Design of the remote patient monitoring system (e health) using wireless sensor networks

Với những lý do đã đề cập, mục tiêu của đề tài là thiết kế một hệ thống thu thập các dữ liệu y tế của bệnh nhân và truyền dữ liệu này về trung tâm lưu trữ theo các hệ thống mạng cảm biến

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN

Tên đề tài: THIếT Kế Hệ THốNG GIÁM SÁT BệNH NHÂN Từ XA

(E-HEALTH) Sử DụNG MạNG CảM BIếN KHÔNG DÂY

Mã số đề tài: C2014-20-30

Mẫu R08Ngày nhận hồ sơ

(Do CQ quản lý ghi)

Tham gia thực hiện

TT Học hàm, học vị,

Họ và tên

Chịu trách

1 TS Võ Quế Sơn Chủ nhiệm 0908259522 sonvoque@gmail.com

2 TS Phạm Quang Thái Thư ký 0936686131 pqthai.hcmut@gmail.com

3 ThS Tạ Trí Nghĩa Tham gia 0913838133 tatringhia@gmail.com

4 KS Đặng Anh Tuấn Tham gia 0913727406 datuan1982@yahoo.com.hk

5 KS Vương Phát Tham gia 0903955723 vnphat@gmail.com

BÁO CÁO TỔNG KẾT

Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT BỆNH NHÂN TỪ XA

(E-HEALTH) SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

TÓM TẮT

Những năm gần đây, tình trạng quá tải bệnh nhân tại các bệnh viện hiên nay đã được cảnh báo ở mức cao Theo thống kê thì tính đến ngày 31.12.2010 cả nước có 1.148 bệnh viện với 191.020 giường bệnh Nhưng con số này còn rất nhỏ với số lượng bệnh nhân khám và điều trị ngoại trú hàng năm là hơn 120.000 lượt, điều trị nội trú là hơn 10 triệu lượt [3] [4] Theo một báo cáo vệ hiện trạng quá tải ở Bệnh viện Chợ Rẫy [6] thì một trong những nguyên nhân dẫn đến tình trạng quá tải ở các bệnh viện là do số lượng bệnh nhân nội trú rất lớn trong khi thực sự có thể cho các bệnh nhân này điều trị ngoại trú với sự giám sát chặt chẽ của đội ngũ bác sĩ Bộ Y tế cũng đã đưa ra dự thảo đề án Giảm tải Bệnh viện giai đoạn 2012-2020 [5]

Đứng trước thực trạng đó, việc xây dựng một hệ thống giám sát các thông số về sức khỏe từ xa của bệnh nhân là thật sự cần thiết Hệ thống này cung cấp các phương tiện đo đạc các dữ liệu sức khỏe từ bệnh nhân từ xa (có thể dùng cho cả bệnh nhân nội trú hoặc ngoại trú) sau đó gởi các dữ liệu này đến một hệ thống lưu trữ để đội ngũ y bác sĩ có thể xem xét và đánh giá sức khỏe hiện trạng của các bệnh nhân Hệ thống cũng có khả năng cảnh báo khi các bệnh nhân bị đột quỵ, ngất xỉu trong tình trạng không có ai phát hiện để có thể xử lý kịp thời Tại các bệnh viện ở Việt Nam, với số lượng lớn các bệnh nhân nội trú như hiện nay thì việc đo đạc các thông

số sức khỏe nói trên cũng là một công việc mất nhiều thời gian của đội ngũ y bác sĩ

Các công nghệ giám sát bệnh nhân từ xa đã được nghiên cứu và triển khai ở nhiều nơi trên thế giới và đem lại hiệu quả khá cao, tiết kiệm chi phí, giảm tải cho các bệnh viện,… như các thiết

bị đo các chỉ số sức khỏe của Phillip [1], hay các thiết bị của SunTech [2] có khả năng đo lường

và truyền dữ liệu sức khỏe đo được trong khoảng cách ngắn Hãng Texas Instruments cung cấp một số các thiết bị và giải pháp triển khai hệ thống giám sát bệnh nhân từ xa như [44], [45] Ở Việt Nam, hiện nay chưa có giải pháp nào giải quyết bài toàn này một cách tổng thể Do vậy, đề tài sẽ tạo tiền đề cho việc nghiên cứu xây dựng một dự án hoàn chỉnh về giám sát bệnh nhân từ

xa để giải quyết các bài toán về quá tải bệnh nhân như đã nêu

Với những lý do đã đề cập, mục tiêu của đề tài là thiết kế một hệ thống thu thập các dữ liệu y tế của bệnh nhân và truyền dữ liệu này về trung tâm lưu trữ theo các hệ thống mạng cảm biến không dây (WSNs) Dữ liệu thu thập sẽ bao gồm các thông số về huyết áp, nhịp tim, nhiệt độ của bệnh nhân Đề tài sẽ tạo cơ sở cho việc tích hợp dữ liệu này vào các hồ sơ bệnh án của các

hệ thống quản lý bệnh nhân tại các bệnh viện hiện nay Điều này sẽ tiết kiệm chi phí cho các bệnh nhân, giảm tải cho các y bác sĩ và tăng số lượng bệnh nhân có thể chẩn đoán Hơn thế nữa giải pháp được sản xuất bởi chính Việt Nam không phụ thuộc vào sản phẩm và công nghệ của nước ngoài giúp giá thành của việc triển khai hệ thống giảm đi rất nhiều Các công nghệ sử dụng

để thu thập và truyền tải dữ liệu là những công nghệ mới hiện nay cho nên sự thành công của đề tài cũng sẽ phổ biến được các kỹ thuật tiên tiến tại Việt Nam

