Đồ án: Hệ thống theo dõi sức khỏe người dùng bằng Raspberry Pi và IoT

Đồ án xây dựng hệ thống theo dõi sức khỏe bằng Raspberry Pi và IoT. Đo và phân tích nhịp tim, thân nhiệt người dùng qua cảm biến chuyên dụng.

• Tác giả: Lê Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: Ths. Võ Minh Thông
• Đề tài: Xây dựng hệ thống theo dõi sức khỏe bằng Raspberry Pi
• Loại tài liệu: Đồ án

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Theo dõi Sức khỏe Raspberry Pi

Hệ thống theo dõi sức khỏe bằng Raspberry Pi là một giải pháp IoT hiện đại, cho phép người dùng theo dõi các chỉ số sức khỏe quan trọng như nhịp tim và nhiệt độ cơ thể một cách liên tục và chính xác. Đây là ứng dụng thực tiễn của công nghệ Internet of Things trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe. Hệ thống này tích hợp các cảm biến thông minh, module xử lý dữ liệu và ứng dụng di động để cung cấp trải nghiệm giám sát sức khỏe toàn diện. Với tính linh hoạt cao và chi phí thấp, Raspberry Pi trở thành lựa chọn tối ưu cho các dự án y tế gia đình và cơ sở chăm sóc sức khỏe nhỏ.

1.1. Tính cấp thiết của Đề tài

Nhu cầu theo dõi sức khỏe ngày càng tăng trong bối cảnh công nghệ số phát triển. Hệ thống Raspberry Pi cung cấp giải pháp chi phí thấp nhưng hiệu quả cao. Nó cho phép người dùng cập nhật real-time các chỉ số sức khỏe thông qua ứng dụng Android và web server. Đây là bước đi tiến bộ trong lĩnh vực e-health và telemedicine.

1.2. Mục tiêu Nghiên cứu

Mục tiêu chính là xây dựng hệ thống hoàn chỉnh để đo lường nhịp tim và nhiệt độ sử dụng cảm biến Pulse Sensor và DS18B20. Hệ thống sẽ lưu trữ dữ liệu trên ThingSpeak và hiển thị thông tin qua ứng dụng Android Studio. Đây là nền tảng để phát triển các ứng dụng chăm sóc sức khỏe nâng cao hơn.

II. Các Linh kiện và Công nghệ Chính

Hệ thống theo dõi sức khỏe Raspberry Pi sử dụng nhiều linh kiện quan trọng để thu thập và xử lý dữ liệu. Cảm biến DS18B20 được dùng để đo nhiệt độ với độ chính xác cao, trong khi Pulse Sensor giúp phát hiện nhịp tim thông qua công nghệ quang học. Module ADC chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu số để Raspberry Pi xử lý. Ngoài ra, hệ thống tích hợp giao thức TCP/IP qua Ethernet để truyền dữ liệu đến web server ThingSpeak. Các công nghệ này kết hợp tạo nên một hệ thống IoT hoàn chỉnh và tin cậy.

2.1. Cảm biến Nhiệt độ DS18B20

DS18B20 là cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số được sử dụng rộng rãi trong các dự án IoT. Nó có khả năng đo nhiệt độ từ -55°C đến +125°C với độ chính xác ±0.5°C. Cảm biến này giao tiếp qua giao thức 1-Wire với Raspberry Pi, giúp đơn giản hóa kết nối và tiết kiệm chân GPIO. Đây là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng y tế và giám sát sức khỏe.

2.2. Cảm biến Nhịp tim Pulse Sensor

Pulse Sensor là cảm biến quang học chuyên dụng để phát hiện nhịp tim của con người. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng của huyết sắc tố. Cảm biến tạo ra tín hiệu analog tỉ lệ với nhịp tim, được chuyển đổi qua Module ADC thành dữ liệu số. Với độ chính xác cao và tích hợp dễ dàng, nó trở thành công cụ lý tưởng cho ứng dụng theo dõi sức khỏe.

