CN107422318A - 一种基于多普勒技术的占用传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多普勒技术的占用传感器及其检测方法。该占用传感器包括：多普勒雷达检测模块，发射射频信号并接收遇到目标物体后反射回的回波信号，产生描述物体运动的多普勒频率信号，发送至电路控制模块；电路控制模块对接收信号进行判定，确定给定空间内是否有人存在，从而控制室内设备。检测方法为：多普勒雷达检测模块发射射频信号，并接收遇到目标物体后反射回的回波信号，产生描述物体运动的多普勒频率信号并发送至电路控制模块；电路控制模块接收多普勒雷达检测模块输出的信号并进行判定，确定给定空间内是否有人存在，从而控制室内设备的开关状态。本发明扩大了检测范围，确保了检测的实时性和准确性，具有广泛的应用范围。

Description

一种基于多普勒技术的占用传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及节能技术领域，特别是一种基于多普勒技术的占用传感器及其检测方法。

背景技术

随着能源尤其是矿物燃料的日益消耗，资源利用率和能源节约这两大议题逐渐被提上日程。而智能节能也作为节约能源的一种重要方式被提出、运用并不断发展。我国是一个能源消耗大国，无论是在商业用途或是民用场合，照明、供暖、通风、空调等的消耗都不容忽视，而这些设施更多的是工作于无人状态下，因此，提供一种能够感知无人状态然后自动切断负载电源而达到节能目的的传感器显得极为重要。这类传感器被称为占用传感器，目前广泛应用于建筑节能系统的占用传感器主要包括红外传感器和超声波传感器两种：

红外传感器是通过测量温度，将温度转变为电信号并与门限值比较从而判定是否有人存在的。其缺点是这类传感器检测方法容易检测到如走路、跑步等的大幅度动作，却很难检测到写字、看电视等微小的动作状态，而接收到的信号中除了人体运动本身的信息外，还包括噪声和干扰的信号，这些都增加了传感器灵敏度设置的难度。若灵敏度太高，则有可能将噪声干扰等非人体运动信号误判为有人存在，从而在无人情况下打开设备造成资源浪费，也即“假阳性判别”；若灵敏度太低，则有可能无法检测到人体如写字看电视等的微小运动，从而在有人存在的状态下关闭设备给用户造成不便，也即“假阴性判别”。

超声波传感器是通过发射频率为25～40KHz的超声波信号，经由物体或人反射，对反射回的超声波信号频率进行判定从而确定是否有人存在的。与红外线传感器检测方法相比，超声波传感器检测虽然可以检测到微小的甚至是障碍物后的运动，但也存在着成本高、错判率高等缺点。而且，超声波传感器发射的超声波也有可能对一些听觉设备以及其他传感器，甚至是能够识别超声波的动物造成干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多普勒技术的占用传感器及其检测方法，利用连续波多普勒雷达，实时准确地检测给定空间是否有人存在，从而达到有人则开设备无人则关设备的智能节能的目的。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于多普勒技术的占用传感器，包括多普勒雷达检测模块和电路控制模块，其中：

多普勒雷达检测模块，发射射频信号并接收遇到目标物体后反射回的回波信号，产生描述物体运动的多普勒频率信号，发送至电路控制模块；

电路控制模块，接收多普勒雷达检测模块输出的信号并进行判定，确定给定空间内是否有人存在，从而控制室内设备。

进一步地，所述多普勒雷达检测模块包括发射单元和接收单元，其中：

发射单元包括顺次连接的交流电源、耦合器、功率放大器和发射天线；其中耦合器一路输出通过功率放大器作为发射信号，另一路输出通过驱动放大器与接收单元中混频器相连接；发射单元发射射频信号；

