Gối thông minh: 3 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:36

Tài liệu hướng dẫn này mô tả cách làm một chiếc gối thông minh nhạy cảm với tiếng ngáy!

Gối thông minh dựa vào rung động để báo cho người ngủ biết khi nào người ngủ ngáy khi ngủ. Nó hoạt động tự động khi một người đặt đầu lên gối.

Ngáy là một tình trạng đáng tiếc vì nó không chỉ ảnh hưởng đến người ngủ ngáy mà còn ảnh hưởng đến những người đang ngủ xung quanh anh ta. Ngáy đã được bình chọn là lý do y tế lớn nhất đằng sau ly hôn ở Hoa Kỳ. Ngoài ra, chứng ngưng thở khi ngủ có thể gây ra một loạt các vấn đề sức khỏe có thể được giảm thiểu bằng cách đảm bảo người ngủ không chọn tư thế dẫn đến ngáy.

Trong Có thể hướng dẫn này, chúng tôi sẽ xây dựng một hệ thống có thể phát hiện và phân tích âm thanh. Khi phân tích tiếng ngáy, nó sẽ bật một động cơ rung để người ngủ thức giấc. Khi người ngủ nâng đầu lên khỏi gối, động cơ rung sẽ dừng lại. Khi một người ngủ thay đổi tư thế ngủ của họ, họ có nhiều khả năng sẽ chuyển sang một tư thế khác để ngăn ngừa ngáy ngủ.

Bước 1: Nhiệm vụ gối:

• Gối có cảm biến cảm ứng để hệ thống được bật tự động khi người đó đặt đầu lên gối và không hoạt động khi người đó ngẩng đầu lên.
• Khi hệ thống phát hiện thấy tiếng ngáy hoặc bất kỳ âm thanh cacophonic nào khác, bộ rung sẽ được bật để đánh thức người ngủ.
• Có 2 chế độ rung do người dùng thiết lập: liên tục hoặc theo nhịp. Hệ thống này rất hữu ích cho những người mắc chứng ngáy ngủ. Để đảm bảo an toàn, những người có giấc ngủ quá sâu cũng có thể sử dụng hệ thống này vì nó có thể phát hiện chuông cửa, điện thoại đổ chuông hoặc trẻ khóc.

Chúng tôi thực hiện dự án này với Silego SLG46620V CMIC, cảm biến âm thanh, động cơ rung, điện trở cảm ứng lực và một số linh kiện thụ động.

Tổng số thành phần cho thiết kế này là khá ít, mặc dù không sử dụng vi điều khiển. Vì GreenPAK CMIC’s có chi phí thấp và tiêu thụ điện năng thấp, chúng là một thành phần lý tưởng cho giải pháp này. Kích thước nhỏ của chúng cũng sẽ cho phép chúng dễ dàng được tích hợp bên trong gối mà không cần lo lắng về sản xuất.

Hầu hết các dự án phụ thuộc vào phát hiện âm thanh đều có "tỷ lệ kích hoạt sai", điều này là cần thiết do khả năng xảy ra lỗi giữa nhiều loại cảm biến. Các cảm biến liên quan đến dự án này chỉ đơn thuần là phát hiện một mức độ âm thanh; họ không phát hiện ra loại âm thanh hoặc bản chất nguồn gốc của nó. Do đó, kích hoạt sai có thể được gây ra bởi một hành động như vỗ tay, gõ cửa hoặc tiếng ồn khác không liên quan đến tiếng ngáy có thể được cảm biến phát hiện.

Trong dự án này, hệ thống sẽ bỏ qua những âm thanh ngắn gây ra tỷ lệ kích hoạt sai, vì vậy chúng tôi sẽ xây dựng một bộ lọc kỹ thuật số có thể phát hiện một đoạn âm thanh như tiếng ngáy.

Nhìn vào đường cong đồ họa trong hình 1 biểu thị âm thanh của tiếng ngáy.

