Báo cáo Nghiên cứu khoa học - Ứng dụng đồng hồ thông minh phát hiện té ngã sử dụng trí tuệ nhân tạo và máy học

Sinh viên thực hiện: Lê Bùi Phương An – 20DPM TP. Hồ Chí Minh, 2021 2 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghệ 4.0 đang ngày càng phát triển, ứng dụng công nghệ thông tin vào đời sống được xem là một trong những yếu tố mang tính quyết định trong các hoạt động của tổ chức, cũng như các công ty, nhà trường, nó đóng vai trò hết sức quan trọng, có thể tạo ra những bước đột phá mạnh mẽ. Đặc biệt trong y tế, có thể áp dụng các ứng dụng của Khoa học – Công nghệ vào công tác phát hiện và hạn chế té ngã chính là một bước đi tiến bộ, có đầu tư và tầm nhìn cho xã hội. Với phương hướng đó, kết hợp với những tìm hiểu và nghiên cứu được thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên tại Trường Đại học Quốc tế Sài Gòn, nhóm em mong muốn đưa ra một giải pháp ứng dụng công nghệ thông tin mà cụ thể ở đây là trí tuệ nhân tạo và hệ thống máy học để tạo ra một ứng dụng, một hệ thống có khả năng phát hiện, cảnh báo chấn thương té ngã Ứng dụng đồng hồ thông minh kết hợp trí tuệ nhân tạo và hệ thống máy học phát hiện tẽ ngã được xây dựng và phát triển hiệu quả hơn, đặc biệt khắc phục được những thiếu sót trong phương pháp cũ, để cải thiện độ chính xác của việc phát hiện và cảnh báo té ngã. Bởi tính ứng dụng và cấp thiết đó, ý tưởng và sản phẩm của nhóm chúng em được hình thành và dần hoàn thiện, kỳ vọng sẽ trở thành công cụ hữu hiệu phục vụ cho xã hội. Nội dụng tiếp theo của báo cáo sẽ làm rõ hơn về ứng dụng này. 3 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI - Xây dựng một ứng dụng thông qua đồng hồ thông minh kết hợp trí tuệ nhân tạo và hệ thống máy học phát hiện và cảnh báo té ngã:  Có khả năng phát hiện, nhận diện và cảnh báo té ngã với độ chính xác cao.  Khắc phục, giảm thiểu những khuyết điểm trong phương pháp quản lý cũ.  Dễ dàng lắp đặt, sử dụng đặc biệt cho người lớn tuổi và trẻ em. - Ứng dụng phải đáp ứng được các tác vụ cơ bản, đồng thời phải hoạt động ổn định và có hiệu suất cao, đảm bảo được hiệu quả nhận diện té ngã chính xác và kịp thời. - Đặc biệt, ứng dụng đồng hồ tạo ra phải phù hợp với thực tế, có thiết kế nhỏ gọn, chắc chắn, không quá phức tạp để lắp đặt và sử dụng để có thể phù hợp sử dụng cho người lớn tuổi cũng như trẻ em. Đồng thời có giá thành và chi phí sản xuất thấp, khả năng mở rộng, nâng cấp khi cần thiết. 4 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 2 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI ...................................................................................................... 3 MỤC LỤC ...................................................................................................................... 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ......................................................................................... 5 1.1. Tổng quan về vấn đề được nghiên cứu .................................................................................. 5 1.2. Khảo sát thực trạng ......................................................................................................................... 5 1.3. Đánh giá............................................................................................................................................... 5 1.4. Đối tượng và phạm vi của ứng dụng ....................................................................................... 5 1.5. Cấu trúc báo cáo .............................................................................................................................. 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ HOẠT ĐỘNG ........................................................................... 7 2.1. Sơ đồ hệ thống: ................................................................................................................................. 7 2.2. Danh sách đối tượng trong hệ thống:...................................................................................... 