Програмно-апаратний комплекс моніторингу та аналізу фізіологічних показників стану людини на базі модулю ESP32

Abstract

Кваліфікаційна робота присвячена розробці програмно-апаратного комплексу моніторингу та аналізу фізіологічних показників стану людини на базі модулю ESP32. Актуальність цієї роботи обумовлена малою кількістю на ринку медичних та спортивних пристроїв, які якісно відслідковують та оброблюють фізіологічні показники життєдіяльності людини, такі як пульс, оксигенація крові та температура тіла. Метою кваліфікаційної роботи є створення апаратно-програмного комплексу моніторингу та аналізу фізіологічних показників стану людини, який може бути застосованим як для ефективного добового моніторингу стану пацієнта хворого на COVID-19 і його контрольованого реабілітаційного відновлення, так і для базового моніторингу фізіологічних показників спортсмена або простого користувача комплексу. Практичним значенням проєкту передбачено розробку апаратно-програмного комплексу, що складається з трьох компонентів: пристрою збору, первинної обробки даних та їх передачі на сервер; серверного програмного забезпечення для глибинної обробки, аналізу та генерації представлень отриманих даних; клієнтського програмного забезпечення, що надає користувачеві представлення оброблених даних. Наукова новизна ґрунтується на створенні та використанні традиційних та модернізованих методів збору, обробки та візуалізації фізіологічних показників людини з використанням компонентів, що здешевлюють ціну пристроїв збору та первинної обробки отриманих даних таких як ESP32 та сенсор пульсоксиметрії MAX30102 а також додають можливість до подальшого удосконалення пристрою через гнучкість та відкритість платформи ESP32. Пояснювальна записка кваліфікаційної роботи складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та двох додатків. У вступі визначається актуальність теми, сформульовані мета, об’єкт, предмет та завдання роботи. У першому розділі аналізуються наявні наукові та комерційні розробки, що мають схожий функціонал, як у програмно-апаратного комплексу моніторингу та аналізу фізіологічних показників стану людини на базі модулю ESP32. Визначено основні характеристики та обрано основні компоненти пристрою а саме – мікроконтролер ESP32-WROOM-32D, сенсор вимірювання серцевого ритму та оксигенації крові MAX30102 та триосьовий акселерометр і гіроскоп MPU6050 . В другому розділі виконується розробка та представлення алгоритму роботи програмно-апаратного комплексу моніторингу та аналізу фізіологічних показників стану людини. В третьому розділі відбувається реалізація програмно-апаратного комплексу моніторингу та аналізу фізіологічних показників стану людини. Також відбувається підбір елементної бази, створюється 3D-модель корпусу пристрою та збирається робочий прототип. Розроблюється клієнтське та серверне програмне забезпечення для представлення та обробки зібраних даних по серцевому ритму, оксигенації крові, температурі тіла та підрахунку кроків. В четвертому розділі відбувається аналіз та порівняння отриманих результатів роботи програмно-апаратного комплексу моніторингу та аналізу фізіологічних показників стану людини. В додатку А наводиться код для апаратної частини модулю. В додатку Б наводиться код для серверного застосунку. Кваліфікаційна робота складається з 61 сторінки, 1 таблиці, 46 рисунків, 2 додатків та 30 використаних джерел посилання. The master’s thesis is aiming of developing the hardware and software complex for monitoring and analyzing the physiological indicators of the human body based on the ESP32 module. This work is relevant due to the small number of medical and sports devices on the market, which qualitatively monitor and processes human vital signs, such as heart rate, blood oxygenation, and body temperature. This work aims to create a hardware and software complex for monitoring and analyzing the physiological indicators of the human body based on the ESP32 module. The practical significance of the project provides for the development of a hardware and software complex consisting of three components: a device for data collection, primary data processing, and their transmission to the server; a server software for deep processing, analysis, and generation of received data; a client software that provides users with a view of the processed data. The scientific novelty is based on the creation and use of traditional and modernized methods of collecting, processing, and visualizing human physiological indicators using components that reduce the price of devices for collecting and initial processing of the received data, such as ESP32 and the pulse oximetry sensor MAX30102, and also add the possibility of further improvement of the device due to flexibility and the openness of the ESP32 platform. The explanatory note of the master’s thesis consists of an introduction, four sections, conclusions, and two appendices. The introduction determines the relevance of the topic, formulates the purpose, object, subject, and objectives of research and development. The first section analyzes the existing scientific and commercial developments that have similar functionality as the hardware and software complex for monitoring and analyzing the physiological indicators of the human body. The main characteristics are determined and the main components of the device are selected, namely – a microcontroller ESP32-WROOM-32D, a sensor for measuring heart rate and blood oxygenation MAX30102, and a 6-axis gyroscope and accelerometer MPU6050. In the second section, the development and presentation of the algorithm of the hardware and software complex for monitoring and analyzing the physiological indicators of the human body are performed. The third section contains the implementation of the hardware and software complex for monitoring and analyzing the physiological indicators of the human body. The element base is also selected, a 3D model of the device body is created and a working prototype is assembled. Client and server software is developed for the presentation and processing of collected data on heart rate, pulse oximetry, body temperature, and the number of steps per day as well. The fourth section contains the analysis and comparison of the obtained results from the hardware and software complex for monitoring and analyzing the physiological indicators of the human body. Appendix A provides the code for the hardware of the module. Appendix B provides the code for the server application. The thesis contains 61 pages (without appendixes), 1 table, 46 figures, 30 references, and 2 appendixes.