CN108344996A - 一种基于微波雷达手势识别技术的面板开关及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种基于微波雷达手势识别技术的面板开关及其控制方法。所述基于微波雷达手势识别技术的面板开关包括：信号收发模块，用于周期性的向一预设范围发射微波雷达信号，并接收经手部反射后的雷达回波信号；手势识别模块，连接所述信号收发模块，用于根据所述雷达回波信号识别手势动作；控制模块，连接所述手势识别模块，用于根据所述手势动作控制与面板开关连接的照明灯亮起或熄灭。本发明克服了传统的声光开关、红外感应开关易受环境因素影响、灵敏度较低的问题，也避免了传统的微波雷达感应开关容易导致误触发的缺陷。

Description

一种基于微波雷达手势识别技术的面板开关及其控制方法

技术领域

本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种基于微波雷达手势识别技术的面板开关及其控制方法。

背景技术

面板开关与人们的日常生活息息相关，而传统的照明装置凭借其结构简单、价格低廉、安装方便等优势一直占据着照明市场的主要位置。

随着人们生活水平逐步提高，传统面板开关暴露出的在黑暗环境中不方便使用、容易造成电能浪费等缺陷已不能满足人们对于智能化、节能化面板开关的需求。基于上述理由，声光控制面板开关、红外感应面板开关、微波雷达感应开关近年也逐渐流行起来。

声光控制面板开关不仅具有节能的作用，而且大大提升了使用的方便性，目前广泛应用于居民楼道、建筑走廊、洗漱室和厕所当中。声光控制面板开关利用声音以及光纤的变化来控制电路以实现照明灯的开关。声光控制开关是一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换来控制照明灯的亮起，并经过延时后能自动断开电源的节能电子开关。白天光线较强时，电路断开；晚上光线较弱时，开关进入预备工作状态，此时，若有声音触发，开关自动打开，并延时一段时间自动熄灭，杜绝了照明灯的长时间点亮，为人们的生活提供了较大的便利。但是，声光控制面板开关容易受到环境噪声影响导致开关频率过高，容易造成灯具的损害。更有甚者，为触发开关往往需要制造较高分贝的声音，容易造成噪声污染。

当有人进入红外感应面板开关的感应范围时，传感器探测到人体红外光谱的变化，会自动接通负载；如果人不离开感应范围，负载将继续接通；当人离开感应范围后，延时自动关闭负载。在红外感应面板开关中，红外信号处理集成电路主要完成红外信号的处理，电路的电源按各部分电路的要求对电路中各部分电路单独供电，以确保电路的稳定性能。红外感应面板开关具有探测距离远、使用范围广泛、抗声音干扰能力强、工作性能稳定等优点。但是，红外感应面板开关容易受到热源、光源、射频辐射、热气流的干扰，同时被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡。而且当环境温度与人体温度接近时，探测的灵敏度明显下降，设置造成短时失灵。

微波雷达感应面板开关通过平面天线发射电磁波，当有移动物体进入到电磁波的范围时，波形反射折回，平面天线接收到反馈的波形后，后续电路经检测触发开关动作。微波信号可以穿越大多数物体，使得微波雷达感应面板开关可隐藏安装于照明灯具内部或者其他隐蔽位置，且可以有效追踪移动的物体。虽然微波雷达感应面板开关灵敏度好，但是当墙壁厚度较小时，开关可能发生隔墙感应，从而导致误触发。

因此，如何提高面板开关的灵敏度、可靠性，同时避免误触发，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种基于微波雷达手势识别技术的面板开关及其控制方法，用以解决现有的面板开关灵敏度和可靠性较差的问题，同时减少面板开关误触发的发生。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于微波雷达手势识别技术的面板开关，包括：