MỤC LỤC

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀTÀIKH&CN 0

BÁO CÁO TỔNG KẾT 1

LỜI CẢM ƠN 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

Chương 1 Giới Thiệu 9

1.1 Giới thiệu 9

1.2 Mục tiêu và giới hạn đề tài 9

1.3 Khái quát nội dung các chương trong báo cáo 10

Chương 2 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 12

2.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây 12

2.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 12

2.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 12

2.4 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 13

Chương 3 Lý thuyết các tín hiệu y khoa 14

3.1 Tín hiệu điện tim (ECG) 14

3.1.1 Khái niệm tín hiệu điện tim – Điện tâm đồ (ECG) 14

3.1.2 Cơ chế hình thành điện tâm đồ 14

3.1.2.1 Tế bào và nồng độ ion 14

3.1.2.2 Các quá trình điện học của tim 14

3.1.2.3 Cơ chế hình thành tín hiệu điện tim 15

3.1.2.4 Các chuyển đạo trên cơ thế 17

3.2 Nhiệt độ cơ thể 18

3.3 Huyết áp 20

3.4 Nhịp tim 21

3.4 Độ bão hòa ôxi (SPO2) 21

Chương 4 Thiết kế phần cứng 23

4.1 Thiết kế mạch MCU chính sử dụng MSP430F6659 của Texas Instruments 23

4.1.1 Sơ lược dòng vi điều khiển MSP430 23

4.1.2 Vi điều khiển MSP430F6659 23

4.2 Thiết kế mạch thu tín hiệu điện tim (ECG) 25

4.2.1 Khuếch đại vi sai sử dụng bộ khuếch đại Instrument Amplifier 25

4.2.2 Mạch lọc thông cao 26

4.2.3 Mạch lọc thông thấp 27

4.2.4 Mạch lọc Notch 27

4.2.5 Mạch nâng áp offset để tạo mức áp nằm trong khoảng đọc ADC của MCU 28

4.3 Thiết kế mạch lấy nhiệt độ 29

4.4 Lấy thông số huyết áp sử dụng máy đo huyết áp SANITAS SBC27 29

4.5 Giao tiếp với thiết bị đo SPO2 và nhịp tim 30

4.6 Giao tiếp không dây sử dụng module TelosB 31

4.7 Màn hình hiển thị LCD Nokia 6610 31

4.8 Sơ đồ ghép nối tổng quát tại mỗi node 32

4.9 Sơ đồ layout và sơ đồ bố trí linh kiện của thiết bị eHealth 32

Chương 5 Thiết kế phần mềm 34

5.1 Lập trình firmware cho DCM 34

5.1.2 Giao tiếp với DS18B20 34

5.1.2.1 Tập lệnh cơ bản của DS18B20 34

5.1.2.2 Đọc nhiệt độ từ DS18B20 35

5.1.3 Đọc giá trị từ máy đo huyết áp 35

5.1.3.1 Cơ bản về chuẩn giao tiếp I2C 36

5.1.3.2 Đọc giá trị từ bus I2C 36

5.1.3 Đọc giá trị từ máy đo SPO2/nhịp tim 38

5.1.4 Lập trình cho vi điều khiển MSP430 38

5.2 Lập trình firmware cho module RCM 42

5.2.1 Định tuyến cho RCM TelosB trong mạng cảm biến 42

5.2.2 Ứng dụng nhận dạng ngữ cảnh cho RCM TelosB trong mạng cảm biến 44

5.3 Lập trình phần mềm quản lý eHealthSys 45

5.3.1 Giới thiệu chung eHealthSys 45

5.3.2 Thu thập và trực quan dữ liệu 47

Chương 6 Kết quả, Đánh giá và KIẾN NGHỊ 55

6.1 Kết quả thiết bị mẫu thực tế 55

6.2 Đánh giá kết quả 55

6.2.1 Mô phỏng 55

6.2.2 Thực nghiệm 58

6.2.3 Mô hình phân tích 59

6.3 Kết luận 60

6.3.1 Về nội dung 60

6.3.2 Về sản phẩm 60

6.3.3 Về tiến độ 60

6.4 Kiến nghị 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

BÁO CÁO TỔNG KẾT 63

QUYỂN 2: PHỤ LỤC CHUYÊN MÔN VÀ MINH CHỨNG SẢN PHẨM 63

BÁO CÁO TỔNG KẾT 97

QUYỂN 3: PHỤ LỤC QUẢN LÝ 97

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Bảng mô tả tính hiệu điện tim 16Bảng 3.2 Bảng mô tả các biến chứng theo thân nhiệt 19Bảng 3.3 Bảng phân loại huyết áp cho người trưởng thành (≥18 tuổi) _ 20Bảng 3.4 Bảng nhịp tim lý tưởng ở từng giai đoạn tuổi 21Bảng 4.1 Các đặc tính của module TelosB 31Bảng 5.1 Bảng độ phân giải của DS18B20 35

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình tổng quát hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu y khoa sử dụng mạng cảm biến

không dây 9

Hình 1.2 Mô hình hệ thống thu thập dữ liệu y khoa của đề tài 10

Hình 3.1 Nồng độ ion bên trong và ngoài tế bào 14

Hình 3.2 Sự thay đổi icon trong các quá trình khử cực và tái khử cực 15

Hình 3.3 Tim và các thành phần dẫn xung động bên trong 15

Hình 3.4 Quá trình sinh tín hiệu điện tim 16

Hình 3.5 Tín hiệu điện tim 16

Hình 3.6 Các chuyển đạo biên 17

Hình 3.7 Vị trí các chuyển đạo trước tim 18

Hình 3.8 Sự thay đổi của nhiệt độ cơ thể trong ngày 19

Hình 3.9 Huyết áp 20

Hình 4.1 Các dòng MSP430 hiện nay 23

Hình 4.2 Nguồn và xung clock ngoài cho MSP430F6659 24

Hình 4.3 Sơ đồ khối mạch thu tín hiệu điện tim 25

Hình 4.4 Bộ khuếch đại Instrument Amplifier 25

Hình 4.5 Bên trong IC INA129 26

Hình 4.6 Sơ đồ mạch khối khuếch đại Instrument Amplifier 26

Hình 4.7 Mạch lọc thông cao 27

Hình 4.8 Mạch lọc thông thấp 27

Hình 4.9 Notch Filter 28

Hình 4.10 Sơ đồ khối khuếch đại và nâng áp offset 28

Hình 4.11 Sơ đồ chân DS18B20 29

Hình 4.12 Bên trong máy đo huyết áp Sanitas SBC27 30

Hình 4.13 Thiết bị đo SPO2/nhịp tim 30

Hình 4.14 Module RF TelosB giao tiếp UART với MSP430F6659 31

Hình 4.15 Kết nối MCU với LCD 6610 32

Hình 4.16 Sơ đồ khối tại mỗi node sensor 32

Hình 4.17 Sơ đồ layout của thiết bị eHealth 33

Hình 4.18 Sơ đồ bố trí linh kiện trên 2 mặt của thiết bị eHealth 33

Hình 5.1 Sơ đồ thanh ghi trong bộ nhớ của DS18B20 35

Hình 5.2 Cấu trúc thanh ghi CONFIG 35

Hình 5.3 Lưu đồ giải thuât đọc dữ liệu từ cảm biến DS18B20 35

Hình 5.4 Mô hình kết nối giao tiếp Master và slave bằng I2C 36

Hình 5.5 Timing diagram I2C 36

Hình 5.6 Lưu đồ giải thuật đọc dữ liệu từ bus I2C 37

Hình 5.7 Giao tiếp song song với MSP430F6659, giải mã dữ liệu theo chuẩn LED 7 đoạn 38

Hình 5.8 Lưu đồ giải thuật chương trình chính 39

Hình 5.9 Cấu trúc frame data truyền từ MCU 39

Hình 5.10 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị huyết áp khi có ngắt chân P1.4 40

