Đang tải... (xem toàn văn)
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 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ IV DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VI CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 CẢM BIẾN GIA TỐC 1.3 PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ 1.3.1 Step Counter 1.3.2 Smart Watch .2 1.4 PHÂN LOẠI TÍN HIỆU 1.4.1 Giải thuật K-Means 1.4.2 Cây quyết định (Decision Tree) .5 CHƯƠNG SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LY 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH 2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 10 2.3 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT 10 2.4 MỘT SỐ LINH KIỆN CHÍNH ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH 11 2.4.1 Board Arduino UNO R3 11 2.4.2 Module Bluetooth HC-05 .12 2.4.3 Cảm biến gia tốc MPU 6050 13 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 16 3.1 TIỀN SỬ LÝ 16 3.1.1 Raw value 16 3.1.2 Calibration .16 3.1.3 Filter 18 CHƯƠNG THI CÔNG PHẦN CỨNG 22 4.1 YÊU CẦU THI CÔNG 22 4.2 MẠCH NGUYÊN LÝ 22 4.3 SƠ ĐỒ MẠCH IN 23 4.4 KẾT QUẢ THI CÔNG 23 4.4.1 Kết quả 23 4.4.2 Mô hình 24 CHƯƠNG KẾT LUẬN 25 5.1 KẾT LUẬN 25 5.2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA MẠCH 25 5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN: 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 PHỤ LỤC A 28 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT I2C Inter-Integrated Circuit ĐỒ ÁN Trang 1/31 CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu Một phân tích từ nhà khoa học Mỹ hướng vào hiệu quả của thiết bị theo dõi sức khỏe Kết quả cho thấy đa số thiết bị đạt thơng số xác, khả tự theo dõi lời khuyên từ ứng dụng kèm tương tự chuyên gia sức khỏe khuyến cáo Ngoài ra, nhà khoa học nhận thấy thiết bị hữu ích trường hợp bệnh nhân vừa xuất viện cần theo dõi mức độ hồi phục, chất lượng sống liệu lưu lại giúp hỗ trợ đánh giá nguy của bệnh nhân Tuy nhiên, họ lưu ý hạn chế sử dụng thiết bị theo dõi sát lời động viên tích cực của chuyên gia sức khỏe Hiệu quả của thiết bị khác tùy thuộc khả sử dụng của người dùng 1.2 Cảm biến gia tốc Chúng ta nghe nói nhiều cảm biến gia tốc, gia tốc kế,… đặc biệt smartphone, smartband quảng cáo “tích hợp cảm biến gia tốc trục”, nếu ngồi chun mơn khơng thể hình dung gì, đo đạc mang lại giá trị có ích ứng dụng Với phát triển của khoa học cơng nghệ hiện thiết bị thơng minh dần tích hợp cảm biến gia tốc để theo dõi, phát hiện thay đổi, rung động nhỏ của thể, thiết bị rung động của trái đất Gia tốc đại lượng vật lý đặc trưng cho thay đởi của vận tốc theo thời gian Nó đại lượng bản dùng để mô tả chuyển động Yếu tố dùng để đo rung động gia tốc, đơn vị tính hệ SI m/s Thỉnh thoảng sử dụng đơn vị gia tốc trọng trường phi SI [g] (1g khoảng 9.81m/s2) Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 2/31 1.3 Phát triển thiết bi 1.3.1 Step Counter Để theo dõi trình chạy để giảm béo rèn luyện sức khỏe, người ta dùng loại đồng hồ đếm số bước tính tốn lượng calori tiêu thụ Đây ứng dụng điện thoại sử dụng gia tốc kế đã tích hợp điện thoại giúp bạn biết nhiều thông tin hữu ích có liên quan đến việc thể dục hàng ngày của bạn, chẳng hạn tổng số bước (Step Count), tổng lượng tiêu hao (Energy), quãng đường mà bạn đã (Distance) tổng thời gian (Step Time) Ngồi ra, cịn lưu lại tất cả kết quả của ngày trước để bạn so sánh Với Step Counter, bạn đã có thêm cơng cụ hay để tự cải thiện sức khỏe của thơng qua việc rèn lụn thể chất Nguyên lý hoạt động của Step Counter không phức tạp Mọi bước của bạn đếm cách phân tích xuất lượng từ gia tốc kế của chiếc điện thoại di động Tất cả mà bạn cần làm ln nhớ mang theo điện thoại