CN102445696B - 一种智能马桶的人体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能马桶的人体检测装置，包括微波传感器、低通滤波器、数控增益可调放大器、整形电路和控制器，微波传感器的输出接至低通滤波器的输入，低通滤波器的输出接至数控增益可调放大器的输入，数控增益可调放大器的输出分别接至控制器和整形电路，整形电路的输出接至控制器，控制器的一输出接至数控增益可调放大器；该控制器包括灵敏度设置处理单元、波形采集处理单元、频率检测处理单元、幅值检测处理单元和信号处理单元，该控制器根据多普勒信号的波形趋势，结合预先确定的幅值和频率条件来判断出人体的行为状况，并输出对应的控制信号。本发明充分利用了多普勒波形的强度变化规律；采用了判断信号强度变化趋势，并且结合强度和频率的限制，达到更良好可靠的检测效果。

Description

一种智能马桶的人体检测装置

技术领域

本发明涉及一种人体检测装置，特别是涉及一种智能马桶的人体检测装置，可以用来对人体是否靠近或离开马桶的状态进行有效检测，以实现马桶的智能化。

背景技术

马桶是人们日常生活用品之一，传统的马桶在使用过程中，比如，掀开马桶盖板，冲洗马桶或盖下马桶盖板等，都是需要使用者手动进行操作。随着人们生活水平的不断提高，以及科技的不断进步，人们对于日常生活用品的智能化水平的要求也在不断地提高。而一种智能马桶也开始逐渐走入了人们的生活中，这种智能马桶是通过人体检测装置对使用者是否靠近或离开马桶的状态进行检测，进而得到检测信号，然后再利用这种检测信号去驱动对应的执行机构动作，使得马桶盖板的掀起或盖下以及冲洗马桶都无须人工进行操作，从而实现了马桶使用过程的智能化。

这种智能马桶中，人体检测装置是实现马桶智能化的重要装置，如果人体检测装置不能准确地检测出使用者的使用状态，比如靠近或离开马桶状态等，就不能正确地驱动马桶对应的执行机构进行动作。

目前实现人体检测的方法主要有三种：PSD(Position Sensitive Device，位置敏感器件)、PIR(Passive infrared Detector，被动红外检测器)以及利用多普勒原理实现人体检测。

其中，PSD是主动式发射，可比较准确的检测出位置，但是容易受到周边环境和障碍物的影响而误检测；PIR通常通过检测人体辐射出来的红外线来识别人体，是一种运动传感器，但是容易受到温度等周边环境的影响。同时，PSD和PIR检测方式无法透过普通的塑料材质，通常需要另外开窗口以检测接收信号，这在一定程度上破坏了产品外观的完整性和协调性。

利用多普勒原理实现的人体检测，通过主动发出发射波，并且检测遇到障碍物反射回来的反射波来实现人体检测。该种方式通常采用超声波或者高频电磁波作为发射波。其中高频电磁波具有抗干扰性好，适应恶劣环境，可穿透塑料传输等多种优势，无需开窗即可实现人体检测，充分保证了产品外观的完整和协调性。

但是，现有的基于多普勒原理的人体检测装置，也还存在着容易误触发和可靠性不佳等弊端。

比如，日本专利JP4482301(B2)揭示了一种利用微波检测人体的装置。它设定了第一电平和第二电平两个电平值，其中第二电平高于第一电平。检测装置检测大于第一电平的多普勒信号的波数和第二电平的值，然后与预设的波数值和电平值做加减算术运算来最终判决使用者是接近还是离开。该方法可以检测是否有人体在移动，但因人体移动速度相对缓慢，周波数的变化量相对较小，不容易区分人体接近和离开的状态，存在误触发的可能性。

再比如，日本专利JP2004361355(A)揭示了另一种利用微波检测人体状态的方法。它是通过多普勒信号的波数和相位差关系来实现人体状态检测的。该方法实现较为复杂。其检测效果还不尽如人意。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种智能马桶的人体检测装置，充分利用了多普勒波形的特性，即在人体接近和离开微波传感器的时候，传感器输出的多普勒信号强度变化是有一定规律的；基于此，本发明采用了判断信号强度变化趋势，并且结合强度和频率的限制，达到更良好可靠的检测效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种智能马桶的人体检测装置，包括：

