Inteligentna poduszka: 3 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Ta instrukcja opisuje, jak zrobić inteligentną poduszkę, która jest wrażliwa na chrapanie!

Inteligentna poduszka wykorzystuje wibracje, aby wskazać śpiącemu, kiedy chrapie podczas snu. Działa automatycznie, gdy osoba kładzie głowę na poduszce.

Chrapanie jest niefortunną przypadłością, ponieważ dotyka nie tylko chrapiącą osobę, ale także osoby śpiące wokół niej. Chrapanie zostało uznane za największy medyczny powód rozwodu w USA. Ponadto bezdech senny może powodować szereg problemów zdrowotnych, które można złagodzić, upewniając się, że śpiący nie wybiera pozycji, która prowadzi do chrapania.

W tej instrukcji zbudujemy system, który może wykrywać i analizować dźwięki. Gdy przeanalizuje chrapanie, włączy silnik wibracyjny, aby śpiący się obudził. Kiedy śpiący podniesie głowę z poduszki, silnik wibracyjny zatrzyma się. Kiedy śpiący zmienia pozycję do spania, jest bardziej prawdopodobne, że przyjmie inną pozycję, która zapobiegnie chrapaniu.

Krok 1: Zadania z poduszkami:

• Poduszka posiada czujnik dotyku, dzięki czemu system włącza się automatycznie, gdy osoba położy głowę na poduszce i jest bezczynny, gdy podnosi głowę.
• Gdy system wykryje dźwięk chrapania lub inny dźwięk kakofoniczny, włącza się wibrator, aby obudzić śpiącego.
• Posiada 2 ustawiane przez użytkownika tryby wibracji: ciągły lub pulsacyjny. System jest przydatny dla osób cierpiących na chrapanie. Ze względów bezpieczeństwa osoby cierpiące na bardzo głęboki sen mogą również korzystać z systemu, ponieważ wykrywa on dzwonki do drzwi, dzwoniące telefony lub płacz niemowląt.

Zrealizowaliśmy ten projekt z Silego SLG46620V CMIC, czujnikiem dźwięku, silnikiem wibracyjnym, rezystorem wykrywającym siłę i niektórymi elementami pasywnymi.

Całkowita liczba komponentów dla tego projektu jest dość minimalna, mimo że nie wykorzystuje mikrokontrolera. Ponieważ GreenPAK CMIC są tanie i mają niski pobór mocy, są idealnym elementem tego rozwiązania. Ich mały rozmiar pozwoliłby również na łatwe zintegrowanie ich z poduszką bez obaw produkcyjnych.

Większość projektów, które opierają się na wykrywaniu dźwięku, ma „częstotliwość fałszywego wyzwalania”, co jest konieczne ze względu na możliwość wystąpienia błędu w różnych czujnikach. Czujniki związane z tym projektem jedynie wykrywają poziom dźwięku; nie wykrywają rodzaju dźwięku ani charakteru jego pochodzenia. W konsekwencji fałszywy wyzwalacz może być spowodowany aktem takim jak klaskanie, pukanie lub inny dźwięk niezwiązany z chrapaniem, który może być wykryty przez czujnik.

W tym projekcie system będzie ignorował krótkie dźwięki, które powodują fałszywe wyzwalanie, dlatego zbudujemy filtr cyfrowy, który może wykryć segment dźwięku, taki jak dźwięk chrapania.

Spójrz na krzywą graficzną na rysunku 1, która przedstawia dźwięk chrapania.

Widzimy, że składa się z dwóch części, które powtarzają się i są skorelowane czasowo. Pierwsza część wykrywa chrapanie; jest to sekwencja krótkich impulsów trwających od 0,5 do 4 sekund, po których następuje okres ciszy, który trwa od 0,4 do 4 sekund i może zawierać szum tła.

Dlatego, aby odfiltrować inne dźwięki, system musi wykryć segment chrapania, który trwa dłużej niż 0,5 sekundy, i zignorować każdy krótszy segment dźwięku. Aby system był bardziej stabilny, należy wdrożyć licznik, który zlicza segmenty chrapania, aby uruchomić alarm po wykryciu dwóch kolejnych segmentów chrapania.

W takim przypadku, nawet jeśli dźwięk trwa dłużej niż 0,5 sekundy, system przefiltruje go, chyba że powtórzy się w określonym czasie. W ten sposób możemy filtrować dźwięk, który może być spowodowany ruchem, kaszlem, a nawet krótkimi sygnałami dźwiękowymi.

Krok 2: Plan wdrożenia

Projekt tego projektu składa się z dwóch części; pierwsza sekcja odpowiada za wykrywanie dźwięku i analizowanie go w celu wykrycia odgłosu chrapania, aby zaalarmować śpiącego.

