(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Trong bối cảnh nhịp sống ngày càng tăng cao và sự phát triển của khoa học công nghệ, việc áp dụng các kỹ thuật đo nhiệt độ thân nhiệt dễ dàng và phù hợp với điều kiện của Việt Nam, một nước đang phát triển còn nhiều khó khăn về mặt kinh tế và y tế, trở nên cần thiết để đảm bảo sức khỏe cộng đồng Nhiệt độ cơ thể là yếu tố quan trọng để đánh giá tình trạng sức khỏe và ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của hệ thần kinh, do đó duy trì thân nhiệt ổn định giúp phòng ngừa các bệnh tật phát sinh Trong bối cảnh dịch bệnh Covid-19 diễn biến phức tạp, việc theo dõi thân nhiệt thường xuyên càng trở nên cấp thiết nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu mắc bệnh và giảm thiểu nguy cơ lây nhiễm.
Trong các gia đình, nhiệt kế truyền thống vẫn là loại phổ biến nhất, bên cạnh các loại nhiệt kế không tiếp xúc hiện đại có dụng cụ tiện lợi và không gây bất tiện cho người dùng Tuy nhiên, các loại nhiệt kế có chức năng gửi dữ liệu trực tiếp và cảnh báo qua điện thoại di động vẫn còn khá ít phổ biến trên thị trường Để theo dõi chính xác nhiệt độ cơ thể và đánh giá tình trạng sức khỏe, việc gửi tin nhắn SMS cảnh báo khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường.
Theo khảo sát, hiện đã có nhiều nghiên cứu phát triển các sản phẩm có chức năng tương tự, như Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ, góp phần thúc đẩy hoạt động nghiên cứu khoa học và nâng cao kỹ năng của sinh viên.
Năm 2012, Đại học Đà Nẵng thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình tự động đo nhịp tim và nhiệt độ cơ thể người”, tạo ra thiết bị sử dụng công nghệ truyền dẫn thông tin và mạng nội bộ để quản lý sức khỏe một cách thuận tiện Thông tin sức khỏe đo được từ thiết bị được truyền qua dây cáp mạng tới máy chủ, từ đó người dùng có thể truy cập dễ dàng thông qua trình duyệt web, giúp theo dõi sức khỏe mọi lúc mọi nơi Đến năm 2019, Nguyễn Thanh Hoàng và Nguyễn Khoa Nam đã nghiên cứu đề tài “Thiết kế và thi công vòng tay đo nhịp tim sử dụng công nghệ IoTs”, thiết kế vòng đeo tay tích hợp board Arduino, cảm biến nhịp tim và module ESP8266, cho phép đo nhịp tim, hiển thị trên màn hình OLED và theo dõi qua giao diện web, nâng cao khả năng giám sát sức khỏe cá nhân.
Nhóm em nghiên cứu đề tài “Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại” nhằm giúp người thân liên tục theo dõi nhiệt độ của người dùng Thiết bị này sử dụng Module ESP8266 làm trung tâm xử lý các tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả cao Ngoài ra, thiết bị còn hiển thị kết quả đo trên giao diện Web, đồng thời có chức năng gửi cảnh báo qua SMS hoặc Gmail khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng quy định, giúp người dùng và người thân kịp thời phản ứng.
Mục tiêu
Hệ thống theo dõi nhiệt độ cơ thể qua trình duyệt Web hoạt động dựa trên nguyên lý lấy tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ Thiết bị cho phép theo dõi nhiệt độ mọi lúc, với dữ liệu được truyền lên Web qua giao thức MQTT để đảm bảo độ chính xác và tốc độ truyền tải Ngoài ra, hệ thống còn có chức năng cảnh báo bằng còi buzzer khi nhiệt độ vượt ngưỡng nguy hiểm, giúp người dùng phản ứng kịp thời Thêm vào đó, hệ thống gửi cảnh báo qua nền tảng Ubidots để đảm bảo thông tin luôn được cập nhật và xử lý hiệu quả khi nhiệt độ đạt mức nguy hiểm.
Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu về hoạt động của ESP8266, cách lập trình gửi dữ liệu lên Web
- Xây dựng sơ đồ khối
- Xây dựng sơ đồ nguyên lý
- Thiết kế mạch nhận tín hiệu nhiệt độ
- Xây dựng thuật toán thu phát tín hiệu tới người dùng bằng Ubidots
- Lập trình về cảnh báo quá nhiệt tới người dùng
- Layout và thi công mạch
- Đánh giá và nhận xét kết quả thực hiện
- Làm slide báo cáo, báo cáo đề tài.
Giới hạn
- Hệ thống theo dõi nhiệt độ ở vùng nách của cơ thể, không đo nhiệt độ những vùng khác
- Thiết bị không có chức năng phân tích các thông số để đưa ra chuẩn đoán về sức khỏe.
Bố cục
Đề tài được trình bày trong 6 chương, cụ thể như sau:
Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục của đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tìm hiểu về thân nhiệt
Thân nhiệt là nhiệt độ cơ thể được giải phóng trong quá trình hoạt động của con người
Cơ thể con người là một bộ máy hoạt động liên tục, với các hoạt động sinh lý diễn ra ngay cả khi bạn nghỉ ngơi hoặc nằm yên Thân nhiệt duy trì ở mức gần 37˚C nhờ vào sự cân bằng giữa sinh nhiệt và tỏa nhiệt, giúp điều chỉnh nhiệt độ phù hợp bất kể sự biến đổi của nhiệt độ môi trường bên ngoài Điều này minh chứng cho khả năng tự điều hòa nhiệt độ đặc biệt của cơ thể người, đảm bảo các chức năng sinh học hoạt động hiệu quả.
Nhiệt do hoạt động của cơ thể sinh ra được máu phân phối khắp cơ thể và tỏa ra môi trường để duy trì thân nhiệt ổn định Khi bị sốt, nhiệt độ tăng cao là phản xạ tự nhiên của cơ thể nhằm tiêu diệt vi khuẩn và đào thải các tế bào bị nhiễm khuẩn.
Trong cơ thể người, có một cơ chế tự điều chỉnh nhiệt độ để duy trì sự ổn định, giúp chống lại các tác nhân bên ngoài như tình trạng ra mồ hôi khi nóng và run rẩy khi lạnh Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự cân bằng nhiệt, đảm bảo cơ thể hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết Việc hiểu rõ cơ chế điều hòa nhiệt độ giúp chúng ta có biện pháp bảo vệ sức khỏe tốt hơn, tránh các rối loạn liên quan đến nhiệt độ.
Nhiệt độ cơ thể không cố định và thường có sự dao động theo đặc trưng sinh lý của mỗi người Thân nhiệt phản ánh rõ trạng thái và khả năng miễn dịch của cơ thể bạn, khi nhiệt độ giảm 1˚C, khả năng miễn dịch sẽ tăng gấp 5-6 lần Việc duy trì nhiệt độ cơ thể phù hợp là yếu tố quan trọng giúp nâng cao sức đề kháng và bảo vệ sức khỏe.
Cơ thể con người chính là hệ thống sản sinh ra nhiệt năng tự nhiên, đảm nhiệm vai trò điều chỉnh nhiệt độ cơ thể để duy trì sự cân bằng Chỉ cần một chút thay đổi nhỏ trong nhiệt độ cơ thể cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến trạng thái sức khỏe và hệ miễn dịch Việc duy trì nhiệt độ cơ thể ổn định là yếu tố quan trọng để đảm bảo sức khỏe tốt và phòng tránh các bệnh lý liên quan đến nhiệt độ không phù hợp.