Hình 5.11 Lưu đồ giải thuật lấy SPO2/nhịp tim từ thiết bị đo 41

Hình 5.12 Lưu đồ giải thuật Timer0_A0 42

Hình 5.13 Kiến trúc nút mạng TelosB 43

Hình 5.14 Mô hình định tuyến cho module RCM TelosB 43

Hình 5.15 Kiến trúc firmware cho RCM TelosB có sử dụng nhận biết ngữ cảnh 44

Hình 5.16 Định dạng các rule cho RCM 45

Hình 5.17 Cấu trúc công cụ eHealthSys 46

Hình 5.18 Tổng hợp vectơ 48

Hình 5.19 Topology sau khi tổng hợp các vectơ 49

Hình 5.20 Thẻ Database của công cụ EHealthSys 50

Hình 5.21 Gửi câu lệnh trong thẻ Network Control 51

Hình 5.22 Biểu đồ tỷ lệ nhận gói PRR trong công cụ EHealthSys 52

Hình 5.23 Biểu đồ tỷ lệ nhận gói PRR trong công cụ EHealthSys 53

Hình 5.24 Biểu đồ độ trễ gói tin trong công cụ EHealthSys 53

Hình 5.25 Biểu đồ đếm số hop mà gói tin phải đi qua trong công cụ EHealthSys 54

Hình 6.1 Thiết bị mẫu eHealth cùng đầy đủ các cảm biến 55

Hình 6.2 Mạng cảm biến dạng lưới cố định với nút di chuyển 56

Hình 6.3 Tỉ lệ truyền thành công PRR với chu kỳ gởi dữ liệu Chu kỳ beacon định tuyến là 4s 56

Hình 6.4 PRR cho tất cả các nút trong mạng 57

Hình 6.5 Mất mát do tràn bộ đệm 57

Hình 6.6 Test-bed mạng cảm biến thực với các thiết bị eHealth đã thiết kế 58

Hình 6.7 PRR của các nút eHealth với Duty Cycle là 90% 58

Hình 6.8 Nhịp tim và SPO2 thu thập theo thời gian thực từ 2 nút eHealth 1 và 2 59

Hình 6.9 PRR của mạng cảm biến theo Duty Cycle đã thiết lập 59

Chương 1 GIớI THIệU

1.1 Giới thiệu

Wireless Sensor Networks (WSNs: mạng cảm biến không dây) từ khi ra đời đến nay đã có sự phát triển nhanh chóng và ngày càng cho thấy tiềm năng ứng dụng vào các ứng dụng gần gũi với đời sống

Mạng cảm biến không dây là một mạng không dây sử dụng các vi điều khiển và bộ truyền RF

để tạo nên một mạng, quyết định giao thức, lấy dữ liệu từ các cảm biến để truyền về trung tâm Đặc điểm của WSNs là kích thước rất nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít, có khả năng tự tổ chức, bảo trì

và sửa chữa, giá thành thấp, và tốc độ thấp Chủ yếu dùng để truyền thông tin, không truyền các dạng tín hiệu media

Ngày nay ứng dụng của mạng cảm biến không dây đang dần được đưa vào đời sống ở các lĩnh vực như: Nhà thông minh, giải trí, quản lý năng lượng, chăm sóc sức khỏe, thu thập thông tin và

an ninh quân đội, thu thập các thông tin và quan trắc môi trường,… Các ứng dụng của WSNs được đánh giá sẽ phát triển trong những năm tới đây

Từ những ứng dụng thiết thực đó, đề tài này được thực hiện để tìm hiểu và hiện thực hóa một phần ứng dụng của WSNs trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe với mục tiêu có thể theo dõi tình hình sức khỏe của những người bệnh và đưa ra cảnh báo kịp thời đến bác sỹ và người nhà bệnh nhân qua hệ thống cảm biến, các dữ liệu được truyền qua mạng cảm biến không dây

1.2 Mục tiêu và giới hạn đề tài

Mục tiêu tổng quát của đề tài: Xây dựng một mạng hoàn chỉnh có thể truyền các thông tin về sức khỏe người bệnh và có khả năng cảnh báo kịp thời, cũng như được theo dõi liên tục từ người nhà bệnh nhân và bác sỹ Mô hình tổng quát như sau:

Server

Hình 1.1 Mô hình tổng quát hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu y khoa sử dụng

mạng cảm biến không dây

Tại mỗi node sẽ có các cảm biến thu thập các thông tin về sức khỏe như nhiệt độ, nhịp tim và huyết áp của bệnh nhâaa, nhiệm vụ thu thập và xử lý của một vi xử lý, sau đó truyền lên server để

lưu trữ và theo dõi Tại mỗi node cũng có khả năng xử lý đơn giản là biết khi nào có cảnh báo xảy

ra và chủ động báo với người nhà và bệnh nhân

Mô hình của hệ thống có thể thể hiện như sau:

Hình 1.2 Mô hình hệ thống thu thập dữ liệu y khoa của đề tài

1.3 Khái quát nội dung các chương trong báo cáo

Chương 1: Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây, mô hình tổng quát mà đề tài

hướng tới ở mức hoàn thiện và hệ thống được triển khai trong đề tài

Chương 2: Tìm hiểu sơ lược mạng cảm biến không dây, đặc điểm của mạng cảm biến không dây, cấu trúc cơ bản

 Thiết kế mạch thu tín hiệu ECG

 Thiết kế mạch lấy nhiệt độ từ cảm biến

 Lấy tín hiệu huyết áp từ máy đo huyết áp Chương 5: Thực hiện phần mềm gồm có 2 phần Firmware và software

 Firmware: Phát triển phần mềm nhúng trên MCU.Các lưu đồ trạng thái, xác định và gửi, thời gian lấy frame, thời gian tính toán nhịp tim,…

 Software: Sử dụng hệ cơ sở dữ liệu SQL và Visual Studio, lưu đồ giải thuật và

Chương 6: Kết quả, đánh giá và kiến nghị

Đánh giá kết quả thực hiện

 Đánh giá về nội dung

 Đánh giá về sản phẩm

 Đánh giá về tiến độ Kiến nghị

Chương 2 TổNG QUAN Về MạNG CảM BIếN KHÔNG DÂY

2.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến vô tuyến (WSNs) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau

bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng thường là các (thiết bị) đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ )

Các node mạng thường có chức năng sensing (sensor node): cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như;nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động Các node giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop

Lưu lượng (traffic) dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và ko liên tục (không hẳn với tracking

và localization aplication) Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác nhau Thông thường thời gian 1 node ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều

2.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây

Đối với một mạng cảm biến không dây khi triển khai thực tế có số lượng node lớn, có mức giới hạn về số lượng, hạn chế về tài nguyên cũng như phải đảm bảo các yêu cầu về mặt năng lượng Do đó mạng cảm biến không dây có các đặc điểm đặc trưng:

 Khả năng chịu lỗi: Khả năng chịu lỗi của mạng cảm biến không dây thể hiện ở việc mạng vẫn có thể duy trì và hoạt động bất chấp một số nút trong mạng đã ngừng hoạt động do các nguyên nhân như hết năng lượng, các tác động của các yếu tố vật lý và môi trường

 Khả năng mở rộng: Các node trong mạng phải đảm bảo hoạt động ổn định, giao thức sử dụng phải đảm bảo độ linh hoạt khi triển khi, để khi thêm hoặc bớt các node trong mạng thì mạng có thể tự điều chỉnh để hoạt động bình thường

 Mạng cảm biến không dây có số lượng node lớn, các node này giao tiếp với nhau bằng sóng RF được phát bới phần cứng chứa trong mỗi node

 Giá thành sản xuất: Đặc trưng của mạng cảm biến không dây là có số lượng node lớn, do

