Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Thân nhiệt là một trong những chỉ số sinh hiệu cốt lõi phản ánh trạng thái sinh lý và khả năng miễn dịch của cơ thể con người. Mọi biến đổi bất thường của nhiệt độ cơ thể đều có thể là dấu hiệu cảnh báo sớm của các bệnh lý nhiễm trùng, rối loạn chuyển hóa hoặc tổn thương thực thể. Trong bối cảnh dịch bệnh truyền nhiễm (điển hình như dịch bệnh Covid-19 tại thời điểm thực hiện đề tài) diễn biến phức tạp, nhu cầu giám sát thân nhiệt liên tục, tự động và từ xa trở nên cấp thiết nhằm phát hiện sớm các cơn sốt và cách ly, điều trị kịp thời.
Mặc dù các thiết bị đo nhiệt độ truyền thống như nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế điện tử tiếp xúc hay nhiệt kế hồng ngoại không tiếp xúc đang được sử dụng rộng rãi, phần lớn các thiết bị thương mại phổ biến trên thị trường chỉ phục vụ việc đo ngắt quãng tại chỗ. Chúng thiếu khả năng đồng bộ dữ liệu thời gian thực lên máy chủ và không có cơ chế tự động gửi cảnh báo khẩn cấp tới điện thoại thông minh của người thân hoặc nhân viên y tế khi người dùng vượt ngưỡng nhiệt nguy hiểm. Nhóm tác giả thực hiện đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nhằm giải quyết khoảng trống kỹ thuật này.
Mục tiêu nghiên cứu
- Thiết kế và thi công một thiết bị vòng đeo tay nhỏ gọn, tích hợp cảm biến nhiệt độ y tế có độ chính xác cao để thu nhận tín hiệu thân nhiệt liên tục.
- Xây dựng khối xử lý trung tâm và truyền thông không dây kết nối Wi-Fi sử dụng vi điều khiển ESP8266, truyền dữ liệu nhiệt độ lên nền tảng đám mây theo giao thức MQTT.
- Trực quan hóa dữ liệu thời gian thực và lịch sử nhiệt độ trên giao diện Web thông qua nền tảng Ubidots.
- Thiết lập hệ thống cảnh báo đa tầng: phát tín hiệu âm thanh tại chỗ qua còi báo (Buzzer) và tự động gửi tin nhắn SMS hoặc Gmail đến điện thoại của người giám sát khi phát hiện nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Khảo sát cơ sở lý thuyết về thân nhiệt, các phương pháp đo nhiệt độ cơ thể và đặc tính cảm biến nhiệt điện trở NTC.
- Tìm hiểu hoạt động của module Wemos D1 Mini ESP8266, giao thức truyền thông MQTT, nền tảng IoT Ubidots và giao thức cấu hình Wi-Fi SmartConfig (ESP-Touch).
- Thiết kế sơ đồ khối, tính toán phân áp mạch cảm biến, giải phương trình Steinhart-Hart để chuyển đổi điện trở sang nhiệt độ và xây dựng sơ đồ nguyên lý toàn mạch.
- Thiết kế mạch in PCB bằng phần mềm Proteus 8, gia công phần cứng, hàn linh kiện, thiết kế vỏ hộp và hoàn thiện mô hình cơ khí của vòng đeo tay.
- Lập trình vi điều khiển trên Arduino IDE, xây dựng thuật toán đọc dữ liệu, kết nối đám mây, cấu hình bảng điều khiển và kịch bản cảnh báo trên Ubidots.
- Thử nghiệm thực tế, đối chiếu sai số với nhiệt kế thủy ngân và nhiệt kế điện tử chuẩn (Omron MC-246), viết tài liệu hướng dẫn và báo cáo tổng kết.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng nhúng và phần mềm IoT giám sát thân nhiệt (module Wemos D1 Mini ESP8266, cảm biến bề mặt da YSI700, màn hình OLED SSD1306, nền tảng Ubidots).
- Phạm vi không gian đo: Thiết bị được thiết kế chuyên biệt để thu thập nhiệt độ tại vùng hõm nách của cơ thể người, không áp dụng cho các vị trí khác (như trực tràng, khoang miệng).