Chúng ta có thể thấy rằng nó bao gồm hai phần được lặp lại và tương quan với thời gian. Phần đầu tiên phát hiện ngáy; nó là một chuỗi các xung ngắn kéo dài từ 0,5 đến 4 giây, sau đó là khoảng thời gian im lặng kéo dài 0,4 đến 4 giây và có thể chứa tiếng ồn xung quanh.

Do đó, để lọc ra các tiếng ồn khác, hệ thống phải phát hiện một đoạn ngáy kéo dài hơn 0,5 giây và bỏ qua bất kỳ đoạn âm thanh ngắn nào. Để làm cho hệ thống ổn định hơn, nên triển khai một bộ đếm đếm các phân đoạn ngáy để khởi động báo động sau khi phát hiện hai phân đoạn ngáy liên tiếp.

Trong trường hợp này, ngay cả khi âm thanh kéo dài hơn 0,5 giây, hệ thống sẽ lọc âm thanh đó trừ khi âm thanh đó được lặp lại trong một khung thời gian cụ thể. Bằng cách này, chúng ta có thể lọc âm thanh có thể do tín hiệu chuyển động, tiếng ho hoặc thậm chí tiếng ồn ngắn gây ra.

Bước 2: Kế hoạch thực hiện

Thiết kế của dự án này bao gồm hai phần; phần thứ nhất có nhiệm vụ phát hiện âm thanh và phân tích nó để phát hiện tiếng ngáy để cảnh báo người ngủ.

Phần thứ hai là một cảm biến cảm ứng; nó có nhiệm vụ tự động kích hoạt hệ thống khi một người đặt đầu lên gối và vô hiệu hóa hệ thống khi người ngủ nhấc đầu ra khỏi gối.

Một chiếc gối thông minh có thể được thực hiện rất dễ dàng với một IC tín hiệu hỗn hợp (CMIC) có thể định cấu hình GreenPAK.

Bạn có thể xem qua tất cả các bước để hiểu cách thức lập trình chip GreenPAK để điều khiển Gối thông minh. Tuy nhiên, nếu bạn chỉ muốn dễ dàng tạo ra Gối thông minh mà không hiểu tất cả các mạch bên trong, hãy tải phần mềm GreenPAK miễn phí để xem Tệp thiết kế Gối thông minh GreenPAK đã hoàn thành. Cắm máy tính của bạn với Bộ phát triển GreenPAK và nhấn chương trình để tạo IC tùy chỉnh để điều khiển Gối thông minh của bạn. Sau khi tạo xong IC, bạn có thể bỏ qua bước tiếp theo, bước tiếp theo sẽ thảo luận về logic bên trong tệp thiết kế Smart Pillow GreenPAK cho những ai quan tâm đến việc tìm hiểu cách thức hoạt động của mạch.

Làm thế nào nó hoạt động?

Bất cứ khi nào một người gối đầu lên gối, cảm biến cảm ứng sẽ gửi tín hiệu kích hoạt từ Matrix2 đến Matrix1 thông qua P10 để kích hoạt mạch và bắt đầu lấy mẫu từ cảm biến âm thanh.

Hệ thống lấy mẫu từ cảm biến âm thanh 30ms một lần trong khung thời gian 5ms. Bằng cách này, năng lượng tiêu thụ sẽ được tiết kiệm và các xung âm thanh ngắn sẽ được lọc.

Nếu chúng tôi phát hiện 15 mẫu âm thanh liên tiếp (không có sự im lặng nào kéo dài hơn 400ms giữa bất kỳ mẫu nào), thì kết luận rằng âm thanh đó là dai dẳng. Trong trường hợp này, đoạn âm thanh sẽ được coi là đoạn ngáy. Khi hành động này lặp lại sau một khoảng lặng, kéo dài hơn 400ms và dưới 6 giây, âm thanh thu được sẽ được coi là ngáy và người ngủ sẽ được cảnh báo bằng rung.