一微波传感器，用来向空间发射高频电磁波，接收该高频电磁波遇到障碍物后折回的反射波，并将接收波和发射波混频后输出一个具有中频信号特征的多普勒信号；

一低通滤波器，用来滤除多普勒信号中的噪声以及信号处理过程中的噪声；

一数控增益可调放大器，用来对微弱的多普勒信号进行放大处理；

一整形电路，该整形电路对变化缓慢或不规则的信号整形，同时剔除输入信号中的干扰信号；

一控制器，用来进行多普勒信号的频率检测和多普勒信号的幅值检测，并根据多普勒信号的波形趋势，结合预先确定的幅值和频率条件来判断出人体的行为状况，根据不同的行为状况输出对应的控制信号；该控制器还输出信号以对数控增益可调放大器的增益进行自动调整；

微波传感器的输出接至低通滤波器的输入，微波传感器将多普勒信号输给低通滤波器，由低通滤波器进行噪声的滤波处理；低通滤波器的输出接至数控增益可调放大器的输入，数控增益可调放大器对输入的多普勒信号加以放大处理；数控增益可调放大器的输出分别接至控制器和整形电路，前者将放大后的多普勒信号分别输出给后者；整形电路的输出接至控制器，该整形电路将不规则的信号进行整形，向控制器提供检测多普勒信号的频率的依据；控制器根据数控增益可调放大器输给的多普勒信号进行幅值检测，根据整形电路输给的信号进行频率检测，在判断出人体的行为状况后输出对应的控制信号；控制器的一输出还接至数控增益可调放大器，控制器向数控增益可调放大器输出用来自动调整增益的控制信号。

所述的控制器，包括：

一灵敏度设置处理单元，用来检测数控增益可调放大器的灵敏度/放大倍数，同时跟据检测到的灵敏度/放大倍数和使用情况设置新的灵敏度/放大倍数值；

一波形采集处理单元，用来不断检测微波传感器输出的多普勒信号并存储，同时具有软件滤波功能；

一频率检测处理单元，用来检测多普勒信号的频率；

一幅值检测处理单元，用来检测多普勒信号的幅值；

一信号处理单元，用来对输入的信号进行分析处理，根据多普勒信号的波形趋势，结合预先确定的幅值和频率条件来判断出人体的行为状况，根据不同的行为状况输出对应的控制信号；

灵敏度设置处理单元的一输入接至数控增益可调放大器的一输出，灵敏度设置处理单元的一输出接至数控增益可调放大器的一输入，波形采集处理单元的输入接至数控增益可调放大器的输出，波形采集处理单元的输出接至幅值检测处理单元的输入，幅值检测处理单元的输出接至信号处理单元的输入，频率检测处理单元的输入接至整形电路的输出，频率检测处理单元的输出接至信号处理单元的输入，信号处理单元输出所述的对应的控制信号。

所述的根据多普勒信号的波形趋势，结合预先确定的幅值和频率条件来判断出人体的行为状况，根据不同的行为状况输出对应的控制信号，包括：

当多普勒信号的波形趋势呈现上升趋势，且检测出的多普勒信号的幅值大于预先设定的一个第一幅值，以及检测出的多普勒信号的频率处在预先设定的频率范围时，则判定为人体接近马桶的状态，所述控制器向预置的执行机构输出执行相应功能的控制信号；

当多普勒信号的波形趋势呈现下降趋势，且检测出的多普勒信号的幅值小于预先设定的一个第二幅值，以及检测出的多普勒信号的频率处在预先设定的频率范围时，则判定为人体离开马桶的状态，所述控制器向预置的执行机构输出执行相应功能的的控制信号。