- Phạm vi chức năng: Hệ thống tập trung vào việc đo lường, hiển thị, lưu trữ dữ liệu và kích hoạt cảnh báo ngưỡng quá nhiệt; thiết bị không tích hợp các thuật toán phân tích chuyên sâu để đưa ra chẩn đoán y khoa tự động.
- Thời gian thực hiện: Từ ngày 09/03/2020 đến ngày 18/08/2020.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết và sinh lý học thân nhiệt
Cơ thể người duy trì thân nhiệt lõi (nhiệt độ trung tâm) ổn định trong khoảng 36,5°C đến 37,1°C (trung bình 36,8°C) nhờ cơ chế cân bằng giữa quá trình sinh nhiệt và tỏa nhiệt. Ba vị trí đo nhiệt độ trung tâm phổ biến bao gồm:
- Đo ở trực tràng: Độ sâu chuẩn từ 5 - 10 cm, là vị trí đại diện chính xác nhất cho nhiệt độ trung tâm.
- Đo ở khoang miệng (dưới lưỡi): Kết quả thường thấp hơn trực tràng khoảng 0,4°C - 0,6°C.
- Đo ở hõm nách: Kết quả thường thấp hơn trực tràng khoảng 0,65°C.
Thân nhiệt chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố: nhịp sinh học ngày - đêm (thấp nhất từ 1h - 4h sáng, cao nhất từ 14h - 17h chiều), độ tuổi, chu kỳ kinh nguyệt/thai kỳ, mức độ vận cơ và các trạng thái bệnh lý (nhiễm trùng, rối loạn tuyến giáp).
Khung lý thuyết cảm biến nhiệt điện trở và phương trình Steinhart-Hart
Cảm biến nhiệt điện trở NTC (Negative Temperature Coefficient) là linh kiện bán dẫn có giá trị điện trở giảm phi tuyến khi nhiệt độ tăng. Để chuyển đổi chính xác giá trị điện trở $R$ ($\Omega$) đo được từ cảm biến sang nhiệt độ tuyệt đối $T$ (K), đề tài áp dụng mô hình toán học Steinhart-Hart bậc ba:
$$\frac{1}{T} = A + B \ln(R) + C (\ln(R))^3$$
Trong đó $A, B, C$ là các hệ số thực nghiệm Steinhart-Hart đặc thù của cảm biến. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện đo thực tế ba cặp giá trị điện trở tương ứng với ba mốc nhiệt độ kiểm chuẩn không cấp nguồn:
| Mốc nhiệt độ thực tế ($T$) |
Nhiệt độ Kelvin ($T_K$) |
Giá trị điện trở đo được ($R$) |
| 20°C |
293,15 K |
12.494 $\Omega$ |
| 25°C |
298,15 K |
9.890 $\Omega$ |
| 30°C |
303,15 K |
8.056 $\Omega$ |
Giải hệ ba phương trình bậc nhất ba ẩn từ các dữ liệu trên, các hệ số Steinhart-Hart được xác định cụ thể trong mã nguồn hệ thống để tính toán nhiệt độ chính xác cho cảm biến YSI700.
Giao thức truyền thông MQTT và nền tảng Ubidots
Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) được lựa chọn thay thế cho HTTP để truyền thông giữa thiết bị đeo và đám mây nhờ kiến trúc Publish/Subscribe gọn nhẹ, tiêu đề gói tin tối thiểu chỉ 2 byte, hoạt động trên nền TCP cổng 1883 và hỗ trợ 3 cấp độ dịch vụ (QoS 0, QoS 1, QoS 2).
