Thiết kế hệ thống theo dõi tần suất sử dụng trang thiết bị y tế phục vụ yêu cầu quản lý bảo dưỡng trang thiết bị y tế

Dựa trên thực trạng đó, tôi thấy việc cần có một hệ thống giám sát tiêu hao năng lượng và tần suất sử dụng của các TTBYT để hỗ trợ quản lý TBYT là cần thiết ở Việt Nam hiện nay.. Do đó,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thiết kế hệ thống theo dõi tần suất sử dụng trang thiết bị y tế phục vụ yêu cầu quản lý

bảo dưỡng trang thiết bị y tế

LƯU THỊ KIM DƯƠNG Ngành Kỹ thuật Y sinh

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hà Duyên Trung

Trường: Điện – Điện tử

HÀ NỘI, 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thiết kế hệ thống theo dõi tần suất sử dụng trang thiết bị y tế phục vụ yêu cầu quản lý

bảo dưỡng trang thiết bị y tế

LƯU THỊ KIM DƯƠNG Ngành Kỹ thuật Y sinh

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hà Duyên Trung

Trường: Điện – Điện tử

HÀ NỘI, 2022

Chữ ký của GVHD

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Lưu Thị Kim Dương

Đề tài luận văn: Thiết kế hệ thống theo dõi tần suất sử dụng trang thiết bị

y tế phục vụ yêu cầu quản lý bảo dưỡng trang thiết bị y tế

Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh

Mã số SV : 20202573M

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 8 tháng

10 năm 2022 với các nội dung sau:

1 Đã giải thích hình vẽ, trích dẫn tài liệu ở từng phần trong các chương

2 Đã điều chỉnh phông chữ và bổ sung ghi chú cho hình ảnh theo đúng quy định của luận văn

3 Đã dịch các nội dung bằng Tiếng Anh sang Tiếng Việt

4 Đã bổ sung số trang, trình bày thể thức luận văn theo đúng quy định

Ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn

PGS.TS Hà Duyên Trung Lưu Thị Kim Dương

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS Nguyễn Phan Kiên

LỜI CAM ĐOAN

Em tên là Lưu Thị Kim Dương, Mã số học viên: 20202573M Em là học viên ngành Kỹ thuật Y sinh Người hướng dẫn em là PGS.TS Hà Duyên Trung

Em xin cam đoan toàn bộ nội dung trình bày trong Đề “Thiết Kế Hệ Thống

Theo Dõi Tần Suất Sử Dụng Trang Thiết Bị Y Tế Phục Vụ Yêu Cầu Quản Lý Bảo Dưỡng Trang Thiết Bị Y Tế” là kết quả nghiên cứu và tìm tòi của em Số

liệu nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực, phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế Tất cả các thông tin được trích dẫn đều tuân thủ các quy định về sở hữu trí tuệ; Các tài liệu tham khảo được liệt kê rõ ràng Em hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì được viết trong luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

Chữ ký học viên

Lưu Thị Kim Dương

LỜI CẢM ƠN

Điều đầu tiên, xin cảm ơn bản thân vì đã dành thời gian và một nỗ lực cố gắng đáng kinh ngạc để thực hiện hoàn thành luận văn thạc sĩ thành công Nhân cơ hội này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới những người xứng đáng với những đóng góp khác nhau của họ trong luận văn thạc sĩ của tôi Tôi sẽ không bao giờ hoàn thành được luận văn này mà không có sự hỗ trợ và khuyến khích của họ

Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của tôi tới giảng viên hướng dẫn của

tôi, PGS.TS Hà Duyên Trung vì là một cố vấn tuyệt vời và là một người hướng

dẫn gần gũi, tận tụy Dưới sự khuyến khích liên tục và hỗ trợ theo nhiều cách khác nhau của thầy đã giúp tôi hoàn thành luận văn này thành công Được làm việc và học tập dưới sự hướng dẫn của thầy là một đặc quyền và vinh dự của tôi

Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Phan Kiên vì đã cho tôi những gợi ý và giải pháp để giải quyết vấn đề bất cứ khi nào tôi gặp khó khăn

Trong quá trình học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi được các giảng viên trang bị cho những kiến thức chuyên sâu, giúp tôi trưởng thành cả trong học tập và trong nghiên cứu thiết kế Tôi xin gửi lời biết ơn đến tất cả các giảng viên, đặc biệt tới các giảng viên Bộ môn Công nghệ điện tử và Kỹ thuật Y Sinh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức căn bản quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường

Tôi thực sự muốn cảm ơn gia đình mình vì đã đồng hành cùng tôi, luôn là một hậu phương vững chắc và động lực to lớn giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong cuộc sống

Cuối cùng, tôi muốn cảm ơn bạn bè và đồng nghiệp của tôi, vì đã luôn hỗ trợ, khuyến khích tôi hoàn thành luận văn này và hiểu tầm quan trọng của nó đối với tôi

