THIẾT BỊ THEO DÕI TRẠNG THÁI CON NGƯỜI (có code và sơ đồ mạch)

THIẾT BỊ THEO DÕI TRẠNG THÁI CON NGƯỜI (có code và sơ đồ mạch) THIẾT BỊ THEO DÕI TRẠNG THÁI CON NGƯỜI (có code và sơ đồ mạch) THIẾT BỊ THEO DÕI TRẠNG THÁI CON NGƯỜI (có code và sơ đồ mạch) THIẾT BỊ THEO DÕI TRẠNG THÁI CON NGƯỜI (có code và sơ đồ mạch)

NGƯỜI

1.4 PHÂN LOẠI TÍN HIỆU 3

1.4.1 Giải thuật K-Means 3

1.4.2 Cây quyết định (Decision Tree) 5

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LÝ 8

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH 8

2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 9

2.3 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT 9

2.4 MỘT SỐ LINH KIỆN CHÍNH ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH 10

2.4.1 Board Arduino UNO R3 10

2.4.2 Module Bluetooth HC-05 11

2.4.3 Cảm biến gia tốc MPU 6050 13

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 15

3.1 TIỀN SỬ LÝ 15

3.1.1 Raw value 15

3.1.2 Calibration16

HÌNH 2-1: SƠ ĐỒ KHỐI TOÀN MẠCH 8

HÌNH 2-2: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 9

HÌNH 2-3: SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT 10

HÌNH 2-4: BOARD ARDUINO UNO R3 10

HÌNH 2-5: GIAO DIỆN PHẦN MỀM VIẾT CODE ARDUINO 11 HÌNH 2-6: HÌNH ẢNH BLUETOOTH HC-05 15

HÌNH 2-7: HÌNH ẢNH MODULE MPU-6050 19

HÌNH 3-1: DẠNG SÓNG MỘT SỐ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN 19 HÌNH 3-2: GIÁ TRỊ CHUẨN KHI NẰM YÊN CỦA TRỤC AX 19 HÌNH 3-3: GIÁ TRỊ CHUẨN KHI NẰM YÊN CỦA TRỤC AY 19 HÌNH 3-4: GIÁ TRỊ CHUẨN KHI NẰM YÊN CỦA TRỤC AZ 19 HÌNH 4-1: SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ 21

HÌNH 4-2: SƠ ĐỒ MẠCH IN 22

HÌNH 4-1: SƠ ĐỒ MẠCH THỰC TẾ 23

I2C Inter-Integrated Circuit

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Tuy nhiên, họ cũng lưu ý những hạn chế khi sử dụng là thiết bị không thể theodõi sát như những lời động viên tích cực của chuyên gia sức khỏe được Hiệu quảcủa thiết bị cũng sẽ khác nhau tùy thuộc khả năng sử dụng của người dùng

1.2 Cảm biến gia tốc

Chúng ta nghe nói rất nhiều về cảm biến gia tốc, gia tốc kế,… đặc biệt là trêncác smartphone, smartband luôn được quảng cáo là “tích hợp cảm biến gia tốc 3trục”, nhưng nếu như ngoài chuyên môn thì chúng ta không thể hình dung được nó

là cái gì, đo đạc cái gì và mang lại được những giá trị có ích gì khi ứng dụng nó.Với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện nay thì các thiết bị thông minh dầnđược tích hợp cảm biến gia tốc để theo dõi, phát hiện những thay đổi, rung độngnhỏ nhất của cơ thể, thiết bị cũng như là sự rung động của trái đất

Gia tốc là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự thay đổi của vận tốc theo thời gian

Nó là một trong những đại lượng cơ bản dùng để mô tả chuyển động

Yếu tố dùng để đo rung động là gia tốc, đơn vị tính trong hệ SI là m/s2 Thỉnhthoảng nó được sử dụng bởi đơn vị gia tốc trọng trường phi SI như [g] (1g khoảng

