Android) nhằm kết nối thiết bị qua Bluetooth, hiển thị thông số thời gian thực, trực quan hóa biểu đồ lịch sử nhiệt độ và tuyến đường di chuyển thông qua giao diện bản đồ.
  5. Cung cấp các phân tích, thống kê hỗ trợ cảnh báo sớm các dấu hiệu bất thường về thân nhiệt cho người sử dụng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thiết bị đeo thông minh (Wearable IoT System) gồm phần cứng vi điều khiển nhúng, cụm cảm biến sinh trắc học và vị trí, giao thức mạng không dây cục bộ/diện rộng, cơ sở dữ liệu thời gian thực và ứng dụng đầu cuối.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Thử nghiệm thu phát dữ liệu trong bán kính kết nối Bluetooth cá nhân (khoảng cách ngắn) và truyền dữ liệu tầm xa qua sóng LoRa băng tần 433 MHz (phạm vi lý thuyết lên đến 5 km).
    • Thời gian: Dữ liệu nghiên cứu, công nghệ và quy chuẩn y tế/kỹ thuật được khảo sát và hoàn thiện vào đầu năm 2021 (Hội đồng chấm khóa luận thành lập theo Quyết định số 70/QĐ-ĐHCNTT ngày 27/01/2021).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kết hợp nghiên cứu lý thuyết phần cứng nhúng, mạng truyền thông không dây tầm ngắn và tầm xa, cùng kiến trúc phần mềm đám mây và phát triển ứng dụng di động.

Hạng mục công nghệ Nền tảng / Thành phần cụ thể Đặc tính kỹ thuật chính theo văn bản
Vi xử lý trung tâm SoC Nordic nRF52832 (ARM Cortex-M4 32-bit) 512/256 KB Flash, 64/32 KB RAM, 32 chân GPIO, điện áp 1.6V - 3.6V, vỏ QFN48 (6x6 mm), hỗ trợ BLE/NFC.
Cảm biến thân nhiệt Cảm biến tương tự Texas Instruments LMT70 Ngõ ra analog tuyến tính, độ chính xác $\pm 0.1^\circ\text{C}$, dải đo $-55^\circ\text{C}$ đến $150^\circ\text{C}$, dòng tiêu thụ $9.2,\mu\text{A}$, điện áp 2.0V - 5.5V.
Mô-đun định vị Quectel GPS L70 Tích hợp AGPS EASY, AlwaysLocate, LOCUS (bộ nhớ trong ghi log 15 giây, lưu hơn 16 giờ), chế độ FLP ($5,\text{mA}$ tĩnh, $12,\text{mA}$ theo dõi), độ nhạy $-165,\text{dBm}$.
Truyền thông tầm xa Mô-đun LoRa SX1278 Tần số 433 MHz, giao tiếp chuẩn SPI, tầm phủ sóng khoảng 5 km, mã hóa tín hiệu Chirp (up-chirp bit 1, down-chirp bit 0).
Quản lý nguồn sạc IC Microchip MCP73832T-2ACI/OT Quản lý sạc pin Li-Ion / Li-Polymer, điện áp ngõ ra 4.2V, chân STAT báo trạng thái pin về vi điều khiển.
Chuẩn bus ngoại vi SPI, I2C, UART SPI (4 dây Master-Slave), I2C (2 dây SCL/SDA trở kéo $4.7,\text{k}\Omega$), UART (giao tiếp đồng bộ/bất đồng bộ).
Hạ tầng máy chủ Google Cloud Platform (GCP) & Firebase Firebase Realtime Database (cấu trúc JSON NoSQL), Firebase Authentication, Cloud Functions, Cloud Messaging.
Ứng dụng đầu cuối Android OS & Google Maps Android API Sử dụng cấu trúc JSON, kết nối Bluetooth Low Energy, vẽ polyline và biểu diễn vùng tiếp xúc trên bản đồ.