Các yếu tố ảnh hưởng lên thân nhiệt
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới thân nhiệt:
- Tuổi càng cao thì thân nhiệt càng giảm, tuy nhiên càng về sau thì mức độ giảm càng ít hơn
- Nhịp ngày - đêm: Thân nhiệt thấp nhất vào lúc 1 đến 4 giờ sáng và cao nhất vào lúc 14 đến 17 giờ
- Trong nửa sau của chu kỳ kinh nguyệt, thân nhiệt tăng lên 0,3 – 0,5° C và trong tháng cuối của thời kỳ có thai, thân nhiệt có thể tăng thêm 0,5 – 0,8° C
- Vận cơ cũng làm tăng thân nhiệt, cường độ vận cơ càng lớn thì thân nhiệt càng cao
- Trong môi trường quá nóng hoặc quá lạnh, thân nhiệt ngoại vi cũng tăng lên hoặc giảm đi Tuy nhiên, sự thay đổi không nhiều
Trong các bệnh nhiễm khuẩn, thân nhiệt thường tăng lên, trong khi đó bệnh tả lại gây giảm thân nhiệt Ưu năng tuyến giáp có thể khiến thân nhiệt tăng cao, còn nhược năng tuyến giáp lại làm thân nhiệt giảm, phản ánh rõ các thay đổi về nhiệt độ cơ thể liên quan đến các bệnh lý tuyến giáp.
Nhiệt độ chuẩn của cơ thể
Cơ thể con người có khả năng điều hòa nhiệt độ và thích nghi với môi trường sống, giúp duy trì sự ổn định của thân nhiệt Nhiệt độ cơ thể thay đổi tùy thuộc vào hoạt động cá nhân và thời gian trong ngày Người trẻ tuổi thường có thân nhiệt cao hơn so với người cao tuổi, phản ánh sự khác biệt về chức năng sinh lý theo lứa tuổi.
Nhiệt độ trung tâm hay nhiệt độ phần lõi của cơ thể con người nằm trong khoảng từ 36,5°C đến 37,1°C và nhiệt độ trung bình khoảng 36,8 độ C
Nhiệt độ trung tâm là nhiệt độ các phần sâu trong cơ thể như não, gan, não và các tạng
Có 3 cách đo nhiệt độ trung tâm:
- Đo ở trực tràng: Với độ sâu chuẩn là 5-10cm Nhiệt độ đo ở vị trí này được xem là tiêu biểu cho nhiệt độ trung tâm
- Đo ở miệng (dưới lưỡi): Nhiệt độ đo ở vị trí này thấp hơn ở trực tràng khoảng 0,4-0,6°C
- Đo ở hõm nách: Nhiệt độ đo ở vị trí này thấp hơn nhiệt độ trực tràng khoảng 0,65°C
Nhiệt độ cơ thể khác nhau ở mỗi người và phụ thuộc vào độ tuổi cùng vị trí đo Bảng 2.1 cung cấp ngưỡng nhiệt độ bình thường theo từng độ tuổi và vị trí đo, giúp nhận biết trạng thái sức khỏe chính xác hơn Tuy nhiên, nhiệt độ đo thực tế có thể chênh lệch so với các số liệu trong bảng do các yếu tố khách quan khác.
Bảng 2.1 Nhiệt độ cơ thể ở từng vị trí đo và độ tuổi khác nhau
Nhiệt độ (°C) 0 - 2 tuổi 3 - 10 tuổi 11 - 65 tuổi Trên 65 tuổi Miệng 36.4 - 38 35.5 - 37.5 36.4 - 37.5 35.7 - 36.9 Hậu môn 36.6 - 38 36.6 - 38 37 - 38.1 36.2 - 37.3 Nách 34.7 - 37.3 35.8 - 36.7 35.2 - 36.8 35.5 - 36.3 Tai 36.4 - 38 36.1 - 37.7 35.8 - 37.6 35.7 - 37.5 Thân nhiệt 36.4 - 37.7 36.4 - 37.7 36.8 - 37.8 35.8 - 37.1
Các phương pháp đo nhiệt độ
Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc sử dụng các cảm biến đo nhiệt dựa trên việc phát ra và nhận bức xạ hồng ngoại, giúp trao đổi nhiệt qua dạng ánh sáng này Phương pháp này giúp đo nhiệt độ từ xa, giảm thiểu sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng cần đo Tuy nhiên, cảm biến có thể bị ảnh hưởng bởi yếu tố môi trường xung quanh như ánh sáng, gió, bụi gây ra sai số trong kết quả đo Để đảm bảo độ chính xác cao, yêu cầu đặt ra là giảm thiểu tối đa các yếu tố gây nhiễu và đạt được sai số đo nhiệt độ cực tiểu.
- Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc: Trao đổi nhiệt xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa đối tượng và cảm biến.
Lý thuyết về nhiệt điện trở
2.3.1 Lý thuyết về nhiệt điện trở
Thermistor, hay biến trở nhiệt độ, là thiết bị điện rắn dùng để phát hiện sự thay đổi nhiệt độ dựa trên sự biến đổi của điện trở vật liệu Nó thường được ứng dụng trong nhiệt kế, cảm biến nhiệt, điều khiển dòng điện và các thiết bị đo nhiệt độ khác Thermistor được cấu tạo từ hỗn hợp các bột oxit được hòa trộn theo tỷ lệ và khối lượng nhất định, sau đó nén chặt và nung ở nhiệt độ cao để tạo thành điện trở nhạy cảm với nhiệt độ Mức độ dẫn điện của hỗn hợp này thay đổi theo nhiệt độ, giúp thermistor hoạt động hiệu quả như một cảm biến nhiệt trong các thiết bị điện tử gia dụng như bếp cảm ứng, nồi cơm điện, lò vi sóng, lò nướng, ấm điện và các thiết bị kiểm soát nhiệt độ khác.
2.3.2 Phân loại nhiệt điện trở a Nhiệt điện trở bán dẫn
Nhiệt điện trở bán dẫn là linh kiện làm bằng vật liệu bán dẫn có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ, giúp đo nhiệt độ chính xác Ưu điểm nổi bật của loại cảm biến này là độ nhạy theo nhiệt độ rất cao so với nhiệt điện trở kim loại, nhờ vào đặc tính của chất bán dẫn Tuy nhiên, chúng còn tồn tại nhược điểm về độ tuyến tính chưa cao, khả năng chịu nhiệt độ cao hạn chế và phạm vi đo nhiệt độ rộng chưa phù hợp cho mọi ứng dụng Trong công nghiệp, cảm biến nhiệt độ bán dẫn thường được sử dụng để đo nhiệt độ trong phạm vi từ -60°C đến 300°C, đảm bảo độ chính xác trong các quá trình sản xuất và kiểm tra.
Có hai dạng nhiệt điện trở bán dẫn thông dụng là:
- Nhiệt điện trở bán dẫn hệ số nhiệt âm (NTC – Negative Temperature Coofficient) có giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng
- Nhiệt điện trở bán dẫn hệ số nhiệt dương (PTC – Positive Temperature
Coofficient) có giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng
Trong NTC, còn có một loại nhiệt điện trở gọi là CTR (Critical Temperature Resistor), có đặc tính đặc biệt là điện trở giảm đột ngột tại một nhiệt độ xác định Chính nhờ đặc điểm này, CTR thường được sử dụng trong các ứng dụng chuyển mạch và công tắc nhiệt độ để điều chỉnh hoạt động chính xác theo nhiệt độ môi trường.
Hình 2.1 Phân loại nhiệt điện trở Nguyên lý hoạt động của nhiệt điện trở
Giả sử, quan hệ giữa độ lớn của trở kháng và nhiệt độ là tuyến tính, khi đó:
Trong đó: ∆R: lượng thay đổi trở kháng
∆T: lượng thay đổi của nhiệt độ Đặc tuyến nhiệt điện trở
Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của NTC thường được biểu diễn dưới 2 công thức phổ biến là: công thức Steinhart-Hart và công thức hệ số B
Công thức Steinhart-Hart được hai nhà khoa học John S.Steinhart và Stanley R.Hart công bố năm 1968:
- Công thức mô tả mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ rất gần với giá trị thực tế
- Công thức này có độ chính xác cao
- Có thể dùng cho toàn bộ dãy đo của cảm biến
- Công thức tổng quát có đến bậc n nhưng thông dụng người ta sử dụng công thức bậc 3
- Với A, B, C là những hệ số Steinhart-Hart được xác định riêng cho từng thiết bị (tùy theo nhà sản xuất)
Trong trường hợp A, B, C chưa được cung cấp, chúng ta có thể xác định chúng bằng cách đo thực tế ba giá trị điện trở của cảm biến ứng với ba mức nhiệt độ khác nhau trong điều kiện không nguồn cung cấp Sau đó, sử dụng các giá trị này để giải hệ phương trình gồm 3 ẩn theo công thức 2.2 nhằm xác định chính xác các tham số A, B, C của cảm biến.