Tôi xin dành luận văn này như một nỗ lực để bày tỏ lòng biết ơn của tôi đối với những hy sinh vô giá của mọi người

i

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Tổng quan 3

1.1.1 Tổng quan về tiêu thụ năng lượng trong bệnh viện 3

1.1.2 Giải pháp 4

1.1.3 Tổng quan về hệ thống giám sát và kiểm soát năng lượng (EMCS) cho các trang thiết bị y tế 6

1.2 Cơ sở lý thuyết 7

1.2.1 Kết nối không dây 7

1.2.2 Đo lường năng lượng 12

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 15

2.1 Ý tưởng thiết kế 15

2.2 Sơ đồ khối 16

2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 16

2.2.2 Sơ đồ khối mạch điện tử 17

2.2.3 Sơ đồ khối thuật toán 18

2.3 Thiết kế phần cứng 19

2.3.1 Công cụ thiết kế mạch 19

2.3.2 Thiết kế khối đo lường 20

2.3.3 Thiết kế khối vi xử lý 27

2.3.4 Thiết kế khối nguồn 30

2.3.5 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch 32

2.4 Thiết kế phần mềm 33

2.4.1 Công cụ thiết kế 33

2.4.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu 38

ii

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 39

3.1 Kết quả 39

3.1.1 Mạch điện tử 39

3.1.2 Ứng dụng điện thoại 41

3.1.3 Kết quả thử nghiệm 44

3.1.4 Giao diện đang phát triển 45

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô tả kết nối của mạng Wi-Fi 9

Hình 1.2: Mô tả giao tiếp Bluetooth 11

Hình 1.3: 2 cách đo công suất điện trong hệ thống điện 1 chiều 13

Hình 1.4: Đo công suất điện trong hệ thống điện xoay chiều 1 pha 14

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống 16

Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch điện tử 17

Hình 2.3: Sơ đồ khối thuật toán 18

Hình 2.4: Giao diện phần mềm 19

Hình 2.5: Hình ảnh của cảm biến dòng điện 21

Hình 2.6: Nguyên lí của cảm biến dòng điện 21

Hình 2.7: 2 cách mắc của điện trở Shunt 22

Hình 2.8: Nguyên lí đo dòng sử dụng điện trở Shunt 23

Hình 2.9: Sơ đồ chân của IC BL0937 25

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lí mạch đo dòng điện sử dụng IC BL0937 27

Hình 2.11: Sơ đồ chân và kiểu dữ liệu của ESP32 28

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý của khối vi xử lý sử dụng chip ESP32 30

Hình 2.13: Sơ đồ chân của IC LM1117 31

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lí mạch nguồn sử dụng IC LM1117 32

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lí toàn mạch 32

Hình 2.16: Hình vẽ 3D của toàn mạch 33

Hình 2.17: Giao diện của ESP-IDF Programming Guide 34

Hình 2.18: Giao diện của SQL Server 37

Hình 2.19: Giao diện Visual Studio 2019 38

Hình 3.1: Mặt trên và mặt dưới của mạch thực tế 39

Hình 3.2: Hình ảnh thực tế của thiết bị 39

Hình 3.3: So sánh công suất đo được của thiết bị với Máy đo UNI-T UT230B-EU 40 Hình 3.4: Quá trình cài đặt ứng dụng trên điện thoại 41

Hình 3.5: Giao diện khởi động của ứng dụng 42

v

Hình 3.6: Giao diện kết nối với thiết bị 43

Hình 3.7: Giao diện kết nối và các thiết bị đã được thêm 43

Hình 3.8: Kết quả theo dõi của một số thiết bị 44

Hình 3.9: Kết quả theo dõi của một số thiết bị 44

Hình 3.10: Giao diện phần mềm đang phát triển 45

Hình 3.11: Giao diện phần mềm đang phát triển 46

Hình 3.12: Giao diện phần mềm đang phát triển 46

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Chỉ tiêu cơ bản trong kịch bản phát triển năng lượng Việt Nam đến

2030 3

Bảng 2.1: So sánh tính năng giữa IC BL0937 và IC ACS712 23

Bảng 2.2: Cơ sở dữ liệu của máy chủ 38

Bảng 3.1: Kết quả so sánh công suất đo 40

1

MỞ ĐẦU

Hiện tại, trình độ khoa học và công nghệ trên thế giới đang có những bước nhảy vọt đáng kinh ngạc Có hàng trăm các nghiên cứu, bài báo ra đời mỗi ngày Cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0 đã mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới về các ứng dụng khoa học công nghệ trong đời sống, kéo theo đó là sự phát triển vượt bậc của những lĩnh vực khác như giáo dục, kinh tế, y tế, quân sự,… Sự phát triển nhanh chóng đó dẫn đến một vấn đề đang rất được quan tâm hiện nay đó là sự lãng phí trong sử dụng năng lượng, đặc biệt là trong các công trình lớn và các công trình xã hội như các công ty, viện nghiên cứu, nhà máy, trường học và bệnh viện, Tình hình thiếu năng lượng, nguồn cung không đủ cầu xảy ra thường xuyên, đặc biệt là ở các nước đang phát triển như Việt Nam Trên thế giới ngày nay có khá nhiều giải pháp giúp giám sát và kiểm soát năng lượng đang được sử dụng để có kế hoạch quản lý sử dụng năng lượng hiệu quả, tránh lãng phí Tuy nhiên, các giải pháp này thường tập trung vào việc giải quyết vấn đề sử dụng năng lượng trong ngành công nghiệp, nơi có các