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

  1. Công nghệ Bluetooth Low Energy (BLE): Khảo sát từ chuẩn Bluetooth 1.0 đến Bluetooth 5.2. BLE được tối ưu hóa cho các hệ thống hoạt động bằng pin đồng xu, phạm vi truyền dữ liệu ngắn (khoảng cách 10m), truyền nhận dữ liệu ngắt quãng với mức tiêu thụ năng lượng thấp.
  2. Kiến trúc vi xử lý ARM và System-on-Chip (SoC): Tìm hiểu kiến trúc tập lệnh 32-bit RISC của ARM qua các nhánh Cortex-A (ứng dụng hiệu năng cao), Cortex-R (đáp ứng thời gian thực) và Cortex-M (vi điều khiển nhúng công suất thấp). Hệ thống đơn chip SoC nRF52832 tích hợp lõi Cortex-M4, các khối giao tiếp kỹ thuật số và bộ thu phát vô tuyến.
  3. Công nghệ định vị toàn cầu GPS và Hỗ trợ định vị A-GPS: Nguyên lý tam giác đạc tín hiệu từ tối thiểu 3 đến 4 vệ tinh để xác định tọa độ 2D/3D. Công nghệ A-GPS và hệ thống bổ trợ EASY dự đoán quỹ đạo ephemeris giúp rút ngắn thời gian khởi động định vị (TTFF) và duy trì độ chính xác ở môi trường đô thị.
  4. Công nghệ truyền thông LoRa (Long Range): Sử dụng kỹ thuật điều chế trải phổ Chirp (Chirp Spread Spectrum - CSS) của Semtech, cho phép truyền dữ liệu khoảng cách nhiều kilomet ở công suất phát thấp, chống nhiễu tốt nhờ khả năng phân biệt các tốc độ trải phổ (chirp rate) khác nhau.
  5. Cơ sở dữ liệu đám mây Firebase: Mô hình Backend-as-a-Service (BaaS) với Realtime Database lưu trữ dữ liệu dạng cây JSON (parent-children), tự động đồng bộ hóa với client qua kết nối bảo mật SSL 2048-bit và hỗ trợ lưu đệm dữ liệu cục bộ khi mất kết nối mạng.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Thiết kế mạch nguyên lý, lựa chọn linh kiện theo tiêu chí tiết kiệm năng lượng, ghép nối vi điều khiển với các khối cảm biến và truyền thông qua bus SPI, I2C, UART và các kênh ADC.
  • Phương pháp phát triển phần mềm: Xây dựng ứng dụng di động Android bằng ngôn ngữ Java, triển khai Google Maps Android API để hiển thị đường di chuyển; thiết lập Cloud Functions trên nền tảng đám mây để xử lý logic backend.
  • Nguồn dữ liệu: Tín hiệu điện áp tương tự từ hai cảm biến nhiệt độ LMT70 (nhiệt độ bề mặt da và nhiệt độ môi trường), chuỗi dữ liệu định vị tọa độ địa lý NMEA từ mô-đun GPS L70, dữ liệu cấu hình JSON lưu trữ trên Firebase Realtime Database.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng của thiết bị

Phần cứng vòng đeo tay được thiết kế thành các khối chức năng liên kết với vi điều khiển trung tâm:

  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng module nRF52832-QFAA chứa chip SoC ARM Cortex-M4, đóng vai trò nhận tín hiệu, thực hiện chuyển đổi ADC, xử lý logic, quản lý hiển thị và điều phối các giao tiếp truyền thông.
  • Khối cảm biến thân nhiệt kép (Dual LMT70): Gồm cảm biến Sensor LMT70 Thermal áp sát bề mặt da cổ tay để đo thân nhiệt người dùng và Sensor LMT70 Ambient hướng ra ngoài để đo nhiệt độ môi trường xung quanh. Tín hiệu điện áp đầu ra analog của hai cảm biến được nối trực tiếp vào các kênh ADC của MCU.
  • Khối định vị GPS: Sử dụng chip Quectel L70 kết nối với MCU thông qua giao tiếp nối tiếp UART, liên tục cập nhật kinh độ, vĩ độ và vận tốc di chuyển.
  • Khối truyền thông LoRa: Module LoRa SX1278 (433 MHz) kết nối qua giao tiếp SPI, đóng vai trò là kênh truyền thông dự phòng tầm xa khi thiết bị nằm ngoài vùng phủ sóng Bluetooth của điện thoại di động.
  • Khối hiển thị và tương tác: Màn hình OLED LCD kết nối qua chuẩn I2C để hiển thị nhiệt độ và trạng thái hoạt động; nút bấm điều khiển chức năng.
  • Khối quản lý nguồn điện: Tích hợp IC MCP73832T-2ACI/OT điều khiển sạc pin Li-Ion/Li-Po từ cổng sạc USB 5V. Chân STAT của IC được đọc bởi MCU (STAT = 1 khi pin đã sạc đầy, STAT = 0 khi đang sạc). Cầu phân áp kết hợp transistor lưỡng cực (BJT NPN/PNP) đưa tín hiệu điện áp pin V_ADC_BAT về bộ chuyển đổi ADC để giám sát dung lượng pin (ngưỡng 3.7V - 4.2V là bình thường, dưới 3.2V cảnh báo pin yếu ở mức 20%, ngưỡng ngắt 2.4V).
   +-------------------------------------------------------------+
   |                     VÒNG ĐEO TAY THÔNG MINH                 |
   |                                                             |
   |  [LMT70 Thermal] --(Analog)--> +-------------------------+  |
   |  [LMT70 Ambient] --(Analog)--> |                         |  |
   |  [OLED Display]  <---(I2C)---- |    MCU nRF52832 SoC     |  |
   |  [GPS L70]       <--(UART)---> |    (ARM Cortex-M4)      |  |
   |  [LoRa SX1278]   <---(SPI)---> |                         |  |
   |  [Flash Memory]  <---(SPI)---> +-------------------------+  |
   |  [Khối Nguồn MCP73832T] ----> Chân STAT / ADC Battery       |
   +-------------------------------------------------------------+
                   |                               |
       (Khi có kết nối Bluetooth)       (Khi mất Bluetooth)
                   |                               |
                   v                               v
         [Điện thoại thông minh]           [LoRa Gateway]
         - App Android                     - Thu thập từ xa (5km)
         - Google Maps API                         |
                   |                               |
                   +--------------+----------------+
                                  |
                                  v
                    [Hạ tầng Google Cloud / Firebase]
                    - Firebase Realtime Database (JSON)
                    - Cloud Functions & Cloud Messaging

Cơ chế hoạt động và giải thuật hệ thống

Quy trình truyền nhận và xử lý dữ liệu được tổ chức theo cơ chế phân tầng dự phòng ba cấp:

  1. Cấp 1 - Chế độ chuẩn qua Bluetooth Low Energy:
    • Các cảm biến LMT70 thu nhận điện áp tương tự, MCU chuyển đổi sang giá trị nhiệt độ kỹ thuật số ($^\circ\text{C}$).
    • Thông số nhiệt độ được xuất ra màn hình OLED LCD và đóng gói cùng tọa độ GPS.
    • MCU phát tín hiệu BLE tìm kiếm điện thoại thông minh đã ghép đôi. Khi kết nối thành công, dữ liệu được truyền sang ứng dụng Android.
    • Ứng dụng Android nhận gói tin, bổ sung GPS từ điện thoại (nếu cần đối chiếu) và gửi dữ liệu lên Firebase Realtime Database qua mạng di động (3G/4G/Wi-Fi).
  2. Cấp 2 - Chế độ tầm xa qua LoRa (khi mất kết nối Bluetooth):
    • Nếu kiểm tra kết nối BLE thất bại (người dùng không mang điện thoại hoặc điện thoại tắt Bluetooth), MCU tự động kích hoạt mô-đun LoRa SX1278.
    • Dữ liệu thân nhiệt và tọa độ từ GPS L70 trên vòng đeo tay được đóng gói thành các khung tin vô tuyến và phát tới trạm thu LoRa Gateway ở tần số 433 MHz. LoRa Gateway tiếp nhận và đẩy dữ liệu lên máy chủ trung tâm.
  3. Cấp 3 - Chế độ lưu trữ đệm ngoại tuyến (Offline Flash Logging):
    • Trường hợp thiết bị không kết nối được với cả điện thoại lẫn trạm LoRa Gateway, toàn bộ dữ liệu thân nhiệt kèm mốc thời gian sẽ được ghi trực tiếp vào bộ nhớ Flash ngoài của vòng đeo tay.
    • Khi thiết bị tái lập kết nối Bluetooth với ứng dụng Android, toàn bộ các bản ghi lưu tạm trong Flash sẽ được đọc ra và đồng bộ lên máy chủ đám mây.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu đề tài

