Inteligentný vankúš: 3 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:01

Tento návod popisuje, ako vytvoriť inteligentný vankúš, ktorý je citlivý na chrápanie!

Inteligentný vankúš sa spolieha na vibrácie, aby upozornil spiaceho, keď počas spánku chrápe. Funguje to automaticky, keď si človek položí hlavu na vankúš.

Chrápanie je nešťastný stav, pretože sa týka nielen chrápajúceho človeka, ale aj ľudí, ktorí okolo neho spia. Chrápanie bolo v USA zvolené za najväčší zdravotný dôvod rozvodu. Spánková apnoe môže navyše spôsobiť celý rad zdravotných problémov, ktoré je možné zmierniť tým, že sa osoba, ktorá spí, nevyberie polohu, ktorá vedie k chrápaniu.

V tomto návode postavíme systém, ktorý dokáže detekovať a analyzovať zvuky. Keď analyzuje zvuk chrápania, zapne vibračný motor, aby sa spánok prebudil. Keď spiaci človek zdvihne hlavu z vankúša, vibračný motor sa zastaví. Keď spáč zmení svoju polohu na spanie, je väčšia pravdepodobnosť, že sa usadí do inej polohy, ktorá zabráni chrápaniu.

Krok 1: Úlohy vankúša:

• Vankúš má dotykový senzor, takže systém sa automaticky aktivuje, keď osoba položí hlavu na vankúš, a keď zdvihne hlavu, je nečinný.
• Keď systém zistí zvuk chrápania alebo iný kakofonický zvuk, zapne sa vibrátor, ktorý prebudí spánok.
• Obsahuje 2 užívateľsky nastaviteľné vibračné režimy: kontinuálne alebo pulzné. Systém je užitočný pre ľudí, ktorí trpia chrápaním. Z bezpečnostných dôvodov môžu systém používať aj ľudia, ktorí trpia veľmi hlbokým spánkom, pretože dokáže detekovať zvončeky, zvoniace telefóny alebo plačúce deti.

Tento projekt sme realizovali pomocou Silego SLG46620V CMIC, zvukového senzora, vibračného motora, odporu snímajúceho silu a niektorých pasívnych komponentov.

Celkový počet komponentov pre tento dizajn je celkom minimálny, napriek tomu, že nepoužíva mikrokontrolér. Pretože GreenPAK CMIC sú lacné a majú nízku spotrebu energie, sú ideálnym komponentom pre toto riešenie. Ich malá veľkosť by im tiež umožnila jednoduchú integráciu do vankúša bez obáv z výroby.

Väčšina projektov, ktoré závisia od detekcie zvuku, má „mieru falošného spustenia“, ktorá je potrebná z dôvodu možnosti chyby medzi rôznymi snímačmi. Senzory súvisiace s týmto projektom iba zisťujú úroveň zvuku; nezistia typ zvuku ani povahu jeho pôvodu. V dôsledku toho môže byť falošný spúšť spôsobený činom, ako je tlieskanie, klepanie alebo iný hluk nesúvisiaci s chrápaním, ktorý môže detekovať senzor.

V tomto projekte systém bude ignorovať krátke zvuky, ktoré spôsobujú frekvenciu falošného spustenia, preto vytvoríme digitálny filter, ktorý dokáže detekovať zvukový segment, ako je zvuk chrápania.

Pozrite sa na grafickú krivku na obrázku 1, ktorá predstavuje zvuk chrápania.

Vidíme, že sa skladá z dvoch sekcií, ktoré sa opakujú a súvisia s časom. Prvá časť detekuje chrápanie; je to sekvencia krátkych impulzov, ktorá trvá 0,5 až 4 sekundy, po ktorej nasleduje perióda ticha, ktorá trvá 0,4 až 4 sekundy a môže obsahovať šum v pozadí.

Na to, aby systém odfiltroval ďalšie zvuky, musí detekovať chrápajúci segment, ktorý trvá viac ako 0,5 s, a ignorovať všetky stručnejšie zvukové segmenty. Aby bol systém stabilnejší, mal by byť implementovaný počítadlo, ktoré počíta segmenty chrápania a spustí alarm po detekcii dvoch sekvenčných segmentov chrápania.

V takom prípade, aj keď zvuk trvá viac ako 0,5 sekundy, systém ho bude filtrovať, pokiaľ sa neopakuje v konkrétnom časovom rámci. Týmto spôsobom môžeme filtrovať zvuk, ktorý môže byť spôsobený pohybom, kašľom alebo dokonca krátkymi zvukovými signálmi.

Krok 2: Implementačný plán

Návrh tohto projektu pozostáva z dvoch častí; prvá časť je zodpovedná za detekciu zvuku a analyzuje ho, aby zistil zvuk chrápania, aby upozornil spiaceho.