Mô hình đơn giản xấp xỉ đặc tuyến điện trở
- RT: điện trở thermistor () tại T
- Ro: điện trở thermistor ( ) tại To
- B: hằng số phụ thuộc vật liệu thermistor (thường ký hiệu BT1/T2 ví dụ B25/85 3540K) c Cảm biến nhiệt độ bề mặt da YSI
YSI đã tiên phong phát triển các đầu dò nhiệt điện trở đầu tiên vào năm 1955 và dòng đầu ổn nhiệt đầu tiên vào năm 1961, đánh dấu bước tiến lớn trong công nghệ đo nhiệt Năm 1982, công ty giới thiệu bộ ổn nhiệt bọc thủy tinh đầu tiên, nâng cao độ bền và độ chính xác của thiết bị Từ đó đến nay, YSI đã liên tục cải tiến và mở rộng dòng sản phẩm, cung cấp các thiết bị nhiệt điện tử chính xác và đa dạng để đáp ứng nhu cầu của thị trường.
YSI chuyên sản xuất các tổ hợp đầu dò nhiệt điện trở và cảm biến nhiệt độ đa dạng phục vụ nhiều lĩnh vực khác nhau, từ theo dõi nhiệt độ của trẻ sơ sinh đến giám sát nhiệt độ cho các phi hành gia trong không gian; đồng thời, sản phẩm của họ cũng dùng để đo nhiệt độ trong đại dương và các vệ tinh trong không gian Các cảm biến này phù hợp cho cả sử dụng một lần trong y tế và các ứng dụng yêu cầu độ bền cao kéo dài hàng thập kỷ trong hệ thống cáp viễn thông chôn vùi.
Nhiệt điện trở, còn gọi là điện trở nhiệt hay Thermistor, là loại điện trở có khả năng thay đổi rõ rệt trở kháng dưới tác động của nhiệt độ, giúp đo lường nhiệt độ chính xác Được cấu tạo từ hợp chất các bột oxit được hòa trộn theo tỷ lệ nhất định, sau đó nén chặt và nung ở nhiệt độ cao để đảm bảo tính nhạy cảm của điện trở với nhiệt Thermistor có hai loại chính: NTC (hệ số nhiệt độ âm) và PTC (hệ số nhiệt độ dương), trong đó các thiết bị NTC do YSI sản xuất có khả năng giảm mạnh điện trở khi nhiệt độ tăng, giúp đo nhiệt độ chính xác trong phạm vi rộng, khoảng 100°C, phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến cảm biến nhiệt độ chính xác.
Mô tả quá trình hoạt động
Hệ thống theo dõi nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt độ bề mặt da YSI700 để lấy tín hiệu chính xác về nhiệt độ cơ thể Tín hiệu này sau đó được truyền đến bộ xử lý trung tâm là Module Wi-Fi Wemos D1 Mini ESP8266, giúp hệ thống kết nối và truyền dữ liệu hiệu quả Thiết kế này đảm bảo theo dõi nhiệt độ nhanh chóng, chính xác và dễ dàng truyền tải dữ liệu qua mạng internet.
Hệ thống sử dụng module Wifi để xử lý và gửi dữ liệu nhiệt độ lên trình duyệt web, đồng thời hiển thị trực tiếp trên màn hình OLED Người dùng có thể dễ dàng theo dõi nhiệt độ và xem biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ qua nền tảng Ubidots Buzzer sẽ cảnh báo ngay lập tức khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn Hệ thống còn tích hợp chức năng cài đặt ngưỡng nhiệt độ tùy chỉnh, gửi cảnh báo qua SMS hoặc Gmail để đảm bảo người dùng luôn được thông báo kịp thời khi nhiệt độ vượt quá giới hạn.
Giới thiệu công nghệ thực hiện
Giao thức MQTT là một trong những giao thức phổ biến nhất trong các ứng dụng IoT qua môi trường Internet Nó được thiết kế theo mô hình publish/subscribe, phù hợp để truyền nhận các gói tin giữa các node như thiết bị và cảm biến, với yêu cầu về băng thông thấp và độ tin cậy cao MQTT giúp đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu trong các mạng lưới không ổn định và có độ trễ cao, trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng M2M Giao thức này đặc biệt phù hợp cho các thiết bị IoT với băng thông hạn chế nhưng cần đảm bảo tính liên tục và đáng tin cậy trong truyền tải dữ liệu.
Trong hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều client kết nối đến một MQTT Broker để trao đổi dữ liệu hiệu quả Mỗi client đăng ký theo dõi các kênh thông tin (topic) thông qua quá trình "subscribe" và gửi dữ liệu lên kênh này bằng hành động "publish" Khi dữ liệu trên kênh được cập nhật, các client đã đăng ký theo dõi sẽ nhận được dữ liệu mới nhất, đảm bảo truyền tải thông tin nhanh chóng và chính xác Các thành phần chính của MQTT bao gồm broker, các client, và các kênh thông tin (topic), tạo thành hệ thống giao tiếp linh hoạt và đáng tin cậy.
Thành phần chính của MQTT là clients, servers (brokers), sessions, subscriptions và topics Mối liên hệ giữa các thành phần chính này được biểu diễn ở hình 2.2
- MQTT client (publisher, subscriber): Client thực hiện subscribe đến topics để publish và receive các gói tin
- Topic: Về mặt kỹ thuật, topics là các hàng đợi chứa message Về logic, topics cho phép clients trao đổi thông tin và dữ liệu
- MQTT server (broker): Servers thực hiện run các topic, đồng thời nhận subscriptions từ clients yêu cầu các topics, nhận các messages từ clients và forward chúng
- Topic: Về mặt kỹ thuật, topics là các hàng đợi chứa message Về logic, topics cho phép clients trao đổi thông tin và dữ liệu
- Session: Một session được định nghĩa là kết nối từ client đến server Tất cả các giao tiếp giữa client và server đều là 1 phần của session
Subscriptions in MQTT differ from sessions by establishing a persistent connection from the client to a topic, enabling continuous message exchange When a client subscribes to a topic, it can publish and receive messages as long as the subscription is active Subscriptions can be either 'transient' or 'durable,' depending on the 'clean session' flag set during connection, affecting message retention and delivery guarantees.
Messages are units of data exchanged between topic clients in a messaging system Clients participate by either publishing messages to a specific topic or subscribing to a topic to receive messages from it At least one of these actions—publishing or subscribing—is required for a client to effectively engage with the messaging platform This ensures efficient data exchange and communication within the system, adhering to best practices outlined in industry standards.
Hình 2.2 Mô hình cơ bản của giao thức MQTT
MQTT Clients tương thích với hầu hết các nền tảng hệ điều hành hiện có: MAC
OS, Windows, Linux, Androids, iOS… b Ưu điểm của MQTT
- Chuyển thông tin hiệu quả hơn
- Tăng khả năng mở rộng
- Giảm đáng kể tiêu thụ băng thông mạng
- Giảm tốc độ cập nhật xuống giây
- Rất phù hợp cho điều khiển và do thám
- Tối đa hóa băng thông có sẵn
- Rất an toàn với bảo mật dựa trên sự cho phép
- Được sử dụng bởi ngành công nghiệp dầu khí, Amazon, Facebook và các doanh nghiệp lớn khác
- Tiết kiệm thời gian phát triển
- Giao thức publish/subscribe thu thập nhiều dữ liệu hơn với ít băng thông hơn so với giao thức cũ
QoS là tính năng chính của giao thức MQTT, giúp khách hàng chọn mức độ dịch vụ phù hợp với độ tin cậy và yêu cầu của ứng dụng mạng MQTT quản lý việc truyền lại tin nhắn và đảm bảo phân phối ngay cả trong các mạng không đáng tin cậy, nhờ đó việc liên lạc trở nên dễ dàng hơn Giao thức MQTT hỗ trợ 3 mức QoS, mang lại sự linh hoạt và tối ưu trong quá trình truyền tải dữ liệu.
QoS-0 là mức độ đảm bảo thấp nhất trong giao thức MQTT, nơi các tin nhắn được gửi đi bởi publisher sẽ không được xác nhận đã đến broker, phù hợp với phương thức "fire-and-forget".
