Coixí intel·ligent: 3 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:16

Aquest instructiu descriu com fer un coixí intel·ligent que sigui sensible als roncs.

El coixí intel·ligent es basa en la vibració per indicar a l’adormit quan ronca mentre dorm. Funciona automàticament quan una persona posa el cap sobre el coixí.

El ronc és una condició lamentable perquè afecta no només a la persona que ronca, sinó també a les persones que dormen al seu voltant. Els roncs han estat votats com el motiu mèdic més gran del divorci als EUA. A més, l’apnea del son pot causar una àmplia gamma de problemes de salut que es poden mitigar assegurant que un dormidor no triï una posició que condueixi a roncar.

En aquest instructiu, crearem un sistema que pugui detectar i analitzar sons. Quan analitza un so que ronca, engegarà un motor de vibració de manera que la persona que dormi es desperti. Quan la persona que dormi aixequi el cap del coixí, el motor de vibració s’aturarà. Quan un dormidor canvia la seva posició de son, és més probable que s’instal·li en una posició diferent que eviti els roncs.

Pas 1: Tasques de coixí:

• El coixí té un sensor tàctil de manera que el sistema s’activa automàticament quan la persona col·loca el cap sobre el coixí i està inactiu quan aixeca el cap.
• Quan el sistema detecta un so roncador o qualsevol altre so cacofònic, s’activa un vibrador per despertar el son.
• Inclou 2 modes de vibració configurables per l'usuari: continus o polsats. El sistema és útil per a persones que pateixen roncs. Per seguretat, les persones que pateixen un son molt profund també poden utilitzar el sistema, ja que poden detectar timbres de la porta, trucar al telèfon o plorar nadons.

Hem implementat aquest projecte amb un Silego SLG46620V CMIC, un sensor de so, un motor de vibracions, una resistència de detecció de força i alguns components passius.

El nombre total de components d’aquest disseny és força mínim, tot i no utilitzar un microcontrolador. Atès que els CMIC de GreenPAK són de baix cost i tenen un baix consum d’energia, són un component ideal per a aquesta solució. La seva petita mida també els permetria integrar-se fàcilment dins del coixí sense preocupacions de fabricació.

La majoria de projectes que depenen de la detecció de so tenen una "taxa de disparador falsa", que és necessària a causa de la possibilitat d'error entre diversos sensors. Els sensors associats a aquest projecte només detecten un nivell de so; no detecten el tipus de so ni la naturalesa del seu origen. En conseqüència, un desencadenament fals pot ser causat per un acte com palmes, cops o altres sorolls no relacionats amb els roncs que el sensor pugui detectar.

En aquest projecte, el sistema ignorarà els sons curts que causen una taxa d’activació falsa, de manera que crearem un filtre digital que pugui detectar un segment de so com el so dels roncs.

Mireu la corba gràfica de la figura 1 que representa el so del ronc.

Podem veure que consta de dues seccions que es repeteixen i es correlacionen amb el temps. La primera secció detecta els roncs; és una seqüència d’impulsos curts que dura de 0,5 a 4 segons, seguida d’un període de silenci que dura de 0,4 a 4 segons i pot contenir soroll de fons.

Per tant, per filtrar altres sorolls, el sistema ha de detectar un segment de roncs que duri més de 0,5 segons i ignorar qualsevol segment de so més breu. Per fer el sistema més estable, s’hauria d’implementar un comptador que compti els segments de ronc per llançar l’alarma després de la detecció de dos segments de roncs seqüencials.

En aquest cas, fins i tot si el so dura més de 0,5 segons, el sistema el filtrarà tret que es repeteixi en un període de temps específic. D’aquesta manera, podem filtrar el so que pot causar un moviment, tos o fins i tot breus senyals de soroll.

Pas 2: pla d'implementació

El disseny d’aquest projecte consta de dues seccions; la primera secció s’encarrega de detectar el so i l’analitza per detectar el so dels roncs per alertar el que dorm.

