Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát phòng bệnh trên nền tảng android

Trần Đức Hoàng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 189(13): 15 - 21<br /> <br /> XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT PHÒNG BỆNH<br /> TRÊN NỀN TẢNG ANDROID<br /> Trần Đức Hoàng*, Đoàn Mạnh Cường, Lê Hoàng Hiệp, Nguyễn Thị Dung<br /> Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo nhằm giới thiệu việc xây dựng một hệ thống phần mềm ứng dụng chạy trên nền tảng<br /> Android sử dụng công nghệ truyền thông Bluetooth được thiết kế thông qua quá trình khảo sát, tìm<br /> hiểu những yêu cầu trong thực tế như theo dõi hệ thống điều khiển ánh sáng, hệ thống điều hòa<br /> không khí, hệ thống cảnh báo cháy nổ đối với phòng điều trị bệnh cho bệnh nhân tại các cơ sở y<br /> tế. Hệ thống có khả năng tương tác, điều khiển phòng bệnh điều trị của bệnh nhân từ xa với những<br /> chức năng như sau:<br /> - Giám sát thông số về nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khói (khí) trong phòng bệnh.<br /> - Tự động gửi cảnh báo tới bác sỹ trong trường hợp các thông số nằm ngoài ngưỡng cho phép.<br /> - Điều khiển thiết bị điện sử dụng trong phòng như: đèn, quạt...<br /> - Gửi yêu cầu chăm sóc điều trị tới số điện thoại của bác sỹ.<br /> Từ khóa: Ứng dụng điều khiển từ xa, Điều khiển thiết bị trên Android, Giám sát thông số trong<br /> phòng bệnh, Hệ thống điều khiển trên nền Mobile<br /> <br /> GIỚI THIỆU*<br /> Nâng cao chất lượng khám và điều trị bệnh là<br /> một trong những mục tiêu đã và đang được<br /> các cơ sở y tế, bênh viện và cả các phòng<br /> khám tư nhân quan tâm chú trọng. Trong đó<br /> việc trang bị cho phòng điều trị những thiết<br /> bị, công nghệ giúp bệnh nhân thuận tiện sử<br /> dụng, kiểm soát được các yếu tố trong phòng<br /> mà không làm ảnh hưởng tới bệnh nhân, từ đó<br /> có một không gian thoải mái và giúp bệnh<br /> nhân hồi phục nhanh, tốt hơn đang là một<br /> mục tiêu hướng tới.<br /> Ưu điểm của hệ thống thông minh này so với<br /> các phương pháp thủ công truyền thống là<br /> người sử dụng như bác sĩ điều trị, bệnh nhân<br /> và người nhà bệnh nhân có thể giám sát và<br /> điều khiển các thiết bị trong phòng từ xa, sau<br /> khi biết được các thông số như nhiệt độ, độ<br /> ẩm, khí gas tại phòng bằng điện thoại sử dụng<br /> hệ điều hành android. Hệ thống cũng gửi các<br /> thông số, những cảnh báo về số điện thoại của<br /> bác sĩ điều trị hoặc người nhà bệnh nhân và<br /> bệnh nhân trong trường hợp vượt mức yêu<br /> cầu y tế cho phép. Từ đó có thể can thiệp kịp<br /> thời để không làm ảnh hưởng tới bệnh nhân<br /> trong quá trình điều trị [1],[2].<br /> *<br /> <br /> Tel: 0976 262145; Email: tdhoang@ictu.edu.vn<br /> <br /> ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN<br /> THÔNG KHÔNG DÂY BLUETOOTH KẾT<br /> HỢP NỀN TẢNG ANDROID TRÊN<br /> MOBILE TRONG XÂY DỰNG ỨNG DỤNG<br /> Bluetooth là một công nghệ truyền thông không<br /> dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp<br /> với nhau bằng sóng vô tuyến qua băng tần<br /> chung ISM (Industrial, Scientific, Medical).<br /> Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay<br /> thế dây cable giữa máy tính và các thiết bị<br /> truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa<br /> các thiết bị điện tử lại với nhau một cách<br /> thuận lợi với giá thành rẻ.