đó để triển khai một hệ thống ứng dụng mạng cảm biến không dây, giá của mỗi node phải được tối ưu hóa sao cho nhỏ nhất, nhưng vẫn phải đảm bảo hệ thống phải hoạt động ổn định theo yêu cầu đã đặt ra

 Phần cứng phù hợp: Các nút trong mạng cảm biến không dây phải đảm bảo tính linh hoạt

và tiện lợi dễ triển khai, do đó càng nhỏ gọn càng tốt, tiêu thụ năng lượng phải rất tối ưu, thích nghi và chịu được ảnh hưởng khắc nghiệt của môi trường

 Có thể hoạt động ở môi trường khắc nghiệt, mật độ nút lớn

 Truyền thông trong mạng cảm biến không dây là không tin cậy, các gói tin được định tuyến theo multihop từ nguồn đến đích

 Đặc điểm lớn nhất và cũng là thách thức đối với đối với mạng cảm biến không dây là vấn

đề năng lượng, sự giới hạn bộ nhớ của mỗi node và khả năng tính toán Do đó khi thiết kế phải đảm bảo truyền đúng nhưng cũng phải đảm bảo thời gian sống của node càng lâu càng tốt

2.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có những ứng dụng rất rộng rãi không những trong viễn thông mà còn ngoài đời sống, sản xuất, quân sự và y tế [28, 29,30]

Trong quân sự, mạng cảm biến không dây được dùng với các mục đích sau:

 Theo dõi sự di chuyển hoặc xuất hiện của kẻ địch

 Rà soát, phát hiện sự xuất hiện của bom mìn

 Ứng dụng kết hợp với radar

 Phát hiện người sống sót trong chiến trường

 Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường

 Phát hiện sự tấn công bằng vũ khí sinh – hóa…

Trong sản xuất, mạng cảm biến không dây có những ứng dụng sau đây:

 Sản xuất tự động

 Phát hiện sự thay đổi trong một dây chuyền sản xuất như là mực nước, mức năng lượng tiêu thụ

 Quản lý cầu đường…

Trong sinh hoạt, y tế mạng cảm biến không dây có những ứng dụng tiêu biểu sau [35-44]:

 Thiết kế các ngôi nhà tự động thông minh

 Quản lý tiêu thụ điện năng, gas, nước

 Theo dõi căn hộ khi không có ai ở nhà và báo về cho chủ

 Giúp bác sĩ theo dõi bệnh nhân mà không cần liên tục ở gần bệnh nhân

Ngoài ra mạng cảm biến không dây còn có ứng dụng trong môi trường như phát hiện cháy rừng, cảnh báo nước ô nhiễm, sự xuất hiện của các loại phóng xạ trong môi trường…

Ứng dụng mạng cảm biến còn rất nhiều và nó thực sự chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng của con người Với sự hội tụ của Internet, mobile, mạng cảm biến không dây đang ngày càng phát triển mạnh mẽ vượt trội hơn bao giờ hết

2.4 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Trong mạng cảm biến không dây, các node giao tiếp không dây qua sóng RF, do đó bị ảnh hường và hạn chế bới vật cản hay khoảng cách Khi muốn truyền đi xa thì các nút này phải phát với công suất lớn, khi đó mặt năng lượng sẽ không được đảm bảo Do vậy để giảm công suất tổng thể cần dùng giao tiếp multihop

Do các đặc điểm đã nêu ở mục trên nên cần tính toán và đảm bảo mặt hoạt động linh hoạt và

ổn định Các nút cảm biến được phân bố trong môi trường đủ để đảm bảo cho mạng có thể hoạt động ở giao tiếp multihop

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

Chương 3 LÝ THUYếT CÁC TÍN HIệU Y KHOA

3.1 Tín hiệu điện tim (ECG)

3.1.1 Khái niệm tín hiệu điện tim – Điện tâm đồ (ECG)

Điện tâm đồ là đồ thị ghi lại những thay đổi của dòng điện trong tim phát ra trong hoạt động co bóp Điện áp của dòng điện này rất nhỏ, tính bằng millivolt, có thể dò thấy (hay thu được) nhờ các điện cực [11]

3.1.2 Cơ chế hình thành điện tâm đồ

3.1.2.1 Tế bào và nồng độ ion

Trong điều kiện bình thường, tại màng tế bào, nồng độ ion sẽ có nồng độ như sau:

Hình 3.1 Nồng độ ion bên trong và ngoài tế bào

Do chênh lệch nồng độ điện của các ion trong tế bào mà khi không hoạt động, tế bào cơ tim ở trạng thái phân cực và điện thế trên màng tế bào là khoảng -90mV

Khi tế bào hoạt động, các ion vận chuyển qua màng tế bào làm thay đổi điện thế trên màng tế bào Phần này sẽ được trình bày cụ thể trong phần sau

3.1.2.2 Các quá trình điện học của tim

Sự dịch chuyển của các ion trong tế bào tim có thể thể hiện gồm trạng thái bình thường, khử cực

[Cl-] 120 mM [Cl-] 5 mM

Hình 3.2 Sự thay đổi icon trong các quá trình khử cực và tái khử cực

Khi tế bào bắt đầu hoạt động (bị kích thích), điện thế mặt ngoài màng tế bào sẽ trở thành âm tính tương đối (bị khử mất cực dương) so với mặt trong: người ta gọi đó là hiện tượng khử cực (despolarisation)

Sau đó, tế bào dần dần lập lại thế thăng bằng ion lúc nghỉ, điện thế mặt ngoài trở lại dương tính tương đối (tái lập cực dương): người ta gọi đó là hiện tượng tái cực (repolaisation)

3.1.2.3 Cơ chế hình thành tín hiệu điện tim

Tim hoạt động được nhờ xung động truyền qua hệ thần kinh

Hình 3.3 Tim và các thành phần dẫn xung động bên trong

Xung động ban đầu được tạo ra từ nút xoang tỏa ra cơ nhĩ khử cực trước, lan tỏa qua cơ nhĩ, tâm nhĩ co bóp đẩy máu xuống tâm thất, nút nhĩ-thất tiếp nhận xung động truyền qua bó His xuống tâm thất Tại mỗi nơi xung động đi tới, các cơ tim được kích thích và sinh ra quá trình khử cực và tái khử cực làm cho các điện thế trên màng tế bào thay đổi

Hình 3.4 Quá trình sinh tín hiệu điện tim

Tín hiệu điện tim thu được thường có dạng như sau:

Hình 3.5 Tín hiệu điện tim

Bảng 3.1 Bảng mô tả tính hiệu điện tim

Sóng P Trong quá trình khử cực tâm nhĩ, các vector điện 80ms

truyền theo chiều từ tâm nhĩ phải về tâm nhĩ trái

Đoạn PR Khoảng thời gian từ lúc bắt đầu sóng P đến lúc bắt

3.1.2.4 Các chuyển đạo trên cơ thế

Trên cơ thể, tín hiệu điện tim thu được được chia thành 12 chuyển đạo, gồm có các chuyển đạo gồm 6 chuyển đạo ngoại biên và 6 chuyển đạo trước tim

Đối với 6 chuyển đạo trước tim, các điện cực được đặt ở các vị trí Tay trái (LA), tay phải (RA), Chân trái (LL) Các điện áp trên đó lần lượt được ký hiệu là VLA, VRA, VLL Khi đó các đạo trình được tính như sau:

222

I II

V V aVR

V aVL V

V aVF V

Ta được 6 chuyển đạo ngoại biên là : VI, VII, VIII, aVR, aVL, aVF

Vị trí các chuyển đạo được trình bày trong hình dưới đây

Hình 3.6 Các chuyển đạo biên

Ngoài các chuyển đạo biên, ta còn có các chuyển đạo trước tim từ V1 đến V6 được thể hiện như hình dưới đây:

Hình 3.7 Vị trí các chuyển đạo trước tim

V1: Điện cực thăm dò đạt ở liên sườn 4 (P) sát xưng ức

V2: Điện cực thăm dò đặt ở liên sườn 4 bên (T) sát xưng

V3: Điện cực nằm ở điểm giữa đường nối chuyển đạo V2 và V4

V4: Điện cực thăm dò đặt ở gian sườn 5 trên đường trung đòn (T), tức vị trí mỏm tim

V5: Điện cực thăm dò đặt ở gian sườn 5 trên đường nách trước

V6: Điện cực thăm dò đặt ở gian sườn 5 trên đường nách giữa

Hệ thống các chuyển đạo này được sử dụng chủ yếu trong các quá trình chuẩn đoán

Khi thực hiện đo điện tâm sẽ xảy ra tình trạng méo dạng tín hiệu do các hoạt động cơ học, thở, các ảnh hưởng như mồ hôi, Do đó cần hạn chế đặt các điện cực ở tay, chân và ở hông Thông thường, người ta chọn cách đặt các điện cực ở ngực và ở gần hông nhằm hạn chế ảnh hưởng của các quá trình cơ học, hô hấp đến tín hiệu thu được

3.2 Nhiệt độ cơ thể

Nhiệt độ cơ thể người không đồng nhất ở mọi vị trí đo mà có sự chênh lệch ở mức chấp nhận được tùy theo vị trí đo, thời điểm đo trong ngày, hoàn cảnh đo, mức độ hoạt động của cơ thể lúc đo và nhiệt độ môi trường cũng có phần tác động đến kết quả đo

Thông thường nhiệt độ cơ thể được chấp nhận ở trung bình chung ở mức 37.0C (98.6F) Tuy nhiên thực ra cơ thân nhiệt có dao động nhẹ Chẳng hạn khi đo tại vị trí miệng ( dưới lưỡi) thì nhiệt độ dao động 36.8C ± 0.4C (98.2C ± 0.7C ) Khi đo tại các vị trí khác, nhiệt độ lại thay đổi khác nữa Mức nhiệt độ trên thường được coi là nhiệt độ bình thường nhưng thực tế ở người bình thường, mức thân nhiệt có thể thay đổi lớn hơn [22]

Ở một người trưởng thành, nhiệt độ cơ thể có thể chênh lệch đến 0.9F giữa các thời điểm trong ngày Nhiệt độ cơ thể thấp nhất vào khoảng 4 giờ sáng và cao nhất từ khoảng 4 đến 6 giờ chiều

Hình 3.8 Sự thay đổi của nhiệt độ cơ thể trong ngày

Kiểm soát nhiệt độ là một phần của cơ chế cân bằng nội sinh để giữ cơ thể hoạt động ở nhiệt độ tối ưu, nó ảnh hưởng đến các phản ứng sinh hóa trong cơ thể

Nhiệt độ cơ thể cũng thay đổi theo mùa trong năm và theo vị trí địa lý Bên cạnh đó, khi cơ thể hoạt động nhiều thì lượng thay đổi nhiệt độ cũng tăng lên Ngoài ra, khi tuổi càng lớn thì nhiệt độ trung bình của cơ thể và lượng thay đổi nhiệt độ trong ngày đều giảm xuống, do đó, đối với người lớn tuổi thì khả năng tạo ra nhiệt độ cơ thể thay đổi lớn so với bình thường nên ngay cả khi có một

sự thay đổi nhỏ trong thân nhiệt là rất đáng lưu tâm

Bảng nhiệt độ sau sẽ mô tả phần nào các dấu hiện và biến chứng ở các mức thân nhiệt:

Bảng 3.2 Bảng mô tả các biến chứng theo thân nhiệt

Nhiệt độ ( o C) Các biểu hiện, biến chứng

44 Gần như chắc chắn tử vong, tuy nhiên vẫn có bệnh nhân tăng đến 46.5oC

43 Có thể tử vong, hoặc tổn thương não nghiêm trọng, suy hô hấp

42 Mặt và da có thể đỏ, huyết áp tăng cao hoặc thấp, nhịp tim nhanh, mê sảng

41 Ngất xỉu , nôn mửa, nhức đầu dữ dội , chóng mặt , lú lẫn , ảo giác , mê

sảng và buồn ngủ có thể xảy ra Cũng có thể có đánh trống ngực và khó thở

40 Ngất xỉu , mất nước , suy nhược, nôn, đau đầu và chóng mặt có thể xảy ra

cũng như ra mồ hôi Tính mạng bắt đầu bị đe dọa

39 Đổ mồ hôi, đỏ mặt, khó thở, nhịp tim nhanh, mệt mỏi, trẻ em và người bị

động kinh có thể lên cơn co giật

38 Đổ mồ hôi, mệt mỏi khó chịu

36 Bình thường hoặc run nhẹ tùy theo người

35 Run rẩy, da tái xanh, có khả năng kích thích tim

34 Run nặng, mất kiếm soát ngón tay, da tái xanh,

33 Buồn ngủ, mất dần run rẩy, chậm nhịp tim, thở nông

32 Ảo giác, mê sản, lú lẩn hoàn toàn

31 Hôn mê , rất hiếm khi có ý thức Không có hoặc phản xạ nhẹ Thở rất nông

Huyết áp phụ thuộc vào lực bơm máu của tim, thể tích máu được bơm, kích thước cũng như độ đàn hồi của thành động mạch Huyết áp liên tục thay đổi tùy theo hoạt động, nhiệt độ, chế độ ăn, cảm xúc, tư thế, và sử dụng thuốc

Các số đo huyết áp thường được tính bằng milimét thủy ngân (mmHg).Ví dụ 110 trên 70 (110/70 mmHg) Huyết áp bao gồm 2 thông số:

- Tâm thu: Là trị số huyết áp cao nhất khi tim co bóp

- Tâm trương: Là trị số huyết áp thấp nhất khi tim nghỉ ngơi

Huyết áp thông thường được đo tại tay, cụ thể là bắp tay, các loại máy cầm tay mới hiện điện ngay nay có thể có loại đo tại cổ tay Huyết áp của một người bình thường có tâm thu lớn hơn tâm trương, ví dụ 120/80

Hình 3.9 Huyết áp

Bảng sau cho giá trị của huyết áp bình thường cũng như ngưỡng để xác định cao hay hạ huyết áp:

Bảng 3.3 Bảng phân loại huyết áp cho người trưởng thành (≥18 tuổi)