信号收发模块，用于周期性的向一预设范围发射微波雷达信号，并接收经手部反射后的雷达回波信号；

手势识别模块，连接所述信号收发模块，用于根据所述雷达回波信号识别手势动作；

控制模块，连接所述手势识别模块，用于根据所述手势动作控制与面板开关连接的照明灯亮起或熄灭。

优选的，所述手势动作识别模块包括第一预处理单元、第二预处理单元、变换单元、特征提取单元和手势识别单元；所述第一预处理单元，连接所述信号收发模块，用于将一个采样周期内发射的微波雷达信号与接收到的雷达回波信号相乘并将相乘后的结果进行低通滤波处理；所述第二预处理单元，连接所述第一预处理单元，用于将经过低通滤波处理的模拟信号转换成数字信号；所述变换单元，连接所述第二预处理单元，用于将所述数字信号变换为手部的距离多普勒图像；特征提取单元，连接所述变换单元，对所述手部的距离多普勒图像进行特征提取；所述手势识别单元，连接所述特征提取单元，用于根据提取的特征进行手势动作识别。

优选的，所述控制模块用于判断所述手势动作是否与预先设置的第一动作匹配，若是，则控制照明灯亮起。

优选的，所述控制模块还用于判断所述手势动作是否与预先设置的第二动作匹配，若是，则控制所述照明灯熄灭。

优选的，还包括开关模块；所述开关模块的第一端连接照明灯、第二端连接电源输入端、控制端连接所述控制模块；当所述控制模块判断所述手势动作与所述第一动作匹配时，向所述开关模块发送第一控制信号，控制所述照明灯与所述电源输入端导通；当所述控制模块判断所述手势动作与所述第二动作匹配时，向所述开关模块发送第二控制信号，控制所述照明灯与所述电源输入端断开。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种基于微波雷达手势识别技术的面板开关的控制方法，包括如下步骤：

周期性的向一预设范围发射微波雷达信号；

接收经手部反射后的雷达回波信号；

根据所述雷达回波信号识别手势动作；

根据所述手势动作控制与面板开关连接的照明灯亮起或熄灭。

优选的，根据所述雷达回波信号识别用户的手势动作的具体步骤是：

将一个采样周期内发射的微波雷达信号与接收到的雷达回波信号相乘并将相乘后的结果进行低通滤波处理；

将经过低通滤波处理的模拟信号转换成数字信号；

将所述数字信号变换为手部的距离多普勒图像；

对所述手部的距离多普勒图像进行特征提取；

根据提取的特征识别所述手势动作。

优选的，根据提取的特征识别所述手势动作的具体步骤包括：

建立多个用于手势动作识别的特征；

采用随机森林算法对收集到的训练样本集合进行训练，以建立手势动作识别模型；其中，所述训练样本包括接收到的回波信号以及对应的手势动作；

将提取的特征输入所述手势动作识别模型，以识别所述手势动作。

优选的，还包括如下步骤：

判断所述手势动作是否与预先设置的第一动作匹配，若是，则控制照明灯亮起。

优选的，还包括如下步骤：

判断所述手势动作是否与预先设置的第二动作匹配，若是，则控制所述照明灯熄灭。

本发明提供的基于微波雷达手势识别技术的面板开关及其控制方法，通过面板开关主动发射微波雷达信号并接收经人手反射后的雷达回波信号，根据雷达回波信号对手势动作进行识别，以控制照明灯的状态，克服了传统的声光开关、红外感应开关易受环境因素影响、灵敏度较低的问题，从而提高了面板开关的灵敏度和可靠性，且避免了传统的微波雷达感应开关容易导致误触发的缺陷。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中基于微波雷达手势识别技术的面板开关的结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中手势识别模块的结构示意图；

附图3是本发明实施方式中基于微波雷达手势识别技术的面板开关的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的基于微波雷达手势识别技术的面板开关及其控制方法的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种基于微波雷达手势识别技术的面板开关，附图1是本发明第一具体实施方式中基于微波雷达手势识别技术的面板开关的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式提供的基于微波雷达手势识别技术的面板开关11，包括信号收发模块111、手势识别模块112和控制模块113。

所述信号收发模块111，用于周期性的向一预设范围发射微波雷达信号，并接收经手部反射后的雷达回波信号。所述预设范围，即所述面板开关的监控范围，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。所述信号收发模块111发射的微波雷达信号，可以是但不限于调频连续波模式的微波雷达信号。所述信号收发模块111发射微波雷达信号的周期，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置。