<br /> Khi được kích hoạt, Bluetooth có thể tự động<br /> định vị những thiết bị khác có chung công<br /> nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết<br /> nối với chúng. Nó được định hướng sử dụng<br /> cho việc truyền dữ liệu lẫn tiếng nói.<br /> Tầng giao thức Bluetooth Radio<br /> Tầng Bluetooth Radio là tầng thấp nhất được<br /> định nghĩa trong đặc tả Bluetooth. Nó định<br /> nghĩa những yêu cầu cho bộ phận thu phát<br /> sóng hoạt động ở tần số 2,4GHz ISM<br /> (Industrial, Scientific, and Medical). Băng tần<br /> ISM là băng tần không cần đăng kí được dành<br /> riêng để dùng cho các thiết bị không dây<br /> trong công nghiệp, khoa học và y tế. Nhờ giao<br /> 15<br /> <br /> Trần Đức Hoàng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> tiếp bằng sóng radio mà dữ liệu Bluetooth có<br /> thể xuyên qua các vật thể rắn và phi kim.<br /> <br /> 189(13): 15 - 21<br /> <br /> - Bluetooth được dùng trong giao tiếp dữ liệu<br /> tiếng nói: có 3 kênh để truyền tiếng nói và 7<br /> kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân.<br /> - An toàn và bảo mật được tích hợp với sự<br /> xác nhận và mã hóa.<br /> - Tính tương thích với thiết bị phần cứng cao.<br /> Phát huy ưu điểm của hệ điều hành Android<br /> <br /> Hình 1.Các tầng giao thức của Bluetooth<br /> <br /> Sóng radio của Bluetooth được truyền đi bằng<br /> cách nhảy tần số (Frequency Hopping), có<br /> nghĩa là mọi gói tin (Packet) được truyền trên<br /> những tần số khác nhau. Tốc độ nhảy nhanh<br /> giúp tránh nhiễu tốt. Hầu hết các nước dùng<br /> 79 bước nhảy, mỗi bước nhảy cách nhau<br /> 1MHz, bắt đầu ở 2,402GHz và kết thúc ở<br /> 2,480GHz. Ở một vài nước, chẳng hạn như<br /> Pháp, Nhật, phạm vi của dải băng tần này<br /> được giảm đi còn 23 bước nhảy.<br /> Các đặc điểm của công nghệ Bluetooth<br /> - Tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép ứng<br /> dụng được trong nhiều loại thiết bị bao gồm<br /> cả thiết bị cầm tay và điện thoại di động.<br /> - Khoảng cách giao tiếp cho phép:<br />  Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể<br /> lên đến 10m ngoài trời và 5m trong tòa nhà.<br />  Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access<br /> point có thể lên tới 100 m ngoài trời và 30 m<br /> trong tòa nhà.<br /> - Bluetooth sử dụng băng tần không đăng kí<br /> 2,4Ghz trên dãy băng tần IMS. Tốc độ truyền<br /> dữ liệu có thể đạt tới mức tối đa 1Mbps (do<br /> sử dụng tần số cao) mà các thiết bị không dây<br /> cần phải thấy trực tiếp nhau.<br /> - Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng:<br /> Bluetooth kết nối một ứng dụng này với một<br /> ứng dụng khác thông qua các chuẩn<br /> “Bluetooth Profiles”, do đó có thể độc lập về<br /> phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng.<br /> 16<br /> <br /> Android là một hệ điều hành di động dựa trên<br /> nền tảng Linux phiên bản 2.6 dành cho các<br /> dòng điện thoại SmartPhone. Đầu tiên<br /> Android được ra đời bởi công ty liên hợp<br /> Android, sau đó được Google mua lại và phát<br /> triển từ năm 2005 và trở thành một hệ điều<br /> hành di động mã nguồn mở, miễn phí, mạnh<br /> mẽ và được ưa chuộng cao trên thế giới.