Druga sekcja to czujnik dotykowy; odpowiada za automatyczne włączanie systemu, gdy osoba położy głowę na poduszce, oraz wyłączenie systemu, gdy osoba śpiąca oderwie głowę od poduszki.

Inteligentną poduszkę można bardzo łatwo wdrożyć za pomocą jednego konfigurowalnego układu scalonego sygnału mieszanego GreenPAK (CMIC).

Możesz przejść przez wszystkie kroki, aby zrozumieć, w jaki sposób chip GreenPAK został zaprogramowany do sterowania Smart Pillow. Jeśli jednak chcesz po prostu łatwo stworzyć Smart Pillow bez zrozumienia wszystkich wewnętrznych obwodów, pobierz bezpłatne oprogramowanie GreenPAK, aby wyświetlić już ukończony plik projektu Smart Pillow GreenPAK. Podłącz komputer do zestawu rozwojowego GreenPAK i naciśnij program, aby utworzyć niestandardowy układ scalony do sterowania Twoją inteligentną poduszką. Po utworzeniu układu scalonego możesz pominąć następny krok. W następnym kroku omówimy logikę zawartą w pliku projektowym Smart Pillow GreenPAK dla tych, którzy są zainteresowani zrozumieniem działania obwodu.

Jak to działa?

Za każdym razem, gdy osoba kładzie głowę na poduszce, czujnik dotykowy wysyła sygnał aktywacyjny z Matrix2 do Matrix1 przez P10, aby aktywować obwód i rozpocząć pobieranie próbek z czujnika dźwięku.

System pobiera próbkę z czujnika dźwięku co 30 ms w ciągu 5 ms. W ten sposób zużycie energii zostanie zaoszczędzone, a krótkie impulsy dźwiękowe będą filtrowane.

Jeśli wykryjemy 15 kolejnych próbek dźwięku (żadna cisza nie trwa dłużej niż 400ms między żadną z próbek), stwierdza się, że dźwięk jest trwały. W takim przypadku segment dźwiękowy zostanie uznany za segment chrapania. Kiedy ta czynność powtarza się po ciszy, która trwa dłużej niż 400ms i krócej niż 6s, przechwycony dźwięk zostanie uznany za chrapanie, a śpiący zostanie ostrzeżony wibracjami.

Możesz opóźnić ostrzeżenie dla więcej niż 2 chrapiących segmentów, aby zwiększyć dokładność z konfiguracji pipedelay0 w projekcie, ale może to wydłużyć czas odpowiedzi. Ramka 6 sekund również musiałaby zostać zwiększona.

Krok 3: Projekt GreenPAK

Sekcja pierwsza: Wykrywanie chrapania

Wyjście czujnika dźwięku zostanie podłączone do Pin6, który jest skonfigurowany jako wejście analogowe. Sygnał zostanie doprowadzony z pinu do wejścia ACMP0. Drugie wejście ACMP0 jest skonfigurowane jako odniesienie 300mv.

Wyjście ACMP0 jest odwracane, a następnie podłączane do CNT/DLY0, które jest ustawione jako opóźnienie zbocza narastającego z opóźnieniem równym 400 ms. Wyjście CNT0 będzie wysokie, gdy wykrycie ciszy trwa dłużej niż 400 ms. Jego wyjście jest połączone z czujnikiem zbocza narastającego, który po wykryciu ciszy wygeneruje krótki impuls resetujący.

CNT5 i CNT6 są odpowiedzialne za otwieranie bramki czasowej, która trwa 5ms co 30ms w celu pobrania próbek dźwięku; podczas tych 5ms, jeśli nastąpi wykrycie sygnału dźwiękowego, wyjście DFF0 podaje impuls do licznika CNT9. CNT9 zostanie zresetowany, jeśli detekcja ciszy będzie trwała dłużej niż 400 ms, w którym to momencie zrestartuje zliczanie próbek dźwięku.

Wyjście CNT9 jest podłączone do DFF2, który służy jako punkt do wykrywania segmentu chrapania. Po wykryciu segmentu chrapania wyjście DFF2 włącza HI, aby aktywować CNT2/Dly2, która jest skonfigurowana do pracy jako „opóźnienie opadającego zbocza” z opóźnieniem równym 6 sekund.

DFF2 zostanie zresetowany po wykryciu ciszy trwającej ponad 400 ms. Następnie zacznie ponownie wykrywać segment chrapania.

Wyjście DFF2 przechodzi przez Pipedelay, który jest podłączony do pin9 przez LUT1. Pin9 zostanie podłączony do silnika wibracyjnego.

Wyjście Pipedelay przechodzi od niskiego do wysokiego, gdy wykryje dwa sekwencyjne segmenty chrapania w bramce czasowej dla CNT2 (6 s).