III. Kiến trúc Hệ thống và Thiết kế Kỹ thuật

Kiến trúc hệ thống theo dõi sức khỏe bao gồm ba lớp chính: lớp thu thập dữ liệu, lớp xử lý và lớp hiển thị. Raspberry Pi hoạt động như trung tâm xử lý, nhận dữ liệu từ các cảm biến thông qua GPIO pins. Dữ liệu được xử lý bằng Python scripts chạy trên hệ điều hành Raspbian. Sau đó, dữ liệu được gửi đến ThingSpeak qua kết nối Ethernet TCP/IP. Ứng dụng Android được phát triển trong Android Studio để hiển thị thông tin real-time cho người dùng. Sơ đồ lưu đồ thuật toán chi tiết quá trình thu thập, xử lý và truyền dữ liệu.

3.1. Kết nối Phần cứng và Phần mềm

Pulse Sensor kết nối với GPIO pin của Raspberry Pi thông qua Module ADC để chuyển đổi tín hiệu. DS18B20 sử dụng giao thức 1-Wire kết nối trực tiếp với GPIO pin. Phía phần mềm, các thư viện Python được sử dụng để đọc dữ liệu từ cảm biến. ThingSpeak API được tích hợp để upload dữ liệu lên cloud. Android Studio sử dụng HTTP requests để lấy dữ liệu từ ThingSpeak và hiển thị cho người dùng.

3.2. Cơ sở Dữ liệu và Giao tiếp Web

ThingSpeak được sử dụng làm web server chính để lưu trữ dữ liệu sức khỏe. Nó cung cấp giao diện web để theo dõi dữ liệu và lịch sử đo lường. Giao thức TCP/IP đảm bảo kết nối ổn định giữa Raspberry Pi và ThingSpeak. Ứng dụng Android kết nối với ThingSpeak API để lấy dữ liệu gần nhất và hiển thị trên màn hình của người dùng một cách trực quan và dễ hiểu.

IV. Kết quả Kiểm thử và Phát triển Tương lai

Quá trình kiểm thử hệ thống cho thấy độ chính xác cao của cảm biến DS18B20 với sai số nhỏ hơn ±1°C trong điều kiện bình thường. Pulse Sensor cung cấp nhịp tim chính xác so với các thiết bị y tế tiêu chuẩn. Hệ thống hoạt động ổn định trong thời gian dài với tốc độ truyền dữ liệu ổn định. Các ưu điểm gồm chi phí thấp, dễ triển khai và linh hoạt mở rộng. Tuy nhiên, still có nhược điểm như pin Raspberry Pi cần quản lý, kết nối mạng bất ổn. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp thêm cảm biến (SpO2, huyết áp), tối ưu thuật toán và cải thiện giao diện ứng dụng Android.

4.1. Kết quả Đạt được

Hệ thống đã hoàn thành thành công tất cả mục tiêu dự kiến. Dữ liệu nhiệt độ được ghi lại chính xác và lưu trữ trên ThingSpeak. Nhịp tim được phát hiện và hiển thị qua ứng dụng Android với giao diện thân thiện. Người dùng có thể theo dõi lịch sử sức khỏe của mình qua biểu đồ trực quan. Hệ thống tự động cung cấp cảnh báo khi các chỉ số vượt quá ngưỡng bình thường.