<br /> Hệ điều hành android một hệ điều hành rất<br /> mạnh, có khả năng bảo mật cao, hỗ trợ được<br /> nhiều công nghệ tiên tiến như 3G, GPS,<br /> EDGE, Wifi.. tương thích với nhiều phần<br /> cứng, hỗ trợ nhiều loại bộ nhập dữ liệu như<br /> Keyboard, Touch và Trackball. Android là hệ<br /> điều hành di động nên có khả năng kết nối cao<br /> với các mạng không dây. Hỗ trợ công nghệ<br /> OpenGL nên có khả năng chơi các phương tiện<br /> media, hoạt hình cũng như trình diễn các khả<br /> năng đồ họa khác cực tốt, là tiền đề để phát<br /> triển các ứng dụng có giao diện phức tạp chẳng<br /> hạn như là các trò chơi [1], [2], [3].<br /> PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG<br /> CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG<br /> Thiết kế hệ thống tập trung vào xây dựng mô<br /> hình phòng bệnh thông minh để phục vụ bệnh<br /> nhân trong quá trình khám chữa bệnh. Hệ<br /> thống được điều khiển bởi điện thoại di động<br /> của bệnh nhân thông qua công nghệ truyền<br /> thông Bluetooth kết hợp nền tảng Android<br /> trên mobile. Sau khi bật chương trình điều<br /> khiển trên điện thoại di động, người dùng<br /> phải nhập chuỗi mật khẩu để kết nối giữa điện<br /> thoại và hệ thống xử lý trung tâm. Thông qua<br /> giao diện chương trình, người dùng có thể<br /> điều khiển các thiết bị điện trong phòng cũng<br /> như giám sát một số thông số môi trường<br /> trong phòng điều trị.<br /> <br /> Trần Đức Hoàng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Việc sử dụng các tín hiệu không dây như<br /> Bluetooth cho phép hệ thống được triển khai<br /> và áp dụng linh hoạt vào thực tế. Vì vậy hệ<br /> thống cho phép người dùng có thể tự do thiết<br /> kế vị trí đặt các khối thành phần tùy theo thực<br /> tế phòng bệnh. Tùy vào từng loại thiết bị RF<br /> sử dụng, khoảng cách làm việc khả dụng của<br /> hệ thống có thể dao động từ vài chục mét [4].<br /> <br /> 189(13): 15 - 21<br /> <br /> o<br /> <br /> Khối thu tín hiệu RF<br /> <br /> o<br /> <br /> Khối điều khiển thiết bị (đèn, quạt)<br /> <br />  Các khối cảm biến thông số môi trường:<br /> o<br /> <br /> Khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm<br /> <br /> o<br /> <br /> Khối cảm biến khói (cháy)<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ khối thiết kế hệ thống<br /> <br /> Trong đó, nhiệm vụ chức năng của các khối<br /> như sau:<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống<br /> <br /> Từ yêu cầu xây dựng mô hình hệ thống phòng<br /> bệnh thông minh của bệnh nhân sẽ có những<br /> tính năng cụ thể như sau:<br /> - Giám sát thông số nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến<br /> khói trong trường hợp xảy ra hỏa hoạn.<br /> - Tự động gửi cảnh báo tới bác sỹ trong<br /> trường hợp các thông số nằm ngoài ngưỡng<br /> cho phép.<br /> - Điều khiển thiết bị điện từ xa sử dụng trong<br /> phòng như: Đèn, quạt...<br /> - Gửi yêu cầu chăm sóc điều trị tới số điện<br /> thoại của bác sỹ.