Cuscino intelligente: 3 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Questo Instructable descrive come realizzare un cuscino intelligente che sia sensibile al russare!

Il cuscino intelligente si basa sulla vibrazione per indicare al dormiente quando russa durante il sonno. Funziona automaticamente quando una persona appoggia la testa sul cuscino.

Il russare è una condizione sfortunata perché colpisce non solo la persona che russa ma anche le persone che dormono intorno a lui. Il russare è stato votato come il principale motivo medico dietro il divorzio negli Stati Uniti. Inoltre, l'apnea notturna può causare una vasta gamma di problemi di salute che possono essere mitigati assicurandosi che un dormiente non scelga una posizione che porta a russare.

In questo Instructable, costruiremo un sistema in grado di rilevare e analizzare i suoni. Quando analizza un suono del russare, accenderà un motore di vibrazione in modo che il dormiente si svegli. Quando la persona che dorme solleva la testa dal cuscino, il motore di vibrazione si ferma. Quando un dormiente cambia la posizione del sonno, è più probabile che si sistemi in una posizione diversa che impedirà il russare.

Fase 1: Compiti del cuscino:

• Il cuscino è dotato di un sensore tattile in modo che il sistema si attivi automaticamente quando la persona appoggia la testa sul cuscino ed è inattivo quando alza la testa.
• Quando il sistema rileva un russare o qualsiasi altro suono cacofonico, viene attivato un vibratore per svegliare il dormiente.
• Dispone di 2 modalità di vibrazione impostabili dall'utente: continua o pulsata. Il sistema è utile per le persone che russano. Per sicurezza, anche le persone che soffrono di un sonno molto profondo possono utilizzare il sistema perché è in grado di rilevare campanelli, telefoni che squillano o bambini che piangono.

Abbiamo implementato questo progetto con un CMIC Silego SLG46620V, un sensore sonoro, un motore a vibrazione, un resistore di rilevamento della forza e alcuni componenti passivi.

Il numero totale di componenti per questo progetto è abbastanza minimo, nonostante non utilizzi un microcontrollore. Poiché i CMIC GreenPAK sono economici e hanno un basso consumo energetico, sono un componente ideale per questa soluzione. Le loro piccole dimensioni inoltre permetterebbero loro di essere facilmente integrati all'interno del cuscino senza problemi di fabbricazione.

La maggior parte dei progetti che dipendono dal rilevamento del suono hanno un "tasso di attivazione falso", necessario a causa della possibilità di errore tra una varietà di sensori. I sensori associati a questo progetto rilevano semplicemente un livello sonoro; non rilevano il tipo di suono né la natura della sua origine. Di conseguenza, un falso innesco può essere causato da un atto come battere le mani, bussare o altri rumori non correlati al russare che possono essere rilevati dal sensore.

In questo progetto il sistema ignorerà i suoni brevi che causano la frequenza di falsi trigger, quindi costruiremo un filtro digitale in grado di rilevare un segmento sonoro come il suono del russare.

Guarda la curva grafica in figura 1 che rappresenta il suono del russare.

Possiamo vedere che si compone di due sezioni che sono ripetute e correlate nel tempo. La prima sezione rileva il russare; è una sequenza di brevi impulsi che dura da 0,5 a 4 secondi, seguita da un periodo di silenzio che dura da 0,4 a 4 secondi e può contenere rumore di fondo.

Pertanto, per filtrare altri rumori, il sistema deve rilevare un segmento di russamento, che dura più di 0,5 secondi, e ignorare qualsiasi segmento sonoro più breve. Per rendere il sistema più stabile, dovrebbe essere implementato un contatore che conta i segmenti di russamento per lanciare l'allarme dopo il rilevamento di due segmenti di russamento sequenziali.

In questo caso, anche se un suono dura più di 0,5 sec, il sistema lo filtrerà a meno che non si ripeta entro uno specifico lasso di tempo. In questo modo possiamo filtrare il suono che può essere causato da un movimento, tosse o anche brevi segnali di rumore.

Fase 2: Piano di implementazione

Il design di questo progetto si compone di due sezioni; la prima sezione è responsabile del rilevamento del suono e lo analizza per rilevare il suono del russare per allertare il dormiente.

La seconda sezione è un sensore tattile; è responsabile dell'attivazione automatica del sistema quando una persona appoggia la testa sul cuscino e della disattivazione del sistema quando la persona che dorme solleva la testa dal cuscino.