4.2. Hướng Phát triển Tiếp theo

Để nâng cấp hệ thống, có thể tích hợp cảm biến SpO2 để đo độ bão hòa oxy máu. Cảm biến huyết áp sẽ cung cấp thêm thông tin sức khỏe toàn diện. Machine learning có thể được áp dụng để dự đoán tình trạng sức khỏe dựa trên xu hướng dữ liệu. Kết nối Bluetooth sẽ loại bỏ cần Ethernet, giúp hệ thống di động hơn. Ứng dụng desktop có thể được phát triển cho bác sĩ theo dõi bệnh nhân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Một trong những ứng dụng có thể nói là được mong chờ nhất khi IoT xuất hiện đó là việc cải thiện hệ thống chăm sóc sức khỏe con người hiện tại. Internet of thing có tiềm năng to lớn trong ngành “công nghiệp chăm sóc sức khỏe”, ta thường hay gọi bằng IoMT (Internet of Medical Things), những ứng dụng trong lĩnh vực này giúp nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe, giảm thiểu căng thẳng cho các chuyên gia y tế, giúp bệnh nhân có thể điều trị và phát hiện bệnh ngay tại nhà mà không cần đến bệnh viện. Những sáng kiến IoT đã bắt đầu được thực hiện tại một số nơi và dần tăng lên nhanh chóng ngay cả khi vẫn còn tồn tại nhiều rào cản. Cho đến nay các sáng kiến IoT trong chăm sóc sức khỏe hầu hết xoay quanh việc cải thiện hệ thống giám sát sức khỏe từ xa, kiểm soát và bảo trì tài sản với các thiết bị y tế, tài sản chăm sóc sức khỏe và các tài sản phi y tế như tài sản xây dựng bệnh viện.

Tuy nhiên các trường hợp triển khai ứng dụng IoT mới chỉ là những bước khởi đầu, để IoT có thể có mặt ở khắp nơi vẫn còn là một bài toán lớn. Trên thực tế công nghệ cũng không thể ngăn chặn sự lão hóa hoặc tiêu diệt các bệnh mãn tính nhưng ít nhất sẽ giúp cho việc chăm sóc sức khỏe trở nên dễ dàng hơn về khả năng tiếp cận. Việc chuẩn đoán y khoa, kiểm tra y tế sẽ được chuyển đến nhà của bệnh nhân làm giảm nhu cầu nhập viện, tránh tình trạng quá tải tại các bệnh viện. IoT sẽ đem lại những ứng dụng mới mẻ trong ngành y tế.2 Mục tiêu đề tài Thiết kế thiết bị có thể theo dõi và giám sát các chỉ số sức khỏe con người như nhịp tim, nhiệt độ của con người để đưa ra một số cảnh báo về sức khỏe của người đang được giám sát.

Thiết bị có kết nối với Internet để người thân có thể theo dõi người nhà từ xa qua một webserver. Chỉ cần có một tài khoản trên thingspeak mọi người có thể xem các chỉ số sức khỏe của người mà bạn muốn xem – mỗi người dùng đều có một tài khoản để theo dõi chỉ số đo của mình. Ngoài ra, còn có một ứng dụng hỗ trợ xem trên điện thoại. Ứng dụng hiển thị các chỉ số sức khỏe của người dùng, từ đó có thể biết tình hình sức khỏe của những người mà bạn muốn xem.

Sản phầm đơn giản, dễ dùng và được sử dụng như một sản phẩm hỗ trợ chăm sóc sức khỏe cho các thành viên trong gia đình.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu về cách thức hoạt động, nguyên lý làm việc của Raspberry Pi. - Nghiên cứu cách thức giao tiếp với các loại cảm biến về nhiệt độ, nhịp tim với Raspberry Pi. - Nghiên cứu cách thức lưu trữ và truyền tải dữ liệu qua mạng Internet. - Nghiên cứu về cách viết ứng dụng trên điện thoại - Nghiên cứu kiến thức về các chỉ số sức khỏe để đưa ra kết luận chính xác về tình trạng sức khỏe của người dùng.2 Phạm vi nghiên cứu - ệ thống đọc và ghi số liệu từ đó phát hiện tình trạng sức khỏe người dùng được xây dựng Raspberry Pi.