- QoS-1: message được đảm bảo rằng đã đến nơi nhận ít nhất 1 lần (tức là sự trùng lặp vẫn có thể xảy ra)
QoS-2 là mức đảm bảo cao nhất trong giao thức MQTT, giúp đảm bảo rằng các tin nhắn có QoS-2 sẽ chỉ đến người nhận một lần duy nhất, không bị trùng lặp hoặc thất lạc Tuy nhiên, việc xác nhận với QoS-2 đòi hỏi băng thông lớn hơn so với các mức QoS thấp hơn, đòi hỏi hệ thống phải tối ưu để duy trì hiệu suất Bên cạnh đó, tính bảo mật khi sử dụng QoS-2 càng cao càng đảm bảo an toàn và toàn vẹn dữ liệu truyền tải trong các hệ thống cần độ tin cậy cao.
MQTT được thiết kế nhẹ và linh hoạt, chỉ có một lớp bảo mật ở tầng ứng dụng dựa trên xác thực các client truy cập broker, giúp đảm bảo an toàn trong truyền dữ liệu Nó có thể kết hợp với các giải pháp bảo mật đa tầng như VPN hoặc SSL/TLS để nâng cao mức độ bảo vệ Dù ban đầu hướng tới truyền thông máy móc, MQTT vẫn thể hiện sự linh hoạt vượt mong đợi và phù hợp cho nhiều kịch bản như máy móc - đám mây, đám mây - máy móc, hoặc ứng dụng - ứng dụng, miễn là có broker phù hợp và client được cài đặt đúng cách So sánh MQTT (Message Queue Telemetry Transport) và HTTP (Hypertext Transfer Protocol) cho thấy MQTT phù hợp hơn để truyền dữ liệu thời gian thực, tiết kiệm băng thông và tiêu thụ năng lượng, phù hợp cho các ứng dụng IoT hiện đại.
HTTP là giao thức phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng Tuy nhiên, trong những năm gần đây, MQTT nhanh chóng chiếm được sự tín nhiệm trong thị trường IoT nhờ vào đặc điểm tối ưu cho kết nối thời gian thực Các nhà phát triển ứng dụng IoT hiện đang phải cân nhắc giữa hai giao thức quan trọng này là HTTP và MQTT để lựa chọn phù hợp nhất với nhu cầu của dự án.
MQTT đặc biệt hữu ích để đẩy dữ liệu đến thiết bị của bạn một cách hiệu quả Trong ví dụ về điều khiển mở/đóng cửa từ xa, MQTT cho phép thiết bị chỉ nhận thông báo khi có sự thay đổi trong biến, giúp tiết kiệm tài nguyên như pin và băng thông mạng Trái ngược với HTTP yêu cầu liên tục gửi yêu cầu GET để kiểm tra trạng thái, MQTT hoạt động dựa trên mô hình publish/subscribe, mang lại khả năng tương tác thời gian thực và tối ưu hóa hiệu suất kết nối Từ đó, kết nối giữa thiết bị và đám mây luôn mở, chỉ truyền dữ liệu khi cần thiết, nâng cao trải nghiệm người dùng.
MQTT và HTTP đều là các giao thức truyền nhận dữ liệu phổ biến trong lĩnh vực IoT, được ứng dụng rộng rãi để kết nối các thiết bị và hệ thống Mỗi giao thức có những đặc điểm riêng biệt, phù hợp với các mục đích và chức năng sử dụng khác nhau Việc lựa chọn giữa MQTT và HTTP cần dựa trên các tiêu chí như tính năng, hiệu suất, độ ổn định và yêu cầu của hệ thống IoT để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu.
Bảng 2.2 So sánh giữa MQTT và HTTP
Tính năng, đặc điểm MQTT HTTP
Truyền nhận gói tin 2 chiều, các node không chỉ truyền mà còn có thể dễ dàng đăng ký nhận tin một cách thụ động
Node không thể nhận tin thụ động được mà luôn luôn phải khởi tạo kết nối trước với server
Kiến trúc Publisher/Subscriber cho phép các thiết bị có thể xuất bản (publish) bất kỳ chủ đề nào và đồng thời đăng ký (subscribe) các chủ đề khác nhau để nhận các cập nhật mới nhất Mô hình này giúp hệ thống trở nên linh hoạt, mở rộng và dễ dàng quản lý thông tin giữa các thiết bị trong môi trường mạng Thuật toán này phù hợp cho các ứng dụng cần truyền tải dữ liệu theo chủ đề một cách hiệu quả và linh hoạt.
Kiến trúc yêu cầu / đáp ứng Độ phức tạp Đơn giản Phức tạp hơn
Tốc độ Theo các phép đo trong mạng 3G, thông lượng của MQTT nhanh hơn 93 lần so với HTTP
Bảo mật dữ liệu Có KHÔNG, do đó HTTPS được sử dụng để cung cấp bảo mật dữ liệu
Giao thức lớp trên thường hoạt động trên nền tảng TCP hoặc UDP, cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu phù hợp với từng ứng dụng Kích thước của tin nhắn rất ngắn, trong đó tiêu đề thư thường nhỏ gọn và kích thước của gói tin nhỏ nhất là 2 byte, định dạng nhị phân giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu.
Cho phép soạn các tiêu đề và tin nhắn dài ở định dạng ASCII
Các cấp độ dịch vụ 3 1
Thư viện 30KB C, 100KB Java Lớn
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Giới thiệu
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
- Thiết kế nhỏ gọn, tạo cảm giác thoải mái cho người dùng
- Sử dụng pin sạc, thời lượng sử dụng lâu
- Sai số nhiệt độ thấp,
- Dùng cảm biến YSI700 để thu thập nhiệt độ và kết nối với board mạch WeMos D1 Mini ESP8266
- Board mạch WeMos D1 Mini ESP8266 hiển thị nhiệt độ của người dùng qua màn hình Oled SSD1306
- Board mạch WeMos D1 Mini ESP8266 sẽ kết nối không dây đến mạng Wifi và gửi dữ liệu lên Ubidots (qua giao thức MQTT)
Ubidots cho phép hiển thị dữ liệu nhiệt độ qua một đường link web dễ dàng truy cập bất cứ lúc nào, giúp người dùng theo dõi tình hình nhiệt độ một cách nhanh chóng và thuận tiện Hệ thống còn tự động gửi tin nhắn SMS cảnh báo đến người quản lý khi nhiệt độ vượt quá giới hạn an toàn, đảm bảo xử lý kịp thời các tình huống quá nhiệt.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Giới thiệu
Sau khi hoàn thiện sơ đồ nguyên lý, nhóm tiến hành thi công mô hình thiết bị gồm hai phần chính là phần cứng và phần mềm Quá trình thi công hệ thống đảm bảo sự chính xác và đồng bộ giữa các thành phần Công đoạn xây dựng phần cứng tập trung vào lắp đặt các thiết bị theo sơ đồ thiết kế, trong khi phần mềm được phát triển để điều khiển và vận hành hệ thống hiệu quả Việc thi công đúng quy trình giúp đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng yêu cầu đề ra.
Trong quá trình làm phần cứng, công việc bao gồm thiết kế và vẽ sơ đồ mạch in PCB để đảm bảo tính chính xác của hệ thống Sau đó, tiến hành in và làm mạch in, kiểm tra kỹ lưỡng các mạch in để đảm bảo chất lượng Tiếp theo, hàn linh kiện theo sơ đồ bố trí, kiểm tra và chỉnh sửa mạch sau khi hàn để đảm bảo hoạt động ổn định Quá trình lắp ráp mạch hoàn chỉnh được thực hiện cẩn thận, rồi thiết kế vỏ hộp phù hợp và lắp ráp mạch vào hộp để bảo vệ cũng như tạo tính thẩm mỹ cho sản phẩm cuối cùng.
Phần mềm của hệ thống được xây dựng dựa trên việc phát triển giải thuật và lập trình các chức năng phù hợp Chương trình được thiết kế theo nguyên lý hoạt động của hệ thống từ khi cấp nguồn đến khi hệ thống ngừng hoạt động, đảm bảo tích hợp hiệu quả các giải thuật vào các chức năng của thiết bị để tối ưu hóa hiệu suất.