cơ sở lớn như công ty, nhà máy, và đo các thiết bị, máy móc tiêu thụ năng lượng lớn Các giải pháp này phù hợp với các khu công nghiệp, các nhà máy, xí nghiệp lớn, chưa hướng đến những cơ sở vừa và nhỏ, hoặc các cơ quan làm việc Hầu như chưa có nhiều giải pháp giúp quản lý, giám sát và kiểm soát tiêu hao năng lượng đối với các thiết bị, máy móc vừa và nhỏ, nhất là đối với các TTBYT Bên cạnh đó, việc quản lý các TTBYT còn gặp nhiều hạn chế Tại nhiều cơ sở y tế, đặc biệt là ở bệnh viện tuyến TW, hầu hết đều ở trong trạng thái đón tiếp bệnh nhân nhiều hơn sức chứa bệnh viện Điều này gây ra việc sử dụng quá tải các TTBYT Cộng với việc chưa có kế hoạch sửa chữa bảo dưỡng hợp lý, các TBYT dễ bị trục trặc, gặp lỗi hỏng hóc, tuổi thọ ngắn hơn dự kiến Mặt khác, ở một số bệnh viện tuyến dưới, các TTBYT lại chưa được sử dụng hết công năng do số lượng bệnh nhân ít Dựa trên thực trạng đó, tôi thấy việc cần có một hệ thống giám sát tiêu hao năng lượng và tần suất sử dụng của các TTBYT để hỗ trợ quản lý TBYT là cần thiết ở Việt Nam hiện nay

Do đó, trong chủ đề “Thiết Kế Hệ Thống Theo Dõi Tần Suất Sử Dụng

Trang Thiết Bị Y Tế Phục Vụ Yêu Cầu Quản Lý Bảo Dưỡng Trang Thiết Bị Y Tế” này, tôi muốn nghiên cứu và phát triển một hệ thống quản lý giám sát năng

lượng bao gồm thiết bị giám sát tiêu thụ năng lượng và tần suất sử dụng TBYT,

2

phần mềm quản lý và theo dõi TTBYT tương thích với thiết bị Thiết bị giám

sát tiêu thụ năng lượng và tần suất sử dụng TBYT dựa trên ứng dụng IoT cho

các TBYT vừa và nhỏ sử dụng điện AC một pha trong các bệnh viện và các cơ

sở khám chữa bệnh Thiết bị giám sát của tôi sẽ sử dụng chip ESP32 để giao

tiếp và kết nối với phần mềm quản lý trên điện thoại/máy tính bằng mạng

Bluetooth và Wi-Fi, sử dụng IC BL0937 để đo mức tiêu thụ năng lượng của

TBYT Đây là tất cả các linh kiện điện tử phổ biến ở Việt Nam, có giá thành rẻ

và độ chính xác cao Thiết bị giám sát của tôi đã đạt được các mục tiêu cơ bản

là đo lường mức tiêu thụ năng lượng, giám sát tần suất sử dụng TBYT sử dụng

điện AC 1 pha, đồng thời gửi các tín hiệu đấy lên máy chủ một cách ổn định

Thiết bị giám sát cũng có thể giao tiếp tốt với điện thoại qua Bluetooth, tương

thích với phần mềm quản lý được phát triển trên nền tảng Android để giúp

người dùng có thể theo dõi qua điện thoại qua mạng Wi-Fi Do đó, giúp bệnh

viện sử dụng năng lượng hiệu quả, quản lý TTBYT dễ dàng và có thể kế hoạch

bảo trì TBYT hợp lý Trong tương lai, tôi sẽ phát triển và hoàn thiện hệ thống

để nâng cao chất lượng phục vụ cũng như phù hợp với nhu cầu ở Việt Nam

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan

1.1.1 Tổng quan về tiêu thụ năng lượng trong bệnh viện

Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu cho các hoạt động của con người và cũng là một đầu vào không thể thiếu cho nhiều lĩnh vực kinh tế Trong 20 năm qua, ngành năng lượng của Việt Nam đã phát triển mạnh mẽ, đóng góp quan trọng cho quá trình phát triển và làm mới đất nước Tuy nhiên,

sự phát triển của xã hội dẫn đến nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, dẫn đến các nguồn năng lượng từ nhiên liệu truyền thống như dầu thô, than, khí đốt tự nhiên, dần dần cạn kiệt Ngoài ra, quy mô và hiệu quả của ngành công nghiệp năng lượng vẫn còn thấp, hiện tượng quá tải điện xảy ra thường xuyên trong giai đoạn cao điểm