Kết quả thực nghiệm và đánh giá được hiển thị trên máy tính được gửi lên một webserver từ đó ứng dụng đã được viết sẽ lấy thông tin dữ liệu từ webserver hiển thị ra thông số ra màn hình LCD và ứng dụng trên điện thoại. Điều này giúp người dùng có thể biết được chỉ số của người thân mọi lúc mọi nơi khi chỉ cần sử dụng 3G hoặc wifi. - Nghiên cứu lý thuyết liên quan. - Kiểm thử, đánh giá và đưa ra các kiến nghị về sản phẩm.4 Cách tiếp cận – Phương pháp nghiên cứu 1.1 Cách tiếp cận - Tiếp cận từ nhu cầu thực tiễn, nghiên cứu lý thuyết đặc thù về các chỉ số về nhiệt độ, nhịp tim từ đó đưa ra các kết luận về tình trạng thể chất hiện tại.2 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết.

- Thiết kế, thi công, kiểm thử kết quả trên máy tính. - Tìm hiều về cách viết ứng dụng chạy nền tảng android trên điện thoại. - Xây dựng lưu đồ thuật toán, viết chương trình, kiểm thử. 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG 2.1 Khái niệm IOT 2.1 IOT là gì ? Internet of things (IoT) là sự kết hợp giữa công nghệ phần cứng và phần mềm tạo ra hàng nghìn tỷ dữ liệu thông qua việc kết nối nhiều thiết bị và cảm biến với điện toán đám mây và tạo dữ liệu với các công cụ thông minh.

Mọi thứ đều có thể là thiết bị IoT, nếu nó có thể truyền và nhận dữ liệu thông qua điện toán đám mây và được thiết kế để xử lý một tác vụ duy nhất.2 Ứng Dụng Của IoT Tác động của IoT rất đa dạng, trên tất cả các lĩnh vực kinh tế và đời sống: quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng và tự động hóa, giao thông,…. Một số ứng dụng tiêu biểu và phổ biến của IoT có thể kể ra là: - Thiết bị mang theo (wearables): + Theo dõi tình trạng sức khỏe của con người. + Kiểm soát và định vị trí của các em nhỏ, người già và cảnh báo khi có sự cố. - Thành phố thông minh (smart city): + Quản lý và tối ưu nguồn năng lượng như năng lượng điện.

+ Quản lý và theo dõi chất lượng môi trường sống như không khí, nguồn nước. + Tối ưu và điều phối các bãi đậu xe. + Kiểm soát giao thông, tội phạm xảy ra trên đường phố thông qua hệ thống camera thông minh. + Dự báo dựa trên dữ liệu đã được thu thập.

- Nhà thông minh(smart home): + Tự động hóa và nâng cao trải nghiệm trong nhà. - Quản lý đội xe (fleet management): + Quản lý vị trí, hành trình của xe. 14 + Theo dõi hiệu suất xe (quãng đường đã đi, nhiên liệu sử dụng) từ đó tối ưu lợi nhuận kinh doanh. - Nông nghiệp thông minh (smart farming): + Phát triển nghành nông nghiệp sạch trong nhà.

+ Hỗ trợ tưới tiêu tự động (smart irrigation system). + Theo dõi chất lượng môi trường như đất và nước, cảnh báo khi có sự cố để xử lý kịp thời, hạn chế thiệt hại (precise agriculture). - Quản lý tài sản: + Quản lý danh mục tài sản, vị trí, trạng thái để hạn chế mất mát. + Theo dõi tình trạng hoạt động để bảo trì chủ động, giảm thiểu thiệt hại trong sản xuất kinh doanh (predictive maintenance).

Vì thế, Internet of Things đang là chìa khóa của thành công trong tương lai.3 IOMT là gì ? Internet Of Medical Things (IOMT) đóng vai trò quan trọng trong ngành y tế để tăng độ chính xác, tin cậy và năng suất của các thiết bị điện tử. Các nhà nghiên cứu đang đóng góp vào một hệ thống chăm sóc sức khỏe được số hóa bằng cách kết nối các nguồn lực y tế và dịch vụ y tế sẵn có. Khi IOT hội tụ nhiều miền khác nhau nhưng trọng tâm của IOMT liên quan đến đóng góp nghiên cứu của IOT trong lĩnh vực y tế.2 Khái quát về Webserver Máy Web Server là máy chủ có dung lượng lớn, tốc độ cao, được dùng để lưu trữ thông tin như một ngân hàng dữ liệu, chứa những website đã được thiết kế cùng với những thông tin liên quan khác. Tất cả các Web Server đều có một địa chỉ IP (IP Address) hoặc cũng có thể có một Domain Name.