Chương này phân tích bối cảnh bùng phát của dịch bệnh COVID-19 và nhu cầu cấp thiết về việc trang bị các công cụ giám sát sức khỏe không xâm lấn, tự động. Nhóm tác giả trình bày mục tiêu xây dựng một thiết bị tích hợp cảm biến đo thân nhiệt và định vị GPS, đồng thời chỉ ra khoảng trống trên thị trường thiết bị đeo thương mại năm 2021 (thiếu sự kết hợp giữa đo thân nhiệt bề mặt da và theo dõi lịch trình tiếp xúc). Chương 1 cũng xác định phương pháp thực hiện tổng thể bao gồm thiết kế phần cứng vòng tay, cấu hình máy chủ lưu trữ và lập trình ứng dụng di động Android.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các nền tảng kỹ thuật được áp dụng trong đề tài:

  • Chuẩn truyền thông Bluetooth và BLE: Tổng kết lịch sử từ phiên bản 1.0 đến 5.2, tập trung vào ưu thế của Bluetooth Low Energy (Bluetooth 4.0 trở đi) về tiêu thụ điện năng cực thấp, khả năng duy trì hoạt động nhiều tháng trên pin đồng xu và cơ chế định hướng AoA/AoD ở bản 5.1.
  • Kiến trúc ARM và SoC: Trình bày chi tiết bảng tiến trình phát triển các thế hệ vi xử lý ARM từ ARMv1 đến ARMv8-A. Phân loại các dòng vi xử lý ARM Cortex thành 3 nhánh chuyên biệt (Cortex-A, Cortex-R, Cortex-M) và làm rõ cấu tạo bên trong của hệ thống trên một vi mạch (System-on-Chip).
  • Vi điều khiển nRF52832: Phân tích thông số kỹ thuật của SoC nRF52832 dựa trên nhân Cortex-M4, các khối ngoại vi và đặc tính tiết kiệm năng lượng.
  • Hệ thống định vị GPS và mô-đun Quectel L70: Giải thích nguyên lý định vị vệ tinh, công nghệ hỗ trợ AGPS và các tính năng nhúng chuyên biệt của mô-đun Quectel L70 như EASY, AlwaysLocate, tính năng ghi log LOCUS và chế độ tiết kiệm năng lượng FLP ($5,\text{mA}$).
  • Công nghệ mạng LoRa: Phân tích nguyên lý điều chế tín hiệu Chirp Spread Spectrum của Semtech và thông số kỹ thuật của module LoRa SX1278 RF 433 MHz.
  • Cảm biến nhiệt độ LMT70: Phân tích đặc tuyến ngõ ra analog, dải nhiệt độ hoạt động và độ chính xác cao ($\pm 0.1^\circ\text{C}$).
  • Các chuẩn giao tiếp ngoại vi: Phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động, giản đồ xung và cấu hình đường truyền của 3 chuẩn giao tiếp thông dụng: SPI (chế độ Full-Duplex Master-Slave 4 dây), I2C (2 dây với điện trở kéo $4.7,\text{k}\Omega$) và UART (truyền thông nối tiếp qua các chân Tx/Rx).
  • Hạ tầng đám mây Google Cloud Platform và Firebase: Tổng quan về hệ sinh thái GCP (BigQuery, Compute Engine, App Engine, Cloud Storage). Đi sâu vào kiến trúc Firebase BaaS, cơ chế hoạt động của Firebase Realtime Database qua định dạng JSON, phân quyền bảo mật SSL, giải pháp mở rộng backend không máy chủ Cloud Functions, hệ thống xác thực Firebase Authentication và các công cụ bổ trợ.
  • Nền tảng Android và Google Maps API: Đánh giá ưu/nhược điểm của hệ điều hành Android, thị phần thiết bị di động (chiếm 85.1% thị phần smartphone xuất xưởng năm 2017 theo số liệu IDC trích dẫn trong tài liệu) làm căn cứ lựa chọn nền tảng. Giới thiệu các phương thức hiển thị đồ họa Polyline, Polygon trên Google Maps Android API.