La segona secció és un sensor tàctil; s’encarrega d’habilitar automàticament el sistema quan una persona posa el cap sobre el coixí i de desactivar-lo quan la persona dormint aixeca el cap del coixí.

Es pot implementar un coixí intel·ligent molt fàcilment amb un únic IC de senyal mixt configurable (CMIC) de GreenPAK.

Podeu seguir tots els passos per entendre com s’ha programat el xip GreenPAK per controlar el coixí intel·ligent. Tot i això, si només voleu crear fàcilment el coixí intel·ligent sense entendre tots els circuits interns, descarregueu-vos el programari gratuït GreenPAK per veure el fitxer de disseny ja complert de GreenPAK. Connecteu l'ordinador al kit de desenvolupament de GreenPAK i premeu el programa per crear el CI personalitzat per controlar el coixí intel·ligent. Un cop creat l’IC, podeu ometre el pas següent: el següent pas discutirà la lògica que hi ha dins del fitxer de disseny Smart Pillow GreenPAK per a aquells que estiguin interessats a entendre com funciona el circuit.

Com funciona?

Sempre que una persona posa el cap sobre el coixí, el sensor tàctil envia un senyal d'activació de Matrix2 a Matrix1 a través de P10 per activar el circuit i començar a prendre mostres del sensor de so.

El sistema pren una mostra del sensor de so cada 30 ms en un període de temps de 5 ms. D’aquesta manera, s’estalviarà el consum d’energia i es filtraran els impulsos de so curts.

Si detectem 15 mostres de so seqüencials (cap silenci dura més de 400 ms entre cap de les mostres), es conclou que el so és persistent. En aquest cas, el segment de so es considerarà un segment de roncs. Quan aquesta acció es repeteix després d'un silenci, que dura més de 400 ms i menys de 6 segons, es considerarà que el so capturat ronca i que el sonor serà alertat per vibracions.

Podeu retardar l'avís de més de 2 segments de ronc per augmentar la precisió de la configuració de pipedelay0 al disseny, però això pot augmentar el temps de resposta. També caldria augmentar el marc de 6 segons.

Pas 3: disseny de GreenPAK

Primera secció: Detecció de roncs

La sortida del sensor de so es connectarà al Pin6 que es configura com una entrada analògica. El senyal es portarà des del pin a l'entrada d'ACMP0. L'altra entrada d'ACMP0 es configura com una referència de 300mv.

La sortida d’ACMP0 s’inverteix i després es connecta a CNT / DLY0, que s’estableix com un retard de pujada amb un retard igual a 400 ms. La sortida de CNT0 serà alta quan la detecció del silenci duri més de 400 ms. La seva sortida està connectada a un detector de vora ascendent, que generarà un breu impuls de reinici després de detectar el silenci.

CNT5 i CNT6 s’encarreguen d’obrir una porta de temps que dura 5 ms cada 30 ms per prendre mostres de so; durant aquests 5 ms, si es detecta un senyal de so, la sortida de DFF0 dóna un pols al comptador CNT9. CNT9 es restablirà si la detecció de silenci dura més de 400 ms, moment en què reiniciarà el recompte de mostres de so.

La sortida de CNT9 està connectada a DFF2 que s’utilitza com a punt per detectar un segment de ronc. Quan es detecta un segment de ronc, la sortida de DFF2 gira HI per activar CNT2 / Dly2, que està configurat per funcionar com a "retard de caiguda" amb un retard igual a 6 segons.

El DFF2 es restablirà després d’una detecció de silenci que durarà més de 400 ms. A continuació, començarà a detectar de nou un segment de ronc.

La sortida de DFF2 passa per Pipedelay, que es connecta al pin9 a través de LUT1. El Pin9 es connectarà al motor de vibració.

La sortida de Pipedelay passa de baix a alt quan detecta dos segments de roncs seqüencials dins de la porta de temps per CNT2 (6 segons).

LUT3 s’utilitza per restablir el Pipedelay, de manera que la seva sortida serà Baixa si la persona dormint aixeca el cap del coixí. En aquest cas, la porta de temps de CNT2 s'ha acabat abans de detectar dos segments de roncs seqüencials.