Trạng thái Tâm thu Tâm trương

Trị số huyết áp có thể bị ảnh hưởng bới các bệnh lý: tim mạch, thần kinh, thận và đường tiết niệu, tâm lý stress, giận dữ, sợ hãi,… Ngoài ra, huyết áp còn có sự khác nhau ở các độ tuổi khác nhau [23]

3.4 Nhịp tim

Nhịp tim hiểu đơn giản là số lần đập của tim được tính trong 1 phút ( đơn vị bpm)

Nhịp tim bị ảnh hưởng bởi các yếu tố: Tư thế( đứng, ngồi, ) trạng thái thần kinh(phấn khích, sợ hãi, lo lắng, …) hay ảnh hưởng của một số loại thuốc

Bảng 3.4 Bảng nhịp tim lý tưởng ở từng giai đoạn tuổi

3.4 Độ bão hòa ôxi (SPO2)

Máu mà thành phần quan trọng nhất của máu là Hemoglobine (Hb) sẽ vận chuyển oxy từ phổi đến các nơi cần thiết trong cơ thể để đảm bảo sự sống Sự vận chuyển đó xảy ra khi Hb kết hợp với oxy thành HbO2

Các tế bào hồng cầu có chứa Hb Một phân tử Hb có thể gắn với 4 phân tử oxy và khi đã gắn đủ 4 phân tử oxy thì gọi là “bão hòa oxy” Nếu tất cả các phân tử Hb trong máu đều gắn với oxy, lúc đó

ta sẽ nói độ bão hòa oxy là 100% Hầu hết các phân tử Hb sẽ gắn với oxy khi chúng đi qua phổi

Tỷ lệ HbO2/ (HbO2+Hb) gọi là độ bão hòa oxy trong máu SpO2, nói cách khác là tỷ lệ phần trăm hemoglobine của máu kết hợp với Oxy

Một người khỏe mạnh bình thường khi thở ở không khí ở mực nước biển sẽ có độ bão hòa oxy động mạch là 95%-100%

Các thông số này chịu ảnh hưởng của độ cao cũng như vị trí địa lý

Chương 4 THIếT Kế PHầN CứNG

4.1 Thiết kế mạch MCU chính sử dụng MSP430F6659 của Texas Instruments

4.1.1 Sơ lược dòng vi điều khiển MSP430

Vi điều khiển MSP430 là vi điều khiển 16bit, dựa trên RISC CPU, có bộ xử lý mixed-signal ( được tích hợp cả Analog và Digital), được thiết kế cho những ứng dụng đòi hỏi năng lượng thấp Những đặc điểm tổng quát của họ vi điều khiển MSP430:

 Cấu trúc sử dụng nguồn thấp giúp kéo dài tuổi thọ của Pin

 Duy trì 0.1µA dòng nuôi RAM

 Chỉ 0.8µA real-time clock

 Bộ tương tự hiệu suất cao cho các phép đo chính xác

 12 bit hoặc 10 bit ADC-200 kskp, cảm biến nhiệt độ, Vref

 12 bit DAC

 Bộ giám sát điện áp nguồn

 16 bit RISC CPU cho phép được nhiều ứng dụng, thể hiện một phần ở kích thước mã lệnh

 Thanh ghi lớn nên loại trừ được trường hợp tắt nghẽn tập tin khi đang làm việc

 Thiết kế nhỏ gọn làm giảm lượng tiêu thụ điện và giảm giá thành

 Tối ưu hóa cho những chương trình ngôn ngữ bậc cao như C, C++

 Có 7 chế độ định địa chỉ

 Khả năng ngắt theo vector lớn

 Trong lập trình cho bộ nhớ Flash cho phép thay đổi Code một cách linh hoạt, phạm vi rộng, bộ nhớ Flash còn có thể lưu lại như nhật ký của dữ liệu [24]

Hình 4.1 Các dòng MSP430 hiện nay

4.1.2 Vi điều khiển MSP430F6659

Thuộc dòng sản phẩm F6xx series của MSP430 với các đặc điểm và thông số chính:

 Áp cung cấp: 1.8 – 3.6V

 Có các chế độ hoạt động gồm Active Mode và các chế độ Low Power mode cho phép tối

ưu năng lượng để kéo dài thời gian sử dụng

 Là vi xử lý 16bit có xung clock có thể đạt tối đa 20MHz

 Có tùy chọn cấu hình sử dụng xung clock nội hay xung clock ngoại

 Có 4 timer 16bit dùng để định thời

 Có bộ Real Time Clock có sử dụng Battery Backup và chế độ Calendar mode

 Có 3 giao tiếp nối tiếp hỗ trợ các chuẩn I2C, SPI, UART, hỗ trợ autobaud UART

 Có 1 giao tiếp USB

 16 bộ ( ngõ vào) ADC 12bit

 2 bộ DAC 12bit

Sơ đồ nguyên lý: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển chính gồm 2 phần câp nguồn và phần giao tiếp với các ngoại vi Sơ đồ nguyên lý chi tiết được đính kèm trong CD, do diện tích quá lớn

Hình 4.2 Nguồn và xung clock ngoài cho MSP430F6659

MSP430F6659 hỗ trợ cùng lúc 2 thạch anh ngoài với XT1 có giá trị 32kHz và XT2 có thể đến 32MHz

MSP430 có thể nạp và debug qua chuẩn JTAG MSP sử dụng MSP-FET hoặc nạp và debug theo chuẩn Spy-Bi-Wire kết nối đơn giản với 3 chân GND, TEST và RST

4.2 Thiết kế mạch thu tín hiệu điện tim (ECG)

Signal

Khuếch đại Lọc thông cao Lọc thông thấp

Lọc chắn dải Nâng áp

(Offset)

Output

Hình 4.3 Sơ đồ khối mạch thu tín hiệu điện tim

4.2.1 Khuếch đại vi sai sử dụng bộ khuếch đại Instrument Amplifier

Tín hiệu điện tim được lấy thông qua sự chênh lệch về điện thế giữa 2 điện cực được mắc trên cơ thể, khoảng điện thế chênh lệch giữa 2 điện cực này là rất nhỏ, đo bằng millivolt, do đó, cần khuếch đại tín hiệu vi sai giữa 2 điện cực này lên để thu được giá trị lớn hơn để xử lý [13]

Hình 4.4 Bộ khuếch đại Instrument Amplifier

Hiện nay đã có các IC chuyên dung thay thế mạch khuếch đại sử dụng Op-amp này, trong đề tài này, thiết kế sử dụng IC INA129 của hãng Texas Instruments [26]

Hình 4.5 Bên trong IC INA129

Hình 4.6 Sơ đồ mạch khối khuếch đại Instrument Amplifier

Tín hiệu từ các ngõ vào lấy từ điện cực được nối vào các Header RA và RB, tín hiệu điện tim là tín hiệu vi sai điện áp ở hai chân này

Mạch lọc thông cao được sử dụng trong trường hợp này nhằm chặn dòng DC để khuếch đại tín hiệu từ ngõ ra của INA129

Yêu cầu đặt ra là tần số cắt của mạch này rất nhỏ, chỉ có tác dụng để chặn dòng DC Vì tần số tin hiệu điện tim là nhỏ, để không bị mất tín hiệu điện tim thì mạch lọc thông cao phải có tần số cắt thấp