接收单元包括顺次连接的接收天线、低噪声放大器和混频器；接收单元接收遇到目标物体后反射回的回波信号，并通过与发射信号混频得到多普勒频率信号。

进一步地，所述电路控制模块包括顺次连接的A/D转换单元、微处理器单元、D/A转换单元和继电器开关单元，其中：

A/D转换单元：将多普勒雷达检测模块输出的连续信号转换成数字离散信号；

微处理器单元：根据传入的实时信号与当前开关状态进行判定，决定下一时刻开关的状态；

D/A转换单元：将微处理器中处理所得的结果信号转换成连续的模拟信号；

继电器开关单元：执行室内设备的开关状态，室内设备包括照明、供暖、通风、空调设备。

进一步地，所述微处理器单元根据传入的实时信号与当前开关状态进行判定，决定下一时刻开关的状态，具体如下：

1)若当前开关状态为开，且持续T1时间内均没有实时信号传入，则判定下一时刻开关状态为关；

2)若当前开关状态为关，且持续T2内均有实时信号传入，则判定下一时刻开关状态为开；

3)除上述1)和2)两种情况外，其余情况开关均保持当前状态；

其中，T1、T2由用户根据需求确定。

进一步地，步骤如下：

步骤1，设置多普勒雷达检测模块和电路控制模块；

步骤2，多普勒雷达检测模块发射射频信号，并接收遇到目标物体后反射回的回波信号，产生描述物体运动的多普勒频率信号并发送至电路控制模块；

步骤3，电路控制模块接收多普勒雷达检测模块输出的信号并进行判定，确定给定空间内是否有人存在，从而控制室内设备的开关状态。

进一步地，步骤2所述遇到目标物体后反射回的回波信号包括能够表征给定空间有人存在的回波信号和不能表征给定空间有人存在的回波信号，能够表征给定空间有人存在的回波信号包括：1)由于人体走路、奔跑产生的身体大幅度运动而反射回的带有该运动频率信息的电磁波信号；2)由于人体敲击键盘、写字的局部细小运动而反射回的带有该运动频率信息的电磁波信号；3)由于人体心跳呼吸导致胸腔的起伏运动而反射回的带有该运动频率信息的电磁波信号。

进一步地，步骤3所述控制室内设备的开关状态，即电路控制模块中的微处理器单元根据传入的实时信号与当前开关状态进行判定，决定下一时刻开关的状态，具体如下：

1)若当前开关状态为开，且持续T1时间内均没有实时信号传入，则判定下一时刻开关状态为关；

2)若当前开关状态为关，且持续T2内均有实时信号传入，则判定下一时刻开关状态为开；

3)除上述1)和2)两种情况外，其余情况开关均保持当前状态；

其中，T1、T2由用户根据需求确定。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)灵敏度高：该传感器信号处射频波段，波长短，方向性好，因而除了能够检测到运动物体外，还能通过检测人体的呼吸心跳等检测到生命体的存在，极大化地减少误判率；(2)准确性高：该传感器舍弃门限电平检测方案，避免门限电平选取不当造成的“假阳(阴)性判别”，不再受杂波噪声等的干扰，有效地提高准确性；(3)实时度好：该传感器发射的电磁波信号以光速传播，从发射信号到接收反射回来的信号仅需几十万分之一秒，因而可检测出任何时间给定空间中生命体的存在与否，保证了信息的有效性和可靠性；(4)更加人性化：该传感器的时间延迟功能有效避免了突发运动对传感器的干扰，同时考虑人频繁进出空间或短时间离开给定空间等情况，避免了频繁开关负载至使负载寿命缩短以及对人造成的不便。

附图说明

图1为本发明基于多普勒技术的占用传感器的模型图。

图2为本发明基于多普勒技术的占用传感器中多普勒雷达检测模块的结构原理图。

图3为本发明基于多普勒技术的占用传感器中电路控制模块的结构原理框图。

图4为本发明基于多普勒技术的占用传感器中多普勒雷达检测模块的仿真图。

图5为本发明基于多普勒技术的占用传感器的检测信号与室内设备的开关状态的对应关系示意图。

图6为图5检测信号与室内设备的开关状态的关系示意图的纵坐标放大图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1～3，本发明基于多普勒技术的占用传感器，包括多普勒雷达检测模块和电路控制模块。