Chương 3. Hiện thực hệ thống

Chương 3 là phần trọng tâm thể hiện kết quả thiết kế và hiện thực của đề tài:

  • Lưu đồ giải thuật toàn hệ thống: Mô tả tương tác khép kín giữa ba thực thể: Vòng đeo tay $\rightarrow$ Điện thoại thông minh $\rightarrow$ Máy chủ Firebase.
  • Thiết kế sơ đồ khối và nguyên lý mạch điện: Hiện thực chi tiết khối nguồn với IC quản lý sạc pin MCP73832T, mạch đo điện áp pin V_ADC_BAT, khối MCU nRF52832 ghép nối với hai cảm biến LMT70, mô-đun GPS L70, mô-đun LoRa SX1278, bộ nhớ Flash ngoại vi và màn hình hiển thị OLED.
  • Giải thuật điều khiển thiết bị: Xây dựng quy trình đọc ADC từ cảm biến thân nhiệt da và môi trường, tính toán bù nhiệt, lấy dữ liệu GPS, phân luồng truyền dữ liệu qua BLE hoặc LoRa, và ghi dữ liệu ngoại tuyến vào Flash khi mất kết nối mạng.
  • Cài đặt ứng dụng di động: Lập trình ứng dụng Android thu thập dữ liệu qua BLE, đồng bộ lên cơ sở dữ liệu thời gian thực và hiển thị lịch sử nhiệt độ cũng như định vị hành trình của người đeo trên Google Maps.
  • Xử lý các trường hợp cảnh báo: Thiết lập giải thuật phát hiện thân nhiệt vượt ngưỡng bình thường (sốt) và truy xuất dữ liệu vị trí để hỗ trợ truy vết các mốc thời gian, không gian di chuyển của người mang thiết bị.

Chương 4. Hạn chế và hướng phát triển

Chương này đánh giá các mặt còn tồn tại của hệ thống nguyên mẫu thực nghiệm và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm hoàn thiện sản phẩm ở các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Hiện thực thành công phần cứng thiết bị đeo: Tích hợp hoàn chỉnh khối xử lý trung tâm SoC nRF52832 (ARM Cortex-M4) với cụm cảm biến nhiệt độ tương tự LMT70, mô-đun định vị Quectel GPS L70, mô-đun truyền thông vô tuyến LoRa SX1278 (433 MHz), màn hình OLED và bộ nhớ Flash lưu trữ đệm.
  2. Xây dựng mạch quản lý nguồn: Sử dụng IC MCP73832T-2ACI/OT cho phép quản lý sạc pin Li-Ion/Li-Po an toàn, kiểm soát trạng thái sạc qua chân STAT và giám sát điện áp vận hành pin thông qua cầu phân áp ADC.
  3. Hiện thực cơ chế truyền thông đa phương thức: Thiết lập thành công luồng truyền dữ liệu ưu tiên qua Bluetooth Low Energy đến điện thoại, kích hoạt tự động kênh truyền LoRa tầm xa khi mất kết nối Bluetooth, và ghi log ngoại tuyến vào bộ nhớ Flash khi toàn bộ kết nối vô tuyến bị gián đoạn.
  4. Xây dựng hạ tầng dữ liệu và ứng dụng di động: Thiết lập cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database với cấu trúc JSON tối ưu; hoàn thiện ứng dụng di động Android kết nối Bluetooth với vòng tay, hỗ trợ người dùng theo dõi biểu đồ thân nhiệt và trực quan hóa tuyến đường di chuyển trên nền tảng Google Maps API.

