Умная подушка: 3 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:54

В этом руководстве описывается, как сделать умную подушку, чувствительную к храпу!

Умная подушка использует вибрацию, чтобы указать спящему, когда он храпит во время сна. Он срабатывает автоматически, когда человек кладет голову на подушку.

Храп - это неприятное состояние, потому что оно влияет не только на храпящего человека, но и на людей, которые спят рядом с ним. Храп был признан главной медицинской причиной развода в США. Кроме того, апноэ во сне может вызвать широкий спектр проблем со здоровьем, которые можно смягчить, если спящий не выбирает положение, которое приводит к храпу.

В этом руководстве мы создадим систему, которая может обнаруживать и анализировать звуки. Когда он анализирует звук храпа, он включает вибромотор, чтобы спящий просыпался. Когда спящий поднимает голову с подушки, вибромотор останавливается. Когда спящий меняет положение для сна, он с большей вероятностью займет другое положение, которое предотвратит храп.

Шаг 1: Задачи подушки:

• Подушка имеет сенсорный датчик, так что система автоматически включается, когда человек кладет голову на подушку, и бездействует, когда он поднимает голову.
• Когда система обнаруживает звук храпа или любой другой какофонический звук, включается вибратор, чтобы разбудить спящего.
• Имеет 2 настраиваемых пользователем режима вибрации: непрерывный или импульсный. Система полезна для людей, страдающих храпом. В целях безопасности люди, которые страдают от очень глубокого сна, также могут использовать систему, поскольку она может обнаруживать дверные звонки, звонки телефонов или плач младенцев.

Мы реализовали этот проект с помощью CMIC Silego SLG46620V, звукового датчика, вибромотора, чувствительного к усилию резистора и некоторых пассивных компонентов.

Общее количество компонентов для этой конструкции минимально, несмотря на то, что в ней не используется микроконтроллер. Поскольку CMIC GreenPAK имеют низкую стоимость и низкое энергопотребление, они являются идеальным компонентом для этого решения. Их небольшой размер также позволит легко встроить их в подушку без проблем с производством.

Большинство проектов, зависящих от обнаружения звука, имеют «частоту ложного срабатывания», что необходимо из-за возможности ошибки среди множества датчиков. Датчики, связанные с этим проектом, просто определяют уровень звука; они не определяют тип звука или природу его происхождения. Следовательно, ложное срабатывание может быть вызвано таким действием, как хлопок, стук или другой шум, не связанный с храпом, который может быть обнаружен датчиком.

В этом проекте система будет игнорировать короткие звуки, которые вызывают ложную частоту срабатывания, поэтому мы создадим цифровой фильтр, который может обнаруживать звуковой сегмент, например звук храпа.

Посмотрите на графическую кривую на рисунке 1, которая представляет звук храпа.

Мы видим, что он состоит из двух частей, которые повторяются и коррелируются во времени. Первая часть определяет храп; это последовательность коротких импульсов продолжительностью от 0,5 до 4 секунд, за которыми следует период молчания, который длится от 0,4 до 4 секунд и может содержать фоновый шум.

Следовательно, чтобы отфильтровать другие шумы, система должна обнаруживать сегмент храпа, который длится более 0,5 секунды, и игнорировать любой более короткий сегмент звука. Чтобы сделать систему более стабильной, должен быть реализован счетчик, который подсчитывает сегменты храпа и запускает тревогу после обнаружения двух последовательных сегментов храпа.

В этом случае, даже если звук длится более 0,5 секунды, система отфильтрует его, если он не повторяется в течение определенного периода времени. Таким образом мы можем фильтровать звук, который может быть вызван движением, кашлем или даже короткими шумовыми сигналами.

Шаг 2: План реализации

Дизайн этого проекта состоит из двух разделов; первая секция отвечает за обнаружение звука и анализирует его, чтобы обнаружить звук храпа, чтобы предупредить спящего.