Bạn có thể trì hoãn cảnh báo cho hơn 2 phân đoạn ngáy để nâng cao độ chính xác từ cấu hình pipedelay0 trong thiết kế, nhưng điều này có thể làm tăng thời gian phản hồi. Khung 6sec cũng cần được tăng lên.

Bước 3: Thiết kế GreenPAK

Phần đầu tiên: Phát hiện Ngáy

Đầu ra của cảm biến âm thanh sẽ được kết nối với Pin6 được cấu hình như một đầu vào tương tự. Tín hiệu sẽ được đưa từ chân đến đầu vào của ACMP0. Đầu vào khác của ACMP0 được định cấu hình làm tham chiếu 300mv.

Đầu ra của ACMP0 được đảo ngược và sau đó được kết nối với CNT / DLY0, được đặt làm trễ cạnh tăng với độ trễ bằng 400ms. Đầu ra của CNT0 sẽ cao khi phát hiện im lặng kéo dài hơn 400ms. Đầu ra của nó được kết nối với một bộ dò cạnh tăng, sẽ tạo ra một xung đặt lại ngắn sau khi phát hiện ra sự im lặng.

CNT5 & CNT6 chịu trách nhiệm mở một cánh cổng thời gian kéo dài 5ms sau mỗi 30ms để lấy mẫu âm thanh; trong 5ms này nếu phát hiện ra tín hiệu âm thanh, đầu ra của DFF0 sẽ cung cấp một xung cho bộ đếm CNT9. CNT9 sẽ được đặt lại nếu phát hiện im lặng kéo dài hơn 400ms, tại thời điểm đó, nó sẽ bắt đầu lại việc đếm các mẫu âm thanh.

Đầu ra của CNT9 được kết nối với DFF2 được sử dụng như một điểm để phát hiện một đoạn ngáy. Khi một đoạn ngáy được phát hiện, đầu ra của DFF2 chuyển HI để kích hoạt CNT2 / Dly2, được cấu hình để hoạt động như "độ trễ cạnh rơi" với độ trễ bằng 6 giây.

DFF2 sẽ được đặt lại sau khi phát hiện im lặng kéo dài hơn 400ms. Sau đó, nó sẽ bắt đầu phát hiện lại một đoạn ngáy.

Đầu ra của DFF2 đi qua Pipedelay, được kết nối với chân9 thông qua LUT1. Pin9 sẽ được kết nối với động cơ rung.

Đầu ra của Pipedelay chuyển đổi từ Thấp đến Cao khi nó phát hiện hai phân đoạn ngáy tuần tự trong cổng thời gian cho CNT2 (6 giây).

LUT3 được sử dụng để thiết lập lại Pipedelay, vì vậy đầu ra của nó sẽ ở mức Thấp nếu người ngủ nhấc đầu ra khỏi gối. Trong trường hợp này, cổng thời gian của CNT2 được kết thúc trước khi phát hiện hai phân đoạn ngáy tuần tự.

Pin3 được định cấu hình làm đầu vào và được kết nối với "Nút chế độ rung". Tín hiệu đến từ chân 3 đi qua DFF4 và DFF5 cấu hình kiểu rung thành một trong hai kiểu: mode1 và mode2. Trong trường hợp của chế độ 1: khi phát hiện tiếng ngáy, một tín hiệu liên tục được gửi đến động cơ rung, có nghĩa là động cơ chạy liên tục.

Trong trường hợp của chế độ 2: khi phát hiện tiếng ngáy, động cơ rung sẽ bắt nhịp với thời gian của đầu ra CNT6.

Vì vậy, khi đầu ra của DFF5 ở mức cao, mode1 sẽ được kích hoạt. Khi nó ở mức thấp (chế độ 2), đầu ra của DFF4 ở mức cao, và đầu ra của CNT6 sẽ xuất hiện trên chân9 đến LUT1.

Độ nhạy với cảm biến âm thanh được điều khiển bởi một chiết áp được đặt trong mô-đun. Cảm biến nên được khởi tạo bằng tay lần đầu tiên để có được độ nhạy cần thiết.