LUT3 służy do resetowania opóźnienia potoku, więc jego wyjście będzie niskie, jeśli śpiąca osoba podniesie głowę z poduszki. W tym przypadku bramka czasowa CNT2 kończy się przed wykryciem dwóch kolejnych segmentów chrapania.

Pin3 jest skonfigurowany jako wejście i jest podłączony do „przycisku trybu wibracji”. Sygnał pochodzący z pinu 3 przechodzi przez DFF4 i DFF5 konfiguruje wzór wibracji na jeden z dwóch wzorów: mode1 i mode2. W przypadku trybu 1: po wykryciu chrapania do silnika wibracyjnego wysyłany jest ciągły sygnał, co oznacza, że silnik pracuje w sposób ciągły.

W przypadku mode2: po wykryciu chrapania silnik wibracyjny jest pulsowany z taktowaniem wyjścia CNT6.

Tak więc, gdy wyjście DFF5 jest wysokie, tryb1 zostanie aktywowany. Gdy jest niski (tryb 2), wyjście DFF4 jest wysokie, a wyjście CNT6 pojawi się na pin9 do LUT1.

Czułość na czujnik dźwięku jest kontrolowana potencjometrem, który jest ustawiony w module. Czujnik należy zainicjować ręcznie po raz pierwszy, aby uzyskać wymaganą czułość.

PIN10 jest podłączony do wyjścia ACMP0, które jest zewnętrznie połączone z diodą LED. Gdy czujnik dźwięku jest skalibrowany, wyjście pin10 powinno być dość niskie, co oznacza, że nie ma migotania zewnętrznej diody LED podłączonej do pin10. W ten sposób możemy zagwarantować, że napięcie generowane przez czujnik dźwięku w ciszy nie przekroczy progu 300mv ACMP0.

Jeśli potrzebujesz innego alarmu oprócz wibracji, możesz podłączyć brzęczyk do pin9, aby aktywował się również alarm dźwiękowy.

Druga sekcja: czujnik dotykowy

Zbudowany przez nas czujnik dotykowy wykorzystuje rezystor wyczuwający siłę (FSR). Rezystory siłowe składają się z przewodzącego polimeru, który zmienia rezystancję w przewidywalny sposób po przyłożeniu siły do jego powierzchni. Folia czujnikowa składa się zarówno z cząstek przewodzących, jak i nieprzewodzących, zawieszonych w matrycy. Przyłożenie siły do powierzchni błony czujnikowej powoduje, że cząsteczki dotykają elektrod przewodzących, zmieniając rezystancję błony. FSR ma różne rozmiary i kształty (koło i kwadrat).

Rezystancja przekraczała 1 MΩ bez przyłożonego ciśnienia i wahała się od około 100 kΩ do kilkuset omów, gdy ciśnienie zmieniało się od lekkiego do ciężkiego. W naszym projekcie czujnik FSR będzie używany jako czujnik dotyku głowy i znajduje się wewnątrz poduszki. Średnia waga głowy człowieka wynosi od 4,5 do 5 kg. Kiedy użytkownik kładzie głowę na poduszce, na FSR działa siła i zmienia się jego opór. GPAK wykrywa tę zmianę i system jest włączony.

Sposobem na podłączenie czujnika rezystancyjnego jest podłączenie jednego końca do zasilania, a drugiego do rezystora ściągającego do masy. Następnie punkt między stałym rezystorem obniżającym a zmiennym rezystorem FSR jest podłączony do wejścia analogowego GPAK (Pin12), jak pokazano na rysunku 7. Sygnał zostanie przeniesiony z pinu na wejście ACMP1. Drugie wejście ACMP1 jest połączone z nastawą odniesienia 1200mv. Wynik porównania jest przechowywany w DFF6. Po wykryciu dotyku głową, wyjście DFF2 zmienia stan HI, aby aktywować CNT2/Dly2, który jest skonfigurowany do pracy jako „opóźnienie opadającego zbocza” z opóźnieniem równym 1,5 sekundy. W takim przypadku, jeśli podkład przesunie się lub skręci z boku na bok, a FSR zostanie przerwany na mniej niż 1,5 sekundy, system jest nadal aktywowany i nie następuje reset. CNT7 i CNT8 są używane do włączania FSR i ACMP1 na 50 ms co 1 sekundę w celu zmniejszenia zużycia energii.

Wniosek

W tym projekcie wykonaliśmy inteligentną poduszkę, która służy do wykrywania chrapania, aby zaalarmować śpiącą osobę wibracjami.

Stworzyliśmy również czujnik dotyku wykorzystujący FSR do automatycznego aktywowania systemu podczas korzystania z poduszki. Kolejną opcją ulepszenia może być zaprojektowanie równoległych FSR, aby pomieścić większe poduszki. Wykonaliśmy również filtry cyfrowe, aby zminimalizować występowanie fałszywych alarmów.