CN111887818A - 一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统和方法，其特征在于：包括多普勒人体生命探测雷达前端、智能控制端、本地控制端和远程端；所述本地控制端包括控制器和本地硬件设备，所述本地硬件设备包括智能家居和医疗急救系统；所述智能控制端将多普勒人体生命探测雷达前端采集到的原始数据识别后生成人体生命特征参数及手势命令。本发明基于连续波雷达进行手势命令及人体呼吸与心率检测，多普勒雷达前端结构简单，实现无接触情况下全天候监控目标人体的生理状态，雷达电磁波技术不受到环境影响；可实现智能家电的控制开关和紧急求救，并可进行语音或手动远程控制。

Description

一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统和方法
技术领域
本发明涉及智能家居技术领域，具体为一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统和方法。
背景技术
随着我国经济不断发展及人们生活水平的不断提高，人们对自身健康状况愈加重视，特别是一些特殊群体，其生理健康状况更需要长期跟踪。一方面，家庭、医院或者养老院中的独处老年人的生理健康状态需要长期监控，特别是一些行动不便的老人，还需要一个健康智能家居系统提高其生活上的自理能力，比如可以辅助其远程智能控制电灯，电源的开关等，以防止其在开关电器过程中出现意外。另一方面，长期伴有慢性病的上班族，高强度的工作压力及较快的生活节奏也会导致其在居家过程中出现意外。即便对于其他的普通人群，长期监控其居家中的生理状况也是必须的。
近年来，随着消费电子技术的发展，人们多借助一些消费电子产品如健康手环监视人们的心率、呼吸、血氧等人体特征参数，但这些设备的特点是必须将设备长期佩戴在人身上，影响到人体的正常活动。无接触设备可以在没有接触的情况下，监视目标人体的生理状态。常见的是图像视频监控，实时观察室内人体的生理状态，但图像技术受制于环境光线，且对于入睡的人的状态无法分辨；红外传感测量监控设备可以感知人体的温度判断人的生命状况，但无法精确的了解人的心跳、呼吸等状况。此外，这些常见的设备仅能完成一些单一功能，无法帮助人们实现智能家电的开关控制。尽管现在市场上已经有一些智能开关系统，但这些智能开关系统多需要借助手机，实现语音或者手动远程控制功能，对于某些老年人并不方便上手使用。
随着雷达技术的不断发展，使用多普勒雷达监控人体的生命状态如呼吸与心跳等频率已经较为成熟。此外，雷达手势命令技术也逐步开始研究和使用。相比其他无接触技术，雷达电磁波技术不受到环境影响，具有全天候、传统性优点。因此，本专利实现一种基于多普勒雷达的健康家居系统，该系统利用多普勒雷达，利用信号处理算法获取人体的呼吸与心跳参数，将人体生命特征参数远程发送到远端，同时，当检测人体生命特征参数异常时，则会触发本地及远程报警，同时，该系统还可以完成手势命令，从而控制本地设备如灯具、手机终端设备等。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的至少技术问题之一，提供了一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统和方法，可以实现全天候、无接触监控人体的生命状态。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统，其特征在于：包括：多普勒人体生命探测雷达前端、智能控制端、本地控制端和远程端，所述多普勒人体生命探测雷达前端和智能控制端、所述智能控制端和本地控制端、所述本地控制端和远程端均为通讯联接；所述本地控制端包括控制器和本地硬件设备，所述本地硬件设备包括智能家居和医疗急救系统；所述智能控制端将多普勒人体生命探测雷达前端采集到的原始数据识别后生成人体生命特征参数及手势命令。
一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统的智能控制方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一、开启系统，设置参数，所述手势命令预设为：面向雷达的向前挥手、向后挥手及一个周期的前后挥手，向前挥手控制本地灯光开启，向后挥手控制本地灯光关闭，一个周期的前后挥手控制本地拨打120急救电话；
步骤二、所述多普勒人体生命探测雷达前端将输出为正交I/Q基带信号放大100倍后发射出电磁场波，所述电磁场波遇到被探测人体后回传的探测信号经过低通滤波输出两个正交模拟信号，将其转换成原始数字信号传输至智能控制端；