Dựa trên kết quả dự báo phát triển kinh tế Việt Nam đến năm 2030 của Viện Chiến lược, Bộ Kế hoạch và Đầu tư, các nhà khoa học của Viện Khoa học Năng lượng, thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam dự báo nhu cầu năng lượng của Việt Nam và xây dựng Kịch bản phát triển năng lượng của Việt Nam trong giai đoạn 2010-2030, với các tiêu chí cơ bản sau đây:

Bảng 1.1: Chỉ tiêu cơ bản trong kịch bản phát triển năng lượng Việt Nam đến 2030 [21]

4

Nghiên cứu của các nhà khoa học của Viện Khoa học Năng lượng đã chỉ

ra rằng Việt Nam sẽ phải đối mặt với nguy cơ thiếu năng lượng trong tương lai gần Trong tình trạng thiếu năng lượng hiện tại, việc sử dụng năng lượng hiệu quả và kinh tế là vô cùng cần thiết và khẩn cấp

Theo thống kê, giống như các tòa nhà, khách sạn, trung tâm thương mại, bệnh viện cũng là chủ đề tiêu thụ năng lượng lớn trong cấu trúc tiêu thụ năng lượng chung của Việt Nam Hiện tại, các cơ sở kiểm tra và điều trị y tế ở các tỉnh và thành phố của nước ta đang ngày càng mở rộng và đa dạng các phòng khám, trung tâm y tế, bệnh viện chuyên khoa, bệnh viện đa khoa, ở

Hà Nội, có 2 bệnh viện đa khoa trung ương, gần 10 bệnh viện đa khoa cấp I , Gần 10 bệnh viện chuyên khoa trung ương, gần 20 bệnh viện chuyên khoa cấp

I và nhiều bệnh viện tư nhân, cơ sở, trung tâm y tế Để đảm bảo kiểm tra và điều trị y tế chất lượng tốt cho người dân, các bệnh viện đã được trang bị các cơ

sở khá đầy đủ và hiện đại Năng lượng được sử dụng trong bệnh viện mỗi năm

là rất lớn Các cơ sở y tế chủ yếu sử dụng điện cho động cơ điện, ánh sáng và vận hành TBYT Đặc biệt, có nhiều TBYT hoạt động 24/24 giờ với công suất lớn, do đó mức tiêu thụ điện là rất lớn Một trong những lý do chính cho tình hình tiêu thụ năng lượng lớn trong bệnh viện là thiết bị được sử dụng trong bệnh viện ngày nay chủ yếu là thiết bị thế hệ cũ, không có công nghệ tiết kiệm điện, hiệu quả của việc sử dụng năng lượng không cao Mặc dù đã có nhiều cơ

sở để thực hiện quá trình đổi mới thiết bị, các thiết bị lâu dài và lạc hậu vẫn tồn tại trong các bệnh viện với số lượng đáng kể

1.1.2 Giải pháp

Qua tình hình thực tế của việc sử dụng năng lượng trong bệnh viện, một số giải pháp đã được đề xuất để sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả như sau:

• Giải pháp thông tin tuyên truyền: Thông tin và tuyên truyền lợi ích của việc tiết kiệm năng lượng và kết quả kiểm toán năng lượng cho các cơ sở sử dụng năng lượng trên các phương tiện truyền thông đại chúng là những biện pháp cần thiết và khá hiệu quả và ít tốn kém hơn Thông qua đó, các bệnh viện

và cá nhân sẽ nhận thức được vai trò của việc sử dụng năng lượng kinh tế và hiệu quả để áp dụng cho nơi làm việc của họ Các biện pháp để tuyên truyền

5

thông qua các chương trình truyền hình, in ấn, tờ rơi, sổ ghi chép, áp phích giải pháp phổ biến và công nghệ tiết kiệm năng lượng Nội dung tuyên truyền cung cấp tất cả thông tin cần thiết về thiết bị với nhãn tiết kiệm năng lượng và hướng dẫn mua sắm, sử dụng thiết bị năng lượng một cách hiệu quả

• Giải pháp để xây dựng một hệ thống quản lý chất lượng: Hiện tại, việc

sử dụng năng lượng kinh tế và hiệu quả là một trong những thách thức lớn cho các bệnh viện Thiết lập, áp dụng và duy trì hệ thống quản lý năng lượng theo tiêu chuẩn ISO 5001: 2011 được coi là một giải pháp hiệu quả để quản lý năng lượng tại nơi làm việc Thông qua việc đưa ra các yêu cầu cho một hệ thống quản lý năng lượng, các tiêu chuẩn ISO 5001: 2011 đóng góp quan trọng vào việc sử dụng năng lượng về mặt kinh tế và hiệu quả, do đó mang lại lợi ích đáng giá cho các bệnh viện

