Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát phòng bệnh trên nền tảng Android - Trần Đức Hoàng

Trần Đức Hoàng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 15 - 21 15 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT PHÒNG BỆNH TRÊN NỀN TẢNG ANDROID Trần Đức Hoàng*, Đoàn Mạnh Cường, Lê Hoàng Hiệp, Nguyễn Thị Dung Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo nhằm giới thiệu việc xây dựng một hệ thống phần mềm ứng dụng chạy trên nền tảng Android sử dụng công nghệ truyền thông Bluetooth được thiết kế thông qua quá trình khảo sát, tìm hiểu những yêu cầu trong thực tế như theo dõi hệ thống điều khiển ánh sáng, hệ thống điều hòa không khí, hệ thống cảnh báo cháy nổ đối với phòng điều trị bệnh cho bệnh nhân tại các cơ sở y tế. Hệ thống có khả năng tương tác, điều khiển phòng bệnh điều trị của bệnh nhân từ xa với những chức năng như sau: - Giám sát thông số về nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khói (khí) trong phòng bệnh. - Tự động gửi cảnh báo tới bác sỹ trong trường hợp các thông số nằm ngoài ngưỡng cho phép. - Điều khiển thiết bị điện sử dụng trong phòng như: đèn, quạt... - Gửi yêu cầu chăm sóc điều trị tới số điện thoại của bác sỹ. Từ khóa: Ứng dụng điều khiển từ xa, Điều khiển thiết bị trên Android, Giám sát thông số trong phòng bệnh, Hệ thống điều khiển trên nền Mobile GIỚI THIỆU* Nâng cao chất lượng khám và điều trị bệnh là một trong những mục tiêu đã và đang được các cơ sở y tế, bênh viện và cả các phòng khám tư nhân quan tâm chú trọng. Trong đó việc trang bị cho phòng điều trị những thiết bị, công nghệ giúp bệnh nhân thuận tiện sử dụng, kiểm soát được các yếu tố trong phòng mà không làm ảnh hưởng tới bệnh nhân, từ đó có một không gian thoải mái và giúp bệnh nhân hồi phục nhanh, tốt hơn đang là một mục tiêu hướng tới. Ưu điểm của hệ thống thông minh này so với các phương pháp thủ công truyền thống là người sử dụng như bác sĩ điều trị, bệnh nhân và người nhà bệnh nhân có thể giám sát và điều khiển các thiết bị trong phòng từ xa, sau khi biết được các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, khí gas tại phòng bằng điện thoại sử dụng hệ điều hành android. Hệ thống cũng gửi các thông số, những cảnh báo về số điện thoại của bác sĩ điều trị hoặc người nhà bệnh nhân và bệnh nhân trong trường hợp vượt mức yêu cầu y tế cho phép. Từ đó có thể can thiệp kịp thời để không làm ảnh hưởng tới bệnh nhân trong quá trình điều trị [1],[2]. * Tel: 0976 262145; Email: tdhoang@ictu.edu.vn ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY BLUETOOTH KẾT HỢP NỀN TẢNG ANDROID TRÊN MOBILE TRONG XÂY DỰNG ỨNG DỤNG Bluetooth là một công nghệ truyền thông không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM (Industrial, Scientific, Medical). Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cable giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử lại với nhau một cách thuận lợi với giá thành rẻ. Khi được kích hoạt, Bluetooth có thể tự động định vị những thiết bị khác có chung công nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết nối với chúng. Nó được định hướng sử dụng cho việc truyền dữ liệu lẫn tiếng nói. Tầng giao thức Bluetooth Radio Tầng Bluetooth Radio là tầng thấp nhất được định nghĩa trong đặc tả Bluetooth. Nó định nghĩa những yêu cầu cho bộ phận thu phát sóng hoạt động ở tần số 2,4GHz ISM (Industrial, Scientific, and Medical). Băng tần ISM là băng tần không cần đăng kí được dành riêng để dùng cho các thiết bị không dây trong công nghiệp, khoa học và y tế. Nhờ giao Trần Đức Hoàng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 15 - 21 16 tiếp bằng sóng radio mà dữ liệu Bluetooth có thể xuyên qua