所述手势识别模块112，连接所述信号收发模块111，用于根据所述雷达回波信号识别手势动作。

所述控制模块113，连接所述手势识别模块112，用于根据所述手势动作控制与面板开关连接的照明灯亮起或熄灭。为了实现所述面板开关对用户手势动作的持续监控，所述信号收发模块111和所述手势识别模块112通过AC/DC模块114与交流电源接口AC连接。

为了进一步提高所述面板开关11的灵敏度，优选的，所述控制模块113用于判断所述手势动作是否与预先设置的第一动作匹配，若是，则控制所述照明灯12亮起。其中，所述第一动作可以是面板开关11的生产商预先存储于所述控制模块113中，也可以是用户预先设定并存储于所述控制模块113中。为了增强所述面板开关11使用的灵活性，并进一步提高所述面板开关11的灵敏度，优选的，判断所述手势动作是否与预先设置的第一动作匹配是指：判断所述手势动作与预先设置的第一动作的相似度是否高于第一预设值，若是，则确认所述手势动作与预先设置的第一动作匹配；若否，则确认所述手势动作与预先设置的第一动作不匹配。

为了进一步提高所述面板开关11的灵敏度，并进一步扩大所述面板开关11的应用范围，优选的，所述控制模块113还用于判断所述手势动作是否与预先设置的第二动作匹配，若是，则控制所述照明灯12熄灭。其中，所述第二动作可以是面板开关11的生产商预先存储于所述控制模块113中，也可以是用户预先设定并存储于所述控制模块113中。为了增强所述面板开关11使用的灵活性，并进一步提高所述面板开关11的灵敏度，优选的，判断所述手势动作是否与预先设置的第二动作匹配是指：判断所述手势动作与预先设置的第二动作的相似度是否高于第二预设值，若是，则确认所述手势动作与预先设置的第二动作匹配；若否，则确认所述手势动作与预先设置的第二动作不匹配。所述第一预设值和所述第二预设值可以相同，也可以不同，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置。请参考表1，为本发明一个具体实施方式中预设的手势动作与面板开关连接的照明灯的状态控制的对应关系。

表1 预设手势动作与面板开关连接的照明灯状态控制关系

预设手势动作	预设手势动作示例	照明灯状态
			第一动作	向左挥手	亮起
第二动作	向右挥手	熄灭

为了简化所述面板开关11整体的电路结构，同时实现对所述照明灯12的灵活控制，优选的，本具体实施方式提供的面板开关11还包括开关模块115；所述开关模块115的第一端连接所述照明灯12、第二端连接电源输入端AC、控制端连接所述控制模块113；当所述控制模块113判断所述手势动作与所述第一动作匹配时，向所述开关模块115发送第一控制信号，控制所述照明灯12与所述电源输入端AC导通；当所述控制模块113判断所述手势动作与所述第二动作匹配时，向所述开关模块115发送第二控制信号，控制所述照明灯12与所述电源输入端AC断开。更优选的，所述开关模块115包括继电器。

附图2是本发明第一具体实施方式中手势识别模块的结构示意图。为了实现对手势动作的精准识别，优选的，如图2所示，所述手势动作识别模块112包括第一预处理单元1121、第二预处理单元1122、变换单元1123、特征提取单元1124和手势识别单元1125。所述第一预处理单元1121，连接所述信号收发模块111，用于将一个采样周期内发射的微波雷达信号与接收到的雷达回波信号相乘并将相乘后的结果进行低通滤波处理；所述第二预处理单元1122，连接所述第一预处理单元1121，用于将经过低通滤波处理的模拟信号转换成数字信号；所述变换单元1123，连接所述第二预处理单元1122，用于将所述数字信号变换为手部的距离多普勒图像(Range Doppler Map)；特征提取单元1124，连接所述变换单元1123，用于对所述手部的距离多普勒图像进行特征提取；所述手势识别单元1125，连接所述特征提取单元1123，用于根据提取的特征进行手势动作识别。具体来说，所述变换单元1123讲所述数字信号变换为手部的距离多普勒图像的具体步骤是：将所述数字信号依次进行第一次快速傅里叶变换、静态背景噪声滤波处理；然后将与当前采样周期相邻的前若干个采样周期获得的雷达回波信号也分别依次经所述第一预处理单元1121、所述第二预处理单元1122的处理，得到与前若干个采样周期一一对应的多个前数字信号；将多个前数字信号再分别依次进行第一次快速傅里叶变换、静态背景噪声滤波处理；将当前经静态背景噪声滤波处理后的信号与前若干个采用周期经静态背景噪声滤波处理后的信号共同组织成矩阵形式的信号组合，并将所述矩阵形式的信号组合在采样周期标签的维度上进行第二次快速傅里叶变换，从而得到手部的距离多普勒图像。其中，可以采用移动目标指示滤波器(MovingTarget Indicator)进行静态背景噪声滤波处理，所述静态背景噪声是指无手势动作时所述信号收发模块111接收到的回波信号。