• Giải pháp cho người sử dụng năng lượng: Phát triển và ban hành các quy tắc và quy định nội bộ về sử dụng năng lượng kinh tế và hiệu quả tại nơi làm việc Tăng cường kiểm tra, giám sát và tuyên truyền để mọi người có ý thức bản thân trong việc sử dụng năng lượng một cách hiệu quả, kinh tế và an toàn Đào tạo và tập huấn để nâng cao nhận thức về việc sử dụng năng lượng kinh tế

và hiệu quả cho mọi người trong bệnh viện, đặc biệt là những người trực tiếp

Hệ thống EMCS đề xuất bao gồm hai thành phần chính: thiết bị đo năng lượng và phần mềm quản lý Mục đích chính của thiết bị năng lượng được đề xuất là giám sát mức tiêu thụ điện ở cấp thiết bị, tính toán chính xác nguồn điện được tiêu thụ bởi các TBYT khác nhau, tải nó lên máy chủ và thiết lập điều khiển từ xa của bất kỳ thiết bị nào Phần mềm quản lý có nhiệm vụ truy xuất dữ liệu từ máy chủ, hiển thị các thông tin cần thiết cho người sử dụng [1], [2], [3], [4] Ưu điểm của hệ thống này là người dùng có thể hiểu được nguồn điện được tiêu thụ bởi bất kỳ TBYT nào từ máy chủ và có thể thực hiện các bước tiếp theo

để kiểm soát chúng và do đó giúp sử dụng năng lượng hợp lý hơn Hơn nữa, người dùng có thể quản lý quá trình sử dụng của các TTBYT hiệu quả, đồng thời đánh giá hiệu quả sử dụng của các TBYT và có kế hoạch sửa chữa, bảo dưỡng TBYT hợp lý

Mục đích của hệ thống

• Đánh giá được tình hình sử dụng năng lượng cùa các TBYT Biết được trạng thái hoạt động và mức độ tiêu thụ năng lượng của các TBYT Qua đó đánh giá được tình trạng của các TBYT và có kế hoạch bảo trì, sửa chữa kịp thời

7

• Cung cấp các giải pháp để tiết kiệm năng lượng với mức độ ưu tiên, đánh giá tác động của các giải pháp tiết kiệm năng lượng đối với các hoạt động của bệnh viện

• Giảm chi phí năng lượng và tăng cường nhận thức về tiết kiệm và sử dụng năng lượng trong các khoa, phòng của các bệnh viện và cơ sở khám chữa bệnh

• Xác định được khuynh hướng tiêu thụ năng lượng và nguy cơ hiện tại, tiềm ẩn thông qua đánh giá chi tiết các hệ thống, TBYT

• Giúp bệnh viện có thể quản lý các TTBYT dễ dàng hơn Từ đó nâng cao mức độ quản lý và chất lượng phục vụ của bệnh viện

sử dụng

Mạng Wi-Fi hoạt động ở dải tần số 2,4 GHz và 5GHz không li-xăng (not licensed), điều đó có nghĩa là mạng này không can thiệp vào các mạng không dây khác gần đó hoạt động trên cùng tần số (hoặc băng thông) Cụ thể, Wi-Fi

sử dụng băng tần 2.4GHz sẽ có tín hiệu nhanh hơn và phạm vi hoạt động khá

xa, trong khi Wi-Fi sử dụng dải 5GHz sẽ có phạm vi hoạt động ngắn hơn nhưng

có tín hiệu mạnh hơn Tần số này cao hơn tần số được sử dụng cho điện thoại

di động, thiết bị cầm tay và truyền hình, do đó, nó ít ảnh hưởng đến các thiết bị

dữ liệu cho các máy thu từ xa

Dữ liệu truyền được chồng lên trên sóng radio để nhận được ngay trên máy thu Khi dữ liệu được mang trên sóng radio, tín hiệu vô tuyến sẽ lấy nhiều hơn một tần số, vì tần số hoặc tốc độ truyền của thông tin có thể được thêm vào sóng radio

Để nhận dữ liệu, máy thu radio đã bắt sóng hoặc chọn tần số vô tuyến xác định trong khi xóa tất cả các tín hiệu vô tuyến khác trên các tần số khác Trong cấu hình mạng Wi-Fi điển hình, bộ thu phát, được gọi là điểm truy cập (Access point – AP), thường là Modem Wi-Fi hoặc Wi-Fi router, kết nối với mạng dây từ vị trí cố định sử dụng cáp Ethernet tiêu chuẩn Các điểm truy cập nhận thông tin, lưu vào bộ nhớ đệm và truyền dữ liệu giữa các thiết bị bằng mạng Wi-Fi, tốc độ truyền bị giới hạn bởi tốc độ truyền của mạng dây

9

Hình 1.1: Mô tả kết nối của mạng Wi-Fi

Điểm truy cập Wi-Fi hỗ trợ một nhóm người dùng nhỏ và hoạt động trong vòng vài mét đến hàng chục mét Các điểm truy cập Wi-Fi có thể được gắn ở bất cứ đâu miễn là có thể bắt được sóng radio Người dùng truy cập mạng Wi-