1.3 Phát triển thiết bị

1.3.1 Step Counter

Để theo dõi quá trình đi bộ hoặc chạy để giảm béo và rèn luyện sức khỏe, người

ta dùng một loại đồng hồ đếm số bước và tính toán lượng calori tiêu thụ

Đây là một ứng dụng trên điện thoại sử dụng gia tốc kế đã được tích hợp trongđiện thoại sẽ giúp bạn biết được rất nhiều thông tin hữu ích có liên quan đến việc đi

bộ thể dục hàng ngày của bạn, chẳng hạn như tổng số bước đi (Step Count), tổngnăng lượng tiêu hao (Energy), quãng đường mà bạn đã đi (Distance) và tổng thờigian đi (Step Time) Ngoài ra, nó còn lưu lại tất cả các kết quả của những ngàytrước đó để bạn có thể so sánh Với Step Counter, bạn đã có thêm một công cụ hay

để tự cải thiện sức khỏe của mình thông qua việc rèn luyện thể chất

Nguyên lý hoạt động của Step Counter cũng không quá phức tạp Mọi bước đicủa bạn sẽ được đếm bằng cách phân tích xuất lượng từ gia tốc kế của chiếc điệnthoại di động Tất cả những gì mà bạn cần làm chỉ là luôn nhớ mang theo điện thoạibên người và đặt nó ở những nơi dễ ghi nhận chuyển động nhất, chẳng hạn nhưtrong túi quần, trong bóp đeo được kẹp vào thắt lưng hay đặt trong giỏ rồi mangtrên vai

1.3.2 Smart Watch

Đồng hồ thông minh hay là smartwatch là đồng hồ đeo tay vi tính hóa với chứcnăng như tăng cường thời gian duy trì và thường được so sánh với thiết bị kỹ thuật

số cá nhân Trong khi những phiên bản đầu tiên có thể thực hiện những công việc

cơ bản như tính toán, dịch hay chơi trò chơi thì đồng hồ thông minh hiện đại là mộtchiếc "máy tính đeo tay" hiệu quả

Được tích hợp gia tốc kế giúp đồng hồ theo dõi trạng thái hoạt động của ngườidùng, thu thập thông tin từ cảm biến sau đó được dụng cụ hay máy tính khác lấy dữ

liệu thông qua công nghê không dây như Bluetooth, Wi-Fi giúp giám sát ngườidùng.

1.4 Phân loại tín hiệu

1.4.1 Giải thuật K-Means

K-Means là thuật toán rất quan trọng và được sử dụng phổ biến trong kỹ thuậtphân cụm Tư tưởng chính của thuật toán K-Means là tìm cách phân nhóm các đốitượng (objects) đã cho vào K cụm (K là số các cụm được xác đinh trước, K nguyêndương) sao cho tổng bình phương khoảng cách giữa các đối tượng đến tâm nhóm(centroid ) là nhỏ nhất

Thuật toán K-Means được mô tả như sau:

Thuật toán K-Means thực hiện qua các bước chính sau:

1 Chọn ngẫu nhiên K tâm (centroid) cho K cụm (cluster) Mỗi cụm được đại diện bằng các tâm của cụm.

2 Tính khoảng cách giữa các đối tượng (objects) đến K tâm (thường dùng khoảng cách Euclidean)

3 Nhóm các đối tượng vào nhóm gần nhất

4 Xác định lại tâm mới cho các nhóm

5 Thực hiện lại bước 2 cho đến khi không có sự thay đổi nhóm nào của các đối tượng

Mô tả thuật toán:

Ý tưởng đơn giản nhất về cluster (cụm) là tập hợp các điểm ở gần nhau trong một không gian nào đó (không gian này có thể có rất nhiều chiều trong trường hợp thông tin về một điểm dữ liệu là rất lớn) Hình bên dưới là một ví dụ về 3 cụm dữ liệu (từ giờ viết gọn là cluster)

Giả sử mỗi cluster có một điểm đại diện (center) màu vàng Và những điểm xung quanh mỗi center thuộc vào cùng nhóm với center đó Một cách đơn giản nhất,xét một điểm bất kỳ, ta xét xem điểm đó gần với center nào nhất thì nó thuộc về

cùng nhóm với center đó Tới đây, chúng ta có một bài toán thú vị: Trên một vùng biển hình vuông lớn có ba đảo hình vuông, tam giác, và tròn màu vàng như hình trên Một điểm trên biển được gọi là thuộc lãnh hải của một đảo nếu nó nằm gần đảo này hơn so với hai đảo kia Hãy xác định ranh giới lãnh hải của các đảo.