为了进一步提高手势动作识别的准确性，更有选的，在进行手势动作识别之前，还通过学习算法建立手势动作识别模型。具体来说，在手势动作识别模型的训练阶段：首先，根据一采用周期获得的手部的距离多普勒图像计算出多个手势识别特征，所述手势识别特征包括但不限于手部发生的位移、微波雷达信号的平均频率偏移、雷达回波信号的总能量、手部移动平均速度等；其次，采用主成量分析(Principal Component Analysis)算法对所述手势识别特征进行降维处理，以得到一组固定的特征组合，并将所述特征组合存储于所述特征提取单元1124；最后，采用学习算法(例如随机森林算法)对收集到的训练样本集合进行训练，以建立手势动作识别模型，并将所述手势动作识别模型存储于所述手势识别单元1125。所述训练样本集合为收集到的真实数据集，所述训练样本包括接收到的回波信号以及对应的手势动作，训练过程中需计算出训练数据的特征组合量，至模型收敛后最终建立手势动作识别模型。这样，在进行手势识别的过程中，所述特征提取单元1124根据所述特征组合对所述手部的距离多普勒图像进行特征提取；所述手势识别单元根据所述手势动作识别模型以及所述特征提取单元1124提取的特征对手势动作进行识别。

本具体实施方式提供的基于微波雷达手势识别技术的面板开关，通过面板开关主动发射微波雷达信号并接收经人手反射后的雷达回波信号，根据雷达回波信号对手势动作进行识别，以控制照明灯的状态，克服了传统的声光开关、红外感应开关易受环境因素影响、灵敏度较低的问题，从而提高了面板开关的灵敏度和可靠性，且避免了传统的微波雷达感应开关容易导致误触发的缺陷。

不仅如此，本具体实施方式提供了一种基于微波雷达手势识别技术的面板开关的控制方法，附图3是本发明第二具体实施方式中基于微波雷达手势识别技术的面板开关的控制方法的流程图。如图3所示，本具体实施方式提供的面板开关的控制方法，包括如下步骤：

步骤S31，周期性的向一预设范围发射微波雷达信号。所述预设范围，即所述面板开关的监控范围，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。所述微波雷达信号可以是但不限于调频连续波模式的微波雷达信号。所述微波雷达信号发射的周期，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置。