所述的低通滤波器能够让一个预先设定频率以下的信号分量通过，而对该预先设定频率以上的信号分量起到抑制。

所述数控增益可调放大器包括固定增益放大器和可调增益放大器。

本发明的有益效果是，由于采用了微波传感器、低通滤波器、数控增益可调放大器、整形电路和控制器来构成智能马桶的人体检测装置，微波传感器的输出接至低通滤波器的输入，低通滤波器的输出接至数控增益可调放大器的输入，数控增益可调放大器的输出分别接至控制器和整形电路，整形电路的输出接至控制器，控制器的一输出接至数控增益可调放大器；该控制器包括灵敏度设置处理单元、波形采集处理单元、频率检测处理单元、幅值检测处理单元和信号处理单元，该控制器用来进行多普勒信号的频率检测和多普勒信号的幅值检测，并根据多普勒信号的波形趋势，结合预先确定的幅值和频率条件来判断出人体的行为状况，根据不同的行为状况输出对应的控制信号。本发明充分利用了多普勒波形的特性，即在人体接近和离开微波传感器的时候，传感器输出的多普勒信号强度变化是有一定规律的；基于此，采用了判断信号强度变化趋势，并且结合强度和频率的限制，能够达到更良好可靠的检测效果。本发明利用微波多普勒技术实现了智能马桶上的各种人体行为的检测，并且无需开窗即可实现人体检测，保证了产品外观的完整和协调。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种智能马桶的人体检测装置不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的控制器的原理框图；

图3是本发明检测到的多普勒波形一的示意图；

图4是本发明检测到的多普勒波形二的示意图；

图5是本发明检测到的多普勒波形三的示意图；

图6是本发明的工作流程图。

具体实施方式

实施例，参见图1、图2所示，本发明的一种智能马桶的人体检测装置，包括：

一微波传感器1，用来向空间发射高频电磁波，接收该高频电磁波遇到障碍物后折回的反射波，并将接收波和发射波混频后输出一个具有中频信号特征的多普勒信号；微波传感器1是利用多普勒原理实现的，由介质振荡器(DRO)和一对微带天线(包括发送天线和接收天线)组成；

一低通滤波器2，用来滤除多普勒信号中的噪声以及信号处理过程中的噪声；

一数控增益可调放大器3，用来对微弱的多普勒信号进行放大处理；数控增益可调放大器3是一个增益可调的低频放大器；当有物体在微波传感器的覆盖面积移动时，微波传感器会输出多普勒信号，输出强度与发射能量的发射强度有关，一股情况下该信号很微弱，所以需要一个高增益的低频放大器来处理该信号，使其能被处理器所识别；数控增益可调放大器正是起到了这个作用，同时，该放大器可由控制器根据情况自动调节灵敏度；该数控增益可调放大器包括固定增益放大器和可调增益放大器；

一整形电路4，对变化缓慢或不规则的信号整形，同时可剔除输入信号中的干扰信号；控制器5借此来衡量多普勒信号中的频率成分；

一控制器5，用来进行多普勒信号的频率检测和多普勒信号的幅值检测，并根据多普勒信号的波形趋势，结合预先确定的幅值和频率条件来判断出人体的行为状况，根据不同的行为状况输出对应的控制信号；该控制器还对数控增益可调放大器的增益进行自动调整；

微波传感器1的输出接至低通滤波器2的输入，微波传感器1将多普勒信号输给低通滤波器2，由低通滤波器2进行噪声的滤波处理；低通滤波器2的输出接至数控增益可调放大器3的输入，数控增益可调放大器3对输入的多普勒信号加以放大处理；数控增益可调放大器3的输出分别接至控制器5和整形电路4，前者将放大后的多普勒信号分别输出给后者；整形电路4的输出接至控制器5，该整形电路4将不规则的信号整形后输出给控制器5，向控制器5提供检测多普勒信号的频率的依据；控制器5根据数控增益可调放大器3输给的多普勒信号进行幅值检测，根据整形电路4输给的信号进行频率检测，在判断出人体的行为状况后输出对应的控制信号；控制器5的一输出还接至数控增益可调放大器3，控制器5向数控增益可调放大器3输出用来自动调整增益的控制信号。

所述的控制器5，包括：

一波形采集处理单元51，用来不断检测微波传感器输出的多普勒信号并存储，同时具有软件滤波功能；

一频率检测处理单元52，用来检测多普勒信号的频率；频率检测是检测混频后的多普勒信号的频率，目标物体移动速度越快频率越高；利用该频率可识别目标物体移动的速度；

一幅值检测处理单元53，用来检测多普勒信号的幅值；幅值检测是检测混频后的多普勒信号的幅值，目标物体离微波传感器越近幅值越大；利用该幅值可检测人体处于不同的区域/距离；