步骤三、智能控制端读取原始数字信号并识别处理，将识别处理后生成的人体生命特征参数及手势命令发送至本地控制端和远程端，同时保存人体生命特征参数及手势命令；
步骤四、重复步骤二和步骤三，当智能控制终端识别到的人体生命特征参数传输至本地控制端和远程端后，若该参数异常，将开启医疗急救系统，并触发警报；
步骤五、当本地控制端接收到手势命令后，将根据手势控制本地智能家居。
本发明中，所述多普勒人体生命探测雷达前端包括发射机、接收机、本振、收发天线、精密放大器、低通滤波组件和AD信号采集卡；其中发射机、接收机、本振、收发天线属于雷达射频部分，其型号为24GHz雷达模拟前端K-LC2，主要负责雷达射频收发；所述精密放大器用于信号放大；所述低通滤波组件用于将放大的信号低通滤波成两个正交模拟信号；所述AD采集卡用于将两个正交模拟信号转换成数字信号。
本发明中，所述智能控制端包括数据接口模块、信号处理模块、无线通信模块、数据保存模块、显示模块、参数配置模块；所述数据接口模块用于接收AD采集卡采集的原始数字信号；所述信号处理模块用于处理原始数字信号并生成人体生命特征参数；所述无线通信模块用于将人体生命特征参数发送给本地控制端及远程端；所述数据保存模块用于系统采集并生成的人体生命特征参数；所述显示模块用于实时显示人体生命特征参数；所述参数配置模块用于设置智能控制端的基本参数、网络配置、历史数据存储配置等。
本发明中，所述人体生命特征参数包括人体呼吸与心跳频率检测、人体呼吸骤停检测；
所述人体呼吸与心跳频率检测为通过多普勒人体生命探测雷达输出基带信号I/Q，对该基带信号进行时频分析得到二维时频分布，利用基于时频分布的瞬时频率检测技术检测出呼吸运动的多普勒瞬时频率(IF)；对所述瞬时频率(IF)进行频谱分析，在0-0.6Hz以及0.8-2HZ之间寻找峰值，得到人体呼吸与心跳频率；
所述人体呼吸骤停检测为基于24GHz多普勒雷达根据呼吸的频率范围、呼吸运动的周期性，以及生命特征信号的能量来检测是否出现呼吸骤停；具体为：初始化呼吸暂停检测次数i＝0，设定呼吸暂停检测阈值T；计算一段时间内生命探测信号I/Q组成的复信号的时频分布，得到二维时频矩阵TFR(n,k)，其中n为离散时间序列，k为离散频率序列；利用IF检测算法从TFR(n,k)中检测呼吸运动的多普勒IF，得到IF(n)；对IF(n)进行快速傅里叶变换，得到幅度谱P(k)；检测P(k)的峰值Amax及峰值频率F，计算P(k)在0.1-0.8Hz内的平均幅度C；如果
Figure BDA0002652596830000031
呼吸暂停i＝i+1；否则继续计算ratio＝Amax/C；如果ratio>T，呼吸存在i＝0，否则呼吸暂停；i＝i+1.如果i≥3，说明连续三次呼吸停止，呼吸暂停存在，触发报警模块；重复执行上述步骤，如果呼吸存在，i将永远不能达到3，否则连续三次检测出呼吸停止，则最终判断呼吸暂停；
本发明中，所述手势命令为人体静止时的三种典型手势，当人体挥手时，人体手势会对雷达入射波产生一种多普勒调制，该多普勒调制的频率表达式为：
Figure BDA0002652596830000041
其中，v为人体挥手速度、θ为手臂与雷达垂直方向的夹角，λ为雷达电磁波波长；当人体向前挥手时，将产生一个大于零的多普勒频率fd；相反，当反向挥手时，v<0，fd<0；当人体一个周期来回挥手时，将产生两个大于0与小于0的多普勒频率fd；另外，由于人在挥手时，速度并不是恒定不变的，其多普勒频率将不是理想的单个多普勒频率，而是具有一定范围的多普勒频率，但多普勒频率的正负符号是不变的；因此，通过以上分析，三种手势的多普勒频率的特点分别为：
前挥手多普勒频率ffd：大于0，集中在多普勒频谱的正半轴，
后挥手多普勒频率fbd：小于0，集中在多普勒频谱的负半轴，
前后挥手多普勒ffb：既大于0，也小于0，集中在多普勒频谱的正负半轴；
基于以上分析，手势命令算法可以通过频率的正负区分出手势，假设手势回波的双边频谱为Pd(k)，其中k为离散频率点；假设正向频谱为
Figure BDA0002652596830000042
负向频谱为
Figure BDA0002652596830000043
假定频谱为N个离散点，则可以使用正负半轴频率的幅度和的比值作为区分手势的依据，其表达式为：
Figure BDA0002652596830000044
当前挥手时，R的值较大，R>>1；后挥手时，R的值较小，R<<1；当来回一个周期挥手时，由于左右半轴的频谱接近对称，R≈1；设定合适的阈值T1,T2，使得满足：