Đóng góp của đề tài

  • Đề xuất một giải pháp phần cứng nhúng hoàn chỉnh kết hợp giữa giám sát sinh trắc học cá nhân (thân nhiệt bề mặt da) và giám sát không gian (định vị GPS) phục vụ trực tiếp cho công tác phòng chống dịch bệnh truyền nhiễm.
  • Ứng dụng giải pháp kết hợp hai cảm biến nhiệt độ LMT70 (đo thân nhiệt tiếp xúc da và đo nhiệt độ môi trường) giúp cung cấp dữ liệu đối chiếu phục vụ quá trình hiệu chuẩn và đánh giá sai số do môi trường bên ngoài tác động.
  • Thiết kế mô hình truyền dữ liệu phân tầng (BLE – LoRa – Flash), đảm bảo tính toàn vẹn và liên tục của dữ liệu dịch tễ ngay cả trong điều kiện người dùng di chuyển ở các khu vực không có sóng di động hoặc không mang theo điện thoại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Kích thước phần cứng của mô hình nguyên mẫu thử nghiệm vẫn còn tương đối lớn, chưa được tối ưu hóa thành dạng vòng đeo tay thương mại siêu nhỏ gọn để đeo liên tục trong sinh hoạt hàng ngày.
  • Thời lượng sử dụng pin bị giới hạn do việc duy trì hoạt động đồng thời của mô-đun GPS L70 và màn hình hiển thị, đòi hỏi phải tối ưu hóa sâu hơn về các chế độ ngủ (Sleep Mode / Deep Sleep) của vi điều khiển và cảm biến.
  • Hệ thống truyền thông LoRa phụ thuộc vào mật độ triển khai của các trạm thu LoRa Gateway tại khu vực dân cư; nếu không có Gateway và không có điện thoại kết nối BLE, dữ liệu chỉ có thể lưu trữ tạm trong Flash mà không thể truyền trực tiếp theo thời gian thực về máy chủ.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp

  • Tối ưu hóa thiết kế mạch in (PCB) nhiều lớp dạng dẻo (Flexible PCB) và thiết kế vỏ hộp công nghiệp theo tiêu chuẩn chống nước để nâng cao tính thẩm mỹ và độ bền cơ học cho thiết bị đeo.
  • Nghiên cứu sâu các thuật toán lọc nhiễu và bù trừ nhiệt độ môi trường dựa trên dữ liệu thu được từ cảm biến LMT70 Ambient nhằm tăng cường độ chính xác khi đo thân nhiệt ngoài trời.
  • Nâng cấp thuật toán quản lý nguồn trên vi điều khiển nRF52832, tận dụng tối đa các chế độ tiết kiệm điện như AlwaysLocate và FLP của GPS L70 để kéo dài thời gian hoạt động của pin.
  • Phát triển thêm các thuật toán phân tích dữ liệu lớn trên máy chủ đám mây, tự động phát hiện các cụm tiếp xúc gần (contact tracing) dựa trên sự trùng khớp về không gian và thời gian giữa các người dùng trong hệ thống.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử – Viễn thông, Công nghệ Thông tin: Là tài liệu tham khảo trực quan về quy trình thiết kế một hệ thống nhúng IoT hoàn chỉnh từ tầng phần cứng (Schematic, chọn linh kiện, giao tiếp bus SPI/I2C/UART/ADC), lập trình firmware trên dòng SoC ARM Cortex-M4 (nRF52832), đến tầng ứng dụng di động Android và dịch vụ đám mây Firebase.
  • Người làm nghiên cứu và phát triển sản phẩm thiết bị đeo y tế (Wearable Medical Devices): Cung cấp các thông số kỹ thuật, sơ đồ ghép nối thực tế của cảm biến nhiệt độ chuyên dụng LMT70 và mô-đun GPS Quectel L70, cùng các giải pháp đo lường điện áp pin và quản lý nguồn sạc bằng IC MCP73832T.
  • Người nghiên cứu về truyền thông IoT tầm xa và hệ thống định vị: Tham khảo cấu hình module LoRa SX1278 và giải pháp định vị A-GPS tích hợp trong các thiết bị nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm được sử dụng trong vòng đeo tay là loại nào và có những đặc tính kỹ thuật gì nổi bật?
Khóa luận sử dụng vi điều khiển SoC Nordic nRF52832 được xây dựng trên kiến trúc 32-bit ARM Cortex-M4. Chip tích hợp sẵn bộ nhớ Flash (512/256 KB), RAM (64/32 KB), 32 chân GPIO có thể thiết lập linh hoạt, hỗ trợ kết nối Bluetooth Low Energy (BLE), NFC, hoạt động trong dải điện áp từ 1.6V đến 3.6V và đóng gói trong vỏ QFN48 kích thước 6x6 mm.