上述传感器中两个模块的作用及功能如下：

(1)多普勒雷达检测模块，发射射频信号并接收遇到目标物体后反射回的回波信号，产生描述物体运动的多普勒频率信号，发送至电路控制模块。多普勒雷达检测模块主要负责检测给定空间中是否有人存在。在系统中，多普勒雷达检测模块用于检测带有表征人体存在的多普勒频率信息的回波信号，并将其发送至电路控制系统提供是否需要开关负载的依据。

所述多普勒雷达检测模块包括发射单元和接收单元，其中：发射单元包括顺次连接的交流电源、耦合器、功率放大器和发射天线；其中耦合器一路输出通过功率放大器作为发射信号，另一路输出通过驱动放大器与接收单元中混频器相连接；发射单元发射射频信号；接收单元包括顺次连接的接收天线、低噪声放大器和混频器；接收单元接收遇到目标物体后反射回的回波信号，并通过与发射信号混频得到多普勒频率信号。

(2)电路控制模块，接收多普勒雷达检测模块输出的信号并进行判定，确定给定空间内是否有人存在，从而控制室内设备。电路控制模块主要负责控制室内设备的工作状态。在本系统中，电路控制模块通过接收雷达检测系统的输出判定是否需要改变室内设备的工作状态。

所述电路控制模块包括顺次连接的A/D转换单元、微处理器单元、D/A转换单元和继电器开关单元，其中：1)A/D转换单元：将多普勒雷达检测模块输出的连续信号转换成数字离散信号；2)微处理器单元：根据传入的实时信号与当前开关状态进行判定，决定下一时刻开关的状态；3)D/A转换单元：将微处理器中处理所得的结果信号转换成连续的模拟信号；4)继电器开关单元：执行室内设备的开关状态，室内设备包括照明、供暖、通风、空调设备。

所述微处理器单元根据传入的实时信号与当前开关状态进行判定，决定下一时刻开关的状态，具体如下：1)若当前开关状态为开，且持续T1(例：T1＝1min)时间内均没有实时信号传入，则判定下一时刻开关状态为关；2)若当前开关状态为关，且持续T2(例：T2＝30s)内均有实时信号传入，则判定下一时刻开关状态为开；3)除上述所述1)和2)两种情况外，其余情况开关均保持当前状态。其中，T1，T2可由用户根据需求自行决定。

本发明提出的基于多普勒雷达技术的占用传感器的检测方法，采用多普勒雷达检测技术，检测能够表征给定空间有人存在的回波信号，并通过电路控制模块对接收到的回波信号进行判定，控制室内设备的开关状态，步骤如下：

步骤1，设置多普勒雷达检测模块和电路控制模块；

步骤2，多普勒雷达检测模块发射射频信号，并接收遇到目标物体后反射回的回波信号，产生描述物体运动的多普勒频率信号并发送至电路控制模块；

所述遇到目标物体后反射回的回波信号包括能够表征给定空间有人存在的回波信号和不能表征给定空间有人存在的回波信号，能够表征给定空间有人存在的回波信号包括：1)由于人体走路、奔跑产生的身体大幅度运动而反射回的带有该运动频率信息的电磁波信号；2)由于人体敲击键盘、写字的局部细小运动而反射回的带有该运动频率信息的电磁波信号；3)由于人体心跳呼吸导致胸腔的起伏运动而反射回的带有该运动频率信息的电磁波信号。

