Chytrý polštář: 3 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Tento návod popisuje, jak vytvořit inteligentní polštář citlivý na chrápání!

Chytrý polštář se spoléhá na vibrace, které indikují spícímu, když při spánku chrápe. Funguje to automaticky, když člověk položí hlavu na polštář.

Chrápání je nešťastný stav, protože postihuje nejen chrápajícího člověka, ale i lidi, kteří kolem něj spí. Chrápání je v USA považováno za největší zdravotní důvod rozvodu. Navíc spánková apnoe může způsobit celou řadu zdravotních problémů, které lze zmírnit zajištěním toho, že si pražce nevybírá polohu, která vede k chrápání.

V tomto Instructable vytvoříme systém, který dokáže detekovat a analyzovat zvuky. Když analyzuje chrápající zvuk, zapne vibrační motor, aby se pražce probudil. Když spící osoba zvedne hlavu z polštáře, vibrační motor se zastaví. Když spáč změní svou spací polohu, pravděpodobněji se usadí do jiné polohy, která zabrání chrápání.

Krok 1: Úkoly na polštář:

• Polštář má dotykový senzor, takže systém se automaticky aktivuje, když osoba položí hlavu na polštář, a když zvedne hlavu, je nečinný.
• Když systém detekuje chrápání nebo jakýkoli jiný kakofonický zvuk, zapne se vibrátor, který probudí pražce.
• Obsahuje 2 uživatelsky nastavitelné vibrační režimy: kontinuální nebo pulzní. Systém je užitečný pro lidi, kteří trpí chrápáním. Z bezpečnostních důvodů mohou tento systém používat i lidé, kteří trpí velmi hlubokým spánkem, protože dokáže detekovat zvonky u dveří, vyzváněcí telefony nebo plačící děti.

Tento projekt jsme realizovali pomocí Silego SLG46620V CMIC, zvukového senzoru, vibračního motoru, odporu snímajícího sílu a některých pasivních komponent.

Celkový počet komponent pro tento design je zcela minimální, přestože nepoužívá mikrokontrolér. Jelikož GreenPAK CMIC jsou levné a mají nízkou spotřebu energie, jsou ideální součástí pro toto řešení. Jejich malá velikost by jim také umožnila snadnou integraci do polštáře bez obav z výroby.

Většina projektů, které závisí na detekci zvuku, má „falešnou spouštěcí frekvenci“, která je nezbytná kvůli možnosti chyby mezi různými senzory. Senzory spojené s tímto projektem pouze detekují úroveň zvuku; nezjistí typ zvuku ani povahu jeho původu. V důsledku toho může být falešná spoušť způsobena úkonem, jako je tleskání, klepání nebo jiný hluk nesouvisející s chrápáním, který může detekovat senzor.

V tomto projektu bude systém ignorovat krátké zvuky, které způsobují falešnou rychlost spouštění, takže vytvoříme digitální filtr, který dokáže detekovat zvukový segment, jako je zvuk chrápání.

Podívejte se na grafickou křivku na obrázku 1, která představuje zvuk chrápání.

Vidíme, že se skládá ze dvou sekcí, které se opakují a korelují s časem. První část detekuje chrápání; je to sekvence krátkých impulsů, která trvá 0,5 až 4 sekundy, po níž následuje období ticha, které trvá 0,4 až 4 sekundy a může obsahovat šum v pozadí.

Aby tedy mohl systém odfiltrovat další zvuky, musí detekovat chrápající segment, který trvá déle než 0,5 s, a ignorovat jakýkoli stručnější zvukový segment. Aby byl systém stabilnější, měl by být implementován čítač, který počítá chrápající segmenty a spustí alarm po detekci dvou sekvenčních chrápajících segmentů.

V tomto případě, i když zvuk trvá déle než 0,5 s, ho systém bude filtrovat, pokud se neopakuje v určitém časovém rámci. Tímto způsobem můžeme filtrovat zvuk, který může být způsoben pohybem, kašlem nebo dokonce krátkými zvukovými signály.

Krok 2: Implementační plán

Návrh tohoto projektu se skládá ze dvou částí; první část je zodpovědná za detekci zvuku a analyzuje jej, aby detekovala zvuk chrápání, aby upozornila spícího.

