基于雷达信号判断人体存在及状态的方法和智能照明开关与流程

1.本发明涉及毫米波雷达应用技术领域，具体地，涉及一种基于雷达信号判断人体存在及状态的方法和智能照明开关。


背景技术：

2.当今社会中，人们对生活质量要求越来越高，生活环境更加智能，并且希望在生活场景出现危机时刻可以给出预警，及时采取措施。
3.生活中常见的是根据房间内人体存在与否来智能调节照明灯，来实现节能舒适的目的。安装在走廊或卫生间的智能照明灯，可以很大程度的减少能源消耗；对于行动不便的人群，起夜去卫生间等智能照明灯可以方便该类人群活动，减少因环境黑暗而造成意外的发生。
4.现有技术中人体感应开关主要有两种：多普勒感应开关、人体红外智能感应开关。多普勒感应开关应用多普勒效应可以对运动的物体进行检测，并且微波可以穿透墙壁，但是仅适用于较大的范围、较大移动目标的探测，对于普通人体移动感应灵敏度低且功耗大，对周围环境有较大的电磁干扰，不适于家庭使用。人体红外智能感应开关，只有人在感应范围内并且不能长时间无动作，开关才会持续接通，若在感应区长时间无动作，开关将自动关闭负载。现有的人体感应开关及其技术对于使用场景及人体长时间静止状态，达不到智能照明开关的要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于雷达信号判断人体存在及状态的方法，该方法使用方便，对测量环境无要求，测量判读结果准确度高，误差小，解决了生活中的节能及健康安全监测的问题。
6.为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于雷达信号判断人体存在及状态的方法，该方法包括以下步骤：
7.1)通过雷达芯片中的发射天线朝向监测范围发送电磁脉冲，并经过物体反射形成反射波，反射波通过雷达芯片中的接收天线接收和采样；
8.2)采样信号经下变频将频率内容向下转换，滤出带能量，进行帧抽取，从而得到基带数据的振幅信息；
9.3)基带数据经过背景消除法消除环境影响后提取出信号波形并进行分析，判断测量环境中是否人体存在及判断人体所处的状态。
10.优选地，在步骤1)执行前还包括：根据环境选择配置参数，配置雷达芯片，得到满足测试要求的参数。
11.优选地，配置参数包括：dac转换范围、产生帧数、测量范围、降采样和发射中心频率。
12.优选地，在步骤3)中根据信号波形的信号比值、信号幅值、信号过零率和信号波形
特征参量综合判断测量场景内是否存在人体及判断人体所处的状态。
13.优选地，将每帧基带信号分段截取，将得到最大值与噪底的比值、每帧信号的最大值、探测范围信号是否存在规律周期的波形、探测范围信号过零率情况以及一段时间内呼吸波形特征情况，作为判断测试环境中人体存在的条件，综合判断人体是否存在，在人体存在的情况下，同时判断人体所处状态为无人状态、体动状态或人体正常安静状态。
14.优选地，所述方法还包括：在人体存在状态下识别摔倒状态；当识别人体在摔倒状态下时进行报警提示，将报警信息发送至用户；当设定时间内用户没有回应报警信息则将报警信息发送至用户的紧急联系人，以便紧急联系人及时查看用户状态。
15.优选地，步骤1)中，所述雷达芯片在垂直方向上的探测范围为45
°
，在水平方向探测范围为60
°
，能够探测的直径范围为0-9.9m，雷达天线的距离分辨率为0.0514m。
16.优选地，步骤1)中所发射的电磁脉冲雷达信号的帧数为18-22帧/秒，测量范围为4-6m。
17.本发明另一方面提供了一种智能照明开关，该智能照明开关包括：开关电路，所述开关电路根据所述基于雷达信号判断人体存在及状态的方法检测人体是否存在，并用于将人体存在的结果作为所述开关电路开闭的条件。
18.优选地，所述开关电路为多开单控电路，且位于每个所述开关控制位置均设置有所述人体检测系统。
19.根据上述技术方案，本发明中的基于雷达信号判断人体存在及状态的方法使用方便，对测量环境无要求，测量判读结果准确度高，误差小，解决了生活中的节能及健康安全监测的问题。
20.本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
21.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
22.图1是判断人体存在方法流程图；
23.图2是无人情况下信号波形；
24.图3是有人情况下信号波形；
25.图4是有人但长时间静止情况下信号波形；
26.图5是型号为x4的雷达芯片的测距原理图。
具体实施方式
27.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
28.在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上下左右、前后内外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