các vật thể rắn và phi kim. Hình 1.Các tầng giao thức của Bluetooth Sóng radio của Bluetooth được truyền đi bằng cách nhảy tần số (Frequency Hopping), có nghĩa là mọi gói tin (Packet) được truyền trên những tần số khác nhau. Tốc độ nhảy nhanh giúp tránh nhiễu tốt. Hầu hết các nước dùng 79 bước nhảy, mỗi bước nhảy cách nhau 1MHz, bắt đầu ở 2,402GHz và kết thúc ở 2,480GHz. Ở một vài nước, chẳng hạn như Pháp, Nhật, phạm vi của dải băng tần này được giảm đi còn 23 bước nhảy. Các đặc điểm của công nghệ Bluetooth - Tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép ứng dụng được trong nhiều loại thiết bị bao gồm cả thiết bị cầm tay và điện thoại di động. - Khoảng cách giao tiếp cho phép:  Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời và 5m trong tòa nhà.  Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access point có thể lên tới 100 m ngoài trời và 30 m trong tòa nhà. - Bluetooth sử dụng băng tần không đăng kí 2,4Ghz trên dãy băng tần IMS. Tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tối đa 1Mbps (do sử dụng tần số cao) mà các thiết bị không dây cần phải thấy trực tiếp nhau. - Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng này với một ứng dụng khác thông qua các chuẩn “Bluetooth Profiles”, do đó có thể độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng. - Bluetooth được dùng trong giao tiếp dữ liệu tiếng nói: có 3 kênh để truyền tiếng nói và 7 kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân. - An toàn và bảo mật được tích hợp với sự xác nhận và mã hóa. - Tính tương thích với thiết bị phần cứng cao. Phát huy ưu điểm của hệ điều hành Android Android là một hệ điều hành di động dựa trên nền tảng Linux phiên bản 2.6 dành cho các dòng điện thoại SmartPhone. Đầu tiên Android được ra đời bởi công ty liên hợp Android, sau đó được Google mua lại và phát triển từ năm 2005 và trở thành một hệ điều hành di động mã nguồn mở, miễn phí, mạnh mẽ và được ưa chuộng cao trên thế giới. Hệ điều hành android một hệ điều hành rất mạnh, có khả năng bảo mật cao, hỗ trợ được nhiều công nghệ tiên tiến như 3G, GPS, EDGE, Wifi.. tương thích với nhiều phần cứng, hỗ trợ nhiều loại bộ nhập dữ liệu như Keyboard, Touch và Trackball. Android là hệ điều hành di động nên có khả năng kết nối cao với các mạng không dây. Hỗ trợ công nghệ OpenGL nên có khả năng chơi các phương tiện media, hoạt hình cũng như trình diễn các khả năng đồ họa khác cực tốt, là tiền đề để phát triển các ứng dụng có giao diện phức tạp chẳng hạn như là các trò chơi [1], [2], [3]. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG Thiết kế hệ thống tập trung vào xây dựng mô hình phòng bệnh thông minh để phục vụ bệnh nhân trong quá trình khám chữa bệnh. Hệ thống được điều khiển bởi điện thoại di động của bệnh nhân thông qua công nghệ truyền thông Bluetooth kết hợp nền tảng Android trên mobile. Sau khi bật chương trình điều khiển trên điện thoại di động, người dùng phải nhập chuỗi mật khẩu để kết nối giữa điện thoại và hệ thống xử lý trung tâm. Thông qua giao diện chương trình, người dùng có thể điều khiển các thiết bị điện trong phòng cũng như giám sát một số thông số môi trường trong phòng điều trị. Trần Đức Hoàng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 15 - 21 17 Việc sử dụng các tín hiệu không dây như Bluetooth cho phép hệ thống được triển khai và áp dụng linh hoạt vào thực tế. Vì vậy hệ thống cho phép người dùng có thể tự do thiết kế vị trí đặt các khối thành phần tùy theo thực tế phòng bệnh. Tùy vào từng loại thiết bị RF sử dụng, khoảng cách làm việc khả dụng của hệ thống có thể dao động từ vài chục mét [4]. Hình 2. Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống Từ yêu cầu xây dựng mô hình hệ thống phòng bệnh thông minh của bệnh nhân sẽ có những tính năng cụ thể như sau: - Giám sát thông số nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khói trong trường hợp xảy ra hỏa hoạn. - Tự động gửi cảnh báo tới bác sỹ trong trường hợp các thông số nằm ngoài ngưỡng cho phép. - Điều khiển thiết bị điện từ xa sử dụng trong phòng như: Đèn, quạt... - Gửi yêu cầu chăm sóc điều trị tới số điện thoại của bác sỹ. Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối hệ thống gồm những khối thành phần như sau:  Giao diện chương trình điều khiển trên điện thoại di động  Trung tâm điều khiển: o Khối thu tín hiệu Bluetooth o Khối xử lý trung tâm o Khối phát tín hiệu RF  Các khối điều khiển thiết bị: o Khối thu tín hiệu RF o Khối điều khiển thiết bị (đèn, quạt)  Các khối cảm biến thông số môi trường: o Khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm o Khối cảm biến khói (cháy) Hình 3. Sơ đồ khối thiết kế hệ thống Trong đó, nhiệm vụ chức năng của các khối như sau:  Giao diện chương trình điều khiển trên điện thoại di động: Được thiết kế trên nền tảng Android. Giao diện chương trình thân thiện, dễ dàng sử dụng.  Trung tâm điều khiển: - Khối thu tín hiệu Bluetooth: Làm nhiệm vụ thu nhận tín hiệu điều khiển từ điện thoại người dùng. - Khối xử lý trung tâm: Thu nhận và giải mã tín hiệu điều khiển Bluetooth từ điện thoại, sau đó gửi tín hiệu điều khiển đến khối chấp hành thông qua khối phát RF; Khối xử lý trung tâm cũng có nhiệm vụ thu thập thông số môi trường, phát hiện khói khi có hỏa hoạn và gửi cảnh báo đến người dùng. - Khối phát tín hiệu RF: Truyền tín hiệu RF đến các khối điều khiển thiết bị độc lập.  Các khối điều khiển thiết bị: Gồm 02 thiết bị độc lập. - Khối thu tín hiệu RF: Làm nhiệm vụ thu nhận tín hiệu điều khiển các thiết bị từ trung tâm điều khiển. - Khối điều khiển thiết bị: Sử dụng vi điều khiển làm nhiệm vụ giải mã tín hiệu RF. Sau đó gửi tín hiệu điều khiển bật/tắt thiết bị đèn, quạt tương ứng. Trần Đức Hoàng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 15 - 21 18  Các khối cảm biến thông số môi trường: - Khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm: Thu thập thông số nhiệt độ, độ ẩm gửi về trung tâm điều khiển và hiển thị trên thiết bị điện thoại di động người dùng. - Khối cảm biến khói (cháy): Thu thập thông số nồng độ khí và gửi về trung tâm điều khiển và được hiển thị trên thiết bị điện thoại di động người dùng. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG Lưu đồ thuật toán kết nối Bluetooth Hình 4. Lưu đồ thuật toán hệ thống Khi kích hoạt hệ thống, quá trình kết nối giữa điện thoại và hệ thống thông qua Bluetooth sẽ được thực hiện. Khối kiểm tra mật khẩu sẽ kiểm tra mật khẩu để kết nối hệ thống. Nếu nhập sai mật khẩu, kết nối Bluetooth sẽ không được thực hiện và quá trình này phải thực hiện lại từ đầu. Nếu cú pháp đúng, người dùng sẽ tiếp tục thao tác trên giao diện chương trình để thực hiện các chức năng như: Hiển thị thông số môi trường, điều khiển thiết bị... Lưu đồ thuật toán chương trình thu thập thông số môi trường Hình 5. Lưu đồ thuật toán thu thập thông số môi trường Khi hệ thống hoạt động, những thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm sẽ được gửi về trung tâm điều khiển. Nếu những thông số này nằm trong ngưỡng cho phép, kết quả sẽ được hiển thị trên giao diện điện thoại người dùng. Trong trường hợp thông số nằm ngoài ngưỡng cho phép, ngoài việc hiển thị kết quả thì thiết bị sẽ gửi thông tin cảnh báo đến người dùng [4],[5]. Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển thiết bị Hình 6. Lưu đồ thuật toán chương trình con điều khiển thiết bị Sau khi module thu RF nhận tín hiệu điều khiển sẽ được vi điều khiển tiến hành giải mã tín hiệu điều khiển. Lúc này mã điều khiển sẽ được kiểm tra, nếu mã điều khiển là "1", "2", thì sẽ bật tắt relay tương ứng với thiết bị quạt hoặc đèn. Thiết kế, xây dựng chương trình ứng dụng Thiết kế, xây dựng chương trình điều khiển hệ thống có các chức năng [5]: - Đăng nhập cho người sử dụng - Thông tin về phần mềm điều khiển Trần Đức Hoàng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 15 - 21 19 - Các chức năng điều khiển + Bật/tắt đèn + Bật/tắt quạt - Các chức năng thu thập thông số môi trường + Thu thập và hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm + Thu thập thông số khí gas + Chức năng gửi yêu cầu bác sỹ chăm sóc điều trị + Gửi thông tin yêu cầu đến bác sỹ thông qua tin nhắn SMS Mô hình hoạt động của Client-Server Biểu đồ Use Case: Biểu đồ Use Case thể hiện số lượng chức năng mà người dùng có thể tương tác: Hình 7. Chức năng dành cho người dùng Biểu đồ Use Case có chức năng hiển thị số liệu người dùng. Khi người dùng truy cập vào hệ thống sẽ xuất hiện những thông tin giới thiệu như: Tên thiết bị, người thực hiệnSau đó sẽ đăng nhập vào hệ thống để sử dụng phần mềm bằng các thao tác như lựa chọn tài khoản Bluetooth, nhập mật khẩu, ấn đăng nhập. Lúc này hệ thống sẽ kiểm tra kết nối xem có tồn tại tài khoản đăng nhập không, mật khẩu đã chính xác chưa nếu đúng sẽ hiển thị danh mục thiết bị và cho người dùng kết nối với hệ thống để sử dụng phần mềm. Còn nếu sai người dùng sẽ phải đăng nhập lại. Hình 8. Chức năng dành cho người đăng nhập Đối với chức năng dành cho người đăng nhập. Khi người dùng đã đăng nhập thành công vào hệ thống. Phần mềm trên điện thoại di động sẽ có các chức năng cho phép người dùng sử dụng hệ thống như: - Chức năng điều khiển với từng thiết bị độc lập hoặc tất cả các thiết bị trong hệ thống (gồm quạt, đèn); Điều khiển hệ thống cảnh báo khi có những thông số môi trường nằm ngoài ngưỡng cho phép. - Chức năng thu thập thông số môi trường gồm (nhiệt độ, độ ẩm, khí gas) và hiển thị trên thiết bị điện thoại di động. - Gửi yêu cầu phục vụ đến thiết bị điện thoại của bác sỹ. Khi đã sử dụng xong phần mềm cho phép đăng xuất khỏi hệ thống. Biểu đồ xử lý: Server nhận yêu cầu từ client, xử lý và sau đó trả lại kết quả cho client. Client gửi yêu cầu lên server, sau đó nhận kết quả. Một số mô hình xử lý: Xử lý đăng nhập - Bước 1: Người dùng gửi tên thiết bị truy cập, mật khẩu đến hệ thống. Nếu lỗi hệ thống hay bluetooth lỗi thì hiển thị thông báo. - Bước 2: Hệ thống nhận dữ liệu từ người dùng, xử lý và gửi trả lại kết quả. - Bước 3: Nếu mật khẩu không đúng thì hiển thị lỗi và quay lại bước 1. - Bước 4: Đăng nhập thành công tiếp tục sử dụng chương trình. Hình 9. Mô hình xử lý đăng nhập Xử lý điều khiển hệ thống Trần Đức Hoàng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 15 - 21 20 Hình 10. Mô hình xử lý điều khiển KẾT QUẢ TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM Hệ thống điều khiển thiết bị điện bằng điện thoại di động Android có các tính năng như sau: - Giám sát thông số nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khói (khí) trong phòng bệnh. - Tự động gửi cảnh báo tới bác sỹ trong trường hợp các thông số nằm ngoài ngưỡng cho phép. - Điều khiển thiết bị điện sử dụng trong phòng như: Đèn, quạt... - Gửi yêu cầu chăm sóc điều trị tới số điện thoại của bác sỹ. - Chương trình xây dựng trên nền tảng Android của điện thoại di động có giao diện thân thiện, dễ sử dụng đối với người dùng. - Hệ thống có tính bảo mật, đơn giản dễ sử dụng và tương thích với điện thoại hệ điều hành Android. Một số hình ảnh mô hình thực tế (Hình 11, 12, 13 và 14) KẾT LUẬN Qua thời