PIN10 được kết nối với đầu ra của ACMP0, được kết nối bên ngoài với đèn LED. Khi cảm biến âm thanh được hiệu chỉnh, đầu ra của pin10 sẽ khá thấp, có nghĩa là không có nhấp nháy trên đèn LED bên ngoài được kết nối topin10. Bằng cách này, chúng tôi có thể đảm bảo rằng điện áp được tạo ra bởi cảm biến âm thanh trong im lặng không vượt quá ngưỡng 300mv ACMP0.

Nếu bạn cần một báo thức khác ngoài rung, bạn có thể kết nối còi với pin9 để báo động âm thanh cũng sẽ được kích hoạt.

Phần thứ hai: Cảm biến cảm ứng

Cảm biến cảm ứng mà chúng tôi đã chế tạo sử dụng điện trở cảm ứng lực (FSR). Điện trở cảm ứng lực bao gồm một polyme dẫn điện thay đổi điện trở theo cách có thể dự đoán được sau khi tác dụng lực lên bề mặt của nó. Màng cảm biến bao gồm cả các hạt dẫn điện và không dẫn điện lơ lửng trong một ma trận. Tác dụng một lực lên bề mặt của màng cảm ứng làm cho các hạt tiếp xúc với các điện cực dẫn, làm thay đổi điện trở của màng. FSR có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau (hình tròn & hình vuông).

Điện trở vượt quá 1 MΩ khi không có áp suất đặt và nằm trong khoảng từ 100 kΩ đến vài trăm Ohms khi áp suất thay đổi từ nhẹ đến nặng. Trong dự án của chúng tôi, FSR sẽ được sử dụng làm cảm biến cảm ứng đầu và nó được đặt bên trong gối. Trọng lượng đầu người trung bình từ 4,5 đến 5kg. Khi người dùng gối đầu lên gối, một lực tác dụng lên FSR và lực cản của nó sẽ thay đổi. GPAK phát hiện thay đổi này và hệ thống đã được kích hoạt.

Cách kết nối cảm biến điện trở là kết nối một đầu với Nguồn và đầu kia với điện trở kéo xuống đất. Sau đó điểm giữa điện trở kéo xuống cố định và biến trở FSR được kết nối với đầu vào tương tự của một GPAK (Pin12) như hình 7. Tín hiệu sẽ được đưa từ chân đến đầu vào của ACMP1. Đầu vào khác của ACMP1 được kết nối với cài đặt tham chiếu 1200mv. Kết quả so sánh được lưu trữ trong DFF6. Khi phát hiện có chạm đầu, đầu ra của DFF2 chuyển sang chế độ HI để kích hoạt CNT2 / Dly2, được cấu hình để hoạt động như "độ trễ cạnh rơi" với độ trễ bằng 1,5 giây. Trong trường hợp này, nếu tà vẹt di chuyển hoặc quay từ bên này sang bên kia và FSR bị gián đoạn dưới 1,5 giây, hệ thống vẫn được kích hoạt và không xảy ra thiết lập lại. CNT7 và CNT8 được sử dụng để kích hoạt FSR và ACMP1 cho 50 mS mỗi 1 giây nhằm giảm tiêu thụ điện năng.

Phần kết luận

Trong dự án này, chúng tôi đã chế tạo một chiếc gối thông minh được sử dụng để phát hiện tiếng ngáy để cảnh báo người đang ngủ bằng cách rung.

Chúng tôi cũng tạo ra cảm biến cảm ứng sử dụng FSR để kích hoạt hệ thống tự động khi sử dụng gối. Một tùy chọn nâng cao hơn nữa có thể là thiết kế FSR song song để chứa những chiếc gối có kích thước lớn hơn. Chúng tôi cũng thực hiện các bộ lọc kỹ thuật số để giảm thiểu sự xuất hiện của các cảnh báo sai.