| Tiêu chí so sánh |
Giao thức MQTT |
Giao thức HTTP |
| Kiến trúc mạng |
Publish / Subscriber (1 - $n$) |
Request / Response (1 - 1) |
| Cơ chế truyền nhận |
2 chiều, client nhận tin chủ động/thụ động |
1 chiều, client phải khởi tạo kết nối (polling) |
| Kích thước tiêu đề |
Ngắn, tối thiểu 2 byte định dạng nhị phân |
Dài, định dạng văn bản ASCII |
| Tốc độ truyền dữ liệu |
Nhanh hơn 93 lần so với HTTP (trên mạng 3G) |
Chậm hơn, phụ thuộc chu kỳ lặp yêu cầu |
| Mức độ tiêu thụ năng lượng |
Rất thấp, tối ưu cho thiết bị chạy pin |
Cao do phải liên tục gửi bản tin GET |
| Cổng kết nối mặc định |
1883 (TCP) |
80 hoặc 8080 (TCP/UDP) |
Nền tảng Ubidots tiếp nhận các biến số (Variables) từ thiết bị (Device), hiển thị đồ thị trực quan hóa trên Dashboard và kích hoạt sự kiện cảnh báo (Events) qua SMS/Gmail dựa trên kịch bản giá trị vượt ngưỡng (Value-based trigger).
Công nghệ cấu hình mạng SmartConfig (ESP-Touch)
Để khắc phục nhược điểm phải nạp lại firmware mỗi khi thay đổi mạng Wi-Fi, hệ thống tích hợp giao thức ESP-Touch thuộc chuẩn SmartConfig. Smartphone kết nối với mạng Wi-Fi cục bộ sẽ phát các gói tin UDP không mã hóa trường độ dài (chứa SSID và mật khẩu) theo chuẩn IEEE 802.3. ESP8266 bắt các gói tin này, giải mã thông tin cấu hình và tự động thiết lập kết nối vào mạng Internet mà không cần can thiệp phần cứng.
Thiết kế và triển khai hệ thống
Kiến trúc sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống vòng đeo tay giám sát thân nhiệt được tổ chức thành 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ:
- Khối nguồn: Sử dụng pin LiPo 1 cell 3,7V (dung lượng 220mAh) kết hợp cùng module sạc và tăng áp Lithium Micro ESP8266 D1 Mini 1A để duy trì điện áp ổn định 5VDC và 3,3VDC cho toàn bộ hệ thống.
- Khối xử lý trung tâm: Sử dụng board mạch Wemos D1 Mini trang bị vi điều khiển ESP-8266EX (tần số 80/160 MHz, bộ nhớ Flash 4MB, điện áp 3,3V), làm nhiệm vụ đọc giá trị điện áp Analog, tính toán nhiệt độ, điều khiển màn hình hiển thị, quản lý kết nối Wi-Fi và đẩy dữ liệu lên đám mây.
- Khối cảm biến: Gồm cảm biến y tế tiếp xúc bề mặt da YSI700 (chuẩn jack cắm 3,5mm, dải đo 0 - 60°C, độ chính xác ±0,1°C trong khoảng 25 - 45°C) mắc nối tiếp với điện trở $R_1 = 10\text{k}\Omega$ tạo thành mạch cầu phân áp đưa vào chân Analog A0 của ESP8266.
- Khối hiển thị: Màn hình OLED SSD1306 kích thước 0,96 inch (độ phân giải 128x64 điểm ảnh), giao tiếp qua chuẩn I2C sử dụng 2 chân GPIO (SDA nối D2/GPIO4, SCL nối D1/GPIO5).
- Khối dữ liệu Web: Nền tảng đám mây Ubidots lưu trữ dữ liệu thời gian thực, vẽ đồ thị biến thiên nhiệt độ và cung cấp giao diện truy cập trên trình duyệt máy tính/điện thoại.
- Khối cảnh báo: Gồm còi chip Buzzer (kết nối chân D7/GPIO13) phát tín hiệu âm thanh tần số $2300 \pm 500\text{ Hz}$ tại chỗ, kết hợp dịch vụ gửi tin nhắn SMS và thư điện tử Gmail tự động từ Ubidots.
