CN108415321A - 一种用于客房的智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种用于客房的智能控制系统，包括多普勒传感器，安装于客房屋顶，用于向人体发射微波信号，并接收人体的反馈信号；滤波放大器模块，用于接收多普勒传感器获取的反馈信号，并对反馈信号进行噪音滤波和信号放大；控制模块，接收滤波放大模块滤波和放大后的反馈信号，通过计算该信号的振幅和相位，得到人体的心跳数和呼吸数；电力控制模块，用于获取控制模块得出的人体心跳数和呼吸数，当人体心跳数和呼吸数为零的时候，控制客房电力线路断开；当人体心跳数和呼吸数不为零的时候，控制客房电力线路连通。利用多普勒效应，在不接触人体情况下测量呼吸和心跳，并根据客房内有无人员对客房供电实现通断控制。

Description

一种用于客房的智能控制系统

技术领域

本发明涉及智能家居控制领域，具体的说是一种用于客房的智能控制系统。

背景技术

目前，在大多数的酒店或旅馆中，一般都会借助房卡实现客房供电，这样一来，就能实现退房时的自动断电，有效防止电力浪费，也可以减少危险的发生。

然而，在现实生活中，也会存在一些特殊的问题，比如，有的人利用其它卡片代替房卡，即使离开房间，客房内仍然持续供电，不仅会造成电力浪费，如果客房内插有电子设备，就有可能发生危险，甚至可能引发火灾。

发明内容

为了解决上述问题，提供了一种用于客房的智能控制系统，利用多普勒效应，在不接触人体情况下测量呼吸和心跳，并根据客房内有无人员对客房供电实现通断控制。

本发明实施例提供了一种用于客房的智能控制系统，所述的系统包括：

多普勒传感器，安装于客房屋顶，用于向人体发射微波信号，并接收人体的反馈信号；

滤波放大器模块，用于接收多普勒传感器获取的反馈信号，并对反馈信号进行噪音滤波和信号放大；

控制模块，接收滤波放大模块滤波和放大后的反馈信号，通过计算该信号的振幅和相位，得到人体的心跳数和呼吸数；

电力控制模块，用于获取控制模块得出的人体心跳数和呼吸数，当人体心跳数和呼吸数为零的时候，控制客房电力线路断开；当人体心跳数和呼吸数不为零的时候，控制客房电力线路连通。

进一步的，所述的系统还包括：

通讯模块，提供有线LAN接口或无线通讯模块，实现控制模块与酒店或旅馆前台的通信；

报警模块，用于获取控制模块计算出的实时心跳数和呼吸数，当实时心跳数和呼吸数超出医学正常范围时，向酒店或旅馆前台发出报警信号。

进一步的，所述的系统还包括：

输入输出接口，用于连接外部设备，和外部设备实现数据交互。

进一步的，所述的系统还包括：

紧急呼叫按键，通过输入输出接口与控制模块连接，用于向酒店或旅馆前台发送紧急呼叫信号。

进一步的，所述系统还包括：

电源模块，提供3.3V直流电压，作为控制模块以及与控制模块所连接模块的主电源或备用电源。

进一步的，所述的系统还包括：

温度传感器，与控制模块连接，用于实时测量并显示婴幼儿所在区域的温度。

进一步的，所述的系统还包括：

USB模块，与控制模块连接，用于实现USB设备与控制模块之间的数据交互。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、利用多普勒传感器，采用正交检测的原理计算振幅和相位测量人体生命特征，较大的振幅输出需要较强的接收信号，如果输入的信号较弱，内部的杂音会变大，S/N信号(杂音与信号的比率)会变差，利用滤波放大模块消除内部的杂音，即使是微弱的信号，S/N比也会变好，因此可以捕捉到呼吸，心跳等极微弱的信号。同时，利用生命体征判断客房内是否存在人员，更加符合实际情况，可以实现对于客房供电的智能化通断控制，节省电力，避免危险发生。

2、设置有线、无线等通讯方式，可以适应任何环境，根据现场需求和设置进行针对性的配置，确保既能满足客户需求，又能尽量不增加装置的成本。而且，配合报警模块，可以在入住人员身体异常时，及时向前台发出报警信息，避免人员在客房内发生意外。

3、增加输入输出接口，用于连接外部设备，比如内部通讯设备、台灯、夜灯等，采用内部通讯设备，可以省掉客房电话，既能保留与前台的通话，还能降低酒店成本。连接台灯、夜灯，可以在晚上在起夜时控制台灯、夜灯亮灭，大大提高入住体验。

4、通过紧急呼叫按键，可以入住人员轻微不适，或者有其他需求时，能够自主呼叫前台服务人员，便于服务人员及时获知客户的需求，让客户得到更好的入住体验。

5、设置电源模块，利用电源模块，可以提高供电质量，如果作为主电源，可以保证供电稳定性，保证装置24小时稳定运行，如果作为备用电源，可以在外部断电时，确保装置仍然可以运行。

6、设置了温度传感器，主要目的在于直观显示室内温度，特别是在看护的时候，温度高低对于被看护人员的休息和运动状态都会产生影响，甚至对人体的生命特征也会产生影响，直观的温度数据可以帮助看护人员提升看护质量。

7、设置USB模块，可以快速将装置内的数据导入USB设备中，实现数据的快速转移，也可以将USB设备中的数据快速导入装置中，当需要大规模布置同类装置时，可以大大减少布置时间，提高效率。

附图说明

图1是本发明系统实施例1的原理框图；

图2是滤波放大模块的原理框图；

图3是本发明系统实施例2的原理框图；

图4是本发明系统实施例3的原理框图；

图5是本发明系统实施例4的原理框图；

图6是本发明系统实施例5的原理框图；

图7是本发明系统实施例6的原理框图；

图8是本发明系统实施例7的原理框图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于客房的智能控制系统，所述的系统包括多普勒传感器、滤波放大器模块、控制模块、电力控制模块。

所述的多普勒传感器安装于客房屋顶，用于向人体发射微波信号，并接收人体的反馈信号。

为了实现上述功能，多普勒传感器选用的是日本新日本无线株式会社生产的24GHz微波多普勒传感器NJR4262，该传感器通过正交检测输出两个信号：I信号和Q信号。

需要注意的是：在传感器装置中，每增设一台传感器，探测范围会扩大，功能会增加，安装用于增设传感器的连接器以达到最好的效果。例如，可同时实现对房屋内全部生命体的存在以及床上的生命体征的检测，用一台传感器装置便可以同时检测宽阔房间内的全部生命体的存在以及其中的2个生命体征。

所述的滤波放大器模块，用于接收微波多普勒传感器获取的反馈信号，并对反馈信号进行噪音滤波和信号放大。

如图2所示，滤波放大模块上安装着I信号、Q信号2种回路，滤波器由运算放大器和电阻电容器构成，属于有源滤波器，拥有增幅的功能。其使用时的工作原理为：

当多普勒传感器为一个时，B点是断开的，多普勒传感器(OP)是不存在的，可以测量普通的心跳，此时的滤波放大模块只使用OUT2，此时的②-2、②-3可以不用安装零部件，仅仅连接图中的A点即可。

当多普勒传感器为一个时，为了对心跳进行高精准的测量，连接图中的A，此时的②-1、②-2、②-3、②-4均保留，测量呼吸和体动等信号使用OUT2，测量心跳使用OUT1。

需要注意的是：要高精准的测量心跳的话，为了减小体动和呼吸的影响，要排除心跳的波段(0.8～2Hz程度)来进行观测。因此，使用一台传感器的情况下，通常的信号(OUT2)、以及通过心跳频带范围并经过②-2高频滤波器的信号(OUT1)，经由其他的滤波器进入CPU。

当多普勒传感器为2个时，B点是连接的，A点和C点是断开的，内置的多普勒传感器使用OUT1，多普勒传感器(OP)使用OUT2。需要注意的是：当人在很远的地方渐渐靠近时，只使用放大器的增幅率的话，随着人的接近，输出会接近饱和，观测便无法进行。为了防止这样的情况，可以准备用增幅率较低的输出(OUT3)，这样当人靠近时，即使OUT 2输出已经饱和，也可以正常观测呼吸和体动。

为了实现上述工作原理，滤波放大模块中各个滤波器的选用标准如下：

②-1的低通滤波器为正反馈有源滤波器，增幅度约12dB，截止频率约为10Hz。截止频率控制在10Hz范围内，因为人类的呼吸在0.3Hz程度，心跳在1Hz程度，体动也在10Hz的程度时可以充分的检测到。

②-1的低通滤波器中使用的运算放大器全部为LMV 3 2 4(或者是可与它替换的产品)。此传感器装置的电路除去一部分输出，要通过3.3V的电压，为了使CPU的A/D转换器也能将电压达到最大3.3V，尽可能将动态范围扩大。

②-2的高通滤波器运用2段正反馈的OP放大器，增幅度约24dB，截止频率约为0.8Hz，其增幅度、截止频率要加上②-1。

②-3的低通滤波器使用2段正反馈OP放大器，增幅度约58dB，截止频率约为0.9～4Hz，其增幅度、截止频率要加上②-1、②-2。由此电路输出后，输入CPU的A/D转换器。

②-4的低通滤波器使用3段正反馈OP放大器，连接②－1时OUT2的增幅度约为58dB，截止频率约为10Hz，其增幅度、截止率要加上②-1。使用扩张用的多普勒传感器(OP)时，OUT2的增幅度约为52dB，截止频率约为1.5Hz。使用OUT3时，增幅度与OUT2相比减小18dB。因此在近距离当OUT2达到饱和，也可以用OUT3对生命体征和体动进行检测。这时，检测出的实际强度，可以用CPU软件进行修正。

所述的控制模块，通过计算反馈信号的振幅和相位，获取人体心跳和呼吸频率。控制模块结合传感器采集到的两路正交信号，通过下面计算方法可以取得下面2种数据：振幅输出：相位输出：tan^-1*(Q÷I)。

控制模块中的CPU使用STM32f103(64P)，使用此CPU的理由有以下几点：

1)A/D转换器有12位的分辨率，可同时使用上述I/Q信号的OUT1,2,3信号。

2)A/D转换器有12位的分辨率满足了医疗上对分辨率最低要有12位(4096阶段)的要求。此外如前所述，本传感器装置使用的多普勒传感器，动态量程较广，即使是微弱的信号，其中也包含生命体征和体动等，因此，相较于一般工业需要的10位分辨率(1024阶段)，A/D转换器采用了12位的分辨率。

3)串行电路具备3种线路，为了方便控制，此电路装备了I/O端口。并行端口具备外部输入接点2点，外部接点输出2点，设定用端口2点，温度传感器用的输入1点，动作电压3.3V单一，由于以低耗能电压运作多普勒传感器时产生的电压与实际低电压相同，所以可以实现3.3V的操作。

4)数据的处理过程需要足够的内存。RAM最低64千字节，ROM(flash)最低128千字节。

除了CPU，也要安装外围硬件，包括水晶振荡器、表示灯、设定开关、调试用端口。

本CPU通常使用内部振荡器，多普勒传感器的样品也以此振荡器为基准运行。用于医疗等用途时，为了提高样品的精度，安装一台水晶振荡器，根据它的震荡，可以提高时间的精准度。通过应用程序，可以使本传感器装置在某些场合进行不同的动作，例如，只在夜间开启看护高龄者的看护功能，通过定时器指定运行的时间。

所述的表示灯用于显示控制模块运行状态，通过应用程序，可以任意点亮指示灯。

所述的设定开关装有2种，在使用时可以进行选择。主要是根据应用程序，可选择运行时必要的项目，例如，是否使用多普勒感应器选项，是否输出特定的信号。

所述的调试端口用来开发和调试，作为调试专用的连接器。

电力控制模块，用于获取控制模块得出的人体心跳数和呼吸数，通过对获取数值的判断，当人体心跳数和呼吸数为零的时候，控制客房电力线路断开；当人体心跳数和呼吸数不为零的时候，控制客房电力线路连通。

实施例2

如图3所示，在实施例1的基础上增加了通讯模块和报警模块。

所述的通讯模块，提供有线LAN接口或无线通讯模块，实现控制模块与酒店或旅馆前台的通信。

有线LAN根据IEEE.802的有线LAN插件IC，由脉冲变压器内置的EthernetConnector TM11RD对CPU的3线式串行通信进行输入输出。

为防止有线LAN产生噪音，在TX、RX中分别插入线路滤波器DLW 2 1 S900。并且在医院等场合使用时，为避免影响医疗器械的使用，在地面线路内插入EMS滤波器BLM31PG330。

无线通讯模块可以选用120A连接器，120A连接器中装载着市场流通的Wifi插件(ESP8266)，进行Wifi变换后输出CPU 3线式串行通信。此外，不使用无线LAN的话，可以通过J20-A连接器，使用3线式的串行接口。

在串行接口与其他机器进行组装时使用本传感器装置。通常串行接口在组装时，由于无法与无线LAN同时使用，可以使用专用的无线局域网。此外，在串行接口的使用中，装载驱动程序(7 4LCX07)可以实现在5V-3.3V范围内的变换。

为了更好的了解本申请装置所能实现的功能，下面结合实际例子进行进一步的阐述。

案例

若被测对象为单个人，且没有其它生命体对被测对象产生干扰，此时，只要被测对象处于多普勒传感器的测量范围内，即可根据人体的轻微变动获得相应的反馈信号，反馈信号在滤波放大模块，一方面会滤除噪音，强化信号，另一方面会将信号进行适度放大，得到较为清晰和完整的反馈信号，并发送给控制模块。控制模块会利用正交检测计算出反馈信号中振幅和相位，得到一组频率值，然后，利用FFT演算多获取的频率值进行叠加，得到一组连续的频率数值及曲线，从数值和曲线中，可以得到呼吸数和心跳数。

呼吸数和心跳数具有以下对应关系：

假设呼吸次数为每一分钟20次，意味着胸腔和腹部等处就会有规律地进行20次的上下运动。将时间段改为一秒钟，算出频率，其具体频率为0.3Hz(利用20次÷60秒得出)。多普勒传感器具有能接收从身体表面反射回来的电波(频率0.3Hz)的多普勒效应的性能。

同理，假设心跳次数为60次，其对应的频率为1Hz。

在实际应用中，可针对被测对象的不同，其常态下的呼吸次数和心跳次数可以采用以下方式：根据医学上的呼吸和心跳波动范围，可以推导出两个频率区间，在这两个频率区间内，频率最高的数值对应的即为呼吸和心跳。

当被测对象进行活动时，其呼吸和心跳与静止时相比较会发生变化，会增加超出呼吸和心跳频段之外的体动频段。如果预先对被测对象进行数据采集，确定被测对象不同体动下的频段、频率和强度，即可在实时测量过程中与预先采集的数据进行比对，从而确定此时被测对象的活动状态。

除此之外，如果配备了多个多普勒传感器，那么就有可能多个多普勒传感器同时测量到被测对象的生命体征，对于此种情况，可以采用以下测量原理：

1)将多个多普勒传感器的测量数据进行取平均值，得到一个结果，此时，每个多普勒传感器在最终结果中的贡献是相等的。

2)以其中一个多普勒传感器为基础，其它传感器的测量数据用以修正，此时，选择作为基础的多普勒传感器，可以采用就近原则，因为每个传感器离被测对象的距离不同，那么接收到反馈信号的时间就有差别，因此选择第一组测量数据作为基础，将后续的测量数据用来修正。所述的修正，主要是增加基础中没有的频段，或者是基础中变动较大的频段，对于修正的数据，可以通过颜色、标注等方式与基础数据区分。

若被测对象为多个人混在一起时，此时，获取到的人体生命特征可能是多个人生命体征的叠加平均值，以测量的数值为依据进行后续判断。

在可能的情况下，也可以通过预先采集被测对象的标准数据，首先通过标准数据在获取的实时数据中还原出另一组未知数据，此数据即为其他人的生命体征，然后在后续检测中，利用其他人的生命体征作为模板，对采集的实时数据进行拆分，即可获得被测对象的实时生命体征。

所述的报警模块，用于获取控制模块计算出的实时心跳数和呼吸数，当实时心跳数和呼吸数超出医学正常范围时，向酒店或旅馆前台发出报警信号。其中，医学正常范围以医学教科书或医院实际病例为基准进行制定。

实施例3

如图4所示，在实施例2的基础上，设置了输入输出接口，用于连接外部设备，和外部设备实现数据交互。

输入接点是利用J20连接器在线路板外部连接无电压a接点的开关和继电器等。不仅如此，在实际应用中，可以在外部插入二极管，在外部错误连接5V时起保护作用。

输出接点是无电压a接点，通过J5连接器在外部进行输出。假设显示灯、门铃、内线通讯设备等的外部输出(交流或者直流最大为24V 100mA左右)，可对应的使用光继电器。

实施例4

如图5所示，在实施例3的基础上，设置了紧急呼叫按键，通过输入输出接口与控制模块连接，用于向酒店或旅馆前台发送紧急呼叫信号。

之所以设置紧急呼叫按键，一方面是由于当身体不适时，多普勒传感器不一定能及时获知人体状况，另一方面，当客房内发生一些其它状况，比如着火、漏水等紧急事件时，利用紧急呼叫按键可以最快通知到服务人员。

实施例5

如图6所示，在实施例4的基础上，可以增加电源模块，提供3.3V直流电压，作为控制模块以及与控制模块所连接模块的主电源或备用电源。

如果将该模块作为主电源，那么该模块即为装置的常备模块，需要24小时为装置提供电力；如果将该模块作为备用电源，装置平时的主要电力供应来自外界，此时电源模块可以常规设置，也可以不设置。

电源部分输入5V～6V的电压(连接AC/DC插件)，用两个串联调节器AMS 1 1 7－3.3分别用于3.3V的数字回路(CPU、通讯模块、输出输入接点模块)以及用于模拟用(传感器、滤波放大器部分)。设置二极管用于电源正负极反接保护，设置电感可以用于为电源降噪。此外，GND的数字接地、模拟接地不同，所以数字电路的噪音尽量不要影响到模拟电路。

此外，要高精度使用本装置的话，有必要通过此高精度的基准电源电路对模拟部分进行低噪音处理和高精度化操作。使用高精度的LM4041基准电源，制造1.56V的电压，并在中间电位连接模拟部分和运算放大器。

实施例6

如图7所示，在实施例5的基础上，所述的装置还包括温度传感器，用于测量并显示室内温度。利用J16连接器来连接线路板和DH111温度传感器。DH111温度传感器价格较低，可以显示温度，不需要演算处理。

同理，所述的装置还包括湿度传感器，用于测量并显示室内湿度。

实施例7

如图8所示，在实施例6的基础上，增设USB模块，用于连接USB设备实现数据交互。USB使用CPU中内置的USB2.0对应的外设接口USB连接器J2方面，使用微型USB-B规格。

在与USB连接口连接、传感器与其他器件连接时，双方有时会产生电位差。如果直接进行连接，因为存在电位差，可能会有较大电流(浪涌电流)通过，为了防止CPU被较大电流烧坏，因此插入了PRTR5V。

用手触摸USB等连接口时会产生干扰，从而影响设备的动作，为预防此现象所采取的对策为EMS对策。反之，传感器对周围的器件也会产生影响，为降低此影响所采取的对策为EMI对策。为降低上述两方的影响所采取的对策为EMC。使用EMS滤波器BLM31PG330，可以在接触USB连接口等时，防止GND被干扰，达到防止EMC的目的。

需要注意的是，虽然实施例1-7是采用逐步叠加的方式进行描述，但是并不代表仅有这一种叠加方式，在保留实施例1的基础上，实施例2-7中增设的部件或模块，在可以实现其功能的前提下，也可以按照其它不同的排列组合进行叠加，仍然属于本申请装置的保护范围。

尽管说明书及附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种用于客房的智能控制系统，其特征是：所述的系统包括：

多普勒传感器，安装于客房屋顶，用于向人体发射微波信号，并接收人体的反馈信号；

滤波放大器模块，用于接收多普勒传感器获取的反馈信号，并对反馈信号进行噪音滤波和信号放大；

控制模块，接收滤波放大模块滤波和放大后的反馈信号，通过计算该信号的振幅和相位，得到人体的心跳数和呼吸数；

电力控制模块，用于获取控制模块得出的人体心跳数和呼吸数，当人体心跳数和呼吸数为零的时候，控制客房电力线路断开；当人体心跳数和呼吸数不为零的时候，控制客房电力线路连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于客房的智能控制系统，其特征是：所述的系统还包括：

通讯模块，提供有线LAN接口或无线通讯模块，实现控制模块与酒店或旅馆前台的通信；

报警模块，用于获取控制模块计算出的实时心跳数和呼吸数，当实时心跳数和呼吸数超出医学正常范围时，向酒店或旅馆前台发出报警信号。

3.根据权利要求1所述的一种用于客房的智能控制系统，其特征是：所述的系统还包括：

输入输出接口，用于连接外部设备，和外部设备实现数据交互。

4.根据权利要求3所述的一种用于客房的智能控制系统，其特征是：所述的系统还包括：

紧急呼叫按键，通过输入输出接口与控制模块连接，用于向酒店或旅馆前台发送紧急呼叫信号。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种用于客房的智能控制系统，其特征是：所述系统还包括：

电源模块，提供3.3V直流电压，作为控制模块以及与控制模块所连接模块的主电源或备用电源。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种用于客房的智能控制系统，其特征是：所述的系统还包括：

温度传感器，与控制模块连接，用于实时测量并显示婴幼儿所在区域的温度。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的一种用于客房的智能控制系统，其特征是：所述的系统还包括：

USB模块，与控制模块连接，用于实现USB设备与控制模块之间的数据交互。