SleepGuard - Monitor de calitate a somnului

SleepGuard
SleepGuard este un dispozitiv integrat pentru monitorizarea calității somnului în timp real, utilizând o serie de senzori specializați. Acesta captează mișcările utilizatorului printr-un accelerometru, detectează zgomote ambientale și sforăitul cu ajutorul unui microfon cu amplificator, afișează temperatura camerei și include un ceas cu alarmă programabilă. La finalul ciclului de somn, oferă utilizatorului un raport informativ prin WiFi pe un dispozitiv extern (telefon, laptop), incluzând recomandări personalizate pentru îmbunătățirea calității somnului.

Scopul proiectului
Proiectul are ca obiectiv susținerea utilizatorului în înțelegerea și optimizarea obiceiurilor de somn prin colectarea unor date relevante (mișcare, zgomot, temperatură ambientală). De asemenea, sistemul declanșează o alarmă concepută pentru a permite o trezire mai naturală și mai eficientă.

Inspirație
Proiectul a fost inspirat din lipsa calității somnului autorului si a importanței sale pentru sănătatea fizică și mentală. Mulți indivizi nu sunt conștienți de calitatea slabă a somnului lor, întrucât aceasta nu este determinată exclusiv de durata somnului, ci și de profunzimea și continuitatea acestuia.

Importanță
SleepGuard reprezintă o soluție accesibilă și ușor de realizat (DIY) pentru monitorizarea somnului, oferind o alternativă viabilă la produsele comerciale de profil. Prin furnizarea unor date clare și acționabile despre obiceiurile nocturne, dispozitivul îi sprijină pe utilizatori în adoptarea unor măsuri concrete pentru îmbunătățirea odihnei, ceea ce are un impact direct asupra stării generale de bine și a productivității zilnice.

Componente hardware:

• ESP32-WROOM-32 - Microcontroller
  
• MPU6050 - Accelerometru și modul giroscop
  
• MAX4466 - Microfon cu amplificator
  
• Passive Buzzer - Buzzer Pasiv 3.3V (output)
  
• Push Buttons - Butoane (input)
  
• DHT11 - Senzor de temperatură și umiditate
  
• LCD 1602 - Display Liquid Crystal (output)
  
• Breadboard Power Supply - Supply de curent în toate componentele
  
• 6 x AA Battery Holder - Sursă de alimentare 9V
  
• External Device - Telefon/Laptop pentru afișarea rezultatelor
  

Funcționalitate software:

• Actuatori - Buzzer (semnale audio, alarmă), LCD (afișare mesaje stare dispozitiv)
• Traductori (Senzori) - MPU6050 (mișcare, rotație, temperatură corporală), MAX4466 (înregistrare zgomot, sforăit), DHT11 (temperatură ambientală), Butoane (setare alarmă)
• WiFi - Comunicare cu device extern

Interacțiune componente:

1. ESP32 <-> LCD - status pe parcursul utilizării, oprire LCD când timer-ul este activ
2. Butoane <-> ESP32 - configurare și oprire alarmă, buzzer
3. MPU6050, MAX4466, DHT11 <-> ESP32 - masoară calitatea somnului
4. ESP32 <-> Buzzer - trezire utilizator, oprire senzori
5. ESP32 <-> External Device - trimitere rezultate

Observații design

• Butoanele nu au nevoie de rezistențe de pull-up (sunt configurate in cod cu flagul INPUT_PULLUP)
• Între GND și VCC ale lui ESP32 este adăugat un condensator de 220uF / 470uF pentru a elimina spike-urile de tensiune la activarea WiFi-ului (Brownout detector was triggered)

Alimentare
Dispozitivul este alimentat prin 6 baterii alcaline de 1.5V (total 9V), legate în serie într-un battery holder pack cu DC jack. Jack-ul este conectat la un breadboard power supply care prin poziționarea a 2 jumpere, distribuie pe rail-urile breadboard-ului 3.3V respectiv 5V.
Astfel pot fi alimentate:

• LCD-ul de la 5V
• restul componentelor de la 3.3V

Power Management

Autonomie
6 batterii AA (total 2000-2500 mA)) ⇒

• ~= 12 ore în Running
  
• ~= 30 ore în IDLE
  

Având in vedere optimizările făcute in cod :

• Pornirea senzorilor doar când timer-ul se scurge (timpul efectiv de somn)
  
• Inchidere backlight LCD când timer-ul se scurge (daca utilizatorul doarme, lumina lcd-ului e inutila)
  
• Conectare WiFi doar la trezire (când datele sunt gata de trimis)
  
• Dezactivare Bluetooth
  

⇒ autonomie efectivă: 24 de ore (3 nopți)