7 2.3. Thiết kế hệ thống: ............................................................................................................................ 7 2.4. Mô tả nguyên lí hoạt động: ......................................................................................................... 8 2.5. Một số kết quả dự đoán................................................................................................................. 9 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM .................................................................... 10 3.1. Các thành phần chức năng của ứng dụng: .......................................................................... 10 3.2. Thiết kế giao diện của ứng dụng: ........................................................................................... 10 3.3. Thiết kế ứng dụng: ........................................................................................................................ 11 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ........................................................................................... 12 4.1. Những vấn đề đã giải quyết: ..................................................................................................... 12 4.2. Những vấn đề chưa giải quyết: ................................................................................................ 12 4.3. Hướng phát triển trong tương lai: .......................................................................................... 12 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về vấn đề được nghiên cứu - Nghiên cứu về việc ứng dụng nền tảng trí tuệ nhân tạo và hệ thống máy học. - Nghiên cứu tận dụng lợi thế của các cảm biến nhúng để phát hiện chuyển động và vị trí của cơ thể, chẳng hạn như gia tốc kế, từ kế và con quay hồi chuyển, và chi phí của phương pháp tiếp cận dựa trên thiết bị đeo khá thấp, cũng như việc lắp đặt và vận hành không phức tạp đối với người cao tuổi.. 1.2. Khảo sát thực trạng - Té ngã dẫn đến thương tích chết người đã trở thành một thách thức lớn không thể bỏ qua đối với người cao tuổi. Trong vài năm gần đây, các loại phương pháp tiếp cận khác nhau đã được đề xuất trong lĩnh vực phát hiện té ngã, có thể được giải thích và phân thành ba loại: dựa trên thiết bị đeo được, dựa trên cảm biến môi trường và dựa trên tầm nhìn. - Hiện nay, đã có một số nghiên cứu, phát minh các thiết bị phát hiện té ngã đeo tay, tuy nhiên hiệu quả nhận diện té ngã chưa cao, giá thành đắt đỏ và không thể áp dụng trong thực tế. Chính vì vậy vẫn chưa có một thiết bị nào thực sự có hiệu quả trong việc phát hiện và cảnh báo chấn thương té ngã. 1.3. Đánh giá 1.3.1. Chức năng hiện tại: - Phát hiện vị trí, tư thế khác thường của người dùng. - Gửi thông báo về điện thoại thông minh thông qua số điện thoại hoặc ứng dụng té ngã. - Đo huyết áp và nhịp tim đối với một số loại đồng hồ thông minh của các hãng như Apple, Xiaomi, Samsung,.. 1.3.2. Định hướng nghiên cứu - Ứng dụng trí tuệ nhân tạo và hệ thống máy học để phát triển nên đồng hồ phát hiện té ngã kết nối với ứng dụng điện thoại thông qua hệ thống nhận diện phát hiện và cảnh báo té ngã. 1.4. Đối tượng và phạm vi của ứng dụng - Đối tượng: người lớn tuổi và trẻ em. 6 - Phạm vi: trước tiên trong quy mô nhỏ, sau đó mở rộng sản phẩm ra ứng dụng trên toàn xã hội. 1.5. Cấu trúc báo cáo - Chương 1: TỔNG QUAN. - Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. - Chương 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM. - Chương 4: KẾT LUẬN. 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ HOẠT ĐỘNG 2.1. Sơ đồ hệ thống: HC-06 Andruino Uno Bluetooth Module ADXL345 Mini- Module breadboard Male & Female jumper wires 2.2. Danh sách đối tượng trong hệ thống: - Đề tài xây dựng hệ thống giám sát té ngã dựa trên nền tảng Andruino, Windows IoT và Microsoft Azure để phát hiện các bất thường khi di chuyển theo thời gian thực. - Dữ liệu được cung cấp từ các cảm biến gia tốc kế ba chiều cung cấp bởi Andruino với ADXL345. 