Un cuscino intelligente può essere implementato molto facilmente con un singolo IC a segnale misto (CMIC) configurabile GreenPAK.

Puoi seguire tutti i passaggi per capire come è stato programmato il chip GreenPAK per controllare lo Smart Pillow. Tuttavia, se desideri solo creare facilmente lo Smart Pillow senza comprendere tutti i circuiti interni, scarica il software GreenPAK gratuito per visualizzare il file di progettazione GreenPAK Smart Pillow già completato. Collega il tuo computer al kit di sviluppo GreenPAK e premi il programma per creare l'IC personalizzato per controllare il tuo cuscino intelligente. Una volta creato l'IC, puoi saltare il passaggio successivo. Il passaggio successivo discuterà la logica che si trova all'interno del file di progettazione Smart Pillow GreenPAK per coloro che sono interessati a capire come funziona il circuito.

Come funziona?

Ogni volta che una persona appoggia la testa sul cuscino, il sensore tattile invia un segnale di attivazione da Matrix2 a Matrix1 tramite P10 per attivare il circuito e iniziare a prelevare campioni dal sensore sonoro.

Il sistema preleva un campione dal sensore sonoro ogni 30 ms in un intervallo di tempo di 5 ms. In questo modo si risparmia il consumo di energia e si filtrano i brevi impulsi sonori.

Se rileviamo 15 campioni sonori sequenziali (nessun silenzio dura più di 400 ms tra uno qualsiasi dei campioni), si conclude che il suono è persistente. In questo caso, il segmento audio sarà considerato un segmento russante. Quando questa azione si ripete dopo un silenzio, che dura più di 400ms e meno di 6s, il suono catturato sarà considerato russare e il dormiente sarà avvisato dalla vibrazione.

È possibile ritardare l'avviso per più di 2 segmenti di russamento per aumentare la precisione dalla configurazione pipedelay0 nel progetto, ma ciò potrebbe aumentare il tempo di risposta. Anche il frame di 6 secondi dovrebbe essere aumentato.

Passaggio 3: progettazione GreenPAK

Prima Sezione: Rilevamento del Russamento

L'uscita del sensore sonoro sarà collegata al Pin6 che è configurato come ingresso analogico. Il segnale verrà portato dal pin all'ingresso di ACMP0. L'altro ingresso di ACMP0 è configurato come riferimento 300mv.

L'uscita di ACMP0 è invertita e quindi collegata a CNT/DLY0, che è impostato come ritardo del fronte di salita con un ritardo pari a 400 ms. L'uscita di CNT0 sarà alta quando il rilevamento del silenzio dura più di 400 ms. La sua uscita è collegata a un rilevatore di fronte di salita, che genererà un breve impulso di ripristino dopo aver rilevato il silenzio.

CNT5 e CNT6 sono responsabili dell'apertura di un time gate che dura 5 ms ogni 30 ms per prelevare campioni sonori; durante questi 5ms se viene rilevato un segnale sonoro, l'uscita di DFF0 dà un impulso al contatore CNT9. CNT9 verrà resettato se un rilevamento di silenzio dura più di 400ms, a quel punto ricomincerà il conteggio dei campioni sonori.

L'uscita di CNT9 è collegata a DFF2 che viene utilizzato come punto per rilevare un segmento di russamento. Quando viene rilevato un segmento di russamento, l'uscita di DFF2 diventa HI per attivare CNT2/Dly2, che è configurato per funzionare come "ritardo fronte di discesa" con un ritardo pari a 6 sec.

DFF2 verrà ripristinato dopo un rilevamento del silenzio che dura per più di 400 ms. Inizierà quindi a rilevare nuovamente un segmento di russamento.

L'uscita di DFF2 passa attraverso Pipedelay, che è collegato al pin9 tramite LUT1. Pin9 sarà collegato al motore di vibrazione.

L'uscita di Pipedelay passa da Basso ad Alto quando rileva due segmenti di russamento sequenziali all'interno del gate temporale per CNT2 (6 sec).

LUT3 viene utilizzato per ripristinare il Pipedelay, quindi la sua uscita sarà Bassa se la persona che dorme solleva la testa dal cuscino. In questo caso, il time gate di CNT2 è terminato prima di rilevare due segmenti di russamento sequenziali.