Figure BDA0002652596830000051
则可以区分出三种手势。
本发明中，所述本地控制端包括MCU、无线通信模块、显示模块、电源模块、报警模块、输入模块、输出模块和本地硬件设备；所述MCU为STC89C51，用于控制本地控制端其他模块的运行；所述无线通信模块用于给本地控制端提供无线通讯功能；所述显示模块用于显示人体生命特征参数和本地硬件设备状态数据；所述电源模块用于给MCU供电；报警模块用于出现异常数据时触发以提醒本地被监测人员；所述输入模块及输出模块用于数据的输入和输出。
本发明中，所述远程端包括终端设备，如平板电脑、手机等移动终端，或PC终端设备，用于远程监控目标人体的生命状态，发现异常时触发报警。
有益效果：与现有技术相比，本发明基于连续波雷达进行手势命令及人体呼吸与心率检测，多普勒雷达前端结构简单，实现无接触情况下全天候监控目标人体的生理状态，雷达电磁波技术不受到环境影响；可实现智能家电的控制开关和紧急求救，并可进行语音或手动远程控制。
附图说明
图1是本发明整体系统示框图；
图2是本发明多普勒雷达提取呼吸与心跳流程图；
图3是本发明手势命令算法的流程图；
图4是本发明本地控制端MCU电路示意图；
图5是本发明本地控制端无线通信模块原理图；
图6是本发明本地控制端无线通信模块和MCU串口连接电路图；
图7是本发明本地控制端电源模块电路图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照附图对本发明进行更加全面的描述。本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例。相反的，提供实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。
如附图所示，一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统和方法，包括包括多普勒人体生命探测雷达前端、智能控制端、本地控制端和远程端，所述多普勒人体生命探测雷达前端和智能控制端、所述智能控制端和本地控制端、所述本地控制端和远程端均为通讯联接。其中：
多普勒人体生命探测雷达前端包括发射机、接收机、本振、收发天线、精密放大器、低通滤波组件和AD信号采集卡；其中发射机、接收机、本振、收发天线属于雷达射频部分，其型号为24GHz雷达模拟前端K-LC2，主要负责雷达射频收发；所述精密放大器用于信号放大；所述低通滤波组件用于将放大的信号低通滤波成两个正交模拟信号；所述AD采集卡用于将两个正交模拟信号转换成数字信号。
智能控制端包括数据接口模块、信号处理模块、无线通信模块、数据保存模块、显示模块、参数配置模块；所述数据接口模块用于接收AD采集卡采集的原始数字信号；所述信号处理模块用于处理原始数字信号并生成人体生命特征参数；所述无线通信模块用于将人体生命特征参数发送给本地控制端及远程端；所述数据保存模块用于系统采集并生成的人体生命特征参数；所述显示模块用于实时显示人体生命特征参数；所述参数配置模块用于设置智能控制端的基本参数、网络配置、历史数据存储配置等。
本地控制端包括MCU、无线通信模块、显示模块、电源模块、报警模块、输入模块、输出模块和本地硬件设备；所述MCU为STC89C51，用于控制本地控制端其他模块的运行；所述无线通信模块用于给本地控制端提供无线通讯功能；所述显示模块用于显示人体生命特征参数和本地硬件设备状态数据；所述电源模块用于给MCU供电；报警模块用于出现异常数据时触发以提醒本地被监测人员；所述输入模块及输出模块用于数据的输入和输出。远程端包括终端设备，如平板电脑、手机等移动终端，或PC终端设备，用于远程监控目标人体的生命状态，发现异常时触发报警。
人体生命特征参数包括人体呼吸与心跳频率检测、人体呼吸骤停检测。
人体呼吸与心跳频率检测为通过多普勒人体生命探测雷达输出基带信号I/Q，对该基带信号进行时频分析得到二维时频分布，利用基于时频分布的瞬时频率检测技术检测出呼吸运动的多普勒瞬时频率(IF)；对所述瞬时频率(IF)进行频谱分析，在0-0.6Hz以及0.8-2HZ之间寻找峰值，得到人体呼吸与心跳频率。
人体呼吸骤停检测为基于24GHz多普勒雷达根据呼吸的频率范围、呼吸运动的周期性，以及生命特征信号的能量来检测是否出现呼吸骤停；具体为：初始化呼吸暂停检测次数i＝0，设定呼吸暂停检测阈值T；计算一段时间内生命探测信号I/Q组成的复信号的时频分布，得到二维时频矩阵TFR(n,k)，其中n为离散时间序列，k为离散频率序列；利用IF检测算法从TFR(n,k)中检测呼吸运动的多普勒IF，得到IF(n)；对IF(n)进行快速傅里叶变换，得到幅度谱P(k)；检测P(k)的峰值Amax及峰值频率F，计算P(k)在0.1-0.8Hz内的平均幅度C；如果