一信号处理单元54，用来对输入的信号进行分析处理，根据多普勒信号的波形趋势，结合预先确定的幅值和频率条件来判断出人体的行为状况，根据不同的行为状况输出对应的控制信号；

-灵敏度设置处理单元55，用来检测数控增益可调放大器的灵敏度/放大倍数，同时跟据检测到的灵敏度/放大倍数和使用情况设置新的灵敏度/放大倍数值；

波形采集处理单元51的输入接至数控增益可调放大器3的输出，波形采集处理单元51的输出接至幅值检测处理单元53的输入，幅值检测处理单元53的输出接至信号处理单元54的输入，频率检测处理单元52的输入接至整形电路4的输出，频率检测处理单元52的输出接至信号处理单元54的输入，信号处理单元54输出所述的对应的控制信号，灵敏度设置处理单元55的一输入接至数控增益可调放大器3的一输出，灵敏度设置处理单元55的一输出接至数控增益可调放大器3的一输入，通过灵敏度设置处理单元55对数控增益可调放大器3的灵敏度进行设置。

所述的根据多普勒信号的波形趋势，结合预先确定的幅值和频率条件来判断出人体的行为状况，根据不同的行为状况输出对应的控制信号，包括：

当多普勒信号的波形趋势呈现上升趋势，且检测出的多普勒信号的幅值大于预先设定的一个第一幅值，以及检测出的多普勒信号的频率处在预先设定的频率范围时，则判定为人体接近马桶的状态，所述控制器向预置的执行机构输出执行相应功能的控制信号，比如向预置的执行机构输出翻起马桶盖的控制信号；

当多普勒信号的波形趋势呈现下降趋势，且检测出的多普勒信号的幅值小于预先设定的一个第二幅值，以及检测出的多普勒信号的频率处在预先设定的频率范围时，则判定为人体离开马桶的状态，所述控制器向预置的执行机构输出执行相应功能的控制信号，比如向预置的执行机构输出盖下马桶盖或者自动冲刷马桶的控制信号。

所述的低通滤波器2能够让一个预先设定频率以下的信号分量通过，而对该预先设定频率以上的信号分量起到抑制。

本发明的一种智能马桶的人体检测装置，微波传感器1采用10.525GHz高频电磁波；该微波传感器1不断的向空间发射高频电磁波；当人体在微波传感器1覆盖的面积内移动时，微波传感器1发出的高频电磁波遇到人体发生反射后折回被微波传感器1接收；微波传感器1将接收波与发射波混频后输出一个中频信号，此即多普勒信号。

该多普勒信号先经过低通滤波器2滤除信号中的噪声，然后再进入初级放大器(可以在低通滤波器2与数控增益可调放大器3之间增加初级放大器对信号进行初级放大)将多普勒信号放大；紧接着多普勒信号进入数控增益可调放大器3，信号被进一步放大以被控制器5识别；该数控增益可调放大器3可由控制器5根据情况通过灵敏度设置处理单元55自动调整增益；放大后的信号再经过一级低通滤波器(可以在数控增益可调放大器3之后设一低通滤波器)送出，一路直接送入控制器5，另一路经过整形电路4后将不规则的信号整形再送入控制器5，借此来衡量多普勒信号的频率。

多普勒信号进去控制器5后，由控制器5的波形采集处理单元51、频率检测处理单元52和幅值检测处理单元53进行对应的处理，得出幅值和频率，然后由信号处理单元54利用电平变化趋势和幅值频率的限制来做最终判断，最后，控制器5根据本次判定结果执行翻盖，冲刷等任务。

当目标物体静止时，多普勒信号的幅值和频率保持不变；当目标物体向多普勒微波传感器运动时，多普勒信号的幅值会呈现出上升趋势，频率也会呈现变大的趋势；当目标物体远离多普勒微波传感器运动时，多普勒信号的幅值会呈现出下降趋势，频率也会呈现变小的趋势；而多普勒信号的幅值与目标物体的具体位置有关，目标物体运动所产生的多普勒频率取决于目标物体与马桶之间的相对运动速度。