Pin3 è configurato come ingresso ed è collegato a un "pulsante modalità vibrazione". Il segnale proveniente dal pin3 passa attraverso DFF4 e DFF5 configura il pattern di vibrazione su uno dei due pattern: mode1 e mode2. In caso di modalità 1: quando viene rilevato il russamento, viene inviato un segnale continuo al motore di vibrazione, il che significa che il motore funziona continuamente.

Nel caso della modalità 2: quando viene rilevato il russamento, il motore di vibrazione viene pulsato con la temporizzazione dell'uscita CNT6.

Quindi, quando l'uscita di DFF5 è alta, verrà attivata la modalità1. Quando è basso (modalità 2), l'uscita di DFF4 è alta e l'uscita di CNT6 apparirà sul pin9 attraverso LUT1.

La sensibilità al sensore sonoro è controllata da un potenziometro che è impostato nel modulo. Il sensore deve essere inizializzato manualmente per la prima volta per ottenere la sensibilità richiesta.

Il PIN10 è collegato all'uscita di ACMP0, che è collegata esternamente a un LED. Quando il sensore sonoro è calibrato, l'uscita del pin10 dovrebbe essere piuttosto bassa, il che significa che non c'è sfarfallio sul LED esterno che è collegato al pin10. In questo modo possiamo garantire che la tensione generata dal sensore sonoro in silenzio non superi la soglia di 300mv ACMP0.

Se hai bisogno di un altro allarme oltre alla vibrazione, puoi collegare un cicalino al pin9 in modo che venga attivato anche un allarme sonoro.

Seconda sezione: Sensore tattile

Il sensore tattile che abbiamo costruito utilizza un resistore di rilevamento della forza (FSR). I resistori di rilevamento della forza sono costituiti da un polimero conduttivo che cambia la resistenza in modo prevedibile in seguito all'applicazione della forza sulla sua superficie. La pellicola sensibile è costituita da particelle sia elettricamente conduttive che non conduttrici sospese in una matrice. L'applicazione di una forza sulla superficie della pellicola sensibile fa sì che le particelle tocchino gli elettrodi conduttori, modificando la resistenza della pellicola. FSR viene fornito con diverse dimensioni e forme (cerchio e quadrato).

La resistenza superava 1 MΩ senza pressione applicata e variava da circa 100 kΩ a poche centinaia di Ohm al variare della pressione da leggera a pesante. Nel nostro progetto, FSR verrà utilizzato come sensore di tocco della testa e si trova all'interno del cuscino. Il peso medio della testa umana è compreso tra 4,5 e 5 kg. Quando l'utente appoggia la testa sul cuscino, viene applicata una forza sull'FSR e la sua resistenza cambia. GPAK rileva questa modifica e il sistema è abilitato.

Il modo per collegare un sensore resistivo è collegare un'estremità all'alimentazione e l'altra a un resistore pull-down a terra. Quindi il punto tra il resistore di pull down fisso e il resistore FSR variabile è collegato all'ingresso analogico di un GPAK (Pin12) come mostrato in figura 7. Il segnale verrà portato dal pin all'ingresso di ACMP1. L'altro ingresso di ACMP1 è collegato a un'impostazione di riferimento di 1200 mv. Il risultato del confronto è memorizzato in DFF6. Quando viene rilevato un tocco sulla testa, l'uscita di DFF2 passa ad HI per attivare CNT2/Dly2, che è configurato per funzionare come "ritardo del fronte di discesa" con un ritardo pari a 1,5 sec. In questo caso, se la traversina si muove o gira da un lato all'altro e l'FSR viene interrotto meno di 1,5 sec, il sistema è ancora attivato e non avviene alcun ripristino. CNT7 e CNT8 sono utilizzati per abilitare FSR e ACMP1 per 50 mS ogni 1 secondo al fine di ridurre il consumo di energia.

Conclusione

In questo progetto abbiamo realizzato un cuscino intelligente che viene utilizzato per il rilevamento del russamento per avvisare la persona che dorme tramite vibrazioni.

Abbiamo anche realizzato un sensore tattile utilizzando FSR per attivare automaticamente il sistema quando si utilizza il cuscino. Un'ulteriore opzione di miglioramento potrebbe essere quella di progettare in parallelo FSR per ospitare cuscini di dimensioni maggiori. Abbiamo anche realizzato filtri digitali per ridurre al minimo il verificarsi di falsi allarmi.