Druhá časť je dotykový senzor; je zodpovedný za automatické zapnutie systému, keď si osoba položí hlavu na vankúš, a za vypnutie systému, keď spiaci človek zdvihne hlavu z vankúša.

Inteligentný vankúš je možné veľmi ľahko implementovať pomocou jedného konfigurovateľného integrovaného obvodu so zmiešaným signálom (CMIC) so zmiešaným signálom GreenPAK.

Môžete prejsť všetkými krokmi, aby ste pochopili, ako bol čip GreenPAK naprogramovaný na ovládanie inteligentného vankúša. Ak však chcete jednoducho vytvoriť inteligentný vankúš bez porozumenia všetkým vnútorným obvodom, stiahnite si bezplatný softvér GreenPAK a prezrite si už dokončený súbor Smart Pillow GreenPAK Design. Pripojte počítač k vývojovej súprave GreenPAK a spustite program, aby ste vytvorili vlastný integrovaný obvod na ovládanie inteligentného vankúša. Akonáhle je IC vytvorený, môžete preskočiť ďalší krok. Ďalší krok bude diskutovať o logike, ktorá je vnútri súboru návrhu Smart Pillow GreenPAK pre tých, ktorí majú záujem porozumieť tomu, ako obvod funguje.

Ako to funguje?

Kedykoľvek si osoba položí hlavu na vankúš, dotykový senzor vyšle aktivačný signál z Matrixu 2 do Matrixu 1 cez P10, aby sa aktivoval obvod a začalo odoberanie vzoriek zo zvukového senzora.

Systém odoberá vzorku zo zvukového senzora každých 30 ms v časovom rámci 5 ms. Takýmto spôsobom sa ušetrí spotreba energie a filtrujú sa krátke zvukové impulzy.

Ak zistíme 15 sekvenčných zvukových vzoriek (žiadne ticho trvá viac ako 400 ms medzi ktoroukoľvek zo vzoriek), dôjde k záveru, že zvuk je perzistentný. V tomto prípade bude zvukový segment považovaný za chrápajúci segment. Keď sa táto akcia opakuje po tichu, ktoré trvá viac ako 400 ms a menej ako 6 s, zachytený zvuk bude považovaný za chrápanie a spáč bude upozornený vibráciami.

Môžete oddialiť varovanie pre viac ako 2 chrápajúce segmenty, aby ste zvýšili presnosť konfigurácie pipedelay0 v návrhu, ale môže to predĺžiť čas odozvy. Tiež by bolo potrebné zväčšiť 6 -sekundový rámec.

Krok 3: GreenPAK Design

Prvá časť: Detekcia chrápania

Výstup zvukového senzora bude pripojený k pinu 6, ktorý je nakonfigurovaný ako analógový vstup. Signál bude privedený z pinu na vstup ACMP0. Druhý vstup ACMP0 je nakonfigurovaný ako referencia 300 mv.

Výstup ACMP0 je invertovaný a potom je pripojený k CNT/DLY0, ktorý je nastavený ako oneskorenie nábehu s oneskorením rovným 400 ms. Výstup CNT0 bude vysoký, keď detekcia ticha trvá viac ako 400 ms. Jeho výstup je pripojený k detektoru stúpajúcej hrany, ktorý po detekcii ticha vygeneruje krátky resetovací impulz.

CNT5 a CNT6 sú zodpovedné za otvorenie časovej brány, ktorá trvá 5 ms každých 30 ms na odoberanie zvukových ukážok; počas týchto 5 ms, ak dôjde k detekcii zvukového signálu, výstup DFF0 vydá impulz počítadlu CNT9. CNT9 sa vynuluje, ak detekcia ticha trvá viac ako 400 ms, v tomto mieste reštartuje počítanie zvukových vzoriek.

Výstup CNT9 je pripojený k DFF2, ktorý sa používa ako bod na detekciu chrápajúceho segmentu. Keď je detekovaný chrápajúci segment, výstup DFF2 otočí HI, aby aktivoval CNT2/Dly2, ktorý je nakonfigurovaný tak, aby fungoval ako „oneskorenie zostupnej hrany“s oneskorením rovným 6 sekundám.

DFF2 sa resetuje po detekcii ticha, ktorá trvá viac ako 400 ms. Potom sa začne znova zisťovať chrápajúci segment.

Výstup DFF2 prechádza cez Pipedelay, ktorý je spojený s pinom 9 cez LUT1. Pin9 bude spojený s vibračným motorom.

Výstup Pipedelay prechádza z nízkeho na vysoký, keď detekuje dva sekvenčné chrápajúce segmenty v rámci časovej brány pre CNT2 (6 s).