以检测目标物体接近为例，假设控制器检测目标物体接近预设的参数为幅值V0，频率为[F0，F1]，则预设的判定条件为：V＞V0，F1＞F＞F0，幅值变化趋势上升。

目标物体朝着多普勒微波传感器的方向运动，多普勒微波传感器就会不断的输出多普勒信号，该信号是非常微弱的，而且掺杂了许多杂讯。多普勒信号首先经过低通滤波器初步滤除信号中的杂讯，然后通过交流耦合的方法进入低频放大器将信号放大。交流耦合的方法可以去除掺杂在多普勒信号中的直流成分使多普勒信号更纯净。接着被放大的多普勒信号进入了数控增益可调放大器将信号放大到能被控制器所识别的程度。数控增益可调放大器的放大倍数由控制器根据工作模式确定。从数控增益可调放大器输出的多普勒信号再次经过低通滤波器以保证进入控制器的多普勒信号尽可能的纯净不影响判断。从低通滤波器输出的多普勒信号(假设幅值为V，频率为F)，直接送入控制器进行处理。

由于目标物体不断的运动，导致V和F也是不断的变化的。通过软件算法，控制器识别，记录并存储V和F的变化，并不断的与预设的判定条件进行比对。当检测到V＞V0，F1＞F＞F0，并且幅值是一条上升趋势的曲线时，控制器就会认为是一次有效的接近检测，从而执行相应的输出。如果三个条件中的任何一个条件不满足要求，比如检测到的频率F＞F1，或者幅值V＜V0，或者幅值曲线不是上升的，控制器都会认为不是有效的接近检测，不会执行相应的输出。

当人体从远处移动至多微波普勒传感器前方时，微波检测装置检测到的波形如附图3所示；可以看出，整条曲线(电平)呈上升趋势；通过软件算法，可以检测出该趋势；图中的V1限制，可以用来指定目标物体出现的有效位置；波形尾部曲线有下降趋势是因为目标物体已到达位置并停止移动；检测到人体正在接近马桶，马桶可立刻执行自动翻盖等任务。

当人体从多微波普勒传感器前方移动至远处时，微波检测装置检测到的波形如附图4所示；可以看出，整条曲线(电平)呈下降趋势；通过软件算法，可以检测出该趋势；图中的V2限制，可以用来指定目标物体离开的有效位置；检测到人体已远离马桶后，马桶可执行自动冲刷，自动关盖等任务。

当人体从微波多普勒传感器侧面移动至传感器前面时，微波检测装置检测到的波形如附图5所示；可以看出，整条曲线(电平)与图3的曲线是十分相似的，也是呈上升趋势。

参见图6所示，模块具有多种模式共用的特性，如自动翻盖模式，自动冲刷模式，小便池模式等，由外部信号决定具体使用何种模式。上电后，控制器检测工作模式，然后由所检测到的工作模式设置相应的灵敏度和判决参数，如果检测到的是无效模式，则模块按照启用系统默认的模式进行检测；

判决参数通常由幅值和频率构成，包括幅值判决(运动距离)、频率判决(运动速度)、幅值和频率同时判决三种模式；

然后控制器开始采样输入的多普勒信号，并从中检测出幅值和频率；同时，对输入的多普勒信号进行信号处理提取出幅值变化的趋势，即上升趋势和下降趋势；控制器根据检测到的这些信息，结合预设的判定条件最终判决是否为有效的检测，并执行相应的输出。

判定的条件有三个：幅值、频率和幅值变化趋势；这三个条件控制器中都做有预设值；控制器将这三个条件和预设值进行比较，如果满足则视为一次成功有效检测；比如检测目标物体接近的时候，要求幅值为V0，频率为[F0，F1]，幅值变化趋势为上升趋势，控制器检测到的结果是V，频率为F；如果V＞V0并且F1＞F＞F0，同时幅值变化趋势也是上升的，那么就会视为一次有效的检测；如果这三个条件任一个条件不能满足，那么视为无效检测。