Druhá část je dotykový senzor; je zodpovědný za automatické povolení systému, když si někdo položí hlavu na polštář, a za deaktivaci systému, když spící osoba zvedne hlavu z polštáře.

Inteligentní polštář lze velmi snadno implementovat pomocí jediného konfigurovatelného integrovaného obvodu se smíšeným signálem (CMIC) GreenPAK.

Můžete projít všemi kroky, abyste pochopili, jak byl čip GreenPAK naprogramován k ovládání inteligentního polštáře. Pokud však chcete jednoduše vytvořit inteligentní polštář, aniž byste rozuměli všem vnitřním obvodům, stáhněte si zdarma software GreenPAK a zobrazte již dokončený návrhový soubor Smart Pillow GreenPAK. Připojte svůj počítač k vývojové sadě GreenPAK a spusťte program a vytvořte si vlastní integrovaný obvod pro ovládání vašeho chytrého polštáře. Jakmile je IC vytvořen, můžete přeskočit další krok. Další krok bude diskutovat o logice, která je uvnitř souboru návrhu Smart Pillow GreenPAK pro ty, kteří mají zájem porozumět tomu, jak obvod funguje.

Jak to funguje?

Kdykoli si někdo položí hlavu na polštář, dotykový senzor vyšle aktivační signál z Matrix2 do Matrix1 přes P10, aby aktivoval obvod a začal odebírat vzorky ze zvukového senzoru.

Systém odebírá vzorek ze zvukového senzoru každých 30 ms v časovém rámci 5 ms. Tímto způsobem se ušetří spotřeba energie a filtrují se krátké zvukové impulzy.

Pokud zjistíme 15 sekvenčních zvukových vzorků (žádné ticho nevydrží déle než 400 ms mezi některým ze vzorků), dojde k závěru, že zvuk je trvalý. V tomto případě bude zvukový segment považován za chrápající segment. Když se tato akce opakuje po tichu, které trvá déle než 400 ms a méně než 6 s, bude zachycený zvuk považován za chrápání a spáč bude upozorněn vibracemi.

Můžete oddálit varování pro více než 2 chrápající segmenty, abyste zvýšili přesnost v konfiguraci pipedelay0 v návrhu, ale to může prodloužit dobu odezvy. Bylo by také nutné zvětšit 6sekundový rámec.

Krok 3: Design GreenPAK

První část: Detekce chrápání

Výstup zvukového senzoru bude připojen k Pin6, který je konfigurován jako analogový vstup. Signál bude přiveden z pinu na vstup ACMP0. Druhý vstup ACMP0 je konfigurován jako 300mv reference.

Výstup ACMP0 je invertován a poté připojen k CNT/DLY0, který je nastaven jako zpoždění náběžné hrany se zpožděním rovným 400 ms. Výstup CNT0 bude vysoký, pokud detekce ticha trvá déle než 400 ms. Jeho výstup je připojen k detektoru stoupající hrany, který po detekci ticha vygeneruje krátký resetovací impuls.

CNT5 a CNT6 jsou zodpovědné za otevření časové brány, která trvá 5 ms každých 30 ms pro odebírání zvukových vzorků; během těchto 5 ms, pokud dojde k detekci zvukového signálu, výstup DFF0 vydá impuls čítači CNT9. CNT9 bude resetován, pokud detekce ticha trvá déle než 400 ms, v tomto okamžiku restartuje počítání zvukových vzorků.

Výstup CNT9 je připojen k DFF2, který slouží jako bod pro detekci chrápajícího segmentu. Když je detekován chrápající segment, výstup DFF2 otočí HI, aby aktivoval CNT2/Dly2, který je nakonfigurován tak, aby fungoval jako „zpoždění sestupné hrany“se zpožděním rovným 6 s.

DFF2 bude resetován po detekci ticha, která trvá déle než 400 ms. Poté začne znovu detekovat chrápající segment.

Výstup DFF2 prochází Pipedelay, který je připojen k pinu 9 přes LUT1. Pin9 bude připojen k vibračnímu motoru.

Výstup Pipedelay přechází z Low na High, když detekuje dva sekvenční chrápající segmenty v časové bráně pro CNT2 (6 s).