Tần số cắt: fc = 0.07 Hz

Hình 4.7 Mạch lọc thông cao

4.2.3 Mạch lọc thông thấp

Loại bỏ thành phần tần số cao trong tín hiệu

Tần số của tín hiệu điện tim cao nhất nằm trong khoảng 40Hz, trong trường hợp người bệnh bị các bệnh về tim, dao động điện tim sẽ thay đổi đáng kế, tần số được khuyến cáo là khoảng 100Hz Do

đó ta thiết kế bộ lọc thông thấp có tần số cắt nằm ở khoảng này

Hình 4.8 Mạch lọc thông thấp

439599.086 ( )

Hình 4.9 Notch Filter

Tần số trung tâm bị loại bỏ:

f0 = 48.2287706339[Hz]

f0 = 50.5827613772[Hz]

4.2.5 Mạch nâng áp offset để tạo mức áp nằm trong khoảng đọc ADC của MCU

Mạch này ta sử dụng tính chất có thể ghép là mạch cộng điện áp của Op-amp để tạo mạch nâng

áp Một Op-amp khuếch đại tín hiệu từ bộ lọc ra, là tín hiệu điện tim cần thu, Một Op-amp sẽ tao

ra mức điện áp offset để cộng vào mức tín hiệu của điện tim tạo ra tín hiệu có thể đọc được bằng module ADC của vi điều khiển

Hình 4.10 Sơ đồ khối khuếch đại và nâng áp offset

Ngõ ra của của tín hiệu được đưa vào một chân của module ADC trong vi điều khiển, vi điều khiển sẽ đọc ADC và

4.3 Thiết kế mạch lấy nhiệt độ

Để lấy được nhiệt độ cơ thể, trong đề tài này, thiết kế sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20 Đây không phải là một cảm biến chuyên dụng để đo nhiệt độ cơ thể người Do đó việc sử dụng cảm biến này với mục đích là có thể lấy được nhiệt độ cơ thể ở mức tượng trưng chứ chưa chính xác tuyết đối Một điểm nữa như đã trình bày trong phần lý thuyết về nhiệt độ cơ thể, các vị trí đặt cảm biến trên cơ thể khác nhau sẽ cho các giá trị nhiệt độ có sự chênh lệch tương đối tại vị trí đó, không phải nhiệt độ mọi điểm trên cơ thể đều có giá trị như nhau

Hình 4.11 Sơ đồ chân DS18B20

DS18B20 có 3 chân chính là VCC, GND và chân tín hiệu DQ giao tiếp theo chuẩn giao tiếp 1 dây (onewire) Chuẩn giao tiếp này được trình bày cụ thể ở phần lập trình firmware Do đó chỉ cần nối một chân này vào MCU để điều khiển việc đọc dữ liệu về

Đặc tính kỹ thuật: các đặc điểm kỹ thuật của cảm biến DS1820 có thể kể ra một cách tóm tắt như sau:

 Độ phân giải khi đo nhiệt độ là 9,10,11,12 bit Dải đo nhiệt độ -55oC đến 125oC, từng bậc 0,5oC, có thể đạt độ chính xác đến 0,1oC bằng việc hiệu chỉnh qua phần mềm

 Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi trong khoảng rộng (từ 3,0 V đến 5,5 V)

 Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ cực nhỏ

 Thời gian lấy mẫu và biến đổi thành số tương đối nhanh, không quá 200 ms

 Mỗi cảm biến có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROM trên chip (on chip)

Ở đây thiết kế sử dụng chân P2.3 của vi điều khiển MSP430 để kết nối lấy dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ DS18B20

4.4 Lấy thông số huyết áp sử dụng máy đo huyết áp SANITAS SBC27

Để có được tín hiệu huyết áp, thiết kế sử dụng máy đo huyết áp hiệu SANITAS SBC27 Đặc điểm của máy đó là máy sử dụng một EEPROM 24C08 giao tiếp theo chuẩn I2C để lưu dữ liệu Mỗi khi đo xong, các thông số của huyết áp sẽ được lưu vào EEPROM này Do đó để có được các thông số này, thiết kế sử dụng cách capture đường tín hiệu trên bus I2C và suy ngược ra thông tin vừa đo được

Hình 4.12 Bên trong máy đo huyết áp Sanitas SBC27

Giải thuật lấy dữ liệu từ bus I2C được trình bày trong phần thiết kế firmware ở phần sau Để lấy tín hiệu, cần nối các dây SCL, SDA như đánh dấu vào chân IO ở chế độ Input của vi điều khiển MSP430 Ngoài ra phải nối chung GND với vi điều khiển Như vậy cần tất cả 3 dây nối từ máy đo huyết áp đến mạch điều khiển trung tâm [21]

Nối chân SCL và SDA của EEPROM với chân P4.2 và P4.1 để capture dữ liệu được truyền trên bus I2C của máy đo huyết áp

4.5 Giao tiếp với thiết bị đo SPO2 và nhịp tim

Các thiết bị đo SPO2 và nhịp tim trong thiết kế là loại thông dụng trên thị trường như AVAX 50DL Thiết bị đo SPO2/nhịp tim sẽ sinh ra các tín hiệu ngắt cho bộ BK-eHealth Thiết bị BK-eHealth sẽ đọc các giá trị dữ liệu dạng LED 7 đoạn (7 Segment) để giải mã thành dữ liệu cần đọc

AV-về Sau đó dữ liệu sẽ được kiểm tra để có thể thiết lập các cảnh báo [32]

Hình 4.13 Thiết bị đo SPO2/nhịp tim

4.6 Giao tiếp không dây sử dụng module TelosB

Để có khả năng truyền dữ liệu qua mạng, module RF được sử dụng trong thiết kế này là TelosB có các thông số chính như sau

Bảng 4.1 Các đặc tính của module TelosB

Module TelosB có khả năng chạy hệ điều hành WSNs TinyOS hoặc Contiki nhằm tối ưu hoạt động cũng như năng lượng tiêu thụ trong quá trình truyền dữ liệu không dây MCU MSP430F6659 giao tiếp với TelosB qua giao tiếp UART

Hình 4.14 Module RF TelosB giao tiếp UART với MSP430F6659

Trong trường hợp không sử dụng kết nối RF của WSNs, thiết bị eHealth có thể sử dụng giaot tiếp UART này để truyền dữ liệu qua mạng GSM/GPRS/3G nếu áp dụng cho bệnh nhân ngoại trú, không cần hình thành mạng WSNs [15, 16]

4.7 Màn hình hiển thị LCD Nokia 6610

Màn hình hiển thị LCD Nokia 6610 là loại màn hình màu có độ phân giải cao 132x132 thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử kích thước bé Trong thiết kế này, màn hình LCD 6610 được sử dụng để hiện thị hoạt động của thiết bị eHealth Bên trong LCD 6610 có một bộ vi xử xý nội giao tiếp với MCU MSP430F6659 chính theo chuẩn SPI