Toàn bộ quá trình thi công hệ thống phải đảm bảo tất cả những yêu cầu về thiết kế mà nhóm đã đặt ra ban đầu.
Thi công hệ thống
4.2.1 Thi công Board mạch a Liệt kê linh kiện
- Mạch in được thiết kế trên phần mềm Proteus 8.6
- Thực hiện in mạch và tiến hành thi công bo mạch
Bảng 4.1 Bảng liệt kê danh sách các linh kiện
STT Tên linh kiện Số lượng
4 Cảm biến nhiệt độ bề mặt da YSI700 01
8 Mạch sạc Lithium Micro ESP8266 D1 Mini 1A 01
Để thi công hệ thống, cần thiết kế mạch in phù hợp; do linh kiện đơn giản và ít, nhóm lựa chọn thiết kế mạch in một lớp để đảm bảo tính nhỏ gọn và tiện dụng của sản phẩm Mạch PCB bao gồm các module chính như ESP8266, buzzer, điện trở và nút nhấn, giúp tiết kiệm diện tích và tối ưu hóa không gian thiết kế như hình 4.1.
Mạch được thiết kế trên phần mềm Proteus 8.6
Hình 4.1 Mạch PCB c Thiết kế mô hình cho thiết bị
Sau khi hoàn thành phần mạch điện, cần đóng gói và bảo vệ để đảm bảo an toàn và độ bền của sản phẩm Nhóm thiết kế phần vỏ ngoài của sản phẩm nhằm tạo lớp bảo vệ chắc chắn, đồng thời đảm bảo tính thẩm mỹ và tiện lợi trong quá trình sử dụng Mục tiêu của nhóm là phát triển mô hình nhỏ gọn, phù hợp với mục đích sử dụng, giúp tối ưu hóa trải nghiệm người dùng và dễ dàng lắp đặt.
Nhóm đã thiết kế mô hình trên phần mềm Solidworks Mô hình thiết bị gồm có 2 thành phần chính là nắp hộp và đáy hộp
Phần nắp hộp có thiết kế nhỏ gọn, tiện lợi, dễ sử dụng phù hợp với mục đích của thiết bị Mặt trước gồm màn hình OLED và nút nhấn, với khung hiển thị vừa với màn hình giúp dễ quan sát Nút nhấn đặt ngay trên nắp để thao tác dễ dàng, cùng với phần đáy cố định nút và lỗ kết nối chân nút với mạch Mặt bên nắp có 3 ô nhỏ chứa công tắc nguồn, lỗ cắm sạc pin và lỗ nạp Code, tất cả đều được thiết kế phù hợp về kích thước để đảm bảo thẩm mỹ và dễ sử dụng Các ô này có khoét lỗ nhỏ để kết nối dây và cố định, còn các góc nắp hộp bo tròn nhằm tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm Phần thiết kế tổng thể như mô tả trong hình 4.2, mang lại sự tiện dụng và thẩm mỹ cao.
Phần đáy hộp được thiết kế với kích thước tương đương phần nắp, đảm bảo sự vừa vặn và chắc chắn Các góc hộp được khoét 4 lỗ có đường kính 6mm phù hợp để bắt vít cố định, giúp cố định phần nắp rõ ràng Ngoài ra, còn có một lỗ nhỏ để nối dây cảm biến, tăng khả năng kết nối của thiết bị Phần nắp còn được thiết kế hai quai có kích thước phù hợp với dây đeo, giúp gắn thiết bị dễ dàng và an toàn như hình 4.3.
Sau khi thiết kế hai phần nắp và đáy hộp, tiến hành ghép chúng lại và cố định để tạo thành mô hình hoàn chỉnh của sản phẩm Quá trình ghép và cố định đảm bảo phần nắp và đáy hộp liên kết chặt chẽ, giúp hình thành sản phẩm hoàn chỉnh (Hình 4.4), phù hợp với quy trình thiết kế hộp tiêu chuẩn.
Hình 4.4 Mô hình hoàn chỉnh
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
Sau khi thiết kế mạch PCB, cần kiểm tra các đường mạch đã nối đúng như bản thiết kế ban đầu trước khi ủi và in mạch ra board đồng Quá trình khoan lỗ chân linh kiện phải chính xác với kích thước phù hợp, sau đó lắp đặt linh kiện đúng vị trí theo sơ đồ mạch Kiểm tra và hàn linh kiện cẩn thận để đảm bảo không xảy ra sai sót trong quá trình thi công mạch Mạch hoàn chỉnh sau khi hàn linh kiện thể hiện rõ trong Hình 4.5, đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật và chất lượng.
Hình 4.5 Mặt dưới mạch sau khi hàn linh kiện
Sau khi hàn mạch, tiến hành sử dụng đồng hồ VOM để kiểm tra toàn bộ hệ thống mạch điều khiển, đảm bảo đủ điện áp, không bị hở hoặc chập mạch Nếu phát hiện lỗi, cần xử lý kịp thời để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác Sau đó, nạp chương trình vào thiết bị và kiểm tra để xác định xem chương trình đã đáp ứng các yêu cầu ban đầu hay chưa, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định.
Trong quá trình lắp ráp, các linh kiện được sắp xếp hợp lý và cố định chắc chắn theo thiết kế để đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị Mô hình bao gồm module Wemos D1 Mini ESP8266, buzzer, mạch sạc pin Lithium Micro ESP8266 D1 Mini 1A, điện trở, pin Lipo, cùng các dây kết nối với OLED, nút nhấn và công tắc Việc cố định linh kiện thuận lợi trong quá trình đóng gói và giúp đảm bảo thiết bị vận hành hiệu quả Hình 4.6 thể hiện mạch sau khi đã sắp xếp các linh kiện đúng vị trí.
đóng gói và thi công mô hình
Sau khi kiểm tra mạch hoạt động tốt và hoàn thiện thiết kế mô hình, chúng tôi tiến hành thi công mô hình cho thiết bị Mô hình được thiết kế nhỏ gọn, phù hợp với mục đích sử dụng, bao gồm khối xử lý, cảm biến và các linh kiện phụ trợ.
Hộp đựng sau khi được thiết kế sẽ được in 3d Sau đó lắp từng phần thành mô hình hoàn chỉnh như đã tính toán trong phần thiết kế
Hộp bảo vệ thiết bị:
- Kích thước: 57mm x 60mm x 24mm
Hình 4.7 Đóng gói bộ điều khiển
Sau khi hoàn thành thiết kế mạch và mô hình cho thiết bị, bước tiếp theo là lắp ráp mạch PCB và kết nối các dây giữa PCB với các linh kiện như công tắc, nút nhấn và màn hình OLED Tiến hành kiểm tra hoạt động của hệ thống để đảm bảo không có lỗi nào, sau đó gắn cố định mạch và các linh kiện vào trong hộp đựng mô hình.
Sau khi đóng gói bộ điều khiển, tiến hành ghép hai phần nắp hộp và đáy hộp, dùng vít để cố định chắc chắn hai phần lại với nhau
Sản phẩm của nhóm đi kèm với dây đeo, được chọn loại dây dài 22cm, rộng 2.4cm, làm từ vải mềm mại, mang lại cảm giác thoải mái khi sử dụng Dây đeo sử dụng khóa dán dễ thao tác, thuận tiện cho người dùng Phần cảm biến nhiệt độ được cố định ở giữa hai lớp vải, với lỗ khoét phù hợp để cảm biến tiếp xúc trực tiếp với da, đảm bảo đo nhiệt độ chính xác (Hình 4.9).
Hình 4.8 Mặt trước mô hình hoàn chỉnh
Mô hình hoàn chỉnh của thiết bị bao gồm dây đeo và hộp đựng bộ điều khiển, trong đó hộp đã được in 3D và ghép các phần lại với nhau để tạo thành sản phẩm đầy đủ Phần mặt trước của thiết bị có màn hình OLED đặt ở vị trí dễ quan sát và nút nhấn nằm ngay phía dưới, giúp thao tác dễ dàng Mặt bên của mô hình, như hình 4.10, gồm các thành phần quan trọng như công tắc nguồn, lỗ cắm sạc pin và lỗ nạp mã code, đều được bố trí hợp lý để thuận tiện sử dụng.