Fi thông qua Card Wi-Fi trong máy tính để bàn, máy tính xách tay, điện thoại di động, thiết bị thông minh cầm tay Card Wi-Fi tạo kết nối giữa hệ điều hành mạng và điểm truy cập Wi-Fi Card Wi-Fi mã hóa tín hiệu vô tuyến trên thiết bị được sử dụng, sau đó được truyền đến các điểm truy cập Wi-Fi Tín hiệu mã hóa sau khi đạt đến điểm truy cập Wi-Fi sẽ được giải mã và truyền đến Internet Ngược lại, sau khi điểm truy cập Wi-Fi nhận được tín hiệu phản hồi từ Internet

sẽ mã hóa tín hiệu và gửi lại cho Card Wi-Fi để giải mã để cung cấp thông tin

• Tiêu chuẩn 802.11b là phiên bản yếu nhất, hoạt động ở tần số 2,4GHz và tốc độ xử lý lên đến 11 Mb/s

• Tiêu chuẩn 802.11g tốt hơn một chút so với tiêu chuẩn b, mặc dù nó cũng hoạt động ở tần số 2,4GHz nhưng tốc độ xử lý lên tới 54 Mb/s

• Tiêu chuẩn 802.11a hoạt động ở tần số cao hơn là 5GHz và tốc độ xử lý đạt tới 54 Mb/s

• Cuối cùng, tiêu chuẩn 802.11n, hoạt động ở tần số 2,4GHz nhưng tốc độ

xử lý lên tới 300 Mb/s

1.2.1.2 Bluetooth

Bluetooth được phát minh vào năm 1989 bởi Ericsson tại Lund, Thụy Điển Cái tên "Bluetooth" được đặt tên theo tên của một vị vua người Viking là Harald Bluetooth, người đã thống nhất các bộ lạc Đan Mạch vào Vương quốc Scandinavia Bluetooth được sinh ra với mục đích "kết nối" tiêu chuẩn RS-232 nối tiếp trong thập niên 80-90 của thế kỷ trước và tiêu chuẩn hóa giao tiếp nối tiếp

Bluetooth về cơ bản là một giao thức liên lạc vô tuyến ở các dải 2,4 đến 2.480 GHz, rất gần với tiêu chuẩn Wi-Fi 2.4GHz hiện tại Tuy nhiên, không giống như Wi-Fi hoặc các sóng radio khác hoạt động trong một tầng cố định, Bluetooth được triển khai theo khái niệm phổ lan truyền tần số, có nghĩa là dải vận hành Bluetooth thay đổi liên tục với 79 kênh (từ 2.400 GHz đến 2.480 GHz) Về mặt lý thuyết, điều này, đảm bảo Bluetooth chống lại việc nghe lén rất hiệu quả vì tin tặc phải biết chính xác kênh nào cần nghe, nhưng kênh này thay đổi liên tục (khoảng 800 lần mỗi giây) tùy thuộc vào thỏa thuận giữa hai thiết bị giao tiếp với nhau

Bước sóng Bluetooth dài khoảng 12cm Đây cũng là chiều dài thường thấy của ăng-ten trên các module Bluetooth thực hiện giao tiếp với nhau theo

11

kiểu chủ-tớ (Master-Slave), và thông thường 1 chủ có thể nối với 7 thiết bị tớ cùng 1 lúc thành một hệ thống mạng mini Tất nhiên, các thiết bị có thể thay đổi vai trò của chúng, tùy thuộc vào điều kiện kết nối Ví dụ, một tai nghe bắt đầu kết nối với điện thoại phải đóng vai trò chủ, nhưng sau đó nó sẽ hoạt động như một tớ sau khi kết nối hoàn tất Thông tin sau đó được truyền đi bằng cách chuyển đổi gói như Hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.2: Mô tả giao tiếp Bluetooth

Một điểm quan trọng của Bluetooth trong việc tiêu chuẩn hóa giao tiếp

là yêu cầu tương thích cấu hình Bluetooth giữa các thiết bị Ví dụ: Bạn muốn truyền tải hình ảnh giữa hai điện thoại di động cùng nhau, điều bắt buộc là hai điện thoại phải cùng được cài đặt Cấu hình hình ảnh cơ bản (Basic Imaging Profile)

Cho đến ngày nay, có 5 phiên bản Bluetooth khác nhau:

- Bluetooth Classic: bao gồm các phiên bản 1.0 - 3.0

• Khi Bluetooth 1.0 lần đầu tiên ra mắt, nó được giới hạn ở tốc độ dữ liệu dưới 1 Mbps với phạm vi không lớn hơn 10m

• Bluetooth 2.0 đã đưa mọi thứ lên một cấp độ mới bằng cách tăng tốc độ lên 2 đến 3 Mbps