步骤S32，接收经手部反射后的雷达回波信号。

步骤S33，根据所述雷达回波信号识别手势动作。

步骤S34，根据所述手势动作控制与面板开关连接的照明灯亮起或熄灭。

为了提高手势动作识别的准确性，优选的，根据所述雷达回波信号识别手势动作的具体步骤是：

(S33-1)将一个采样周期内发射的微波雷达信号与接收到的雷达回波信号相乘并将相乘后的结果进行低通滤波处理；

(S33-2)将经过低通滤波处理的模拟信号转换成数字信号；

(S33-3)将所述数字信号变换为手部的距离多普勒图像；

(S33-4)对所述手部的距离多普勒图像进行特征提取；

(S33-5)根据提取的特征识别所述手势动作。

具体来说，步骤(S33-3)中将所述数字信号变换为手部的距离多普勒图像的具体步骤是：首先，将所述数字信号依次进行第一次快速傅里叶变换、静态背景噪声滤波处理；然后，将与当前采样周期相邻的前若干个采样周期获得的雷达回波信号也分别依次进行步骤(S33-1)、步骤(S33-2)的处理，得到与前若干个采样周期一一对应的多个前数字信号，并将多个前数字信号再分别依次进行第一次快速傅里叶变换、静态背景噪声滤波处理；最后，将当前经静态背景噪声滤波处理后的信号与前若干个采用周期经静态背景噪声滤波处理后的信号共同组织成矩阵形式的信号组合，并将所述矩阵形式的信号组合在采样周期标签的维度上进行第二次快速傅里叶变换，从而得到手部的距离多普勒图像。其中，可以采用移动目标指示滤波器(Moving Target Indicator)进行静态背景噪声滤波处理，所述静态背景噪声是指无手势动作时所述信号收发模块111接收到的回波信号。

优选的，根据提取的特征识别所述手势动作的具体步骤包括：

(S33-5-1)建立多个用于手势动作识别的特征。具体来说，在手势动作识别模型的训练阶段：首先，根据一采用周期获得的手部的距离多普勒图像计算出多个手势识别特征，所述手势识别特征包括但不限于手部发生的位移、微波雷达信号的平均频率偏移、雷达回波信号的总能量、手部移动平均速度等；其次，采用主成量分析(Principal ComponentAnalysis)算法对所述手势识别特征进行降维处理，以得到一组固定的特征组合，所述特征组合即为后续用于手势动作识别的特征。

(S33-5-2)采用随机森林算法对收集到的训练样本集合进行训练，以建立手势动作识别模型。所述训练样本集合为收集到的真实数据集，所述训练样本包括接收到的回波信号以及对应的手势动作，训练过程中需计算出训练数据的特征组合量，至模型收敛后最终建立手势动作识别模型。

(S33-5-3)将提取的特征输入所述手势动作识别模型，以识别所述手势动作。这样，在进行手势识别的过程中，步骤(S33-4)中就根据所述特征组合对所述手部的距离多普勒图像进行特征提取，并将提取的特征输入所述手势识别模型，以识别所述手势动作。

为了进一步提高面板开关控制的灵活性，优选的，本具体实施方式提供的面板开关的控制方法还包括如下步骤：判断所述手势动作是否与预先设置的第一动作匹配，若是，则控制照明灯亮起。其中，所述第一动作可以是面板开关11的生产商预先存储于所述面板开关中的，也可以是用户预先设定并存储于所述面板开关中的。为了增强所述面板开关控制的灵活性，并进一步提高所述面板开关的灵敏度，更优选的，判断所述手势动作是否与预先设置的第一动作匹配是指：判断所述手势动作与预先设置的第一动作的相似度是否高于第一预设值，若是，则确认所述手势动作与预先设置的第一动作匹配；若否，则确认所述手势动作与预先设置的第一动作不匹配。

为了进一步提高面板开关控制的灵活性，优选的，本具体实施方式提供的面板开关的控制方法还包括如下步骤：判断所述手势动作是否与预先设置的第二动作匹配，若是，则控制所述照明灯熄灭。其中，所述第二动作可以是面板开关的生产商预先存储于所述面板开关中的，也可以是用户预先设定并存储于所述面板开关中的。为了增强所述面板开关使用的灵活性，并进一步提高所述面板开关的灵敏度，优选的，判断所述手势动作是否与预先设置的第二动作匹配是指：判断所述手势动作与预先设置的第二动作的相似度是否高于第二预设值，若是，则确认所述手势动作与预先设置的第二动作匹配；若否，则确认所述手势动作与预先设置的第二动作不匹配。所述第一预设值和所述第二预设值可以相同，也可以不同，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置。