29.参见图1-5所示，本发明一方面提供了一种基于雷达信号判断人体存在及状态的方法，该方法包括以下步骤：
30.1)通过雷达芯片中的发射天线朝向监测范围发送电磁脉冲，并经过物体反射形成反射波，反射波通过雷达芯片中的接收天线接收和采样；
31.2)采样信号经下变频将频率内容向下转换，滤出带能量，进行帧抽取，从而得到基带数据的振幅信息；
32.3)基带数据经过背景消除法消除环境影响后提取出信号波形并进行分析，判断测量环境中是否人体存在及判断人体所处的状态。
33.通过上述技术方案的实施，发明中的基于雷达信号判断人体存在及状态的方法使用方便，对测量环境无要求，测量判读结果准确度高，误差小，解决了生活中的节能及健康安全监测的问题。具体的说，该方法利用基于雷达芯片的测量装置经过一系列的判断处理方法判断测量环境中人体存在情况及人体所处状态，同时可以将判断结果应用到特定使用环境中起到环保节能效果及人体健康监测效果，实现雷达装置的家居化普及使用。测量过程中，上述步骤1)-3)始终连续不间断的测量。
34.使用时，将测量装置安装在相应的测试环境中的屋顶正中间的位置，判断各个位置的人体存在情况及状态，可以应用于不同的场景，如客厅、卫生间、走廊、楼道等场景，利用人体存在的状态控制照明灯，从而节省能源；卫生间等范围较小的场所可以根据人体是否出现摔倒情况，及时给出警报，尽快采取措施减少危害。
35.本发明中，雷达芯片是一个完整的传感器，包括天线和信号处理，在应用过程中只需要把相关参数进行配置好后，不需要其他硬件及外围参数即可得到测量的信号，根据配置可以得到原始信号和基带信号，本发明中使用的是基带信号进行处理，使用的雷达芯片可以根据实际测量场景配置参数，从而可以根据测量场景的不同进行修改。
36.在该实施方式中，在步骤1)执行前还包括：根据环境选择配置参数，配置雷达芯片，得到满足测试要求的参数。通过不同的测试环境选择配置参数，配置雷达芯片，得到满足测试要求的参数，配置后以后上电，开始测量。根据测试场景配置雷达芯片，得到应用场景中最佳的信噪比、帧大小及速度等参量。进一步说明，配置雷达芯片是为了在期望的应用场景中得到信噪比、帧大小及速度等参量之间的平衡。在进行人体存在状态的情况下需要较好的信噪比，同时为了得到人体在静息状态的呼吸情况也需要比较高的帧率，确保能够检测出呼吸信号。
37.进一步的，配置参数包括：dac转换范围、产生帧数、测量范围、降采样和发射中心频率。采用经过雷达芯片输出的基带数据进行状态分析。
38.在该实施方式中，在步骤3)中根据信号波形的信号比值、信号幅值、信号过零率和信号波形特征参量综合判断测量场景内是否存在人体及判断人体所处的状态。进而可以实现：在一般测量场景内，根据人体存在与否控制照明灯，实现节能的目的，在小范围测量场景内，根据信号测量中人体存在状态下识别摔倒状态。
39.在该实施方式中，将每帧基带信号分段截取，将得到最大值与噪底的比值、每帧信号的最大值、探测范围信号是否存在规律周期的波形、探测范围信号过零率情况以及一段时间内呼吸波形特征情况，作为判断测试环境中人体存在的条件，综合判断人体是否存在，在人体存在的情况下，同时判断人体所处状态为无人状态、体动状态或人体正常安静状态。
40.判断人体存在的具体方法如下：
41.1、将获得的基带信号进行背景相消等处理后，对每帧信号进行最大值、噪底的提
取，得到两者的比值，从而获得测试环境中测试状态的比值，根据设定的比值阈值，连续一段时间比值超过阈值认为测试范围内人体存在；
42.2、将获得的基带信号进行背景相消等处理后，提取出测试范围内最大幅值，计算在一定时间内信号幅值超过设定阈值情况，判断测试范围内人体是否存在；
43.3、检测获取的探测范围内信号中呼吸波形特征出现的情况，连续出现周期波形认为测试范围内人体存在；
44.4、检测获取的探测范围内信号在一段时间内过零率的情况，过零率情况出现频繁，且信号比值、信号幅值、信号波形情况不满足的条件下，认为测试范围内人体不存在。
45.测试环境无人情况下，信号为杂乱无章信号幅值微弱的噪声，采用一段时间过零率的统计，在超过一定过零率阈值的情况下进行过零率情况的统计，满足个数要求持续90s以上，判定为无人。
46.联合使用上述方式进行测试范围内人体是否存在及人体是否存在的判断，更加准确、避免误报。在查找人体存在的情况下，同时判断人体所处状态，本发明划分为三种状态：无人状态、体动状态、人体正常安静状态。
47.其中，上述判断人体是否存在采用的是信号比值阈值采用的是恒定阈值，信号幅值采用的阈值是实时计算阈值。在多种无人环境、有人静止环境、有人非静止环境测试，有人与无人环境信号比值有一个明显阈值，长时间低于该阈值可以确定测试环境无人。有人与无人环境信号幅值根据测试者的实际情况阈值不定，在实际使用信号幅值法进行判断时，需要实时更新信号阈值以适应多人群的检测。当人体在测试范围内长时间静止不动，信号幅值及信号比值的条件不满足要求，但是人体在静止情况下，胸腹腔仍进行运动，获取的信号幅值微弱波形周期完整，在用于判断信号周期的信号是采用频谱最大值及位置矫正的方法提取出来的，采用该方法可以有效避免人体微动情况下智能照明灯的误操作。