步骤3，电路控制模块接收多普勒雷达检测模块输出的信号并进行判定，确定给定空间内是否有人存在，从而控制室内设备的开关状态。

所述控制室内设备的开关状态，即电路控制模块中的微处理器单元根据传入的实时信号与当前开关状态进行判定，决定下一时刻开关的状态，具体如下：

1)若当前开关状态为开，且持续T1时间内均没有实时信号传入，则判定下一时刻开关状态为关；

2)若当前开关状态为关，且持续T2内均有实时信号传入，则判定下一时刻开关状态为开；

3)除上述1)和2)两种情况外，其余情况开关均保持当前状态；

其中，T1、T2由用户根据需求确定。

上述的能够表征给定空间有人存在的回波信号，所携带的频率信息虽各不相同，但均具有持续性，因此在某一时间段的检测中易于与其他突发运动如物体掉落等所区分。

上述的电路控制模块对接收到的回波信号进行判定，具有时间延迟性，当多普勒雷达检测系统从不输出频率信息至输出频率信息时，需等待一定时间，当确定频率信息连续时判定为给定空间有人存在，同时开启室内设备；同理，当多普勒雷达系统从输出频率信息至不输出频率信息时，也需等待一定时间，当确定频率信息不再出现时判定为给定空间无人存在，同时关闭室内设备。这一延迟特性通过微处理器单元来具体实现。所述的时间延迟性，可以避免室内无人存在时的突发运动如物体掉落等对传感器造成的误判，并克服了当人体频繁出入给定空间时频繁开关设备给人造成的不便。

本发明基于多普勒雷达检测技术的占用传感器，由于电磁波照射到运动的物体上产生的回波会带有多普勒频率分量，传感器检测到这个频率分量就可以确定房间内是否有人的存在，从而判断是否切断电源，达到节能的目的。通过在无人情况下自动切断负载电源而达到节能的目的，可大量应用于包括照明、供暖、通风、空调等商业和民用场合。该传感器采用多普勒雷达检测技术，相比于如今广泛应用于建筑节能系统的包括红外线传感器和超声波传感器等，一方面，舍弃了门限电平检测方案，有效克服了对给定空间是否有人存在的虚假判断；另一方面，也扩大了检测范围，除了能够检测到大幅度运动着的人体，也能通过由于人体心跳和呼吸造成的胸腔的微小运动来检测到静止着的人，确保了检测的实时性和准确性。

实施例1

为实现上述发明内容的技术方案，现结合软件系统仿真图以及检测信号与室内设备的开关状态对应的关系示意图进行阐述。

结合图4，多普勒雷达检测系统的仿真如图所示，多普勒雷达中的信号源发出一定频率的信号，并接收由目标反射回的回波信号，经与发射信号混频后提取出带有物体运动信息的频率分量，即多普勒频率。表征生命体各种活动，包括走路、奔跑，甚或是呼吸和心跳的多普勒频率分量具有连续性，通过确定多普勒检测模块提取的多普勒频率分量即可判断出给定空间中是否有生命体的存在。

结合图5～图6，图6为图5检测信号与室内设备的开关状态的关系示意图的放大，由于图5中表征人体呼吸状态的信号非常弱，为清楚示意，放大图5中纵坐标值得到图6。检测信号与室内设备的开关状态对应关系示意如图所示。图中检测信号为图4中所搭建的雷达检测模块的理想仿真图形，在仿真过程中，假设各运动状态都可用正弦信号描述，不同的运动状态对应的不同的径向速度与强度可以分别用正弦信号的频率和幅度加以模拟。通过仿真输出的检测信号作为控制模块的输入，并用编程实现对图3控制模块流程的模拟，输出设备的开关状态。根据图中显示，在0～2min时，表征室内无人，检测信号频率始终为0，室内设备始终处于关闭状态；在2～3min时，表征室内发生突发状态(如物体掉落等)，检测信号频率发生突变，但并未维持，室内设备仍处于关闭状态；在3～5min时，有人体进入室内并做大幅度运动(如走路等)，此时检测信号频率发生变化并维持，人体进入空间30s后，控制开关开启室内设备，并保持开启状态；在5～8min时，人体停止运动处于静止状态(如坐于沙发看电视等)，但仍存在呼吸心跳等微小运动，检测信号频率发生突变但并不为0，继续保持，室内设备仍处于开启状态；在8～10min时，人体离开给定空间，此时检测信号发生突变变为0，室内设备在1min中后关闭。

本发明提供的基于多普勒雷达检测技术的室内节能控制占用传感器，利用多普勒雷达系统检测给定空间中表征人体存在的多普勒频率并通过电路控制系统对室内设备的工作状态进行控制，有效避免了现有技术中无法检测静止人体以及采用门限电平检测导致的误判率高的问题，方便灵活，准确性高，为人类提供了一种可靠的智能节能的占用传感器。