gian chạy thử nghiệm hệ thống cho thấy hệ thống hoạt động tốt và ổn định. Kết quả sản phẩm đã hoàn thiện và giải quyết được yêu cầu bài toán đặt ra: - Kết nối, truyền nhận tín hiệu từ phần cứng (khối xử lý trung tâm) qua môi trường không dây như RF, Bluetooth, mạng thông tin di động. Hình 11. Thông số nhiệt độ, độ ẩm, khí gas được hiển thị trên giao diện điện thoại của người dùng Hình 12. Giao diện chương trình điều khiển trên điện thoại Android Hình 13. Kết nối thành công giữa điện thoại Android và hệ thống Trần Đức Hoàng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 15 - 21 21 Hình 14. Giao diện chương trình trên điện thoại Android - Thực hiện việc giao tiếp hai chiều với hệ thống thông qua điện thoại di động. - Với việc thông tin trực tiếp tới điện thoại bác sỹ sẽ góp phần hỗ trợ bệnh nhân trong những trường hợp đặc biệt. Với mục tiêu đặt ra trong quá trình thực hiện thiết kế và qua quá trình làm việc, đề tài đã đạt được một số kết quả nghiên cứu sau: - Hệ thống hoạt động tốt, chất lượng ổn định. - Người dùng dễ dàng thao tác sử dụng. - Có giá trị thực tiễn cao trong thực tế và có khả năng triển khai tại bệnh viện các tuyến trên cả nước. - Đẩy mạnh xu hướng vừa học vừa nghiên cứu khoa học trong sinh viên. Cơ sở y tế áp dụng, triển khai hệ thống trên thực tế: - Triển khai và xin góp ý kiến tại phòng vật tư bênh viên Đa khoa trung ương Thái Nguyên. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Sundararajan T. V. P., Sumithra M. G., Maheswar R., (2014), “A Novel Smart Routing Protocol for Remote Health Monitoring in Medical Wireless Networks”, Journal of healthcare engineering, pp. 95–122. 2. Konstantas D, Herzog R., 2003, Continuous monitoring of vital constants for mobile users: the MobileHealth approach. Proc. 25th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Cancun, MEX, Sep., 3728–3731. 3. Lin M, Qiao ZZ., 2010, The demand and development thinking of mobile medical. Mobile Communications, 31–35. 4. Baig M M, Gholamhosseini H., 2013, Smart health monitoring systems: an overview of design and modeling, Journal of medical systems, 1–14. 5. Arcelus, A., Jones, M. H., Goubran, R., and Knoefel, F., 2007, Integration of smart home technologies in a health monitoring system for the elderly. Proc. 21st International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops(AINAW’07), 820–825. ABSTRACT REMOTE MOBILE PATIENT'S ROOM CONTROL AND MONITORING SYSTEM BASED ON ANDROID PLATFORM Tran Duc Hoang * , Doan Manh Cuong, Le Hoang Hiep, Nguyen Thi Dung University of Information and Communication Technology - TNU This paper aims to introduce about building a software application system running on the Android platform using Bluetooth communication technology which was designed through the process of surveying, inquire into the requirements in fact such as monitoring system lighting control, air conditioning system, fire alarm system of the patient's room at the medical facilities. The system has the ability to interact, control the patient's room from remote with the following functions: - Monitoring the temperature, humidity, smoke in the patient's room. - Automatically send a warning to the doctor in case the parameters are outside the allowed threshold. - Controlling electrical equipment in rooms such as lights, fans ... - Send care request to doctor's phone number. Keywords: Remote Control Application, Device Control on Android, Parameters Monitoring in Patient's Room , Control System based on Mobile Platform Ngày nhận bài: 22/8/2018; Ngày hoàn thiện: 18/9/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018 * Tel: 0976 262145; Email: tdhoang@ictu.edu.vn