1.2.2 Đo lường năng lượng

1.2.2.1 Định nghĩa

Năng lượng là một từ xuất phát từ tiếng Hy Lạp cổ đại ενεργεια (enérgeia), có nghĩa là cả hành động và năng lượng Hai ý nghĩa này minh họa cho đặc tính động của năng lượng Năng lượng điện là tổng năng lượng được cung cấp hoặc tiêu thụ bởi thiết bị điện trong một khoảng thời gian nhất định tức là, năng lượng = (công suất x thời gian) Một đơn vị năng lượng là năng lượng tiêu thụ khi năng lượng được phân phối với tốc độ trung bình tính theo kWh [6], [8] Nếu tải trọng trên hệ thống là mức tiêu thụ năng lượng khác nhau, thì không thể có được một thước đo chính xác về năng lượng tiêu thụ bằng cách đọc Watts và thời gian Do đó, các phép đo năng lượng được thực hiện với sự trợ giúp của một máy đo kWh hoặc máy đo năng lượng

Đồng hồ đo năng lượng đang tích hợp các dụng cụ liên tục đo giá trị tích phân của tổng lượng điện (Ah) hoặc tổng lượng năng lượng (kWh) được cung cấp cho mạch tải trong một thời gian nhất định Do đó, một đồng hồ đo năng lượng khác với một wattmeter theo nghĩa là nó chỉ ra sức mạnh hoặc tốc độ năng lượng được cung cấp và cũng xem xét thời gian cung cấp được thực hiện

1.2.2.2 Công suất điện của hệ thống điện 1 chiều

Để xác định công suất của hệ thống điện 1 chiều DC (Direct Current), một phép đo dòng điện, I, đi qua các bipoles và điện áp của chúng, V, trên các thiết

bị đầu cuối Các phép đo này có thể được sắp xếp bằng Ampe kế DC và Volts

kế Công suất điện, P, liên quan đến một bipole như vậy, có thể được định nghĩa

là công suất tạo bởi điện áp và dòng điện được tính theo công thức sau:

𝑃 = 𝑉 × 𝐼

13

Công suất được tạo ra bởi một bipole hoạt động có thể được xác định theo hai cách dưới đây

Hình 1.3: 2 cách đo công suất điện trong hệ thống điện 1 chiều

1.2.2.3 Công suất điện trong hệ thống điện xoay chiều 1 pha

Hệ thống điện xoay chiều 1 pha là hệ thống điện được áp dụng phổ biến trong sinh hoạt hàng ngày và trong công nghiệp

Công suất điện trong hệ thống điện xoay chiều 1 pha được xác định bởi công thức:

𝑝(𝑡) = 𝑣(𝑡)𝑖(𝑡) trong đó p, v, i tương ứng là công suất tức thời, điện áp tức thời và dòng điện tức thời

Điện áp và dòng điện được coi là hình sin, và các đại lượng điện này có thể được biểu diễn bằng các vector và độ lệch pha Có thể xác định công suất trung bình, p, công suất hoạt động, là sản phẩm vô hướng của điện áp và độ lệch pha hiện tại bằng cách xác định điện áp và dòng điện theo cách sau:

= 𝑉𝐼 cos 𝜑 trong đó 𝜑 là độ lệch pha giữa tín hiệu dòng điện và tín hiệu điện áp

Hình 1.4: Đo công suất điện trong hệ thống điện xoay chiều 1 pha [6] [7] [8]

Công suất điện của hệ thống điện xoay chiều 1 pha cũng có thể được xác định qua trở kháng của một bipole và cường độ dòng điện qua nó theo công thức sau:

1.2.2.4 Công suất điện trong hệ thống điện xoay chiều 3 pha

Các hệ thống điện AC 3 pha như là một trường hợp biểu thị cụ thể với các hệ thống điện AC đa pha Từ quan điểm lý thuyết của các mạch điện AC 3 pha có thể được xác định bằng ba mạch điện AC 1 pha riêng biệt Nguyên tắc của đồng hồ đo năng lượng 1 pha cũng có thể được mở rộng để thu được máy

đo năng lượng đa pha, đặc biệt là máy đo năng lượng điện 3 pha Thông thường, đồng hồ đo năng lượng 3 pha có sẵn dưới dạng máy đo 2 phần tử hoặc máy đo 3 phần tử, mỗi phần tử tương tự nhau trong cấu trúc với đồng hồ đo 1 pha và tất cả các phần tử được gắn trên trục chung Mô-men xoắn được phát triển bởi mỗi phần tử được tóm tắt về mặt cơ học và tổng số vòng quay được thực hiện bởi trục tỷ lệ thuận với tổng mức tiêu thụ năng lượng 3 pha Vì lý do này, chúng có thể cho phép một luồng công suất lớn hơn ba lần so với mạch 1 pha tương ứng

sử dụng và tiêu thụ năng lượng của TBYT; mạch có thể giao tiếp với các thiết

bị như điện thoại, máy tính thông qua kết nối Bluetooth, có thể gửi dữ liệu đến máy chủ thông qua mạng Wi-Fi Mục tiêu thứ hai của dự án là xây dựng phần mềm quản lý các TBYT đồng thời giám sát và kiểm soát các TBYT; phần mềm

có thể truy cập cơ sở dữ liệu trên máy chủ, hiển thị trạng thái của thiết bị, tần suất sử dụng và năng lượng tiêu thụ của thiết bị; có thể điều khiển bật, tắt TBYT thông qua mạng Wi-Fi