Tính toán phần cứng và điện năng tiêu thụ
Điện áp phân áp $V_{out}$ đưa vào chân vi điều khiển được xác định qua công thức:
$$V_{out} = V_{DD} \cdot \frac{R_1}{R_1 + R_{NTC}}$$
Tại điểm cân bằng nhiệt độ môi trường chuẩn ($R_{NTC} \approx 10\text{k}\Omega$), chọn $R_1 = 10\text{k}\Omega$ để tối ưu hóa độ nhạy điện áp ngõ ra ở mức $\frac{1}{2} V_{DD}$.
| STT |
Linh kiện phần cứng |
Điện áp hoạt động |
Dòng điện tiêu thụ |
| 1 |
Wemos D1 Mini ESP8266 |
3,3V |
40 mA |
| 2 |
Cảm biến nhiệt độ YSI700 |
3,3V |
30 mA |
| 3 |
Màn hình OLED SSD1306 0.96 inch |
3,3V |
12 mA |
| 4 |
Còi báo Buzzer |
5,0V |
$\le 8\text{ mA}$ |
Tổng công suất tiêu thụ tối đa của toàn mạch tính toán trên lý thuyết xấp xỉ 3,31 W. Mạch nạp và tăng áp giúp duy trì nguồn 5V ổn định ngay cả khi điện áp pin LiPo giảm dần từ 4,2V xuống ngưỡng 3,0V trong quá trình vận hành liên tục.
Sơ đồ đấu nối và triển khai mạch in (PCB)
Mạch nguyên lý và layout mạch in PCB 1 lớp được thiết kế trên phần mềm Proteus 8. Chân nút nhấn cấu hình kết nối chân D5, còi báo Buzzer kết nối chân D7, màn hình OLED kết nối các chân D1 (SCL) và D2 (SDA), chân tín hiệu cảm biến YSI700 kết nối chân A0. Sau khi gia công bo mạch và hàn linh kiện, hệ thống được đóng gói trong vỏ hộp nhựa nhỏ gọn, tích hợp dây đeo cổ tay thuận tiện cho người dùng.
Nội dung chính theo từng chương
| Chương |
Tên chương trong văn bản |
Nội dung chính và phát hiện cốt lõi |
| Chương 1 |
Tổng quan |
- Phân tích bối cảnh y tế, tầm quan trọng của thân nhiệt và sự cần thiết của thiết bị giám sát từ xa trong mùa dịch Covid-19.
- Khảo sát các công trình liên quan: mô hình đo nhịp tim - nhiệt độ qua cáp mạng LAN của Đại học Đà Nẵng (2012) và vòng tay đo nhịp tim IoT của Nguyễn Thanh Hoàng, Nguyễn Khoa Nam (2019).
- Xác định rõ mục tiêu, 11 nội dung nghiên cứu chi tiết và giới hạn đo tại vùng hõm nách. |
| Chương 2 |
Cơ sở lý thuyết |
- Trình bày sinh lý thân nhiệt, sự phân bố nhiệt độ theo lứa tuổi và các vị trí đo (trực tràng, miệng, nách).
- Phân loại nhiệt điện trở (NTC, PTC, CTR), xây dựng mô hình toán học Steinhart-Hart cho NTC.
- Khảo sát công nghệ IoT: cơ chế hoạt động, kiến trúc, 3 mức QoS của giao thức MQTT; nền tảng Ubidots (Devices, Variables, Dashboards, Events); giao thức cấu hình mạng ESP-Touch/SmartConfig.
- Giới thiệu thông số kỹ thuật chi tiết của Wemos D1 Mini, cảm biến YSI700, màn hình OLED SSD1306, còi Buzzer, pin LiPo và mạch sạc tăng áp 1A. |
| Chương 3 |
Tính toán thiết kế |
- Xây dựng sơ đồ khối 6 thành phần và giải thích chức năng từng khối.
- Tính toán mạch cầu phân áp cảm biến, lựa chọn $R_1 = 10\text{k}\Omega$. Thực nghiệm đo 3 điểm nhiệt độ (20°C, 25°C, 30°C) và giải hệ phương trình xác định hệ số Steinhart-Hart ($A = -2,57978240 \times 10^{-7}$).
- Tính toán tổng dòng điện, điện áp và công suất tiêu thụ của các linh kiện trong mạch.