Hình 4.9 Dây đeo sản phẩm
Hình 4.10 Mặt bên mô hình hoàn chỉnh
Hình 4.10 mô tả mặt bên của mô hình hoàn chỉnh, gồm có công tắc nguồn, lỗ cắm sạc pin và nạp code.
Lập trình hệ thống
4.4.1 Giới thiệu phần mềm lập trình
Arduino IDE là phần mềm dùng để lập trình cho Arduino Môi trường lập trình
Arduino IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất hiện nay là Windows, MacOS và Linux Đây là môi trường phát triển tích hợp (IDE) đa nền tảng được viết bằng Java, dùng cho các ngôn ngữ lập trình như Processing và dự án Wiring IDE của Arduino được thiết kế phù hợp cho người mới bắt đầu trong lĩnh vực phát triển phần mềm, cung cấp các công cụ như trình chỉnh sửa mã với chức năng đánh dấu cú pháp, tự động cân đối dấu ngoặc và căn lề tự động Ngoài ra, nó cho phép biên dịch và tải chương trình lên board Arduino chỉ với một cú nhấp chuột Mỗi chương trình viết cho Arduino gọi là một "sketch".
Giao diện chính của phần mềm Arduino IDE có nhiều uy nhiên ta chỉ đi vào tìm hiểu những phần chính và cơ bản của phần mềm
Thanh công cụ trong IDE gồm các nút lệnh menu như File, Edit, Sketch, Tools và Help, giúp người dùng dễ dàng truy cập các chức năng chính Phía dưới thanh công cụ là các icon nhanh, cho phép sử dụng các chức năng thường xuyên một cách tiện lợi và hiệu quả Tối ưu hóa trải nghiệm lập trình với thanh công cụ giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao năng suất làm việc.
Nút kiểm tra chương trình trong Arduino IDE giúp người dùng xác định xem mã lập trình của mình có lỗi hay không Khi nhấn nút này, phần mềm sẽ kiểm tra cú pháp và logic của chương trình, và nếu có lỗi, thông tin lỗi sẽ được hiển thị rõ ràng trong khu vực thông báo Điều này giúp lập trình viên dễ dàng phát hiện và sửa chữa lỗi nhanh chóng, đảm bảo chương trình hoạt động chính xác.
Nút nạp chương trình xuống bo Arduino là phần quan trọng giúp tải mã code từ máy tính lên mạch Arduino dễ dàng Quá trình nạp diễn ra an toàn khi chương trình được kiểm tra lỗi kỹ lưỡng trước khi thực hiện truyền vào mạch Việc sử dụng nút nạp đảm bảo quá trình nạp mã diễn ra suôn sẻ, giúp phát triển dự án Arduino một cách hiệu quả và chính xác.
- Serial Monitor: Hiển thị màn hình giao tiếp với máy tính
Khi nhấn vào biểu tượng kính lúp, giao diện giao tiếp giữa máy tính và thiết bị sẽ được mở ra, hiển thị các thông số mà người dùng muốn quan sát Để hiển thị dữ liệu lên màn hình, chủ yếu sử dụng lệnh Serial.print() trong mã lập trình, giúp gửi các thông số cần thiết đến máy tính một cách dễ dàng và chính xác.
- Vùng viết chương trình: Vùng này để người lập trình thực hiện việc lập trình cho chương trình của mình
- Vùng thông báo thông tin: Có chức năng thông báo các thông tin lỗi của chương trình hoặc các vấn đề liên quan đến chương trình được lập
Các thông báo từ IDE sẽ được hiển thị tại đây để bạn dễ dàng theo dõi quá trình lập trình Lưu ý, góc dưới cùng bên phải của màn hình hiển thị loại board Arduino và cổng COM đang sử dụng, giúp bạn kiểm soát chính xác thiết lập Việc chọn đúng loại board và cổng COM là rất quan trọng, nếu chọn sai sẽ gây ra lỗi trong quá trình upload code, khiến bạn không thể tải chương trình thành công lên Arduino.
Thanh công cụ của phần mềm chứa các chức năng chính như Biên dịch, Nạp, New, Open, Save, giúp người dùng dễ dàng truy cập các thao tác thường xuyên Vùng Code Editor dùng để soạn thảo mã nguồn, trong khi vùng thông báo trạng thái hiển thị các thông báo liên quan đến quá trình hoạt động của chương trình như nạp, biên dịch hoặc hiển thị lỗi Các chức năng này đảm bảo quá trình phát triển và sửa lỗi mã nguồn diễn ra thuận tiện, hiệu quả.
Hình 4.11 Lưu đồ chương trình chính 1
Hình 4.12 Lưu đồ chương trình chính 2
Thiết bị chủ yếu có chức năng đo nhiệt độ, hiển thị giá trị nhiệt độ để theo dõi và gửi cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng Quá trình lập trình hệ thống bao gồm xây dựng lưu đồ chương trình chính, chương trình con đo nhiệt độ và chương trình kết nối với Ubidots, thể hiện rõ trong Hình 4.11 và 4.12 Khi bắt đầu, hệ thống kiểm tra kết nối Wifi, nếu chưa được kết nối, người dùng nhấn nút để đổi điểm truy cập Wifi và thiết lập cấu hình Wifi phù hợp Khi kết nối thành công, hệ thống khởi tạo giao diện và các port cho vi xử lý Tiếp theo, hệ thống kiểm tra xem cảm biến nhiệt độ có hoạt động không, nếu có sẽ đọc giá trị nhiệt độ và gửi dữ liệu lên Web, hiển thị trên màn hình OLED Người dùng có thể thao tác nút nhấn để thực hiện các chức năng mong muốn, và toàn bộ quá trình này diễn ra liên tục trong vòng lặp chính của hệ thống.
Thiết bị có 1 nút nhấn gồm 4 chế độ:
- Nhấn nhẹ để tắt màn hình
- Nhấn giữ 1 giây để màn hình sáng 15 giây, sau đó sẽ tắt màn hình
- Nhấn giữ 2 giây để giữ màn hình luôn sáng
- Khi nhiệt độ quá ngưỡng, thiết bị báo động qua Buzzer và luôn sáng màn hình Nhấn nút để tắt cảnh báo
Tùy thuộc vào từng chức năng và mục đích, người dùng sẽ có các thao tác với nút nhấn khác nhau
Chương trình đo nhiệt độ hoạt động dựa trên cảm biến gửi tín hiệu đến vi xử lý để xử lý và tính toán giá trị nhiệt độ Kết quả đo được sẽ được hiển thị trên màn hình OLED và trang web để dễ dàng theo dõi Hệ thống kiểm tra tín hiệu đầu vào trước khi xử lý, đảm bảo độ chính xác của quá trình đo Sau khi đo, hệ thống so sánh giá trị nhiệt độ với ngưỡng đã đặt sẵn và thực hiện cảnh báo khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn.
Hình 4.13 Chương trình con đo nhiệt độ
Chương trình con kết nối với Ubidots được thể hiện qua lưu đồ trong hình 4.15, giúp quản lý dữ liệu hiệu quả Ubidots có chức năng chính là nhận dữ liệu từ vi xử lý, hiển thị kết quả đo rõ ràng, và cài đặt ngưỡng cảnh báo để kích hoạt Buzzer khi dữ liệu vượt quá giới hạn Hệ thống còn gửi cảnh báo đến người dùng bằng cách so sánh kết quả đo với ngưỡng cài đặt, qua đó kích hoạt cảnh báo bằng Buzzer hoặc gửi SMS, email (Gmail) về điện thoại để thông báo kịp thời.
Hình 4.14 Lưu đồ chương trình con kết nối Ubidots
Bạn bắt đầu chương trình bằng cách kiểm tra kết nối WiFi, sau đó xác nhận kết nối giữa thiết bị và nền tảng đám mây Ubidots ESP8266 sẽ kết nối với Ubidots qua giao thức MQTT để gửi dữ liệu một cách liên tục và hiệu quả Tiếp theo, bạn nhập mã TOKEN để liên kết thiết bị với nền tảng Ubidots và thiết lập các Devices để nhận dữ liệu từ cảm biến Bạn tạo giao diện hiển thị kết quả trên Ubidots, thiết lập các nhãn IPA phù hợp với thiết bị, và cấu hình ngưỡng cảnh báo nhiệt độ cùng hình thức cảnh báo phù hợp Trong quá trình đo nhiệt độ, bạn so sánh giá trị với ngưỡng đã thiết lập để hiển thị dữ liệu chính xác và gửi cảnh báo kịp thời khi nhiệt độ vượt ngưỡng giới hạn.
Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác
4.5.1 Tài liệu hướng dẫn sử dụng a Các bước sử dụng thiết bị
Bước đầu tiên để đảm bảo kết quả chính xác khi sử dụng thiết bị đo là đeo thiết bị vào bắp tay người sử dụng, điều chỉnh cảm biến ở vị trí sát nách và kẹp chặt cánh tay để giữ cố định.
Bước 2: Trượt công tắc về vị trí ON Khi đó, trên màn hình Oled hiển thị giao diện chính hoạt động
Bước 3: Sau khi được cấp nguồn, giao diện chính được hiển thị Nếu chưa được kết nối
Thiết bị Wifi sẽ hiển thị giao diện màn hình với Logo “ML” và tên thiết bị Để kết nối WiFi, nhấn giữ nút khoảng 2 giây cho đến khi xuất hiện dòng chữ “Wifi Config” Sau đó, kết nối WiFi với điện thoại và mở ứng dụng ESPTouch có sẵn trên App Store hoặc CH Play, nhập đúng SSID và password, rồi đợi thiết bị kết nối thành công Quá trình này có thể lặp lại để thay đổi mạng WiFi khác.
Sau khi kết nối thành công, màn hình OLED sẽ hiển thị thông số nhiệt độ giúp người dùng dễ dàng theo dõi Sau 15 giây, thiết bị sẽ tự động tắt màn hình để tiết kiệm pin, nâng cao hiệu suất sử dụng.
Bạn có thể theo dõi giá trị nhiệt độ hiển thị trên màn hình OLED và nền tảng Ubidots để giám sát chính xác Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cài đặt, hệ thống sẽ phát ra cảnh báo bằng còi buzzer và màn hình OLED tự sáng để báo hiệu trạng thái bất thường Người dùng có thể nhấn nhẹ nút nhấn để tắt màn hình và tắt còi buzzer, đảm bảo kiểm soát dễ dàng Thiết bị được trang bị một nút nhấn với 4 chế độ hoạt động khác nhau, giúp tùy chỉnh hệ thống phù hợp với nhu cầu sử dụng.
- Nhấn nhẹ để tắt màn hình
- Nhấn giữ 1 giây để màn hình sáng 15 giây, sau đó sẽ tắt màn hình
- Nhấn giữ 2 giây để giữ màn hình luôn sáng
- Khi nhiệt độ quá ngưỡng, thiết bị báo động qua Buzzer và luôn sáng màn hình Nhấn nút để tắt cảnh báo
Bước 5: Trượt công tắc về vị trí OFF để tắt thiết bị khi không sử dụng b Các bước thao tác trên Ubidots
Bước 1: Thực hiện đăng nhập vào tài khoản Ubidots (với username và password cung cấp)
Hình 4.15 Màn hình đăng nhập Ubidots
Trong bước 2, bạn cần cài đặt ngưỡng nhiệt độ cảnh báo cho còi Buzzer bằng cách điều chỉnh thanh trượt nhiệt độ, giúp thiết lập mức nhiệt phù hợp Sau khi cài đặt, màn hình OLED sẽ hiển thị ngưỡng nhiệt độ mới, đảm bảo cảnh báo chính xác Nếu không thực hiện cài đặt lại, ngưỡng nhiệt độ mặc định sẽ là 38°C, giúp bảo vệ thiết bị khỏi quá nhiệt.
Hình 4.16 Cài đặt ngưỡng báo động cho Buzzer
Bước 3: Cài đặt ngưỡng nhiệt độ gửi tin nhắn cảnh báo Nhập số điện thoại hoặc Gmail mong muốn gửi tin nhắn cảnh báo
- Trên giao diện Ubidots, click vào Devices và chọn Events Thực hiện lần lượt từng bước như hình
Để cài đặt ngưỡng nhiệt độ cảnh báo qua SMS, bạn chọn “Send SMS” và quyết định hình thức cảnh báo phù hợp, gồm gửi SMS hoặc gửi Email Gmail Quá trình thiết lập được hướng dẫn rõ ràng qua hình ảnh minh họa Nếu muốn thiết lập cảnh báo bằng Gmail, chỉ cần nhấp vào “Send Gmail” để hoàn tất cài đặt.
Hình 4.18 Lựa chọn sự kiện gửi SMS
- Tiếp theo, cài đặt ngưỡng nhiệt độ cảnh báo mong muốn
Hình 4.19 Cài đặt ngưỡng nhiệt độ cảnh báo
Để cài đặt ngưỡng cảnh báo cho thiết bị, bạn cần nhập số điện thoại mong muốn và hoàn tất quá trình cấu hình Đầu tiên, hãy lựa chọn ngôn ngữ phù hợp và nhập chính xác số điện thoại theo hướng dẫn trong hình (4.20) để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác.
- Ta có thể thay đổi nội dung tin nhắn ở góc phải màn hình (hình 4.20)
Hình 4.20 Cập nhật số điện thoại gửi cảnh báo
- Thực hiện tương tự để cài đặt ngưỡng nhiệt độ và cảnh báo bằng Gmail
Bước 4: Theo dõi thông số nhiệt độ và biểu đồ nhiệt độ được hiển thị trên giao diện Ubidots
4.5.2 Quy trình thao tác Đeo thiết bị vào tay
(chú ý đeo gần nách để được kết quả chính xác nhất)
Bật công tắc nguồn của thiết bị
Kết nối với Wifi mong muốn thông qua ứng dụng ESP Touch
Cài đặt ngưỡng nhiệt độ cảnh báo
Theo dõi thông số nhiệt độ hiển thị trên màn hình và trên Web
Thao tác với nút nhấn
Trượt công tắc về vị trí OFF để tắt thiết bị
KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ
Kết quả
Mục tiêu chính của đề tài “Thiết kế và thi công vòng đeo tay theo dõi nhiệt độ cơ thể, gửi cảnh báo về điện thoại” là phát triển một thiết bị đo nhiệt độ cơ thể chính xác và dễ dàng sử dụng Thiết bị sẽ hiển thị nhiệt độ trực tiếp trên màn hình Oled, giúp người dùng theo dõi liên tục giá trị nhiệt độ của mình Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng gửi cảnh báo qua SMS hoặc Gmail về điện thoại khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng an toàn, góp phần nâng cao ý thức chăm sóc sức khỏe Đặc biệt, thiết bị còn hỗ trợ theo dõi nhiệt độ liên tục qua nền tảng Web, mang lại sự tiện lợi và kết nối liền mạch cho người dùng.
Sau quá trình nghiên cứu và học hỏi, nhóm đã tích lũy nhiều kiến thức về thiết kế phần cứng, lập trình và sử dụng phần mềm, từ đó rút ra nhiều kinh nghiệm quý báu Nhờ sự hỗ trợ tận tình của giáo viên hướng dẫn và áp dụng kiến thức đã học, nhóm đã hoàn thành các mục tiêu đề tài đề ra Những kết quả đạt được phản ánh sự cố gắng, nỗ lực trong việc phát triển dự án, góp phần nâng cao kỹ năng và hiểu biết chuyên môn.
5.1.1 Kết quả trên thiết bị
Hình 5.1 Mô hình hoàn chỉnh của thiết bị
Khi cấp nguồn và nạp code:
Hình 5.2 Giao diện khởi động của thiết bị
Thiết bị khởi động với hai giao diện chính: đầu tiên hiển thị dòng chữ “UTE FINAL PROJECT” trên màn hình, sau khoảng 2 giây sẽ chuyển sang giao diện tên thiết bị là “The Supervise Temperature System” như hình 5.2 Sau đó, thiết bị sẽ hiển thị thông số nhiệt độ, và nếu chưa kết nối Wifi, màn hình sẽ giữ nguyên giao diện tên thiết bị Để kết nối Wifi, người dùng cần nhấn giữ nút đến khi màn hình hiển thị “Wifi Config” như hình 5.3, đảm bảo kết nối mạng thành công cho hệ thống giám sát nhiệt độ.