Yêu cầu mạch điện tử:

• Đo được mức tiêu thụ năng lượng điện của các thiết bị sử dụng dòng điện trong khoảng 100mA - 20A, điện áp tối đa 250V

• Nhỏ gọn, vừa với các ổ cắm có sẵn trên thị trường

• Đảm bảo an toàn điện

• Có khả năng kết nối với các thiết bị điện tử thông minh (điện thoại, máy tính) thông qua kết nối Bluetooth

• Có khả năng xử lí, nhận, gửi dữ liệu lên máy chủ thông qua mạng Wi-Fi

• Chi phí sản xuất thấp

Yêu cầu phần mềm:

• Giao diện đơn giản, dễ dùng

• Truy cập dữ liệu từ máy chủ và xử lý dữ liệu

• Thích hợp với các điện thoại Android sử dụng phiên bản Android 6.0 trở lên

• Hiển thị trạng thái của TBYT và có thể điều khiển thiết bị đo

• Hiển thị biểu đồ theo dõi công suất tiêu thụ của TBYT theo ngày, tháng

TBYT sẽ được kết nối với các thiết bị đo điện Các thiết bị đo điện sẽ đo lường và tính toán mức tiêu thụ năng lượng của TBYT Sau đó, các thiết bị đo điện này sẽ chuyển các tham số sang dạng tín hiệu và gửi tín hiệu đến máy chủ Máy chủ sẽ lưu trữ dữ liệu trên cơ sở dữ liệu và cho phép dữ liệu có thể được truy cập từ cơ sở dữ liệu bằng ứng dụng di động Ứng dụng trên điện thoại di động sẽ sử dụng dữ liệu đó để phân tích thông tin cần thiết và hiển thị cho người dùng

Trong luận văn này, đề tài “Thiết Kế Hệ Thống Theo Dõi Tần Suất Sử Dụng Trang Thiết Bị Y Tế Phục Vụ Yêu Cầu Quản Lý Bảo Dưỡng Trang Thiết

Bị Y Tế” sẽ nghiên cứu và phát triển thiết bị đo năng lượng tiêu thụ điện, máy chủ lưu trữ và ứng dụng điện thoại để quản lý và giám sát các TTBYT

17

2.2.2 Sơ đồ khối mạch điện tử

Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch điện tử

Sơ đồ khối của thiết bị giám sát năng lượng điện được hiển thị trong Hình 2.2 Mạch thiết bị sẽ bao gồm các khối chức năng sau:

• Khối vi xử lý: Bao gồm 2 chức năng chính

o Tính toán và xử lý dữ liệu nhận được từ các khối khác trong mạch

o Truyền dữ liệu đến máy chủ và giao tiếp với các thiết bị khác thông qua mạng Wi-Fi và kết nối Bluetooth

• Khối đo lường: Khối đo lường có chức năng đo năng lượng điện tiêu thụ của các TBYT và theo dõi tần số sử dụng của các TBYT

• Khối nguồn: Khối nguồn có chức năng hạ áp nguồn điện 220V, chuyển đổi DC sang AC và cung cấp điện áp 3.3V cho mạch hoạt động

Server

Khối vi

xử lí

Khối đo lường

Khối nguồn

18

• Khối cơ sở dữ liệu: Khối cơ sở dữ liệu có chức năng định dạng và lưu trữ các dữ liệu đồng thời cho phép truy xuất dữ liệu thông qua ứng dụng điện thoại

2.2.3 Sơ đồ khối thuật toán

Hình 2.3: Sơ đồ khối thuật toán

Thuật toán cơ bản của thiết bị giám sát năng lượng điện sau khi đo năng lượng điện, tần suất sử dụng và gửi dữ liệu đến máy chủ theo các bước sau đây:

• Bước 1: Tạo một tín hiệu kỹ thuật số không ràng buộc trên ESP32 (tín hiệu GPIO)

• Bước 2: Cài đặt, kết nối với ứng dụng điện thoại thông qua kết nối Bluetooth, nếu sai quay lại bước 1

19

• Bước 3: Cài đặt, kết nối với máy chủ thông qua mạng Wi-Fi, nếu sai quay lại bước 1

• Bước 4: Xử lý tín hiệu trước khi gửi lên máy chủ

• Bước 5: Gửi tín hiệu lên máy chủ, tín hiệu này có thể truy xuất thông qua ứng dụng điện thoại

Hình 2.4: Giao diện phần mềm

Altium Designer là một phần mềm chuyên dụng được sử dụng trong thiết kế mạch điện tử tích hợp được phát triển bởi Altium Limited có trụ sở tại Úc Nó bao gồm tất cả các công cụ cần thiết cho một thiết kế điện tử hoàn chỉnh, chẳng hạn như vẽ nguyên lý, vẽ mạch in, mô phỏng mạch, phân tích tín hiệu, quá trình phân tích môi trường của VHDL, môi trường nhúng và phát triển của FPGA,