- Thiết lập sơ đồ nguyên lý toàn mạch, định nghĩa kết nối giữa ESP8266 với cảm biến, OLED, Buzzer, nút nhấn và mạch nguồn. |
| Chương 4 |
Thi công hệ thống |
- Lập danh mục chi tiết 9 linh kiện chính và quy trình thiết kế mạch in PCB trên Proteus 8.
- Tiến hành hàn lắp phần cứng, kiểm tra thông mạch và gia công vỏ hộp đóng gói mô hình vòng đeo tay hoàn chỉnh.
- Xây dựng lưu đồ giải thuật chương trình chính, lưu đồ chương trình con đo nhiệt độ và lưu đồ kết nối Ubidots qua MQTT.
- Lập trình cấu hình giao diện hiển thị OLED, thiết lập bảng điều khiển trên Ubidots và cấu hình ngưỡng cảnh báo SMS/Gmail.
- Biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng và quy trình vận hành thiết bị qua ứng dụng ESP-Touch. |
| Chương 5 |
Kết quả, nhận xét và đánh giá |
- Trình bày hình ảnh mô hình thực tế và các màn hình giao diện (khởi động, yêu cầu cấu hình Wi-Fi, hiển thị nhiệt độ tức thời).
- Kiểm thử truyền dữ liệu lên Web: biểu đồ giám sát thời gian thực, lịch sử cập nhật dữ liệu và giao diện bảng điều khiển Ubidots.
- Kiểm thử chức năng cảnh báo: còi Buzzer phát âm thanh, Ubidots gửi tin nhắn SMS và thư điện tử Gmail về điện thoại khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt.
- Thực nghiệm đo kiểm đối chứng giữa thiết bị tự chế với nhiệt kế thủy ngân và nhiệt kế điện tử Omron MC-246; nhận xét và đánh giá độ ổn định. |
| Chương 6 |
Kết luận và hướng phát triển |
- Tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành về mặt thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm và khả năng truyền thông cảnh báo.
- Đánh giá ưu điểm về tính tiện dụng, nhỏ gọn và giá thành rẻ.
- Chỉ rõ các hạn chế kỹ thuật và đề xuất giải pháp mở rộng, nâng cấp thiết bị trong tương lai. |
Kết quả và đóng góp
Kết quả thực nghiệm
Hệ thống vòng đeo tay hoàn chỉnh đã đáp ứng tốt các yêu cầu thiết kế kỹ thuật đặt ra:
- Khả năng hiển thị và cấu hình: Màn hình OLED hiển thị rõ nét trạng thái kết nối Wi-Fi và giá trị nhiệt độ cơ thể theo thời gian thực. Giao thức SmartConfig qua ứng dụng ESP-Touch trên smartphone giúp cấu hình mạng nhanh chóng, Serial Monitor hiển thị xác nhận IP thành công (
Esptouch success, InnetAddress = 192.168.x.x).
- Khả năng truyền thông đám mây: Dữ liệu nhiệt độ được đóng gói và xuất bản (publish) ổn định lên máy chủ Ubidots qua giao thức MQTT. Giao diện Web hiển thị trực quan đồ thị biến thiên nhiệt độ và ghi nhận đầy đủ lịch sử các mốc thời gian đo.
- Hiệu năng cảnh báo khẩn cấp: Khi nhiệt độ đo được vượt quá ngưỡng cài đặt trước (ngưỡng sốt), còi Buzzer tại vòng đeo tay lập tức phát âm thanh cảnh báo (>80 dB); đồng thời dịch vụ Ubidots Events tự động kích hoạt gửi tin nhắn SMS và gửi Gmail thông báo đến số điện thoại và địa chỉ email đã đăng ký của người quản lý.
- Độ chính xác đo lường: Kết quả đo thử nghiệm thực tế tại vùng hõm nách của thiết bị cho thấy độ tin cậy cao, bám sát các chỉ số đo đối chứng từ nhiệt kế thủy ngân tiêu chuẩn và nhiệt kế điện tử y tế Omron MC-246 với độ lệch sai số nằm trong phạm vi cho phép của cảm biến YSI700 ($\pm 0,1^\circ\text{C}$ đến $\pm 0,2^\circ\text{C}$).