本具体实施方式提供的基于微波雷达手势识别技术的面板开关的控制方法，通过面板开关主动发射微波雷达信号并接收经人手反射后的雷达回波信号，根据雷达回波信号对手势动作进行识别，以控制照明灯的状态，克服了传统的声光开关、红外感应开关易受环境因素影响、灵敏度较低的问题，从而提高了面板开关的灵敏度和可靠性，且避免了传统的微波雷达感应开关容易导致误触发的缺陷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于微波雷达手势识别技术的面板开关，其特征在于包括：

信号收发模块，用于周期性的向一预设范围发射微波雷达信号，并接收经手部反射后的雷达回波信号；

手势识别模块，连接所述信号收发模块，用于根据所述雷达回波信号识别手势动作；

控制模块，连接所述手势识别模块，用于根据所述手势动作控制与面板开关连接的照明灯亮起或熄灭。

2.根据权利要求1所述的基于微波雷达手势识别技术的面板开关，其特征在于，所述手势识别模块包括第一预处理单元、第二预处理单元、变换单元、特征提取单元和手势识别单元；所述第一预处理单元，连接所述信号收发模块，用于将一个采样周期内发射的微波雷达信号与接收到的雷达回波信号相乘并将相乘后的结果进行低通滤波处理；所述第二预处理单元，连接所述第一预处理单元，用于将经过低通滤波处理的模拟信号转换成数字信号；所述变换单元，连接所述第二预处理单元，用于将所述数字信号变换为手部的距离多普勒图像；特征提取单元，连接所述变换单元，对所述手部的距离多普勒图像进行特征提取；所述手势识别单元，连接所述特征提取单元，用于根据提取的特征进行手势动作识别。

3.根据权利要求1所述的基于微波雷达手势识别技术的面板开关，其特征在于，所述控制模块用于判断所述手势动作是否与预先设置的第一动作匹配，若是，则控制所述照明灯亮起。

4.根据权利要求3所述的基于微波雷达手势识别技术的面板开关，其特征在于，所述控制模块还用于判断所述手势动作是否与预先设置的第二动作匹配，若是，则控制所述照明灯熄灭。

5.根据权利要求4所述的基于微波雷达手势识别技术的面板开关，其特征在于，还包括开关模块；所述开关模块的第一端连接照明灯、第二端连接电源输入端、控制端连接所述控制模块；当所述控制模块判断所述手势动作与所述第一动作匹配时，向所述开关模块发送第一控制信号，控制所述照明灯与所述电源输入端导通；当所述控制模块判断所述手势动作与所述第二动作匹配时，向所述开关模块发送第二控制信号，控制所述照明灯与所述电源输入端断开。

6.一种基于微波雷达手势识别技术的面板开关的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

周期性的向一预设范围发射微波雷达信号；

接收经手部反射后的雷达回波信号；

根据所述雷达回波信号识别手势动作；

根据所述手势动作控制与面板开关连接的照明灯亮起或熄灭。

7.根据权利要求6所述的基于微波雷达手势识别技术的面板开关的控制方法，其特征在于，根据所述雷达回波信号识别手势动作的具体步骤是：

将一个采样周期内发射的微波雷达信号与接收到的雷达回波信号相乘并将相乘后的结果进行低通滤波处理；

将经过低通滤波处理的模拟信号转换成数字信号；

将所述数字信号变换为手部的距离多普勒图像；

对所述手部的距离多普勒图像进行特征提取；

根据提取的特征识别所述手势动作。

8.根据权利要求7所述的基于微波雷达手势识别技术的面板开关的控制方法，其特征在于，根据提取的特征识别所述手势动作的具体步骤包括：

建立多个用于手势动作识别的特征；

采用随机森林算法对收集到的训练样本集合进行训练，以建立手势动作识别模型；其中，所述训练样本包括接收到的回波信号以及对应的手势动作；

将提取的特征输入所述手势动作识别模型，以识别所述手势动作。

9.根据权利要求6所述的基于微波雷达手势识别技术的面板开关的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

判断所述手势动作是否与预先设置的第一动作匹配，若是，则控制照明灯亮起。

10.根据权利要求8所述的基于微波雷达手势识别技术的面板开关的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

判断所述手势动作是否与预先设置的第二动作匹配，若是，则控制所述照明灯熄灭。