<br /> Sơ đồ khối hệ thống<br /> Sơ đồ khối hệ thống gồm những khối thành<br /> phần như sau:<br />  Giao diện chương trình điều khiển trên<br /> điện thoại di động<br />  Trung tâm điều khiển:<br /> o<br /> <br /> Khối thu tín hiệu Bluetooth<br /> <br /> o<br /> <br /> Khối xử lý trung tâm<br /> <br /> o<br /> <br /> Khối phát tín hiệu RF<br /> <br />  Các khối điều khiển thiết bị:<br /> <br />  Giao diện chương trình điều khiển trên<br /> điện thoại di động: Được thiết kế trên nền<br /> tảng Android. Giao diện chương trình thân<br /> thiện, dễ dàng sử dụng.<br />  Trung tâm điều khiển:<br /> - Khối thu tín hiệu Bluetooth: Làm nhiệm vụ<br /> thu nhận tín hiệu điều khiển từ điện thoại<br /> người dùng.<br /> - Khối xử lý trung tâm: Thu nhận và giải mã<br /> tín hiệu điều khiển Bluetooth từ điện thoại,<br /> sau đó gửi tín hiệu điều khiển đến khối chấp<br /> hành thông qua khối phát RF; Khối xử lý<br /> trung tâm cũng có nhiệm vụ thu thập thông số<br /> môi trường, phát hiện khói khi có hỏa hoạn và<br /> gửi cảnh báo đến người dùng.<br /> - Khối phát tín hiệu RF: Truyền tín hiệu RF<br /> đến các khối điều khiển thiết bị độc lập.<br />  Các khối điều khiển thiết bị: Gồm 02 thiết<br /> bị độc lập.<br /> - Khối thu tín hiệu RF: Làm nhiệm vụ thu<br /> nhận tín hiệu điều khiển các thiết bị từ trung<br /> tâm điều khiển.<br /> - Khối điều khiển thiết bị: Sử dụng vi điều<br /> khiển làm nhiệm vụ giải mã tín hiệu RF. Sau<br /> đó gửi tín hiệu điều khiển bật/tắt thiết bị đèn,<br /> quạt tương ứng.<br /> 17<br /> <br /> Trần Đức Hoàng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 189(13): 15 - 21<br /> <br />  Các khối cảm biến thông số môi trường:<br /> - Khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm: Thu thập<br /> thông số nhiệt độ, độ ẩm gửi về trung tâm<br /> điều khiển và hiển thị trên thiết bị điện thoại<br /> di động người dùng.<br /> - Khối cảm biến khói (cháy): Thu thập thông<br /> số nồng độ khí và gửi về trung tâm điều khiển<br /> và được hiển thị trên thiết bị điện thoại di<br /> động người dùng.<br /> XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG<br /> <br /> Hình 5. Lưu đồ thuật toán thu thập thông số môi trường<br /> <br /> Lưu đồ thuật toán kết nối Bluetooth<br /> <br /> Khi hệ thống hoạt động, những thông số môi<br /> trường như nhiệt độ, độ ẩm sẽ được gửi về<br /> trung tâm điều khiển. Nếu những thông số<br /> này nằm trong ngưỡng cho phép, kết quả sẽ<br /> được hiển thị trên giao diện điện thoại người<br /> dùng. Trong trường hợp thông số nằm ngoài<br /> ngưỡng cho phép, ngoài việc hiển thị kết quả<br /> thì thiết bị sẽ gửi thông tin cảnh báo đến<br /> người dùng [4],[5].<br /> Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển<br /> thiết bị<br /> <br /> Hình 4. Lưu đồ thuật toán hệ thống<br /> <br /> Khi kích hoạt hệ thống, quá trình kết nối giữa<br /> điện thoại và hệ thống thông qua Bluetooth sẽ<br /> được thực hiện. Khối kiểm tra mật khẩu sẽ<br /> kiểm tra mật khẩu để kết nối hệ thống. Nếu<br /> nhập sai mật khẩu, kết nối Bluetooth sẽ không<br /> được thực hiện và quá trình này phải thực<br /> hiện lại từ đầu.<br /> Nếu cú pháp đúng, người dùng sẽ tiếp tục<br /> thao tác trên giao diện chương trình để thực<br /> hiện các chức năng như: Hiển thị thông số<br /> môi trường, điều khiển thiết bị...