Figure BDA0002652596830000072
呼吸暂停i＝i+1；否则继续计算ratio＝Amax/C；如果ratio>T，呼吸存在i＝0，否则呼吸暂停；i＝i+1.如果i≥3，说明连续三次呼吸停止，呼吸暂停存在，触发报警模块；重复执行上述步骤，如果呼吸存在，i将永远不能达到3，否则连续三次检测出呼吸停止，则最终判断呼吸暂停。
手势命令为人体静止时的三种典型手势：面向雷达的向前挥手、向后挥手及一个周期的前后挥手；人体挥手时，人体手势会对雷达入射波产生一种多普勒调制，该多普勒调制的频率表达式为：
Figure BDA0002652596830000071
其中，v为人体挥手速度、θ为手臂与雷达垂直方向的夹角，λ为雷达电磁波波长；当人体向前挥手时，将产生一个大于零的多普勒频率fd；相反，当反向挥手时，v<0，fd<0；当人体一个周期来回挥手时，将产生两个大于0与小于0的多普勒频率fd；另外，由于人在挥手时，速度并不是恒定不变的，其多普勒频率将不是理想的单个多普勒频率，而是具有一定范围的多普勒频率，但多普勒频率的正负符号是不变的；因此，通过以上分析，三种手势的多普勒频率的特点分别为：
(1)前挥手多普勒频率ffd：大于0，集中在多普勒频谱的正半轴，
(2)后挥手多普勒频率fbd：小于0，集中在多普勒频谱的负半轴，
(3)前后挥手多普勒ffb：既大于0，也小于0，集中在多普勒频谱的正负半轴；
基于以上分析，手势命令算法可以通过频率的正负区分出手势，假设手势回波的双边频谱为Pd(k)，其中k为离散频率点；假设正向频谱为
Figure BDA0002652596830000081
负向频谱为
Figure BDA0002652596830000082
假定频谱为N个离散点，则可以使用正负半轴频率的幅度和的比值作为区分手势的依据，其表达式为：
Figure BDA0002652596830000083
当前挥手时，R的值较大，R>>1；后挥手时，R的值较小，R<<1；当来回一个周期挥手时，由于左右半轴的频谱接近对称，R≈1；设定合适的阈值T1,T2，使得满足：
Figure BDA0002652596830000084
则可以区分出三种手势。
使用时，开启系统，设置参数，手势命令预设为：面向雷达的向前挥手、向后挥手及一个周期的前后挥手，向前挥手控制本地灯光开启，向后挥手控制本地灯光关闭，一个周期的前后挥手控制本地拨打120急救电话；多普勒人体生命探测雷达前端输出正交I/Q基带信号，经过精密放大器放大100倍后发射出电磁场波，所述电磁场波遇到被探测人体后回传的探测信号，再经过50Hz巴特沃斯低通滤波，输出两路正交模拟信号，再经AD采集卡变成原始数字信号，并传输至智能控制端；智能控制端读取原始数字信号并识别处理，将识别处理后生成的人体生命特征参数及手势命令发送至本地控制端和远程端，同时保存人体生命特征参数及手势命令，并在显示模块显示；本地控制端接收到人体生命特征参数，当该参数异常时，将开启医疗急救系统，并触发警报；当本地控制端接收到手势命令后，将根据手势控制本地智能家居。
在上述实施例中可以实现全部功能，或根据需要实现部分功能。
上述具体实施方式仅为本发明的一个实施例，本发明不仅仅局限于该实施例。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，在未作出实质性创新的情况下，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统，其特征在于：包括：多普勒人体生命探测雷达前端、智能控制端、本地控制端和远程端，所述多普勒人体生命探测雷达前端和智能控制端、所述智能控制端和本地控制端、所述本地控制端和远程端均为通讯联接；所述本地控制端包括控制器和本地硬件设备，所述本地硬件设备包括智能家居和医疗急救系统；所述智能控制端将多普勒人体生命探测雷达前端采集到的原始数据识别后生成人体生命特征参数及手势命令；
一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统的智能控制方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一、开启系统，设置参数，所述手势命令预设为：面向雷达的向前挥手、向后挥手及一个周期的前后挥手，向前挥手控制本地灯具开启，向后挥手控制本地灯具关闭，一个周期的前后挥手控制本地拨打120急救电话；