Đóng góp của đề tài
- Ứng dụng thành công công nghệ IoT và giao thức truyền thông MQTT băng thông thấp vào bài toán giám sát y tế cá nhân, tạo ra một thiết bị đeo tay theo dõi thân nhiệt tự động, không dây và liên tục.
- Tích hợp giải pháp cấu hình Wi-Fi linh hoạt qua SmartConfig (ESP-Touch), loại bỏ hoàn toàn việc phải nạp lại mã nguồn khi thay đổi môi trường mạng.
- So với công trình của Nguyễn Bá Tòng et al. (2012) vốn phụ thuộc vào hệ thống mạng nội bộ có dây và máy chủ cục bộ cồng kềnh, đề tài đã phát triển thành thiết bị đeo không dây hoàn chỉnh giao tiếp trực tiếp với Cloud.
- Kế thừa và mở rộng hướng tiếp cận của Nguyễn Thanh Hoàng và Nguyễn Khoa Nam (2019) từ đo nhịp tim sang theo dõi thân nhiệt chuyên sâu, bổ sung thành công cơ chế cảnh báo tự động đa kênh qua SMS và Gmail.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Vị trí đo: Thiết bị mới chỉ hỗ trợ lấy tín hiệu nhiệt độ chuẩn xác tại vùng hõm nách thông qua dây dẫn cảm biến nối dài, chưa tích hợp được đầu đo tiếp xúc trực tiếp một cách thẩm mỹ ngay tại vị trí cổ tay của vòng đeo.
- Phân tích dữ liệu: Thiết bị chỉ dừng lại ở mức so sánh giá trị thân nhiệt với ngưỡng tĩnh để cảnh báo sốt, chưa có thuật toán phân tích kết hợp nhiều chỉ số sinh hiệu để đưa ra các đánh giá chuyên sâu về sức khỏe.
- Thời lượng nguồn pin: Dung lượng pin LiPo sử dụng trong mô hình thử nghiệm là 220mAh, cần được tối ưu hóa sâu hơn về chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep modes) của ESP8266 để kéo dài thời gian hoạt động liên tục.
- Độ hoàn thiện cơ khí: Vỏ hộp mô hình được thi công thủ công, kích thước vẫn có thể thu nhỏ hơn nữa nếu chuyển sang sử dụng công nghệ linh kiện dán (SMD) và thiết kế mạch in nhiều lớp.
Hướng phát triển tiếp theo
- Nghiên cứu tích hợp thêm các cảm biến sinh hiệu khác như cảm biến đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu ($SpO_2$) vào cùng một khối thiết bị đeo tay để quản lý sức khỏe toàn diện.
- Nâng cấp vi điều khiển lên dòng ESP32 hoặc vi điều khiển tiết kiệm năng lượng có tích hợp Bluetooth Low Energy (BLE) nhằm tối ưu hóa công suất tiêu thụ và thời lượng pin.
- Ứng dụng công nghệ in 3D công nghiệp và gia công bo mạch dán SMD thu nhỏ để hoàn thiện sản phẩm có tính thẩm mỹ và độ bền công nghiệp cao hơn.
- Xây dựng ứng dụng di động chuyên biệt (Mobile App) trên iOS/Android để quản lý dữ liệu tập trung, thay thế cho việc theo dõi qua trình duyệt Web Ubidots thông thường.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên, giảng viên và các kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, Điện tử - Viễn thông, Hệ thống nhúng và Công nghệ Thông tin (chuyên ngành IoT):
- Tham khảo phương pháp xử lý cảm biến y tế: Quy trình phân áp, đo kiểm thực nghiệm 3 điểm và giải hệ phương trình Steinhart-Hart để tuyến tính hóa đặc tuyến cảm biến nhiệt điện trở NTC/YSI700 là tài liệu mẫu mực cho các đề tài phát triển thiết bị đo nhiệt độ y sinh.