<br /> Lưu đồ thuật toán chương trình thu thập<br /> thông số môi trường<br /> 18<br /> <br /> Hình 6. Lưu đồ thuật toán chương trình con điều<br /> khiển thiết bị<br /> <br /> Sau khi module thu RF nhận tín hiệu điều<br /> khiển sẽ được vi điều khiển tiến hành giải mã<br /> tín hiệu điều khiển. Lúc này mã điều khiển sẽ<br /> được kiểm tra, nếu mã điều khiển là "1", "2",<br /> thì sẽ bật tắt relay tương ứng với thiết bị quạt<br /> hoặc đèn.<br /> Thiết kế, xây dựng chương trình ứng dụng<br /> Thiết kế, xây dựng chương trình điều khiển<br /> hệ thống có các chức năng [5]:<br /> - Đăng nhập cho người sử dụng<br /> - Thông tin về phần mềm điều khiển<br /> <br /> Trần Đức Hoàng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> - Các chức năng điều khiển<br /> + Bật/tắt đèn<br /> + Bật/tắt quạt<br /> - Các chức năng thu thập thông số môi trường<br /> + Thu thập và hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm<br /> + Thu thập thông số khí gas<br /> + Chức năng gửi yêu cầu bác sỹ chăm sóc<br /> điều trị<br /> + Gửi thông tin yêu cầu đến bác sỹ thông qua<br /> tin nhắn SMS<br /> Mô hình hoạt động của Client-Server<br /> Biểu đồ Use Case:<br /> Biểu đồ Use Case thể hiện số lượng chức<br /> năng mà người dùng có thể tương tác:<br /> <br /> Hình 7. Chức năng dành cho người dùng<br /> <br /> Biểu đồ Use Case có chức năng hiển thị số<br /> liệu người dùng. Khi người dùng truy cập vào<br /> hệ thống sẽ xuất hiện những thông tin giới<br /> thiệu như: Tên thiết bị, người thực hiện…Sau<br /> đó sẽ đăng nhập vào hệ thống để sử dụng<br /> phần mềm bằng các thao tác như lựa chọn tài<br /> khoản Bluetooth, nhập mật khẩu, ấn đăng<br /> nhập. Lúc này hệ thống sẽ kiểm tra kết nối<br /> xem có tồn tại tài khoản đăng nhập không,<br /> mật khẩu đã chính xác chưa nếu đúng sẽ hiển<br /> thị danh mục thiết bị và cho người dùng kết<br /> nối với hệ thống để sử dụng phần mềm. Còn<br /> nếu sai người dùng sẽ phải đăng nhập lại.<br /> <br /> 189(13): 15 - 21<br /> <br /> Đối với chức năng dành cho người đăng nhập.<br /> Khi người dùng đã đăng nhập thành công vào<br /> hệ thống. Phần mềm trên điện thoại di động<br /> sẽ có các chức năng cho phép người dùng sử<br /> dụng hệ thống như:<br /> - Chức năng điều khiển với từng thiết bị độc<br /> lập hoặc tất cả các thiết bị trong hệ thống<br /> (gồm quạt, đèn); Điều khiển hệ thống cảnh<br /> báo khi có những thông số môi trường nằm<br /> ngoài ngưỡng cho phép.<br /> - Chức năng thu thập thông số môi trường<br /> gồm (nhiệt độ, độ ẩm, khí gas) và hiển thị trên<br /> thiết bị điện thoại di động.<br /> - Gửi yêu cầu phục vụ đến thiết bị điện thoại<br /> của bác sỹ.<br /> Khi đã sử dụng xong phần mềm cho phép<br /> đăng xuất khỏi hệ thống.<br /> Biểu đồ xử lý:<br /> Server nhận yêu cầu từ client, xử lý và sau đó<br /> trả lại kết quả cho client. Client gửi yêu cầu<br /> lên server, sau đó nhận kết quả. Một số mô<br /> hình xử lý:<br /> Xử lý đăng nhập<br /> - Bước 1: Người dùng gửi tên thiết bị truy<br /> cập, mật khẩu đến hệ thống. Nếu lỗi hệ thống<br /> hay bluetooth lỗi thì hiển thị thông báo.<br /> - Bước 2: Hệ thống nhận dữ liệu từ người<br /> dùng, xử lý và gửi trả lại kết quả.<br /> - Bước 3: Nếu mật khẩu không đúng thì hiển<br /> thị lỗi và quay lại bước 1.<br /> - Bước 4: Đăng nhập thành công tiếp tục sử<br /> dụng chương trình.<br /> <br /> Hình 9. Mô hình xử lý đăng nhập<br /> Hình 8. Chức năng dành cho người đăng nhập<br /> <br /> Xử lý điều khiển hệ thống<br /> 19<br /> <br />