1.4.2 Cây quyết định (Decision Tree)

Cây quyết định (Decision Tree) là một trong những hình thức mô tả dữ liệu trựcquan nhất, dễ hiểu nhất đối với người dùng Cấu trúc của một cây quyết định baogồm các nút và các nhánh Nút dưới cùng được gọi là nút lá, trong mô hình phânlớp dữ liệu chính là các giá trị của các nhãn lớp (gọi tắt là nhãn) Các nút khác nút láđược gọi là các nút con, đây còn là các thuộc tính của tập dữ liệu, hiển nhiên cácthuộc tính này phải khác thuộc tính phân lớp Mỗi một nhánh của cây xuất phát từmột nút p nào đó ứng với một phép so sánh dựa trên miền giá trị của nút đó Nútđầu tiên được gọi là nút gốc của cây Xem xét một ví dụ về một cây quyết định như

Từ bảng dữ liệu trên, ta xây dựng được cây quyết định như sau:

Cây quyết định của ví dụ trên có thể được giải thích như sau: các nút lá chứa cácgiá trị của thuộc tính phân lớp (thuộc tính “Play”) Các nút con tương ứng với cácthuộc tính khác thuộc tính phân lớp; nút gốc cũng được xem như một nút con đặcbiệt, ở đây chính là thuộc tính “Outlook” Các nhánh của cây từ một nút bất kỳtương đương một phép so sánh có thể là so sánh bằng, so sánh khác, lớn hơn nhỏhơn… nhưng kết quả các phép so sánh này bắt buộc phải thể hiện một giá trị logic(Đúng hoặc Sai) dựa trên một giá trị nào đó của thuộc tính của nút Lưu ý cây quyếtđịnh trên không có sự tham gia của thuộc tính “thu nhập” trong thành phần cây, cácthuộc tính như vậy được gọi chung là các thuộc tính dư thừa bởi vì các thuộc tínhnày không ảnh hưởng đến quá trình xây dựng mô hình của cây.

Các thuộc tính tham gia vào quá trình phân lớp thông thường có các giá trị liên tụchay còn gọi là kiểu số (ordered or numeric values) hoặc kiểu rời rạc hay còn gọi làkiểu dữ liệu phân loại (unordered or category values) Ví dụ kiểu dữ liệu lương biểudiễn bằng số thực là kiểu dữ liệu liên tục, kiểu dữ liệu giới tính là kiểu dữ liệu rờirạc (có thể rời rạc hóa thuộc tính giới tính một cách dễ dàng)

CHƯƠNG 2 Chiến lược cơ bản để xây dựng cây quyết định

Bắt đầu từ nút đơn biểu diễn tất cả các mẫu:

 Nếu các mẫu thuộc về cùng một lớp, nút trở thành nút lá và được gán nhãnbằng lớp đó

 Ngược lại, dùng độ đo thuộc tính để chọn thuộc tính sẽ phân tách tốt nhất cácmẫu vào các lớp

 Một nhánh được tạo cho từng giá trị của thuộc tính được chọn và các mẫuđượcc phân hoạch theo

 Dùng đệ quy cùng một quá trình để tạo cây quyết định

 Tiến trình kết thúc chỉ khi bất kỳ điều kiện nào sau đây là đúng

 Tất cả các mẫu cho một nút cho trước đều thuộc về cùng một lớp

 Không còn thuộc tính nào mà mẫu có thể dựa vào để phân hoạch xa hơn

 Không còn mẫu nào cho nhánh

Tuy nhiên, nếu không chọn được thuộc tính phân lớp hợp lý tại mỗi nút, ta sẽ tạo cacây rất phức tạp, ví dụ như cây dưới đây:

CHƯƠNG 3 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LÝ

3.1 Sơ đồ khối mạch

Hình 2-1: Sơ đồ khối toàn mạch

 Khối nguồn sử dụng pin để cấp nguồn cho mạch hoạt động

 Khối cảm biến sử dụng cảm biến gia tốc MPU-6050 thu nhận tín hiệu từ người dùng

 Khối xử lí sử dụng chip ATMega 328 xử lí tín hiệu thu nhận được

 Khối Bluetooth truyền tín hiệu qua lại giữa vi xử lý và máy tính

 Khối Matlab nhận giá trị từ vi xử lí thông qua giao thức không dây

Bluetooth Tại đây số liệu sẽ được phân tích cũng như xử lý và theo dõi

Khối Cảm Biến

Khối Xử Lí Matlab

Giao tiếp Serial

Giao tiếp Serial

TX

Bluetooth

3.2 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2-2: Sơ đồ nguyên lý

Kết nối Arduino với Bluetooth và cảm biến gia tốc MPU-6050 như hình để thunhận tín hiệu cảm biến

3.3 Sơ đồ giải thuật

Giải thuật phát hiện và theo dõi đa chuyển động MPU-6050

Hình 2-3: Sơ đồ giải thuật

Giải thích lưu đồ:

Bắt đầu thì thiết bị sẽ được gắn lên người dùng Sau khi kích hoạt và hoạtđộng, thiết bị sẽ gửi giá trị về máy tính Tại đây, các giá trị sẽ được xử lý, phát hiện

và phân loại các hoạt động

3.4 Một số linh kiện chính được sử dụng trong mạch

3.4.1 Board Arduino UNO R3

Giới thiệu về Board Arduino Uno R3

Hình 2-4: Board Arduino UNO R3.[1]

 Lập trình cho Arduino

Hình 2-5: Giao diện phần mềm viết code Arduino.[2]

Hình 2-6:Hình ảnh Bluetooth HC-05[3]

 Sơ đồ chân HC-05 gồm có:

KEY: Chân chọn chế độ hoạt động AT Mode hoặc Data Mode

VCC: Chân cấp nguồn từ 3.6V đến 6V

GND: Nối với chân nguồn GND

TXD, RND: Đây là hai chân UART để giao tiếp module

3.4.3 Cảm biến gia tốc MPU 6050

MPU-6050 là cảm biến của hãng InvenSense MPU-6050 là một trong nhữnggiải pháp cảm biến chuyển động đầu tiên trên thế giới có tới 6 (mở rộng tới 9) trụccảm biến tích hợp trong 1 chip duy nhất

MPU-6050 sử dụng công nghệ độc quyền MotionFusion của InvenSense có thểchạy trên các thiết bị di động, tay điều khiển

Hình 2-7: Hình ảnh Module MPU-6050[4]

MPU-6050 tích hợp 6 trục cảm biến bao gồm:

 Con quay hồi chuyển 3 trục (3-axis MEMS gyroscope)

 Cảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis MEMS accelerometer)

Ngoài ra, MPU-6050 còn có 1 đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu (Digital Motion Processor - DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cần thiết

MPU-6050 có thể kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành

bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao tiếp I2C

Các cảm biến bên trong MPU-6050 sử dụng bộ chuyển đổi tương tự - số (Anolog to Digital Converter - ADC) 16-bit cho ra kết quả chi tiết về góc quay, tọa độ Với 16-bit bạn sẽ có 2^16 = 65536 giá trị cho 1 cảm biến

Tùy thuộc vào yêu cầu của bạn, cảm biến MPU-6050 có thể hoạt động ở chế

độ tốc độ xử lý cao hoặc chế độ đo góc quay chính xác (chậm hơn) MPU-6050

có khả năng đo ở phạm vi:

 Con quay hồi chuyển: ± 250 500 1000 2000dps

MPU6050 chỉ hỗ trợ chuẩn giao tiếp I2C để xuất giá trị đo sang thiết bị khác (Master) hoặc chính nó lại là nơi xử lý, lưu trữ tín hiệu từ các thiết bị khác kết nối vào Đầu tiên ta cần nắm được Protocol của chuẩn I2C.