- Tham khảo thiết kế hệ thống nhúng IoT: Toàn bộ quy trình lập trình ESP8266, giao tiếp ngoại vi I2C (OLED SSD1306), cấu hình SmartConfig qua ESP-Touch và truyền thông MQTT lên nền tảng Ubidots có thể tái sử dụng trực tiếp cho các đồ án IoT kết nối đám mây.
- Tham khảo tài liệu hướng dẫn vận hành: Quy trình đóng gói phần cứng, thiết kế sơ đồ nguyên lý trên Proteus và thiết lập sự kiện cảnh báo (Events) trên Ubidots cung cấp hướng dẫn từng bước rõ ràng cho người bắt đầu làm quen với các ứng dụng e-Health.
Câu hỏi thường gặp
1. Cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong thiết bị là loại nào và có thông số kỹ thuật ra sao?
Khóa luận sử dụng cảm biến nhiệt độ bề mặt da YSI700 chuyên dụng cho monitor y tế. Cảm biến hoạt động theo nguyên lý nhiệt điện trở NTC, dải đo từ 0°C đến 60°C, độ chính xác đạt $\pm 0,1^\circ\text{C}$ trong khoảng nhiệt độ cơ thể từ 25°C đến 45°C (và $\pm 0,2^\circ\text{C}$ trong khoảng từ -1°C đến 60°C), đầu dò dạng tròn có jack cắm chuẩn 3,5mm và tuân thủ các chỉ thị thiết bị y tế của FDA, CE (93/42/EEC) và chuẩn EN12470.
2. Nhóm tác giả đã giải bài toán chuyển đổi phi tuyến của cảm biến nhiệt điện trở sang độ C như thế nào?
Nhóm sử dụng mạch cầu phân áp với điện trở $R_1 = 10\text{k}\Omega$ kết nối chân Analog A0 của ESP8266. Nhóm đo thực tế giá trị điện trở ở 3 mốc nhiệt độ: 20°C (12.494 $\Omega$), 25°C (9.890 $\Omega$), 30°C (8.056 $\Omega$), sau đó thiết lập hệ phương trình và giải ra các hệ số thực nghiệm Steinhart-Hart ($A = -2,57978240 \times 10^{-7}$) để nạp vào giải thuật chuyển đổi trong mã nguồn Arduino.
3. Người dùng cấu hình thông tin mạng Wi-Fi (SSID và Mật khẩu) cho vòng đeo tay bằng cách nào?
Hệ thống sử dụng giao thức ESP-Touch (SmartConfig). Người dùng không cần nạp lại mã nguồn vi điều khiển mà chỉ cần cài ứng dụng ESP-Touch trên smartphone (Android hoặc iOS), kết nối điện thoại vào mạng Wi-Fi cần dùng, nhập mật khẩu và gửi gói tin cấu hình UDP qua ứng dụng để ESP8266 tự động nhận diện và kết nối.
4. Hệ thống thực hiện cảnh báo quá nhiệt qua những kênh nào khi phát hiện người dùng bị sốt?
Hệ thống thực hiện cảnh báo qua hai tầng:
- Tại chỗ: Vi điều khiển kích hoạt còi Buzzer phát âm thanh cảnh báo tần số $2300 \pm 500\text{ Hz}$ với cường độ âm $>80\text{ dB}$.
- Từ xa: Nền tảng đám mây Ubidots nhận diện biến nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn đã cài đặt và tự động gửi tin nhắn SMS cảnh báo kèm gửi thư điện tử Gmail đến điện thoại của người giám sát.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo một thiết bị y tế cá nhân IoT hoàn chỉnh. Bằng việc kết hợp cảm biến y tế YSI700, vi điều khiển Wemos D1 Mini ESP8266, giao thức MQTT và nền tảng Ubidots, hệ thống cho phép giám sát thân nhiệt vùng hõm nách liên tục với độ chính xác cao và sai số thấp. Công trình không chỉ giải quyết hiệu quả bài toán cảnh báo sốt tức thời qua Buzzer, SMS và Gmail trong bối cảnh phòng chống dịch bệnh, mà còn là nguồn tài liệu tham khảo kỹ thuật giá trị cho các nghiên cứu phát triển thiết bị y tế thông minh tiếp theo.