Вторая секция - сенсорный датчик; он отвечает за автоматическое включение системы, когда человек кладет голову на подушку, и за отключение системы, когда спящий человек поднимает голову с подушки.

Интеллектуальную подушку можно очень легко реализовать с помощью одной настраиваемой ИС смешанного сигнала (CMIC) GreenPAK.

Вы можете пройти все шаги, чтобы понять, как чип GreenPAK был запрограммирован для управления Smart Pillow. Однако, если вы просто хотите легко создать Smart Pillow, не разбираясь во всех внутренних схемах, загрузите бесплатное программное обеспечение GreenPAK, чтобы просмотреть уже готовый файл дизайна Smart Pillow GreenPAK. Подключите свой компьютер к GreenPAK Development Kit и нажмите программу, чтобы создать индивидуальную ИС для управления вашей Smart Pillow. После создания ИС вы можете пропустить следующий шаг. На следующем шаге будет обсуждаться логика, которая находится внутри файла проекта Smart Pillow GreenPAK для тех, кто заинтересован в понимании того, как работает схема.

Как это работает?

Каждый раз, когда человек кладет голову на подушку, сенсорный датчик посылает сигнал активации от Matrix2 к Matrix1 через P10, чтобы активировать схему и начать отбор образцов от звукового датчика.

Система берет выборку со звукового датчика каждые 30 мс в течение 5 мс. Таким образом, потребление энергии будет сокращено, а короткие звуковые импульсы будут отфильтрованы.

Если мы обнаруживаем 15 последовательных звуковых сэмплов (пауза между любыми сэмплами не длится более 400 мс), делается вывод, что звук является постоянным. В этом случае звуковой сегмент будет считаться сегментом храпа. Когда это действие повторяется после тишины, которая длится более 400 мс и менее 6 с, записанный звук будет считаться храпом, а спящий будет предупрежден вибрацией.

Вы можете отложить предупреждение для более чем двух сегментов храпа, чтобы повысить точность конфигурации pipedelay0 в проекте, но это может увеличить время отклика. Кадр в 6 секунд также должен быть увеличен.

Шаг 3: Дизайн GreenPAK

Первый раздел: обнаружение храпа

Выход звукового датчика будет подключен к контакту 6, который настроен как аналоговый вход. Сигнал будет поступать с вывода на вход ACMP0. Другой вход ACMP0 настроен как опорный сигнал 300 мВ.

Выход ACMP0 инвертируется и затем подключается к CNT / DLY0, который установлен как задержка нарастающего фронта с задержкой, равной 400 мсек. Выход CNT0 будет высоким, когда обнаружение тишины длится более 400 мс. Его выход подключен к детектору нарастающего фронта, который генерирует короткий импульс сброса после обнаружения тишины.

CNT5 и CNT6 отвечают за открытие временного окна, которое длится 5 мс каждые 30 мс для взятия образцов звука; в течение этих 5 мс при обнаружении звукового сигнала выход DFF0 дает импульс счетчику CNT9. CNT9 будет сброшен, если обнаружение тишины длится более 400 мс, после чего он перезапустит подсчет звуковых отсчетов.

Выход CNT9 подключен к DFF2, который используется как точка для обнаружения сегмента храпа. Когда обнаруживается сегмент храпа, выход DFF2 переключается на HI, чтобы активировать CNT2 / Dly2, который настроен на работу как «задержка спадающего фронта» с задержкой, равной 6 секундам.

DFF2 будет сброшен после обнаружения тишины, которое длится более 400 мс. Затем он снова начнет обнаруживать сегмент храпа.

Выход DFF2 проходит через Pipedelay, который подключен к выводу 9 через LUT1. Pin9 будет подключен к вибрационному двигателю.

Выходной сигнал Pipedelay переходит с низкого на высокий, когда он обнаруживает два последовательных сегмента храпа в пределах временного интервала для CNT2 (6 секунд).