Giả sử khi bạn đánh vào thanh Address trên trình duyệt của bạn một dòng http://www.com sau đó gõ phím Enter bạn sẽ gửi một yêu cầu đến một Server có Domain Name là www. Server này sẽ tìm trang Web có tên là index.htm rồi gửi nó đến trình duyệt của bạn. Web service là một hệ thống phần mềm được thiết kế để hỗ trợ khả năng tương tác giữa các ứng dụng trên các máy tính khác nhau thông qua mạng Internet, giao diện chung và sự gắn kết của nó được mô tả bằng XML. Web service là tài nguyên phần mềm có thể xác định bằng địa chỉ URL, thực hiện các chức năng và đưa ra các thông tin người dùng yêu cầu.

Trước hết, có thể nói rằng ứng dụng cơ bản của Web service là tích hợp các hệ thống và là một trong những hoạt động chính khi phát triển hệ thống. Trong hệ thống này, các ứng dụng cần được tích hợp với cơ sở dữ liệu (CSDL) và các ứng dụng khác, người sử dụng sẽ giao tiếp với CSDL để tiến hành 15 phân tích và lấy dữ liệu. Trong thời gian gần đây, việc phát triển mạnh mẽ của thương mại điện tử cũng đòi hỏi các hệ thống phải có khả năng tích hợp với CSDL của các đối tác kinh doanh (nghĩa là tương tác với hệ thống bên ngoài – bên cạnh tương tác với các thành phần bên trong của hệ thống trong doanh nghiệp).2: Khái quát về WebServer 2.1 Tổng quan về Ethernet: 2.1 Ethernet: Ethernet là một họ lớn và đa dạng gồm các công nghệ mạng dựa khung dữ liệu (frame-based) dành cho mạng LAN. Tên Ethernet xuất phát từ khái niệm Ête trong ngành vật lý học.

Ethernet định nghĩa một loạt các chuẩn nối dây và phát tín hiệu cho tầng vật lý, hai phương tiện để truy nhập mạng tại phần MAC (điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn) của tầng liên kết dữ liệu, và một định dạng chung cho việc đánh địa chỉ. Ethernet đã được chuẩn hóa thành IEEE 802. Cấu trúc mạng hình sao, hình thức nối dây cáp xoắn (twisted pair) của Ethernet đã trở thành công nghệ LAN được sử dụng rộng rãi nhất từ thập kỷ 1990 cho tới nay. Trong những năm gần đây, WiFi, dạng LAN không dây đã được chuẩn hóa bởi IEEE 802.11, đã được sử dụng bên cạnh hoặc thay thế cho Ethernet trong nhiều cấu hình mạng.

IEEE đã phát triển chuẩn Ethernet trên nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau vì thế có nhiều loại mạng Ethernet. Mỗi mạng được mô tả dựa vào ba nguyên tố: tốc độ, phương thức tín hiệu sử dụng và đặc tuyến đường truyền vật lý. - Các hệ thống Ethernet 10Mb/s. - Các hệ thống Ethernet 100Mb/s – Ethernet tốc độ cao (Fast Ethernet).3: Minh họa kết nối với Internet bằng cổng RJ45 2.2 Giao thức TCP/IP TCP/IP là viết tắt của Transmission Control Protocol / Internet Protocol (Giao thức Điều Khiển Truyền Thông /Giao thức Internet).Các tầng trong mô hình này là:  Lớp ứng dụng (Application Layer).

 Lớp giao vận (Transport Layer).  Lớp liên mạng (Internet Layer).  Lớp giao tiếp mạng (Network Interface Layer).1: Mô hình TCP/IP 2.