bên người đặt nơi dễ ghi nhận chuyển động nhất, chẳng hạn túi quần, bóp đeo kẹp vào thắt lưng hay đặt giỏ mang vai 1.3.2 Smart Watch Đồng hồ thông minh smartwatch đồng hồ đeo tay vi tính hóa với chức tăng cường thời gian trì thường so sánh với thiết bị kỹ thuật số cá nhân Trong phiên bản thực hiện cơng việc bản tính tốn, dịch hay chơi trị chơi đồng hồ thơng minh hiện đại chiếc "máy tính đeo tay" hiệu quả Được tích hợp gia tốc kế giúp đồng hồ theo dõi trạng thái hoạt động của người dùng, thu thập thơng tin từ cảm biến sau dụng cụ hay máy tính khác lấy Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 3/31 liệu thông qua công nghê không dây Bluetooth, Wi-Fi giúp giám sát người dùng 1.4 Phân loại tín hiệu 1.4.1 Giải thuật K-Means K-Means thuật tốn quan trọng sử dụng phở biến kỹ thuật phân cụm Tư tưởng của thuật tốn K-Means tìm cách phân nhóm đối tượng (objects) đã cho vào K cụm (K số cụm xác đinh trước, K nguyên dương) cho tởng bình phương khoảng cách đối tượng đến tâm nhóm (centroid ) nhỏ Thuật tốn K-Means mơ tả sau: Thuật tốn K-Means thực hiện qua bước sau: Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 4/31 Chọn ngẫu nhiên K tâm (centroid) cho K cụm (cluster) Mỗi cụm đại diện tâm của cụm Tính khoảng cách đối tượng (objects) đến K tâm (thường dùng khoảng cách Euclidean) Nhóm đối tượng vào nhóm gần Xác định lại tâm cho nhóm Thực hiện lại bước cho đến khơng có thay đởi nhóm của đối tượng Mơ tả thuật toán: Ý tưởng đơn giản cluster (cụm) tập hợp điểm gần khơng gian (khơng gian có nhiều chiều trường hợp thơng tin điểm liệu lớn) Hình bên ví dụ cụm liệu (từ viết gọn cluster) Giả sử cluster có điểm đại diện (center) màu vàng Và điểm xung quanh center thuộc vào nhóm với center Một cách đơn giản nhất, xét điểm bất kỳ, ta xét xem điểm gần với center thuộc Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 19/31 Hình 3-5: Dạng sóng các hoạt động thu nhận từ cảm biến Tín hiệu dạng sóng đặc trưng cho hoạt động mà chủ thể đã hoạt động Cảm biến thu nhận giá trị chuyển động mô tả lại thông qua dạng sóng Để nhận xét Phở tần số của tín hiệu thu nhận trước qua lọc Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 20/31 Hình 3-6: Phổ của tín hiệu Phổ tần số sau qua lọc: Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 21/31 Hình 3-7: Phổ tín hiệu sau bộ lọc Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 22/31 CHƯƠNG THI CÔNG PHẦN CỨNG 4.1 Yêu cầu thi công − Thiết kế thực hiện, thi công phần cứng − Sử dụng module MPU-6050 để đo đạt giá trị gia tốc người dùng sau hoạt động − Gửi liệu máy tính phân tích liệu 4.2 Mạch nguyên ly Hình 4-1: Sơ đồ mạch nguyên ly Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 23/31 4.3 Sơ đồ mạch in Hình 4-2: Sơ đồ mạch in 4.4 Kết quả thi công 4.4.1 Kết quả − Vẽ mạch nguyên lý, mạch in, kết nối linh kiện − Test mạch chạy ổn định, thu thập liệu − Hồn thiện mơ hình Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 24/31 4.4.2 Mô hình Hình 4-3: Mạch thực tế Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 25/31 CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 Kết luận Trong trình thực hiện đề tài đã thu kết quả định sau: Thu nhận số liệu hoạt động của dùng cảm biến Lưu trữ, gửi giá trị máy tính để phân tích, đánh giá hoạt động phát hiện thay đổi lớn giá trị nhằm phát hiện hoạt động bản của người dùng nghỉ ngơi, lại chạy 5.2 Ưu nhược điểm của mạch Ưu điểm: − Thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng − Mạch có độ nhạy cao, giá thành hợp lý Nhược điểm: − Thẫm mỹ chưa cao − Truyền khơng dây cịn hạn chế khoảng cách truyền 5.3 Hướng phát triển: Cảm biến gia tốc chip có độ xác cao dễ sử dụng Cảm biến gia tốc ngày phở biến tích hợp như: − Trong kĩ thuật: Cảm biến gia tốc (gia tốc kế) dùng để đo lường khả tăng tốc của xe Có thể sử dụng để đo độ rung máy móc, nhà xưởng, hệ thống điều khiển thiết lập an toàn Ngoài dùng để đo đạc hoạt động địa chấn, độ nghiêng, độ rung của máy, khoảng cách động tốc độ có khơng ảnh hưởng của lực hấp dẫn Dùng gia tốc kế để tạo máy đo trọng lực ứng dụng phổ biến kỹ thuật Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 26/31 − Trong sinh học: Gia tốc kế sử dụng lĩnh vực nghiên cứu sinh học Tín hiệu thu từ gia tốc kế có dãy tần cao trục, trục mơ tả lại hành vi của động vật chúng khỏi tầm nhìn Phương pháp sử dụng gia tốc kế động vật để nghiên cứu hiện nhà sinh vật học ngày sử dụng nhiều − Trong y khoa: Vài năm qua, hãng Nike, Fitbit,…đã chế tạo loại đồng hồ thể thao có tích hợp cảm biến gia tốc để kiểm sốt tốc độ, quãng đường cho người sử dụng chúng Nhờ vào cảm biến mà đồng hồ đếm số bước chân, giúp cho người dùng thiết lập chế độ vận động vài ngàn bước ngày Gia tốc kế đề xuất sử dụng mũ bảo hiểm để đo đạc vận động va chạm, nhiều ứng dụng y khoa khác dùng loại cảm biến Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 27/31 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ng̀n hình ảnh: [1] Hình ảnh lấy từ http://www.arduino.vn [2] Hình ảnh lấy từ http://www.arduino.vn [3] Hình ảnh lấy từ http://www.ngocson-inspirer.blogspot.com [4] Hình ảnh lấy từ http://playground.arduino.cc Tiếng Anh: [5] Digital Signal Processing - Ercan E Kuruoglu [6] Journal of Experimental Bology [7] Using accelerometers to determine the calling behavior of tagged baleen whales - J A Goldbogen, A K Stimpert, S L DeRuiter, J Calambokidis, A S Friedlaender, G S Schorr, D J Moretti, P L Tyack, B L Southall [8] Balance and coordination after viewing stereoscopic 3D television Jenny C A Read, Jennifer Simonotto, Iwo Bohr, Alan Godfrey, Brook Galna, Lynn Rochester, Tom V Smulders Các trang web: http://www.arduino.vn http://doan.edu.vn/ http://hshop.vn/ http://www.dandientu.com http://codientu.org/ http://jeb.biologists.org https://www.mathworks.com https://www.invensense.com Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 28/31 PHỤ LỤC A Toàn phần code của chương trình: Code arduino: #include long accelX, accelY, accelZ; float gForceX, gForceY, gForceZ; long gyroX, gyroY, gyroZ; float rotX, rotY, rotZ; void setup() { Serial.begin(9600); //khai bao bang thong hoat dong Wire.begin(); setupMPU(); } void loop() { recordAccelRegisters(); recordGyroRegisters(); printData(); delay(100); } void setupMPU(){ Wire.beginTransmission(0b1101000); //This is the I2C address of the MPU (b1101000/b1101001 for AC0 low/high datasheet sec 9.2) Wire.write(0x6B); //Accessing the register 6B - Power Management (Sec 4.28) Wire.write(0b00000000); //Setting SLEEP register to (Required; see Note on p 9) Wire.endTransmission(); Wire.beginTransmission(0b1101000); //I2C address of the MPU Thiết bị theo dõi trạng thái người SVTH: Nguyễn Đình Thế ĐỒ ÁN Trang 29/31 Wire.write(0x1B); //Accessing the register 1B - Gyroscope Configuration (Sec 4.4) Wire.write(0x00000000); //Setting the gyro to full scale +/- 250deg./s Wire.endTransmission(); Wire.beginTransmission(0b1101000); //I2C address of the MPU Wire.write(0x1C); //Accessing the register 1C - Acccelerometer Configuration (Sec 4.5) Wire.write(0b00000000); //Setting the accel to +/- 2g Wire.endTransmission(); } void recordAccelRegisters() { Wire.beginTransmission(0b1101000); //I2C address of the MPU Wire.write(0x3B); //Starting register for Accel Readings Wire.endTransmission(); Wire.requestFrom(0b1101000,6); //Request Accel Registers (3B - 40) while(Wire.available() < 6); accelX = Wire.read()