LUT3 sa používa na resetovanie Pipedelay, takže jeho výkon bude nízky, ak spiaci človek zdvihne hlavu z vankúša. V tomto prípade je časová brána CNT2 dokončená pred detekciou dvoch sekvenčných chrápajúcich segmentov.

Pin3 je nakonfigurovaný ako vstup a je pripojený k „tlačidlu vibračného režimu“. Signál prichádzajúci z pinu 3 prechádza cez DFF4 a DFF5 konfiguruje vzor vibrácií na jeden z dvoch vzorov: režim1 a režim2. V prípade režimu 1: keď je detekované chrápanie, je do vibračného motora odoslaný nepretržitý signál, čo znamená, že motor beží nepretržite.

V prípade režimu2: keď je detekované chrápanie, vibračný motor je impulzovaný s časovaním výstupu CNT6.

Keď je teda výstup DFF5 vysoký, aktivuje sa režim 1. Keď je nízka (režim 2), výstup DFF4 je vysoký a výstup CNT6 sa objaví na kolíkoch 9 až LUT1.

Citlivosť na zvukový senzor je riadená potenciometrom, ktorý je nastavený v module. Senzor by ste mali prvýkrát inicializovať manuálne, aby ste získali požadovanú citlivosť.

PIN10 je pripojený k výstupu ACMP0, ktorý je externe pripojený k LED. Keď je zvukový senzor kalibrovaný, výstup pin10 by mal byť dosť nízky, čo znamená, že na externej LED dióde, ktorá je pripojená k topin10, nedochádza k blikaniu. Týmto spôsobom môžeme zaručiť, že napätie, ktoré je ticho generované zvukovým senzorom, neprekročí prahovú hodnotu 300 mv ACMP0.

Ak potrebujete okrem vibrácií aj ďalší alarm, môžete na pin9 pripojiť bzučiak, aby sa aktivoval aj zvukový alarm.

Druhá časť: Dotykový senzor

Dotykový senzor, ktorý sme postavili, používa odpor snímajúci silu (FSR). Rezistory snímajúce silu pozostávajú z vodivého polyméru, ktorý po použití sily na svojom povrchu mení odpor predvídateľným spôsobom. Snímacia fólia pozostáva z elektricky vodivých aj nevodivých častíc zavesených v matrici. Pôsobenie sily na povrch snímacieho filmu spôsobí, že sa častice dotknú vodivých elektród, čím sa zmení odpor filmu. FSR sa dodáva s rôznymi veľkosťami a tvarmi (kruh a štvorec).

Odpor prekročil 1 MΩ bez aplikovaného tlaku a pohyboval sa od približne 100 kΩ do niekoľko stoviek ohmov, pretože tlak sa pohyboval od ľahkého po ťažký. V našom projekte bude FSR použitý ako snímač dotyku hlavy a je umiestnený vo vankúši. Priemerná hmotnosť hlavy človeka je od 4,5 do 5 kg. Keď používateľ položí hlavu na vankúš, na FSR sa aplikuje sila a jeho odpor sa zmení. GPAK zistí túto zmenu a systém je povolený.

Spôsob pripojenia odporového senzora je pripojiť jeden koniec k napájaniu a druhý k sťahovaciemu odporu k zemi. Potom je bod medzi pevným sťahovacím odporom a variabilným odporom FSR pripojený k analógovému vstupu GPAK (Pin12), ako je znázornené na obrázku 7. Signál bude privedený z kolíka na vstup ACMP1. Druhý vstup ACMP1 je zapojený do referenčného nastavenia 1 200 mv. Výsledok porovnania je uložený v DFF6. Keď je detekovaný dotyk hlavy, výstup DFF2 otočí HI, aby aktivoval CNT2/Dly2, ktorý je nakonfigurovaný tak, aby fungoval ako „oneskorenie pri zostupnej hrane“s oneskorením rovným 1,5 sekundy. V takom prípade, ak sa pražce pohybujú alebo sa otáčajú zo strany na stranu a FSR sa preruší na menej ako 1,5 sekundy, systém je stále aktivovaný a nenastane žiadny reset. CNT7 a CNT8 sa používajú na povolenie FSR a ACMP1 na 50 mS každú 1 sekundu, aby sa znížila spotreba energie.

Záver

V tomto projekte sme vyrobili inteligentný vankúš, ktorý slúži na detekciu chrápania na upozornenie spiaceho človeka vibráciami.

Tiež sme vyrobili dotykový senzor pomocou FSR na automatickú aktiváciu systému pri použití vankúša. Ďalšou možnosťou vylepšenia by mohlo byť paralelné navrhovanie FSR tak, aby vyhovovalo vankúšom väčších rozmerov. Tiež sme vyrobili digitálne filtre, aby sme minimalizovali výskyt falošných poplachov.