2.3. Thiết kế hệ thống: 8 2.4. Mô tả nguyên lí hoạt động: Thiết bị Windows IoT (server) nhận dữ liệu được truyền thông qua cloud, định hướng đối tượng bằng các thuật toán phát hiện té ngã, tổng hợp dữ liệu nhận được để tranning cho hệ thống nhận diện, phát hiện té ngã.  Có hai module trong thuật toán là nhận dạng tư thế và phát hiện ngã.  Đầu tiên, chúng ta đọc các giá trị x, y và z tạo thành từ cảm biến gia tốc kế. Sau đó, chúng ta tính toán chuẩn L2 của x, y và z. Điều này được sử dụng bởi module nhận dạng tư thế và phát hiện ngã.  Trong module nhận dạng tư thế, các tư thế của người dùng được phân loại thành ba tư thế cơ bản: ngồi, đứng và đi. Các giá trị của “y” được áp dụng một ngưỡng để tìm ra hướng. Sử dụng tốc độ biến thiên của định mức L2 với gia tốc trọng trường (9.8 m/s2), chúng ta phân loại dữ liệu thành đi bộ hoặc chỉ chuyển tiếp giữa các trạng thái.  Các giá trị x, y và z tạo thành từ cảm biến gia tốc kế cũng được chuyển tiếp lên cloud đến server và được sử dụng để tranning cho thuật toán phát hiện té ngã.  Module phát hiện té ngã tìm kiếm mẫu cụ thể trong tín hiệu nhận được từ client. Hình bên dưới đại diện cho một mẫu điển hình L2 trong một sự kiện té ngã. 9  Nếu hiệu số giữa cực tiểu liên tiếp và cực đại lớn hơn 2g, thì kết quả được đưa ra là “té ngã”. Quyết định cuối cùng về trường hợp ngã dựa trên kết quả đầu ra của cả module nhận dạng tư thế và quyết định ngã. Khi phát hiện ngã, quyết định từ module nhận dạng tư thế sẽ cho biết đó có phải là “trạng thái giả” hay không. Nếu trạng thái vẫn đang đi bộ, quyết định sự kiện té ngã sẽ bị hủy bỏ 2.5. Một số kết quả dự đoán Module Module Kết quả cuối cùng phát hiện té ngã nhận dạng tư thế Té ngã Đi bộ Bình thường Té ngã Đứng Bình thường Té ngã Ngồi Té ngã Té ngã Không xác định Té ngã 10 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 3.1. Các thành phần chức năng của ứng dụng: - Thành phần giao diện: bao gồm màn hình thể hiện chức năng cơ bản của hệ thống là xác định các giá trị thể hiện vị trí của đối tượng sử dụng thông qua cảm biến gia tốc kế ba chiều . - Thành phần chức năng: các chức năng cơ bản như đăng nhập, đăng xuất, thông tin người dùng, kiểm tra lịch sử nhận diện tư thế của người dùng tại các thời điểm khác nhau. - Thành phần xử lý: hệ thống nhận diện, phát hiện té ngã với các module nêu trên, xử lí và đưa ra kết luận về sự kiện té ngã của người dùng hoặc tư thế của người dùng tại thời điểm thực tại nào đó. 3.2. Thiết kế giao diện của ứng dụng: 3.2.1. Giao diện hệ thống: - Người dùng nếu muốn mua sẽ phải tiến hành đăng nhập vào hệ thống theo đúng tài khoản mình đã đăng kí. Khi đăng nhập người dùng phải điền đầy đủ thông tin cá nhân, số điện thoại để hệ thống gửi tin nhắn cảnh báo trong trường hợp phát hiện đối tượng sử dụng có xảy ra sự kiện té ngã. 11 3.2.2. Giao diện chính của ứng dụng: - Giao diện chính sẽ hiển thị tất cả các chỉ số cho biết vị trí của đối tượng sử dụng tại lúc bấy giờ cùng kết luận tư thế thực tại. 3.3. Thiết kế ứng dụng: - Ứng dụng trên điện thoại được viết bằng ngôn ngữ C trên nền tảng Visual Studio: 12 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 4.1. Những vấn đề đã giải quyết: - Xây dựng thành công thiết bị đo được sự thay đổi trong trạng thái và hành động của đối tượng sử dụng. - Kết quả đo được được đưa về hệ thống xử lí và cho ra kết quả phát hiện sự kiện té ngã với độ chính xác gần như tuyệt đối. - Hệ thống xử lí lưu trữ được thông tin giữa những lần đo khác nhau và cho ra kết quả xử lí nhanh, kịp thời cảnh báo tình trạng té ngã 4.2. Những vấn đề chưa giải quyết: - Chưa sản xuất được đồng hồ nhỏ gọn với chi phí sản xuất thấp để có thể đưa ra sử dụng rộng rãi trong thị trường. - Chưa được thử nghiệm và sử dụng nhiều nên hệ thống vẫn còn sai sót và cơ sở dữ liệu chưa hoàn thiện để có thể cho ra kết quả chính xác hơn. 4.3. Hướng phát triển trong tương lai: - Trong tương lai nhóm muốn hướng phát triển hệ thống phát hiện, nhận diện và cảnh báo té ngã trở nên hoàn thiện hơn.  Tăng độ chính xác, tốc độ xử lí nhanh hơn.  Thiết bị đeo tay nhỏ gọn hơn, giá thành và chi phí sản xuất thấp hơn.  Nâng cấp hệ thống và cập nhật thường xuyên.  Tích hợp thêm nhiều chức năng như đo huyết áp, nhịp tim và định vị từ xa.