PPG 센서 기반 지능형 제어 시스템의 설계 = Design of Intelligent Control System based on PPG Sensor

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Sleep is an essential part of human life, as it is a time of human physical and mental relaxation and compensation, as well as a basic human physiological need. The inability to sleep normally due to various obstructions is in line with the fact that it does not lead to a normal life. Therefore, in this paper, we propose an intelligent Light Emitting Diode (LED) lighting control system, which is controlled according to five stages of defined sleep, after obtaining biometric information with Photoplethysmography (PPG) sensors within wearable devices worn on the user's wrist to reduce sleep degradation and improve sleep quality. The intelligent control system measures the user's heart rate through PPG sensors in wrist band-type wearable devices and stores data analyzed through PPG signal analysis algorithms in a biometric information database. The stored data are transferred to the standardized database and classified and stored according to the five stages of sleep defined in this paper. It implements brightness values corresponding to sleep stage through LED lighting system and can check user's heart rate, sleep level, brightness and list through Smart Phone application. For the performance evaluation of the proposed system, an average of 86.947% accuracy was obtained through 10-fold cross-validation. The response time of the system was evaluated as instant response time (0.738 seconds) and the response speed of the PPG sensor was instantaneous (0.157 seconds).

국문 초록 (Abstract)

수면은 인간의 기본적인 생리적 욕구임과 동시에 인간의 신체적, 정신적 휴식 및 보상의 시간으로서 인간 삶의 필수적인 요소라 할 수 있다. 다양한 방해 요소로 인하여 정상적인 수면을 취하지 못한다는 의미는 곧 정상적인 생활을 영위하지 못한다는 의미와 일맥상통한다. 이에 본 논문에서는 빛에 의한 수면의 질 저하를 줄이고 수면의 질을 높이기 위해 사용자의 손목에 착용 되어있는 웨어러블 디바이스 내의 PPG(Photoplethysmography) 센서로 생체 정보를 획득한 후 수면상태의 깊이를 정의하고 정의된 수면의 5단계에 따라 제어되는 지능형 LED(Light Emitting Diode) 조명제어 시스템을 제안하고자 한다. 지능형 제어 시스템은 손목 밴드형 웨어러블 디바이스 내의 PPG 센서를 통해 사용자의 심박 수를 측정한 후 PPG 신호 분석 알고리즘을 통해 분석된 데이터를 생체 정보 데이터베이스에 저장한다. 저장된 데이터를 표준화 데이터베이스로 전송하여 본 논문에서 정의한 5단계의 수면 단계에 따라 분류하여 저장한다. 수면 단계에 대응되는 밝기 값을 LED 조명 시스템을 통해 구현하며 스마트 폰 애플리케이션을 통해 사용자의 심박 수와 수면 단계, 밝기, 리스트를 확인할 수 있다. 제안한 시스템의 성능 평가를 위해 10겹 교차 검증을 통해 평균 86.947%의 정확도를 구할 수 있었으며 시스템의 응답속도는 0.738초로 즉각적, PPG 센서의 응답속도는 0.157초로 순간적으로 평가되었다.

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