El Pin3 es configura com a entrada i està connectat a un "botó de mode de vibració". El senyal provinent del pin3 passa per DFF4 i DFF5 configura el patró de vibració a un dels dos patrons: mode1 i mode2. En el cas de mode1: quan es detecta el ronc, s’envia un senyal continu al motor de vibració, el que significa que el motor funciona contínuament.

En el cas de mode2: quan es detecta el ronc, el motor de vibració és pulsat amb el temps de sortida CNT6.

Per tant, quan la sortida de DFF5 sigui alta, s’activarà el mode1. Quan és baix (mode 2), la sortida de DFF4 és alta i la sortida de CNT6 apareixerà al pin9 a través de LUT1.

La sensibilitat al sensor de so es controla mitjançant un potenciòmetre configurat al mòdul. El sensor s’ha d’inicialitzar manualment per primera vegada per obtenir la sensibilitat necessària.

PIN10 està connectat a la sortida de l'ACMP0, que es connecta externament a un LED. Quan el sensor de so es calibra, la sortida del pin10 hauria de ser bastant baixa, cosa que significa que no hi ha parpelleig al LED extern connectat a top10. D'aquesta manera, podem garantir que el voltatge que genera el sensor de so en silenci no superi el llindar ACMP0 de 300mv.

Si necessiteu una altra alarma a més de vibracions, podeu connectar un brunzidor al pin9 perquè també s’activi una alarma sonora.

Segona secció: sensor tàctil

El sensor tàctil que vam construir utilitza una resistència de detecció de força (FSR). Les resistències de detecció de força consisteixen en un polímer conductor que canvia la resistència d’una manera previsible després de l’aplicació de força a la seva superfície. La pel·lícula de detecció consisteix en partícules conductores elèctricament i no conductores suspeses en una matriu. L’aplicació d’una força a la superfície de la pel·lícula sensible fa que les partícules toquin els elèctrodes conductors, canviant la resistència de la pel·lícula. FSR inclou diferents mides i formes (cercle i quadrat).

La resistència superava 1 MΩ sense pressió aplicada i oscil·lava entre els 100 kΩ i els centenars d’ohms, ja que la pressió variava de lleugera a pesada. En el nostre projecte, FSR s’utilitzarà com a sensor tàctil del cap i es troba dins del coixí. El pes mitjà del cap humà és d'entre 4,5 i 5 kg. Quan l'usuari posa el cap sobre el coixí, s'aplica una força sobre el FSR i la seva resistència canvia. GPAK detecta aquest canvi i el sistema està habilitat.

La manera de connectar un sensor resistiu consisteix a connectar un extrem a l’energia i l’altre a una resistència desplegable a terra. A continuació, el punt entre la resistència fixa i la resistència variable FSR es connecta a l'entrada analògica d'un GPAK (Pin12) tal com es mostra a la figura 7. El senyal es portarà des del pin a l'entrada d'ACMP1. L'altra entrada d'ACMP1 està connectada a una configuració de referència de 1200mv. El resultat de la comparació s’emmagatzema a DFF6. Quan es detecta un toc de cap, la sortida de DFF2 gira HI per activar CNT2 / Dly2, que està configurat per funcionar com a "retard de caiguda" amb un retard igual a 1,5 seg. En aquest cas, si la travessa es mou o gira d'un costat a un altre i el FSR s'interromp menys de 1,5 segons, el sistema continua activat i no es produeix cap restabliment. CNT7 i CNT8 s’utilitzen per habilitar FSR i ACMP1 durant 50 mS cada 1 s per tal de reduir el consum d’energia.

Conclusió

En aquest projecte vam crear un coixí intel·ligent que s’utilitza per a la detecció de roncs per alertar la persona que dorm per vibració.

També hem creat sensor tàctil mitjançant FSR per activar el sistema automàticament quan s’utilitza el coixí. Una altra opció de millora podria ser dissenyar en paral·lel FSR per acomodar coixins de mida més gran. També hem creat filtres digitals per minimitzar l’aparició de falses alarmes.