信号采集器采用主控IC内部AD转换器，每隔一段时间采样一次信号，然后在波形采集处理单元中进行软件滤波。

软件滤波意在去除干扰，防止偶发误采样，使得判决的有效性得到保证；

经过软件滤波后的信号，已经是比较纯净的信号了，经信号处理单元处理后软件通过预设的判决参数来决定此次检测是否有效，有效则输出有效信号，否则输出无效信号。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种智能马桶的人体检测装置，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种智能马桶的人体检测装置，其特征在于：包括：

一微波传感器，用来向空间发射高频电磁波，接收该高频电磁波遇到障碍物后折回的反射波，并将接收波和发射波混频后输出一个具有中频信号特征的多普勒信号；

一低通滤波器，用来滤除多普勒信号中的噪声以及信号处理过程中的噪声；

一数控增益可调放大器，用来对微弱的多普勒信号进行放大处理；

一整形电路，该整形电路对变化缓慢或不规则的信号整形，同时剔除输入信号中的干扰信号；

一控制器，用来进行多普勒信号的频率检测和多普勒信号的幅值检测，并根据多普勒信号的波形趋势，结合预先确定的幅值和频率条件来判断出人体的行为状况，根据不同的行为状况输出对应的控制信号；该控制器还输出信号以对数控增益可调放大器的增益进行自动调整；

微波传感器的输出接至低通滤波器的输入，低通滤波器的输出接至数控增益可调放大器的输入，数控增益可调放大器的输出分别接至控制器和整形电路，整形电路的输出接至控制器，控制器根据数控增益可调放大器输给的信号进行幅值检测，根据整形电路输给的信号进行频率检测，并在判断出人体的行为状况后输出对应的控制信号；控制器的一输出还接至数控增益可调放大器，控制器向数控增益可调放大器输出用来自动调整增益的控制信号；

所述的根据多普勒信号的波形趋势，结合预先确定的幅值和频率条件来判断出人体的行为状况，根据不同的行为状况输出对应的控制信号，包括：

当多普勒信号的波形趋势呈现上升趋势，且检测出的多普勒信号的幅值大于预先设定的一个第一幅值，以及检测出的多普勒信号的频率处在预先设定的频率范围时，则判定为人体接近马桶的状态，所述控制器向预置的执行机构输出执行相应功能的控制信号；

当多普勒信号的波形趋势呈现下降趋势，且检测出的多普勒信号的幅值小于预先设定的一个第二幅值，以及检测出的多普勒信号的频率处在预先设定的频率范围时，则判定为人体离开马桶的状态，所述控制器向预置的执行机构输出执行相应功能的控制信号。

2.根据权利要求1所述的智能马桶的人体检测装置，其特征在于：所述的控制器，包括：

—灵敏度设置处理单元，用来检测数控增益可调放大器的灵敏度/放大倍数，同时跟据检测到的灵敏度/放大倍数和使用情况设置新的灵敏度/放大倍数值；

一波形采集处理单元，用来不断检测微波传感器输出的多普勒信号并存储，同时具有软件滤波功能；

一频率检测处理单元，用来检测多普勒信号的频率；

一幅值检测处理单元，用来检测多普勒信号的幅值；

一信号处理单元，用来对输入的信号进行分析处理，根据多普勒信号的波形趋势，结合预先确定的幅值和频率条件来判断出人体的行为状况，根据不同的行为状况输出对应的控制信号；

灵敏度设置处理单元的一输入接至数控增益可调放大器的一输出，灵敏度设置处理单元的一输出接至数控增益可调放大器的一输入，波形采集处理单元的输入接至数控增益可调放大器的输出，波形采集处理单元的输出接至幅值检测处理单元的输入，幅值检测处理单元的输出接至信号处理单元的输入，频率检测处理单元的输入接至整形电路的输出，频率检测处理单元的输出接至信号处理单元的输入，信号处理单元输出所述的对应的控制信号。

3.根据权利要求1所述的智能马桶的人体检测装置，其特征在于：所述的低通滤波器能够让一个预先设定频率以下的信号分量通过，而对该预先设定频率以上的信号分量起到抑制。

4.根据权利要求1所述的智能马桶的人体检测装置，其特征在于：所述数控增益可调放大器包括固定增益放大器和可调增益放大器。

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