Claims (7)

1.一种基于多普勒技术的占用传感器，其特征在于，包括多普勒雷达检测模块和电路控制模块，其中：

多普勒雷达检测模块，发射射频信号并接收遇到目标物体后反射回的回波信号，产生描述物体运动的多普勒频率信号，发送至电路控制模块；

电路控制模块，接收多普勒雷达检测模块输出的信号并进行判定，确定给定空间内是否有人存在，从而控制室内设备。

2.根据权利要求1所述的基于多普勒技术的占用传感器，其特征在于，所述多普勒雷达检测模块包括发射单元和接收单元，其中：

发射单元包括顺次连接的交流电源、耦合器、功率放大器和发射天线；其中耦合器一路输出通过功率放大器作为发射信号，另一路输出通过驱动放大器与接收单元中混频器相连接；发射单元发射射频信号；

接收单元包括顺次连接的接收天线、低噪声放大器和混频器；接收单元接收遇到目标物体后反射回的回波信号，并通过与发射信号混频得到多普勒频率信号。

3.根据权利要求1所述的基于多普勒技术的占用传感器，其特征在于，所述电路控制模块包括顺次连接的A/D转换单元、微处理器单元、D/A转换单元和继电器开关单元，其中：

A/D转换单元：将多普勒雷达检测模块输出的连续信号转换成数字离散信号；

微处理器单元：根据传入的实时信号与当前开关状态进行判定，决定下一时刻开关的状态；

D/A转换单元：将微处理器中处理所得的结果信号转换成连续的模拟信号；

继电器开关单元：执行室内设备的开关状态，室内设备包括照明、供暖、通风、空调设备。

4.根据权利要求3所述的基于多普勒技术的占用传感器，其特征在于，所述微处理器单元根据传入的实时信号与当前开关状态进行判定，决定下一时刻开关的状态，具体如下：

1)若当前开关状态为开，且持续T1时间内均没有实时信号传入，则判定下一时刻开关状态为关；

2)若当前开关状态为关，且持续T2内均有实时信号传入，则判定下一时刻开关状态为开；

3)除上述1)和2)两种情况外，其余情况开关均保持当前状态；

其中，T1、T2由用户根据需求确定。

5.一种基于多普勒雷达技术的占用传感器的检测方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，设置多普勒雷达检测模块和电路控制模块；

步骤2，多普勒雷达检测模块发射射频信号，并接收遇到目标物体后反射回的回波信号，产生描述物体运动的多普勒频率信号并发送至电路控制模块；

步骤3，电路控制模块接收多普勒雷达检测模块输出的信号并进行判定，确定给定空间内是否有人存在，从而控制室内设备的开关状态。

6.根据权利要求5所述的基于多普勒雷达技术的占用传感器的检测方法，其特征在于，步骤2所述遇到目标物体后反射回的回波信号包括能够表征给定空间有人存在的回波信号和不能表征给定空间有人存在的回波信号，能够表征给定空间有人存在的回波信号包括：1)由于人体走路、奔跑产生的身体大幅度运动而反射回的带有该运动频率信息的电磁波信号；2)由于人体敲击键盘、写字的局部细小运动而反射回的带有该运动频率信息的电磁波信号；3)由于人体心跳呼吸导致胸腔的起伏运动而反射回的带有该运动频率信息的电磁波信号。

7.根据权利要求5所述的基于多普勒雷达技术的占用传感器的检测方法，其特征在于，步骤3所述控制室内设备的开关状态，即电路控制模块中的微处理器单元根据传入的实时信号与当前开关状态进行判定，决定下一时刻开关的状态，具体如下：

1)若当前开关状态为开，且持续T1时间内均没有实时信号传入，则判定下一时刻开关状态为关；

2)若当前开关状态为关，且持续T2内均有实时信号传入，则判定下一时刻开关状态为开；

3)除上述1)和2)两种情况外，其余情况开关均保持当前状态；

其中，T1、T2由用户根据需求确定。