Slaver Address của MPU6050 mặc định là 0x68 = 0b1101000

Quá trình truyền hoặc nhận dữ liệu được bắt đầu khi có tín hiệu “Start” và kết thúc bởi tín hiệu “Stop

i2c_start();

i2c_stop();

Một khi đã có điều kiện “start” thì Master phải truyền địa chỉ của thanh ghi cần tác động và hành động tương ứng(read/write )

Đối với MPU6050 quy luật truyền do nhà sản xuất đưa ra:

Quá trình đưa dữ liệu từ vi điều khiển xuống cảm biến (chính là việc cài đặt cấu hình cho cảm biến) Write:

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

4.1 Tiền sử lý

4.1.1 Raw value

Đồ thị phân loại một số hoạt động cơ bản

Hình 3-1: Dạng sóng một số hoạt động cơ bản

4.1.2 Calibration

Calibration (Hiệu chuẩn) trong công nghệ đo lường và đo lường là việc so sánh

đo lường giá trị thực hiện bởi một thiết bị theo thử nghiệm với những người của mộttiêu chuẩn hiệu chuẩn chính xác được biết đến Tiêu chuẩn như vậy có thể là mộtthiết bị đo lường khác về độ chính xác đã biết, một thiết bị tạo ra số lượng phảiđược đo như điện áp hoặc vật thể vật lý, chẳng hạn như thước đo mét

Kết quả của việc so sánh có thể dẫn đến không có lỗi đáng kể nào được ghi nhậntrên thiết bị được thử, một lỗi quan trọng được ghi nhận nhưng không có sự điều

chỉnh nào được thực hiện hoặc một sự điều chỉnh để sửa lỗi đến mức chấp nhậnđược Nghiêm ngặt, hiệu chuẩn hạn chỉ có nghĩa là hành động so sánh và không baogồm bất kỳ sự điều chỉnh nào tiếp theo.

Hình 3-2: Giá trị chuẩn khi nằm yên của trục ax.

Hình 3-3: Giá trị chuẩn khi nằm yên của trục ay.

Hình 3-4: Giá trị chuẩn khi nằm yên của trục az.

Khi nằm ở chế độ cân bằng một trục của gia tốc sẽ ở mức 1g (g = 9.8m/s2) còn 2trục còn lại sẽ có giá trị xấp xỉ bằng 0 Cảm biến có độ nhạy rất cao và tay cầm cũngnhư khi đo đạt luôn xảy ra rung động dù là nhỏ nhất nên giá trị các trục cũng nằm ởmức tương đối chính xác và thướng có hiện tượng gợn sóng nhỏ

Sau khi hiệu chỉnh biết được giá trị các trục sau khi đã kiểm tra ta tiến hành thuthập dữ liệu và phân tích các hoạt động

4.1.3 Filter

Lọc tín hiệu là quá trình xử lý tín hiệu thu nhận được, loại bỏ các tạp âm, cácnhiễu ảnh hưởng đến việc quan sát, đánh giá và nhận xét về tín hiệu Việc lọc tínhiệu quyết định quan trọng tới chất lượng tín hiệu cũng như độ chính xác, đáng tincậy của tin tức

Tín hiệu gốc thu thập được từ cảm biến:

Hình 3-5: Dạng sóng các hoạt động thu nhận được từ cảm biến.Tín hiệu ở đây là dạng sóng đặc trưng cho các hoạt động mà chủ thể đã hoạtđộng Cảm biến thu nhận các giá trị chuyển động và mô tả lại thông qua dạng sóng.

Để nhận xét một

Phổ tần số của tín hiệu thu nhận được trước khi qua bộ lọc

Hình 3-6: Phổ của tín hiệu.

Phổ tần số sau khi qua bộ lọc:

Hình 3-7: Phổ tín hiệu sau bộ lọc.

CHƯƠNG 5 THI CÔNG PHẦN CỨNG

5.1 Yêu cầu thi công

 Thiết kế và thực hiện, thi công phần cứng

 Sử dụng module MPU-6050 để đo đạt giá trị gia tốc người dùng sau nhữnghoạt động

 Gửi dữ liệu về máy tính và phân tích dữ liệu

5.2 Mạch nguyên lý

Hình 4-1: Sơ đồ mạch nguyên lý

5.3 Sơ đồ mạch in

Hình 4-2: Sơ đồ mạch in

5.4 Kết quả thi công

5.4.1 Kết quả

 Vẽ mạch nguyên lý, mạch in, kết nối linh kiện

 Test mạch chạy ổn định, thu thập dữ liệu

 Hoàn thiện mô hình