步骤二、所述多普勒人体生命探测雷达前端将输出为正交I/Q基带信号放大100倍后发射出电磁场波，所述电磁场波遇到被探测人体后回传的探测信号经过低通滤波输出两个正交模拟信号，将其转换成原始数字信号传输至智能控制端；
步骤三、智能控制端读取原始数字信号并识别处理，将识别处理后生成的人体生命特征参数及手势命令发送至本地控制端和远程端，同时保存人体生命特征参数及手势命令；
步骤四、重复步骤二和步骤三，当智能控制终端识别到的人体生命特征参数传输至本地控制端和远程端后，若该参数异常，将开启医疗急救系统，并触发警报；
步骤五、当本地控制端接收到手势命令后，将根据手势控制本地智能家居。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统，其特征是所述多普勒人体生命探测雷达前端包括发射机、接收机、本振、收发天线、精密放大器、低通滤波组件和AD信号采集卡；其中所述发射机、接收机、本振、收发天线属于雷达射频部分，型号为24GHz雷达模拟前端K-LC2，主要负责雷达射频收发；所述精密放大器用于信号放大；所述低通滤波组件用于将放大的信号低通滤波成两个正交模拟信号；所述AD采集卡用于将两个正交模拟信号转换成数字信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统，其特征是所述智能控制端包括数据接口模块、信号处理模块、无线通信模块、数据保存模块、显示模块、参数配置模块；所述数据接口模块用于接收AD采集卡采集的原始数字信号；所述信号处理模块用于处理原始数字信号并生成人体生命特征参数；所述无线通信模块用于将人体生命特征参数发送给本地控制端及远程端；所述数据保存模块用于系统采集并生成的人体生命特征参数；所述显示模块用于实时显示人体生命特征参数；所述参数配置模块用于设置智能控制端的基本参数、网络配置、历史数据存储配置等。
4.根据权利要求3所述的一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统，其特征是所述人体生命特征参数包括人体呼吸与心跳频率检测、人体呼吸骤停检测；
所述人体呼吸与心跳频率检测为通过多普勒人体生命探测雷达输出基带信号I/Q，对该基带信号进行时频分析得到二维时频分布，利用基于时频分布的瞬时频率检测技术检测出呼吸运动的多普勒瞬时频率(IF)；对所述瞬时频率(IF)进行频谱分析，在0-0.6Hz以及0.8-2HZ之间寻找峰值，得到人体呼吸与心跳频率；
所述人体呼吸骤停检测为基于24GHz多普勒雷达根据呼吸的频率范围、呼吸运动的周期性，以及生命特征信号的能量来检测是否出现呼吸骤停。
5.根据权利要求3所述的一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统，其特征是所述手势命令为人体静止时的三种典型手势；
当人体挥手时，人体手势会对雷达入射波产生一种多普勒调制，该多普勒调制的频率表达式为：
Figure FDA0002652596820000021
其中，v为人体挥手速度、θ为手臂与雷达垂直方向的夹角，λ为雷达电磁波波长；手势命令算法可以通过频率的正负区分出手势，手势回波的双边频谱为Pd(k)，其中k为离散频率点；正向频谱为
Figure FDA0002652596820000022
负向频谱为
Figure FDA0002652596820000023
频谱为N个离散点，使用正负半轴频率的幅度和的比值作为区分手势的依据，其表达式为：
Figure FDA0002652596820000031
6.根据权利要求1所述的一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统，其特征是所述本地控制端包括MCU、无线通信模块、显示模块、电源模块、报警模块、输入模块、输出模块和本地硬件设备；所述MCU为STC89C51，用于控制本地控制端其他模块的运行；所述无线通信模块用于给本地控制端提供无线通讯功能；所述显示模块用于显示人体生命特征参数和本地硬件设备状态数据；所述电源模块用于给MCU供电；报警模块用于出现异常数据时触发以提醒本地被监测人员；所述输入模块及输出模块用于数据的输入和输出。
7.根据权利要求1所述的一种基于微波雷达的生命体征智能监测控制系统，其特征是所述远程端包括终端设备，如平板电脑、手机等移动终端，或PC终端设备，用于远程监控目标人体的生命状态，发现异常时触发报警。
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