LUT3 используется для сброса Pipedelay, поэтому его выход будет низким, если спящий поднимет голову с подушки. В этом случае временные ворота CNT2 завершаются до обнаружения двух последовательных сегментов храпа.

Контакт 3 настроен как вход и подключен к «кнопке режима вибрации». Сигнал, поступающий от контакта 3, проходит через DFF4, и DFF5 настраивает шаблон вибрации на один из двух шаблонов: mode1 и mode2. В случае режима 1: при обнаружении храпа на вибродвигатель отправляется непрерывный сигнал, что означает, что двигатель работает непрерывно.

В случае режима 2: при обнаружении храпа вибромотор подает импульс с синхронизацией выхода CNT6.

Таким образом, когда на выходе DFF5 высокий уровень, активируется режим Mode1. Когда он низкий (режим 2), выход DFF4 высокий, а выход CNT6 появится на контактах 9 через LUT1.

Чувствительность к звуковому датчику контролируется потенциометром, установленным в модуле. Датчик следует инициализировать вручную в первый раз, чтобы получить требуемую чувствительность.

PIN10 подключен к выходу ACMP0, который внешне подключен к светодиоду. Когда датчик звука откалиброван, выходной сигнал на контакте 10 должен быть довольно низким, что означает отсутствие мерцания внешнего светодиода, подключенного к контакту 10. Таким образом, мы можем гарантировать, что напряжение, генерируемое звуковым датчиком в тишине, не превышает порогового значения 300 мВ ACMP0.

Если вам нужен еще один будильник в дополнение к вибрации, вы можете подключить зуммер к контакту 9, чтобы также сработал звуковой сигнал.

Второй раздел: сенсорный датчик

В созданном нами сенсорном датчике используется резистор, чувствительный к силе (FSR). Чувствительные к силе резисторы состоят из проводящего полимера, который изменяет сопротивление предсказуемым образом после приложения силы к его поверхности. Чувствительная пленка состоит как из электропроводящих, так и из непроводящих частиц, взвешенных в матрице. Приложение силы к поверхности чувствительной пленки заставляет частицы касаться проводящих электродов, изменяя сопротивление пленки. FSR бывает разных размеров и форм (круг и квадрат).

Сопротивление превышало 1 МОм без приложенного давления и составляло от 100 кОм до нескольких сотен Ом при изменении давления от легкого до высокого. В нашем проекте FSR будет использоваться в качестве датчика касания головы и расположен внутри подушки. Средний вес головы человека составляет от 4,5 до 5 кг. Когда пользователь кладет голову на подушку, на FSR действует сила, и ее сопротивление изменяется. GPAK обнаруживает это изменение, и система включается.

Способ подключения резистивного датчика - это подключить один конец к источнику питания, а другой - к понижающему резистору к земле. Затем точка между постоянным понижающим резистором и переменным резистором FSR подключается к аналоговому входу GPAK (вывод 12), как показано на рисунке 7. Сигнал будет передан от вывода к входу ACMP1. Другой вход ACMP1 подключен к уставке задания 1200 мВ. Результат сравнения сохраняется в DFF6. При обнаружении касания головой выход DFF2 переключается на HI, чтобы активировать CNT2 / Dly2, который настроен на работу как «задержка спадающего фронта» с задержкой, равной 1,5 сек. В этом случае, если спящий перемещается или поворачивается из стороны в сторону и FSR прерывается менее чем за 1,5 секунды, система все еще активирована, и сброса не происходит. CNT7 и CNT8 используются для включения FSR и ACMP1 на 50 мс каждые 1 с, чтобы снизить энергопотребление.

Заключение

В этом проекте мы сделали умную подушку, которая используется для обнаружения храпа, чтобы предупредить спящего с помощью вибрации.

Мы также сделали сенсорный датчик с использованием FSR для автоматической активации системы при использовании подушки. Еще одним вариантом усовершенствования может быть параллельная разработка FSR для размещения подушек большего размера. Мы также сделали цифровые фильтры, чтобы свести к минимуму вероятность ложных срабатываний.