Hình 5.3 Màn hình yêu cầu kết nối Wifi
Sau khi kết nối Wifi thành công, màn hình sẽ chuyển sang giao diện hiển thị thông số nhiệt độ
Hình 5.4 Giao diện hiển thị thông số nhiệt độ
Màn hình hiển thị thông số nhiệt độ gồm hai yếu tố chính: nhiệt độ hiện tại và ngưỡng cảnh báo bằng còi Buzzer Khi người dùng thiết lập ngưỡng nhiệt độ cảnh báo qua nền tảng Ubidots, màn hình sẽ tự động cập nhật nhanh chóng giá trị ngưỡng để dễ dàng theo dõi Điều này giúp đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và nhanh chóng phát hiện các mức nhiệt độ vượt ngưỡng.
Hình 5.5 Kết quả đo thực tế
5.1.2 Kết quả hiển thị trên Web Để đơn giản và tiện theo dõi trong suốt quá trình sử dụng, nhóm đã hiển thị thông số nhiệt độ và ngưỡng cảnh báo nhiệt độ thông qua giao diện Web của Ubidots
Giao diện hiển thị bao gồm Thanh nhiệt (Thermometer widget) để hiển thị nhiệt độ và thời gian cập nhật, cùng với chức năng Cài đặt báo thức (Set Alarm) để thiết lập ngưỡng cảnh báo Biểu đồ nhiệt độ (Temperature Chart) giúp người dùng theo dõi giá trị nhiệt độ một cách trực quan Các thành phần này được bố trí một cách đơn giản và hợp lý, tạo điều kiện dễ dàng cho người dùng theo dõi dữ liệu Người dùng có thể truy cập và theo dõi dữ liệu qua trình duyệt web bằng cách đăng nhập vào tài khoản Ubidots.
Hình 5.6 Giao diện hiển thị trên Ubidots
Giá trị nhiệt độ liên tục được cập nhật trên giao diện Web
Trên giao diện gồm có 2 thông số chính:
"Set an alarm" là chức năng cài đặt ngưỡng nhiệt độ cảnh báo cho buzzer, với mức nhiệt độ mặc định là 38˚C Người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh ngưỡng nhiệt độ mong muốn bằng cách kéo thanh trượt lên xuống, giúp tùy biến cảnh báo phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Thông số nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng được hiển thị rõ ràng trên giao diện, giúp người dùng dễ dàng theo dõi Khi giá trị nhiệt độ thay đổi, hệ thống sẽ tự động cập nhật và hiển thị liên tục trên màn hình Ngoài ra, thời gian cập nhật lần cuối của giá trị nhiệt độ cũng được hiển thị để người dùng nắm bắt chính xác thời điểm mới nhất.
Người dùng có thể dễ dàng theo dõi giá trị nhiệt độ và sự biến đổi nhiệt độ qua biểu đồ trực quan, giúp nắm bắt xu hướng rõ ràng Ngoài ra, hệ thống còn cung cấp chức năng xem lịch sử cập nhật nhiệt độ theo thời gian cụ thể, nâng cao khả năng giám sát và phân tích dữ liệu nhiệt độ chính xác và tiện lợi.
Biểu đồ theo dõi nhiệt độ cho phép dễ dàng theo dõi sự biến động nhiệt độ của người sử dụng theo từng thời điểm Trục tung thể hiện giá trị nhiệt độ, và người dùng có thể tùy chỉnh khung nhiệt độ mong muốn trong phần cài đặt để phù hợp với nhu cầu Trục hoành thể hiện thời gian, bao gồm ngày tháng năm và giờ, giúp xác định chính xác các mốc thời gian tương ứng với từng giá trị nhiệt độ Người dùng có thể lựa chọn khoảng thời gian muốn theo dõi bằng cách kéo thanh trượt phía dưới để xem dữ liệu trong phạm vi mong muốn.
Hình 5.7 Biểu đồ theo dõi giá trị nhiệt độ
Hình 5.8 Lịch sử cập nhật giá trị nhiệt độ
Giá trị nhiệt độ được cập nhật liên tục và nhanh chóng Ubidots tự động lưu lại lịch sử cập nhật nhiệt độ
5.1.3 Kết quả chạy thực tế a Kết quả
Hình 5.9 Kết quả đo thực tế so với nhiệt kế điện tử - thủy ngân
Kết quả đo nhiệt độ thực tế của thiết bị cho thấy nhiệt độ trên sản phẩm của nhóm hiện tại là 36.5˚C, phù hợp với kết quả từ nhiệt kế thủy ngân cùng thời điểm So sánh với nhiệt kế điện tử, kết quả đo của nhóm là 36.4˚C, còn của nhiệt kế điện tử là 36.3˚C, chênh lệch 0.1˚C, nằm trong giới hạn bình thường và cho thấy độ chính xác cao của thiết bị Ngưỡng nhiệt độ cảnh báo bằng còi buzzer được cài đặt là 37.5˚C; khi nhiệt độ vượt ngưỡng này, màn hình sẽ hiển thị thông báo “Take care”, như hình 5.10.
Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cài đặt (hiện tại là 37.5 ˚C), hệ thống sẽ phát ra âm thanh cảnh báo bằng còi Buzzer và hiển thị thông báo “Take care” trên màn hình OLED Trong những trường hợp người dùng không thể liên tục kiểm tra điện thoại hoặc không nhận được cảnh báo qua tin nhắn hoặc Gmail, còi Buzzer vẫn là phương thức cảnh báo hiệu quả nhất Khi nhiệt độ vượt ngưỡng, hệ thống không chỉ kêu cảnh báo mà còn giữ cho màn hình luôn sáng để nhấn mạnh tình trạng nguy hiểm, người dùng có thể tắt cảnh báo bằng cách nhấn nút trên hệ thống.
Hình 5.10 Giao diện màn hình khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cài đặt
Sau khi cài đặt ngưỡng nhiệt độ cảnh báo cùng với số điện thoại hoặc địa chỉ Gmail mong muốn, hệ thống sẽ tự động gửi tin nhắn hoặc email cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng đã thiết lập Các tin nhắn cảnh báo sẽ được gửi về cho người dùng theo hình thức SMS hoặc Gmail, như minh họa trong hình 5.11 và 5.12 Ngoài ra, người dùng còn có thể tùy chỉnh nội dung tin nhắn cảnh báo qua nền tảng Ubidots để phù hợp nhu cầu.
Hình 5.11 Gửi SMS cảnh báo về điện thoại Hình 5.12 Gửi Gmail cảnh báo b Khảo sát, đánh giá
Bảng 5.1 So sánh kết quả đo giữa các vị trí khác nhau trên cơ thể
Lần đo Vị trí đo Kết quả (˚C)
Bảng 5.1 cho thấy rõ sự khác biệt về kết quả đo nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trên cơ thể, với mức chênh lệch đáng kể giữa các vị trí Đo nhiệt độ ở nách cho kết quả 36.2°C, phản ánh nhiệt độ bình thường của cơ thể, trong khi đo ở cánh tay và cổ tay lần lượt cho kết quả thấp hơn là 35.4°C và 34.5°C Điều này nhấn mạnh rằng để đảm bảo độ chính xác cao nhất, cảm biến nhiệt cần được đặt đúng vị trí gần nách nhất và cố định chặt để tránh sai số Nhóm đã so sánh kết quả đo từ sản phẩm của mình với hai thiết bị chuẩn khác là nhiệt kế thủy ngân và nhiệt kế điện tử Omron MC-246, đồng thời chú ý đặt cảm biến gần nách và cố định chặt cánh tay để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo.
Nhóm thực hiện đo nhiệt kế thủy ngân làm chuẩn để so sánh với kết quả của sản phẩm, đảm bảo đặt nhiệt kế đúng vị trí và kẹp chặt cánh tay để có kết quả chính xác Các số liệu so sánh được tổng hợp trong bảng 5.2, phản ánh rõ sự nhất quán và đáng tin cậy của quá trình đo lường.
Bảng 5.2 So sánh kết quả giữa sản phẩm và nhiệt kế thủy ngân
Người được đo Lần đo Sản phẩm của nhóm (˚C)
Sai số trung bình: 0.3% tương ứng với 0.1˚C