2. Thiết bị xử lý dữ liệu như thế nào khi vòng đeo tay không thể kết nối Bluetooth với điện thoại thông minh?
Khi mất kết nối Bluetooth, hệ thống tự động chuyển sang phương thức truyền thông dự phòng tầm xa thông qua mô-đun LoRa SX1278 (tần số 433 MHz) để gửi dữ liệu nhiệt độ và tọa độ GPS về trạm LoRa Gateway trong phạm vi khoảng 5 km. Nếu tiếp tục không kết nối được với LoRa Gateway, dữ liệu sẽ được lưu đệm an toàn vào bộ nhớ Flash ngoài của vòng tay và tự động đồng bộ hóa lên máy chủ khi thiết bị kết nối lại với điện thoại.

3. Cảm biến nhiệt độ LMT70 được tích hợp trong hệ thống có độ chính xác và thông số hoạt động ra sao?
Cảm biến nhiệt độ tương tự LMT70 có độ chính xác cao đạt $\pm 0.1^\circ\text{C}$, dải nhiệt độ hoạt động từ $-55^\circ\text{C}$ đến $150^\circ\text{C}$, điện áp hoạt động từ 2V đến 5.5V và tiêu thụ dòng điện cực thấp chỉ $9.2,\mu\text{A}$. Thiết kế sử dụng 2 cảm biến LMT70: một cảm biến áp sát da để đo thân nhiệt và một cảm biến đo nhiệt độ môi trường.

4. Mô-đun GPS Quectel L70 có những công nghệ tiết kiệm năng lượng và hỗ trợ định vị nào?
Quectel L70 tích hợp công nghệ định vị nhanh AGPS EASY (dự đoán quỹ đạo ephemeris lưu trong RAM nội bộ), công nghệ AlwaysLocate tự điều chỉnh chu kỳ bật/tắt theo chuyển động, chức năng LOCUS tự ghi nhật ký vị trí vào Flash nhúng mỗi 15 giây (lưu trữ trên 16 giờ không cần máy chủ), và chế độ Fitness Low Power (FLP) chỉ tiêu thụ dòng điện $5,\text{mA}$ ở chế độ nhận tĩnh ($12,\text{mA}$ ở chế độ theo dõi).

5. Cơ sở dữ liệu của hệ thống được tổ chức trên nền tảng nào và theo cấu trúc gì?
Dữ liệu được lưu trữ trên Firebase Realtime Database của Google dưới định dạng chuỗi JSON không sử dụng bảng quan hệ truyền thống (NoSQL), tổ chức theo cấu trúc cây phân cấp (trees / parent-children / Map). Dữ liệu được đồng bộ thời gian thực đến ứng dụng Android thông qua kết nối bảo mật SSL với chứng chỉ 2048-bit.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Phước Tấn và Nguyễn Hoàng Phúc đã hiện thực hóa thành công mô hình vòng đeo tay thông minh tích hợp đo thân nhiệt và định vị theo dõi lịch trình, đáp ứng yêu cầu cấp thiết của công tác giám sát y tế trong giai đoạn dịch bệnh COVID-19. Đề tài kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế phần cứng nhúng dựa trên SoC nRF52832, cụm cảm biến LMT70, GPS Quectel L70, truyền thông LoRa SX1278 cùng hệ sinh thái phần mềm đám mây Google Cloud / Firebase và ứng dụng Android. Hệ thống đã chứng minh tính khả thi cao qua cơ chế truyền dữ liệu phân tầng linh hoạt, đảm bảo độ chính xác của dữ liệu sinh trắc học và cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo tốt cho các nghiên cứu thiết bị IoT y tế tiếp theo.