LUT3 se používá k resetování Pipedelay, takže jeho výstup bude Nízký, pokud spící osoba zvedne hlavu z polštáře. V tomto případě je časová brána CNT2 dokončena před detekcí dvou sekvenčních chrápajících segmentů.

Pin3 je nakonfigurován jako vstup a je připojen k „tlačítku režimu vibrací“. Signál přicházející z pinu 3 prochází DFF4 a DFF5 konfiguruje vzor vibrací na jeden ze dvou vzorů: mode1 a mode2. V případě režimu 1: když je detekováno chrápání, je do vibračního motoru odeslán nepřetržitý signál, což znamená, že motor běží nepřetržitě.

V případě režimu2: když je detekováno chrápání, vibrační motor pulzuje s časováním výstupu CNT6.

Když je tedy výstup DFF5 vysoký, aktivuje se režim 1. Když je nízká (režim 2), výstup DFF4 je vysoký a výstup CNT6 se objeví na pinu 9 až LUT1.

Citlivost na zvukový senzor je řízena potenciometrem, který je nastaven v modulu. Senzor by měl být poprvé inicializován ručně, aby získal požadovanou citlivost.

PIN10 je připojen k výstupu ACMP0, který je externě připojen k LED. Když je zvukový senzor kalibrován, výstup pin10 by měl být poměrně nízký, což znamená, že na externí LED diodě, která je připojena topin10, nedochází k blikání. Tímto způsobem můžeme zaručit, že napětí generované zvukovým senzorem v tichosti nepřekročí prahovou hodnotu 300 mv ACMP0.

Pokud kromě vibrací potřebujete ještě další alarm, můžete na pin9 připojit bzučák, aby se aktivoval i zvukový alarm.

Druhá část: Dotykový senzor

Dotykový senzor, který jsme postavili, používá odpor snímající sílu (FSR). Rezistory snímající sílu se skládají z vodivého polymeru, který předvídatelným způsobem mění odpor po aplikaci síly na jeho povrch. Snímací film se skládá z elektricky vodivých i nevodivých částic suspendovaných v matrici. Působení síly na povrch snímací fólie způsobí, že se částice dotknou vodivých elektrod, čímž se změní odpor fólie. FSR přichází s různými velikostmi a tvary (kruh a čtverec).

Odpor překročil 1 MΩ bez aplikovaného tlaku a pohyboval se od přibližně 100 kΩ do několika stovek ohmů, protože tlak kolísal od lehkého po těžký. V našem projektu bude FSR použit jako senzor dotyku hlavy a je umístěn uvnitř polštáře. Průměrná hmotnost lidské hlavy je mezi 4,5 a 5 kg. Když uživatel položí hlavu na polštář, působí na FSR síla a její odpor se změní. GPAK tuto změnu detekuje a systém je povolen.

Způsob připojení odporového senzoru je připojit jeden konec k napájení a druhý k stahovacímu odporu k zemi. Poté je bod mezi pevným stahovacím odporem a proměnným rezistorem FSR připojen k analogovému vstupu GPAK (Pin12), jak je znázorněno na obrázku 7. Signál bude přiveden z pinu na vstup ACMP1. Druhý vstup ACMP1 je připojen k referenčnímu nastavení 1200 mv. Výsledek porovnání je uložen v DFF6. Když je detekován dotyk hlavy, výstup DFF2 otočí HI, aby aktivoval CNT2/Dly2, který je nakonfigurován tak, aby fungoval jako „zpoždění sestupné hrany“se zpožděním rovným 1,5 s. V tomto případě, pokud se pražce pohybuje nebo se otáčí ze strany na stranu a FSR je přerušeno na méně než 1,5 sekundy, systém je stále aktivován a nedojde k resetování. CNT7 a CNT8 se používají k povolení FSR a ACMP1 na 50 ms každou 1 sekundu, aby se snížila spotřeba energie.

Závěr

V tomto projektu jsme vyrobili chytrý polštář, který slouží k detekci chrápání, aby upozornil spící osobu vibracemi.

Také jsme vyrobili dotykový senzor pomocí FSR pro automatickou aktivaci systému při použití polštáře. Další možností vylepšení by mohlo být paralelní navrhování FSR pro umístění polštářů větší velikosti. Vytvořili jsme také digitální filtry, abychom minimalizovali výskyt falešných poplachů.