Source code: GitHub Repository

IDE: Visual Studio Code and PlatformIO extension

Dependențe externe:

• framework-ul Arduino din PlatformIO
  
• librăria MPU6050 @ ^1.0.0 pentru configurarea accelerometrului
  
• librăria adafruit/DHT sensor library @ ^1.4.6 pentru configurarea senzorului de temperatură
  
• librăria LiquidCrystal_I2C @ ^1.1.0 pentru configurarea display-ului
  

Structura codului:
Implementarea se bazeaza pe un FSM (Finite State Machine) (utils.h). Device-ul este trecut prin mai multe stări (main):

• INIT - sunt inițializate toate componentele și se stabilește timpul de somn al user-ului (Buttons/)
  
• SET_ALARM - se setează timer-ul cu timpul specificat (Buzzer/)
  
• MEASURE - cât timp timer-ul se scurge (utilizatorul doarme), senzorii colecteaza date (DHT11/, MAX4466/, MPU6050/)
  
• WAKEUP - buzzerul sună și senzorii se opresc
  
• WIFI_CONNECT - esp32 se conecteaza la wifi pentru a trimite datele masurate pe un dispozitiv extern
  
• SEND_DATA - datele sunt trimise ( ServerWeb/ )
  

Adițional, în LCD/ se afișează constant pe display în ce stare e device ul și în Sleep/ sunt parsate datele despre somn:

• ce tip de somn a avut utilizatorul (deep, rem, light, restless) și pentru cât timp
  
• temperatura corpului
  
• nivelul de decibeli (dacă a sforait user-ul, dacă s-au produs zgomote)
  
• temperatura ambientală
  
• umiditate
  

Total linii de cod: 900 - 1000

Laboratoare folosite:

0. GPIO - input/output componente
1. UART - afișare de mesaje pe serial
2. Întreruperi - butoane: configurare alarmă, oprire alarmă
3. Timere - peste cât timp suna alarma
3. PWM - acționarea asupra buzzer-ului
4. ADC - configurarea microfonului
6. I2C - comunicarea cu lcd-ul si mpu6050
extra. Wi-Fi - ESP32 creează un server web unde afișează rezultatele monitorizate în timpul somnului

• Accelerometrul se pune in buzunarul tricoului de pijama:
  

• Un exemplu de rezultat al dispozitivului:
  

• Demo:
  

Google drive video

SleepGuard este un proiect ce evidențiază importanța calității somnului unui utilizator, indiferent de durata acestuia. Monitorizarea poate fi realizată cu ușurință folosind componente accesibile și un microcontroller ESP32. Printre realizările notabile se numără:
* Consum redus de energie, în ciuda numărului mare de componente hardware utilizate
* Logica complexă a stărilor prin care trece dispozitivul și implementarea acesteia
* Afișarea rezultatelor prin intermediul unei interfețe web, pentru o vizualizare mai clară a datelor

Idei pentru dezvoltări ulterioare:
* Analiză mai detaliată a datelor colectate, în scopul îmbunătățirii calității somnului
* Tonuri de alarmă personalizabile, în funcție de preferințele utilizatorului
* Integrarea într-un ceas digital „SleepWatch”, pentru o portabilitate sporită
* O interpretare a rezultatului mai bună pe baza unor sfaturi medicale

Source code, project details and project images: GitHub Repository

Github content:

• Source code
  
• README file
  
• All images on ocw
  

• Alegere temă proiect: 29.04.2025
  
• Confirmare temă proiect (la laborator): 30.04.2025
  
• Comandare piese lipsă: 03.05.2025
  
• Schelet documentație (Introducere, Descriere Generală, Resurse Hardware): 04.05.2025
  
• Piese livrate: 08.05.2025
  
• Alimentare și LCD montate: 10.05.2025
  
• Cod funcționalitate LCD: 11.05.2025
  
• Butoane, buzzer și mpu6050 montate: 13.05.2025
  
• Cod funcționalitate butoane, buzzer, mpu6050: 13.05.2025
  
• Microfon max4466 și Dht11 montate: 15.05.2025
  
• HARDWARE DONE
• Cod funcționalitate microfon și dht11: 17.05.2025
  
• Cod funcționalitate WiFi device extern: 17.05.2025
  
• SOFTWARE DONE
• Continuare documentație (Hardware, Software): 18.05.20205
  
• DOCUMENTAȚIE DONE
  

PlatformIO

Arduino framework for ESP32

ESP32 (30 pin version) Configuration

Estimating Sleep parameters using accelerometer

Calculating decibels using microphone max4466

Brownout detector was triggered ESP32 WiFi error handler