48.综合上述多种判断条件，判断测试环境中人体是否存在，从而实现照明灯的智能控制，实现节省能源。采用该方法可以快速判断出测量场景是否出现人体，当人体从外界走入测量场景，一般只需几秒即可判断出人体目标存在，并自动打开照明灯，方便人体在测量环境内活动；当人体从测量场景走出后，一般需要60秒左右判断出测量场景无人，从而快速切断照明灯开关，实现节能的目的。在60s左右做出判断并且将照明灯关闭，满足实际应用要求，实现家居智能化，可以防止测试者只是短时离开很快就会返回的场景及测量的准确性考虑。
49.在该实施方式中，所述方法还包括：在人体存在状态下识别摔倒状态；当识别人体在摔倒状态下时进行报警提示，将报警信息发送至用户；当设定时间内用户没有回应报警信息则将报警信息发送至用户的紧急联系人，以便紧急联系人及时查看用户状态。例如：在小范围测量场景内，根据信号测量中人体存在状态下识别摔倒状态，以及摔倒状态下进行报警提示，将报警信息发送至测试者，如果3分钟时间内测试者没有回应报警信息则将报警信息发送至测试者的紧急联系人，方便紧急联系人及时查看测试者状态，采取措施减少损害。
50.在该实施方式中，步骤1)中，所述雷达芯片在垂直方向上的探测范围为45
°
，在水平方向探测范围为60
°
，能够探测的直径范围为0-9.9m，雷达天线的距离分辨率为0.0514m。
51.随着社会老龄化的增长趋势及社会父母子女分开居住的现状，社会上普遍存在家
中只有独居老人的场景，老人容易出现摔倒等意外情况，如果不及时采取措施，可能会造成严重的后果。摔倒不仅会危害老年人的身心健康，还会对社会和家庭带来严重的经济损失，因此对老年人摔倒检测及防护尤为紧迫。通过本发明的测量装置及方法可以通知远在千里之外的子女来及时采取措施，可以避免严重的结果。现有的检测摔倒的技术主要有以下几种：基于视频的摔倒检测、基于声学的摔倒检测及基于加速度传感器的摔倒检测。基于视频的摔倒检测技术只能检测装有摄像头的区域，具有一定的区域局限性，并且还需要对视频数据进行处理器，其工作量大、效率低，使用视频同时会侵犯受检测者的隐私；基于声学的摔倒检测技术容易受到外界信号的干扰，容易出现误报，准确率不高。基于加速度传感器的摔倒检测技术需要佩戴到受检测者身上，会带来一定的不适感。
52.而本发明中的测量装置及方法克服了上述问题，该测量装置放置在测量场景的屋顶正中央，可以覆盖到生活常见场景，从而使测量无死角。即便当人体躲在遮挡物背后进行微小的动作，传感器依然能检测到人体的存在，其原因在于电磁波在封闭空间中来回多次反射的效果，即便传感器的覆盖角度并不能完全覆盖需要检测的区域，但是因为传感器本身极高的灵敏度，能接收识别空间中来回多次反射回来的电磁波能量，而且依然能够准确的判断信号的波动。当判断出测试场景中人体出现时，判断人体在场景内是否出现摔倒情况，当判断出摔倒的情况下进行报警。摔倒检测的测量场景不能特别大，一般最好的检测位置为雷达装置正下方，如在卫生间测试环境中，根据雷达天线的距离分辨率为0.0514m，及模块的测距原理图5所示，装置自动测量查找房子到地面的高度h1，当人体出现时测量目标的最高处到房顶的高度h2，一般人体摔倒情况下，身高变化至少为测量者身高的一半，根据测试者正常状态下测量的身高的一半作为阈值，将h1-h2与设定的阈值进行比较，同时兼顾达到阈值情况前一段时间内人体体动状态，判断测量者是否摔倒。在测试判断过程中，所使用的阈值都是自动计算的，无需人为设置。当发生摔倒情况下，向测试者发送预警信息，为了满足测试准确性减小误报，如果3分钟时间内测试者没有回应报警信息则将报警信息发送至测试者的紧急联系人。由于测量精度较高，本发明测量装置误报率较低。
53.在该实施方式中，步骤1)中所发射的电磁脉冲雷达信号的帧数为18-22帧/秒，测量范围为4-6m。例如：为了能够提取出呼吸、心率等人体信号，将信号的帧数设置为20帧/秒，测量范围为5m，可以满足室内测量及人体经常出现的楼梯走廊等场景。
54.本发明另一方面提供了一种智能照明开关，该智能照明开关包括：开关电路，所述开关电路根据所述基于雷达信号判断人体存在及状态的方法检测人体是否存在，并用于将人体存在的结果作为所述开关电路开闭的条件。
55.通过上述技术方案的实施，该智能照明开关解决了现有智能照明灯控制不灵敏、功耗大、电磁辐射人体较长时间静止状态下智能灯自动熄灭等问题。
56.在该实施方式中，所述开关电路为多开单控电路，且位于每个所述开关控制位置均设置有所述人体检测系统。
57.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
58.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可
能的组合方式不再另行说明。
59.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。