Sơ đồ mạch kết nối với LCD 6610 như hình vẽ sau

Hình 4.15 Kết nối MCU với LCD 6610

4.8 Sơ đồ ghép nối tổng quát tại mỗi node

Từ quá trình thiết kế ở trên, có thể tóm gọn lại mô hình như sau:

Hình 4.16 Sơ đồ khối tại mỗi node sensor

4.9 Sơ đồ layout và sơ đồ bố trí linh kiện của thiết bị eHealth

Thiết bị eHealth được thiết kế mạch in 2 lớp có kích thước bé 83x66 mm Các linh kiện sử dụng trong thiết bị đều là các linh kiện dán bề mặt và tiêu thụ công suất thấp Sơ đồ layout và sơ đồ bố trí linh kiện được cho bởi các hình vẽ sau

Hình 4.17 Sơ đồ layout của thiết bị eHealth

Hình 4.18 Sơ đồ bố trí linh kiện trên 2 mặt của thiết bị eHealth

 RCM: RF Communication Module, có nhiệm vụ giao tiếp mạng không dây: mạng cảm biến không dây hoặc mạng di động GSM/GPRS/3G

Mỗi module có một firmware riêng với chức năng khác nhau nhằm tối ưu theo các mục tiêu thu thập dữ liệu và giao tiếp qua mạng không dây

Hình 5.1 Sơ đồ thanh ghi trong bộ nhớ của DS18B20

Thanh ghi Config sẽ có cấu trúc như sau:

Hình 5.2 Cấu trúc thanh ghi CONFIG

Trong đó 2 bit R1 và R0 sẽ quyết định độ phân giải của kết quả nhiệt độ trả về:

Bảng 5.1 Bảng độ phân giải của DS18B20

5.1.2.2 Đọc nhiệt độ từ DS18B20

Giải thuật để đọc giá trị từ cảm biến nhiệt độ DS18B20

Start

Reset Send 0xCC Send 0xBE

Reset Send 0xCC Send 0x44

Read byte 0 and byte 1 from ScratchPad

Return ((byte1<<8)

|byte0)

End

Truy su t tr c ti p vào b nh , g i

l nh start convert nhi t đ

Đ c 2 byte đ u tiên trong scratchpad

Truy su t tr c ti p vào b nh , g i

l nh đ c d li u t scratchPad

Hình 5.3 Lưu đồ giải thuât đọc dữ liệu từ cảm biến DS18B20

5.1.3 Đọc giá trị từ máy đo huyết áp

Ngay khi đo xong, máy đo huyết áp sẽ lưu kết quả tự động vào EEPROM sử dụng thông qua chuẩn I2C, do đó để lấy được dữ liệu, kỹ thuật được sử dụng cách là capture bus I2C để lấy dữ liệu ngay khi máy đo tiến hành lưu dữ liệu vào EEPROM

5.1.3.1 Cơ bản về chuẩn giao tiếp I2C

I2C là chuẩn được phát minh bởi hãng Philips sau đó được chuẩn hóa và được chấp nhận rộng rãi, dược sử dụng trong các hệ thống nhúng, các thiết bị điện tử

Các thiết bị khi giao tiếp trong I2C sẽ có mô hình như sau:

Hình 5.4 Mô hình kết nối giao tiếp Master và slave bằng I2C

Master sẽ có nhiệm vụ điều khiển chính, mỗi Slave và Master có địa chỉ khác nhau để phân biệt với nhau Thông thường, mỗi thiết bị sẽ có 7bit để xác định địa chỉ, 1 bit còn lại để xác định là lệnh đọc hay ghi vào thanh ghi trên mỗi thiết bị

Giản đồ thời gian của chuẩn giao tiếp I2C:

Hình 5.5 Timing diagram I2C

Điều kiện bắt đầu (Start): Mỗi khi muốn gửi dữ liệu, master phải gửi địa chỉ device mà nó muốn đọc/ghi dữ liệu, sau đo là địa chỉ thanh ghi và cuối cùng là giá trị Xung clock do master điều khiển Điều kiện bắt đầu là khi chân SDA hạ từ HIGH sang LOW trong khi SCL vẫn HIGH Điều kiện kết thúc (Stop): chân SDA từ LOW lên HIGH trong khi SCL vẫn HIGH

Bit có trọng số lớn nhất sẽ được truyền trước Lần lượt hết 8 bit của một byte Bit thứ 9 là bit ACK, bit này do Slave điều khiển

5.1.3.2 Đọc giá trị từ bus I2C

N Y

N

Y N

Để đọc được dữ liệu từ bus I2C, khi bắt đầu cần chờ cả SDA và SCL đều ở mức cao Sau đó tiếp tục chờ Start Condition khi SDA xuống thấp còn SCL vẫn ở mức cao, sau quá trình này sẽ tiến hành đọc giá trị của mỗi bít khi xét chân SCL từ thấp lên cao và xuống lại thấp Mỗi lần đọc giá trị SDA để xét xem có phải điều kiện restart hay stop hay không( xét SCL khi SDA cố định)

Quá trình đọc chuỗi byte cứ thực hiện khi nhận được Stop Condition thì dừng lại và tăng chuỗi byte lên 1 byte Ngay khi đo xong, máy đo huyết áp sẽ gửi lệnh đọc byte tại thanh ghi 0x07 của eeprom có địa chỉ đọc là 160 Dùng chuỗi byte để so sánh với giá trị này, khi đúng với giá trị này thì bắt đầu lưu chuỗi byte này được lưu vào một biến tạm, có một biến counter đếm đến giá trị max thì dừng lại và trả về giá trị đọc được

Quá trình đọc dữ liệu từ bus I2C là quá trình đọc liên tục, nằm trong vòng lặp vô tận, được kết thúc khi đã đọc đủ số lượng byte cần lấy, do đó cần biết trước số byte để làm điều kiện thoát ra khỏi vòng lặp vô tận

5.1.3 Đọc giá trị từ máy đo SPO2/nhịp tim

Máy đo SPO2/nhịp tim sẽ kích chân ngắt nối với P2.3 của MSP430F6659 khi đã thưc hiện đo xong Do đó MCU MSP430 chỉ cần nhảy vào chương trình ngắt thực hiện đọc dữ liệu từ giao tiếp song song của thiết bị đo bao gồm SPO2/nhịp tim được mã hóa ở dạng dữ liệu LED 7 đoạn Mỗi

dữ liệu cho LED 7 đoạn được cập nhật sau 200ms MCU MSP40F6659 chi cần giải mã ngược lại

dữ liệu thu được theo chuẩn LED 7 đoạn thì sẽ thu được giá trị đo SPO2 và nhịp tim [34]

Các giá trị SPO2 và nhịp tim được đo theo giờ gian thực

Hình 5.7 Giao tiếp song song với MSP430F6659, giải mã dữ liệu theo chuẩn LED 7

đoạn

5.1.4 Lập trình cho vi điều khiển MSP430

MSP430 là dòng sản phẩn có khả năng tiết kiệm năng lượng cao, để có thể tận dụng tối đa khả năng tiết kiệm năng lượng thì cần đưa MCU vào chế độ LowPower để giảm tiêu thụ năng lượng, các quá trình khác sẽ được thực thi khi có ngắt xảy ra

Lưu đồ giải thuật chính: