CN112014837A - 一种基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统，毫米波雷达前端模块发射和接收毫米波雷达信号，与所述信号处理模块相连接；所述信号处理模块，与通讯接口模块相连接，将抽样量化后的回波信号进行分析，得到其被测人员的生命体征数据，包括呼吸和心跳的频率参数，将处理后的信息结果通过通讯接口模块传输至上位机；所述上位机将接收的生命体征数据与预设数据进行对比，将其数据和对比结果上传至后台服务器，若对比结果异常，则发出警报给移动终端，当对比结果超出预设最高值时，进行自动报警。本发明实现了对室内老人生命体征的实时智能监测，包括呼吸和心跳参数的监测，出现异常时做到实时报警从而防止意外的发生。

Description

一种基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统

技术领域

本发明属于毫米波技术领域，涉及一种基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统。

背景技术

雷达是一种利用无线电波来确定移动物体的范围、角度或速度的物体检测系统。雷达系统由发射机产生的电磁波经发射天线、接收天线(单独或同为前一个)在发射信号的路径中捕获任何被测目标的反射波，并由接收机和处理器完成对信号的接收、分析和处理。

进入21世纪以来，我国国内老龄化递增速度不断提高，老龄化增速快于世界平均水平，老年人的健康问题及其看护问题越来越受社会的关注。然而，当人进入老龄状态之后，其新陈代谢速度变慢，各种慢性病或急性病突发，因其独自一人在家或一旁无人，导致抢救不及时，从而错过最佳抢救时间的新闻和实例，屡见不鲜，往往因为无人陪伴而产生遗憾。并且，由于年轻人大多都在外打工，远离年长亲人，且不能经常回家，当其父母长辈身体出现问题时，很多长辈不愿意让在外的孩子担心，导致有病隐瞒从而造成不忍多见的遗憾。

而随着微波技术的日益发展，微波射频器件在各类民用的电子设备中的使用率日益高涨，其中无接触式测量的毫米波技术越来越成熟。因此可以利用毫米波雷达传感器，实现对室内老人生命体征的无接触式智能监测。

相比于传统的检测的办法，我们开发的无接触式智能监测系统，具有不受环境影响，实时监测，没有任何接触且智能报警的创新性优势。此基于毫米波雷达的室内老人生命体征无接触式智能监测系统在人们的日常生活中甚至是医学领域都将有相当广阔的应用前景。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种基于毫米波雷达的室内老人生命体征检测系统及实施方案，其目的主要在于实现对室内老人在没有监护人员的情况下进行生命体征的辨别及检测，以及出现生命体征异常时的报警，达到快速救治身体出现异常情况的老人的目的，保障了老人的生命安全，同时也保证了其子女亲人不在老人身边时，对老人的监护，最主要的可应用于养老院疗养院等。

本发明的技术方案为：一种基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统，包括毫米波雷达前端模块、信号处理模块、通讯接口模块、上位机、后台服务器和移动终端，其中，

所述毫米波雷达前端模块发射和接收毫米波雷达信号，与所述信号处理模块相连接；所述信号处理模块，与通讯接口模块相连接，将抽样量化后的回波信号进行分析，得到其被测人员的生命体征数据，包括呼吸和心跳的频率参数，将处理后的信息结果通过通讯接口模块传输至上位机；所述上位机将接收的生命体征数据与预设数据进行对比，将其数据和对比结果上传至后台服务器，若对比结果异常，则发出警报给移动终端，当对比结果超出预设最高值时，进行自动报警。

优选地，所述毫米波雷达前端模块包括毫米波发射模块和毫米波接收模块；

所述毫米波发射模块利用锁相环合成线性调频信号，该线性调频信号在发射的同时与所述毫米波接收模块接收到的回波信号进行混频，得到差频信号，再将差频信号进行放大滤波，得到一个中频信号，最后再由模数转换器将其抽样量化后得到一个数字信号，发送给信号处理模块进行处理。

优选地，所述毫米波发射模块包括依次连接的斜波振荡器、信号合成器、倍频器和功率放大器，所述毫米波接收模块包括依次连接的低噪放大器、混频器、中频收集器和模数转换器；其中，所述斜波振荡器产生连续信号，通过信号合成器产生20GHz的信号，再通过倍频器产生两路77GHz毫米波雷达信号，一路经功率放大器放大后由毫米波发射模块的天线阵列发射出去，一路到达混频器，与毫米波接收模块接收到的经低噪放大器放大后的反射信号进行混频，再经过中频收集器的放大和滤波产生一个可由模数转换器采样收集的差频信号，模数转换器生成数字信号，送至信号处理模块进行处理。

优选地，还包括数字前端和模数转换缓冲器，数字前端与模数转换器和模数转换缓冲器分别连接，模数转换缓冲器还与信号处理模块连接。

优选地，所述信号处理模块包括依次连接的傅里叶变换单元、呼吸心跳频率参数捕获单元和参数分析单元；

所述傅里叶变换单元，对毫米波雷达前端模块传送的回波信号进行去均值化的预处理，消除干扰，将预处理后的回波信号进行多次傅里叶变换；

所述呼吸心跳频率参数捕获单元，对进行傅里叶变换后的图谱中的相位点进行检测、筛选、捕获，得到呼吸和心跳频率参数；

所述参数分析单元，对呼吸和心跳频率参数进行分析。

优选地，所述通讯接口模块包括RS485总线，将信号处理模块输出的信息传输至上位机。

优选地，所述上位机包括上位通讯单元、数据处理单元和报警单元；

所述上位通讯单元，接收通讯接口模块发送的生命体征数据，并将其上传至后台服务器；

所述数据处理单元，将接收到的生命体征数据与预设数据进行比对，并进行危险等级划分，若超出预设范围，触发报警单元；

所述报警单元，在异常时发出警报；超出预设最高值时，进行自动报警，若无异常时，则显示被测生命体征数据。

优选地，所述移动终端包括健康状况查询单元、健康报警单元和移动通讯单元。

所述健康状况查询单元，从后台服务器下载被监护人员健康状况及生命体征数据，并显示与预设数据对比结果；

所述健康报警单元，当上位机发出警报时，在移动终端也发出警告；

所述移动通讯单元，与上位机通讯，通过移动通讯单元亦可进行报警。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明是基于毫米波雷达实现对室内老人生命体征的无接触式智能检测，在传感器的选择上，相比较于视觉图像、温湿度传感器等其他传感器，毫米波雷达具有不受环境的影响，如：光线、火、气、烟、温度和湿度、障碍物等，由于毫米波雷达利用电磁波对对象进行检测，也避免了直接接触式传感器的繁琐与笨重，同时采用毫米波雷达也让用户的隐私得到了保护；

此外，相比较于拥有较强穿透力的超声波雷达，本发明所使用的毫米波雷达可以做到对人体身体健康不造成影响，且该系统对外部噪声、干扰有很强的抵抗力，该系统中所提供的移动终端，如手机APP，亦可与其他医疗相关产业进行合作，产生更多的经济价值。

附图说明

图1为本发明具体实施例的基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统的结构框图；

图2为本发明具体实施例的基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统的毫米波雷达前端模块结构框图；

图3为本发明具体实施例的基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统的毫米波雷达前端模块信号传输示意图；

图4为本发明具体实施例的基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统的被检测目标相对于天线位置的方向图；

图5为本发明具体实施例的基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统的波阵面与天线之间的相对距离示意图；

图6为本发明具体实施例的基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统的无限长脉冲响应数字滤波器滤波效果图；

图7为本发明具体实施例的基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统的信号处理模块的被检测人员生命体征数据处理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参见图1，本发明的基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统包括毫米波雷达前端模块10、信号处理模块20、通讯接口模块30、上位机40、后台服务器50和移动终端60，其中，

毫米波雷达前端模块10发射和接收毫米波雷达信号，与信号处理模块20相连接；信号处理模块20，与通讯接口模块30相连接，将抽样量化后的回波信号进行分析，得到其被测人员的生命体征数据，包括呼吸和心跳的频率参数，将处理后的信息结果通过通讯接口模块30传输至上位机40；上位机40将接收的生命体征数据与预设数据进行对比，将其数据和对比结果上传至后台服务器50，若对比结果异常，则发出警报给移动终端60，当对比结果超出预设最高值时，进行自动报警。

毫米波雷达前端模块10包括毫米波发射模块和毫米波接收模块；

毫米波发射模块利用锁相环合成线性调频信号，该线性调频信号在发射的同时与毫米波接收模块接收到的回波信号进行混频，得到差频信号，再将差频信号进行放大滤波，得到一个中频信号，最后再由模数转换器124将其抽样量化后得到一个数字信号，发送给信号处理模块20进行处理。

具体实施例中，还包括数字前端125和模数转换缓冲器126，数字前端125与模数转换器124和模数转换缓冲器126分别连接，模数转换缓冲器126还与信号处理模块20连接。

信号处理模块20包括依次连接的傅里叶变换单元、呼吸心跳频率参数捕获单元和参数分析单元；

傅里叶变换单元，对毫米波雷达前端模块10传送的回波信号进行去均值化的预处理，消除干扰，将预处理后的回波信号进行多次傅里叶变换；

呼吸心跳频率参数捕获单元，对进行傅里叶变换后的图谱中的相位点进行检测、筛选、捕获，得到呼吸和心跳频率参数；

参数分析单元，对呼吸和心跳频率参数进行分析。

通讯接口模块30包括RS485总线，将信号处理模块20输出的信息传输至上位机40。

上位机40包括上位通讯单元、数据处理单元和报警单元；

上位通讯单元，接收通讯接口模块30发送的生命体征数据，并将其上传至后台服务器50；

数据处理单元，将接收到的生命体征数据与预设数据进行比对，并进行危险等级划分，若超出预设范围，触发报警单元；

报警单元，在异常时发出警报；超出预设最高值时，进行自动报警，若无异常时，则显示被测生命体征数据。

移动终端60包括健康状况查询单元、健康报警单元和移动通讯单元。

健康状况查询单元，从后台服务器50下载被监护人员健康状况及生命体征数据，并显示与预设数据对比结果；

健康报警单元，当上位机40发出警报时，在移动终端60也发出警告；

移动通讯单元，与上位机40通讯，通过移动通讯单元亦可进行报警。

还包括毫米波雷达前端模块10还包括天线阵列与信号处理模块20和通讯接口模块30通讯；

上位机40可接收多个毫米波雷达前端模块10的数据，可用于养老院疗养院等需被监护人员集中的地方，实现统一管理和检测；

目前，老人的监护系统中仅配备了呼叫按钮或接触式监护设备，没有从智能、方便等方面考虑，将无接触式智能监测系统与之结合，无法实现快速方便的预测异常情况的发生。而在常见的无接触式传感器中，超声波感应系统因为其具有强穿透的超声波，会对人体产生不好的影响，甚至严重伤害，而又因为视觉传感器对环境要求较高的局限性。本系统采用线性调频连续波的毫米波雷达来实现对室内老人的监护，其发射信号一般由三角波或锯齿波构成，具有很高的测量精确度，而且其具有不受外界如光线、温度、气体、湿度等不良因素影响，对物体的遮挡有良好的穿透，对人体的呼吸、心跳频率可以有精确的测量，故而本发明使用毫米波雷达作为前端感知模块，使该系统更为可靠。

参见图2，毫米波发射模块包括依次连接的斜波振荡器111、信号合成器112、倍频器113和功率放大器114，毫米波接收模块包括依次连接的低噪放大器121、混频器122、中频收集器123和模数转换器124；其中，斜波振荡器111产生连续信号，通过信号合成器112产生20GHz的信号，再通过倍频器113产生两路77GHz毫米波雷达信号，一路经功率放大器114放大后由毫米波发射模块的天线阵列发射出去，一路到达混频器122，与毫米波接收模块接收到的经低噪放大器121放大后的反射信号进行混频，再经过中频收集器123的放大和滤波产生一个可由模数转换器124采样收集的差频信号，模数转换器124生成数字信号，送至信号处理模块20进行处理。信号处理模块20包括DSP处理器21和ARM处理器22。

其中，上述的信号预处理流程的工作原理参见图3，倍频器113产生的77GHz毫米波雷达信号S(t)，

其中，f_c为周期线性增长连续调频波起始频率，B为周期线性增长连续调频波带宽，T为周期线性增长连续调频波调制时间；

倍频器113分为两路相同信号，一路经功率放大器114后发射出去，当它碰到人体时产生回波信号Sr(t)，

其中，t_d为发射周期线性增长连续调频波和接收周期线性增长连续调频波时间延迟，该回波信号Sr(t)与另一路77GHz毫米波雷达信号S(t)在混频器122混频后产生一个差频信号Sd(t)，

其中，R₁为毫米波雷达与目标之间距离，c为光速，f_b为发射周期线性增长连续调频波和接收周期线性增长连续调频波之间的频率差，

为发射周期线性增长连续调频波和接收周期线性增长连续调频波相位差，λ为发射周期线性增长连续调频波波长，该差频信号再经过中频收集器123的放大滤波后生成一个中频信号Sm(t)，该信号由模数转换器124抽样量化为一个数字信号Sm(n)，该信号用于信息处理模块进行算法处理。

参见图4，显示x，y，z轴相对于天线位置的方向，目的是估计每个检测到的对象的(x，y，z)坐标。

其中，φ表示被测目标的俯仰角，AB代表相交连续高程天线的波阵面之间的相对距离。

φ_wx作为二维FFT的连续接收方位天线之间的相位差，对φ_wx、φ_wz准确定义：其中

参见图5，显示其表示相交连续方位角天线的波阵面之间的相对距离，其中，

其中，θ为物体偏离天线主辐射方向的水平角度，该距离CD代表相交连续方位角天线的波阵面之间的相对距离。

因此，

该距离CD代表相交连续方位角天线的波阵面之间的相对距离，φ_wz是方位角和方位角天线上方相应仰角天线之间的相位差。

对于单个物体在8个方位角天线处的信号将为(A₁是第一个天线的任意起始振幅，Ψ是第一个天线的任意起始相位)：

上述信号的FFT将产生的峰P₁在φ_wx相位值的大小，即

其中，Ψ₁为上述信号FFT将产生的一个峰值的相位，

K为表示FFT峰值的指数，

其中，N为FFT变换信号记录长度，然后得到

峰值P2的大小为

最终可以得到距离范围

其中，k_r为范围指数，F_SAMP为采样频率，S为线性调调频信号斜率，N_FFT为一维FFT大小。

从而得到检测对象的位置的(x，y，z)坐标，

当毫米波雷达检测到某一方位的人员保持静止时，或者毫米波雷达发射器在开启生命特征检测模式时，才启动生命特征检测防止人体活动造成对生命特征信息检测的干扰。

为了测量小尺度振动，我们测量了FMCW信号在目标范围内随时间的变化。如果物体ΔR移动一段距离，则连续测量之间的相位变化由来确定，

相位可以通过取差频信号Sd(t)的FFT和在目标范围处计算相位来测量。

若目标在距离m处的相位与距离幅度信号X(t)的关系

其中，m为毫米波雷达与目标之间距离，n为发射周期线性增长连续调频波调频指数，T_s为发射周期线性增长连续调频波连续测量时间。

采用无限长脉冲响应数字滤波器进行数字滤波，IIR滤波器通常具有阶数低、硬件开销小的优点。其差分方程为：

其中x_1-r和y_i-k分别表述输入输出信号序列，b_r为正向系数，a_k为反向系数，其Z变换传递函数为：

其中四阶级联传递函数为：

其中，k为级联的级数。针对生命特征信号，建立多个窄带频域范围的IIR数字滤波器，对非接触生命参数检测信号进行多个频带的高阶滤波。多窄带滤波器通过多个高阶IIR滤波器共同作用实现，增加了滤波的针对性，提高了非接触检测信号的信噪比，有利于非接触检测信号中呼吸信号成分与心跳信号成分的检出。

根据非接触生命参数检测系统采集的信号特征，确定所关注的信号频域范围，对不同信号成分进行不同频带的滤波。避免了被处理的非接触检测信号产生相位失真。另外它不会发生“阻塞”现象，可以避免强信号淹没弱信号，克服了非接触检测信号强弱信号相差悬殊的情况。实验中根据非接触检测信号中的心跳信号和呼吸信号成分主能量所占频带范围分别选(0.1Hz-0.5Hz)和(0.8Hz-4.0Hz)的带通滤波器。

其对生命参数信号的滤波效果参见图6，上面的波形为滤波前，下面的波形为滤波后。

参见图7，信号处理模块20的被检测人员生命体征数据处理示意，首先对模数转换器124输出的数据进行快速傅里叶变换(FFT)，得到范围轮廓，并将范围轮廓的数据的大小进行储存；通过在用户指定的限制范围内进行筛选找到范围配置文件中的最大值，找到与目标对应的范围。从复杂的范围轮廓数据中计算所选范围的相位值，并将相位值大小与时间相关，形成相位时间的相关。假设在整个测量中，被检测者处于相同的范围内。若检测人员发生移动则算法需要锁定到新的目标范围。当检测者在相同的范围时，将此范围的数据提取出来。相值介于[-π，π]之间，需要展开以获得实际的位移图谱。相位差运算通过减去连续的相位差值，可以增强心跳信号和消除任何相位漂移。一个成人的正常呼吸速率为(0.1Hz-0.5Hz)，心率(0.8Hz-4.0Hz)，所以选择两个频带的带通滤波器进行滤波。根据上述中的胸部位移图谱，进行带通滤波其中包括呼吸(0.1Hz-0.5Hz)带通滤波、心率(0.8Hz-4.0Hz)带通滤波，获取呼吸、心跳图谱；根据上述中的呼吸、心跳图谱，通过FFT、自关联、峰值检测等确定呼吸频率、心率。最后保存有效段生成新的心跳图谱。

具体的，由上述得到的数字信号Sm(n)，包含了被测人体的呼吸频率和心跳频率；通过信号处理模块的傅里叶变换单元，可以将数字信号经过去干扰噪声后，进行傅里叶变换，将带有呼吸频率和心跳频率的数字信号从时域转换到了频域，获得一个带有人体呼吸心跳参数的频谱图，具体的，由于人体的正常生命运动，呼吸和心跳会使人体的外表面产生细微的抖动，而这轻微的抖动可以被毫米波雷达识别，其回波信号会产生一个瞬时的相位差，我们通过频谱图，可以计算出其相位差，从而获取被测人员的心跳和呼吸参数，再将其再将其与预设医疗数据进行对比，并给出异常危险等级，即可做到实时监测，异常报警的功能。

具体的，实时监测及异常报警的流程为，当我们获取了被监护人员的呼吸和心跳参数，我们将数据由信息处理模块传输至上位机40，并在显示屏上显示，方便养老院疗养院的看护人员的统一看护，另外通过上位通讯单元上传数据至后台服务器50，而后台服务器50将会把被监护人的数据及比对结果精确地传输给每一个被监护人员绑定的亲人的移动终端60，如手机APP，若被监护人员生命体征出现异常，在上位机40上会直接发出警报，当异常危险等级达到一定阀值时，进行自动急救报警，以最快速度达到急救的目的，同时也会在被监护人员绑定的亲人的手机APP上面发出警报，以最快速度通知其亲人。

该套系统具有优良可靠的性能，强抗干扰能力，方便智能的监护模式，快捷及时的报警预防，且其附带的手机端软件可以产生一定的商业价值，具有极强的实用性，可做广泛推广使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于毫米波雷达的体征无接触式智能监测系统，其特征在于，包括毫米波雷达前端模块、信号处理模块、通讯接口模块、上位机、后台服务器和移动终端，其中，

所述毫米波雷达前端模块发射和接收毫米波雷达信号，与所述信号处理模块相连接；所述信号处理模块，与通讯接口模块相连接，将抽样量化后的回波信号进行分析，得到其被测人员的生命体征数据，包括呼吸和心跳的频率参数，将处理后的信息结果通过通讯接口模块传输至上位机；所述上位机将接收的生命体征数据与预设数据进行对比，将其数据和对比结果上传至后台服务器，若对比结果异常，则发出警报给移动终端，当对比结果超出预设最高值时，进行自动报警。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述毫米波雷达前端模块包括毫米波发射模块和毫米波接收模块；

所述毫米波发射模块利用锁相环合成线性调频信号，该线性调频信号在发射的同时与所述毫米波接收模块接收到的回波信号进行混频，得到差频信号，再将差频信号进行放大滤波，得到一个中频信号，最后再由模数转换器将其抽样量化后得到一个数字信号，发送给信号处理模块进行处理。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述毫米波发射模块包括依次连接的斜波振荡器、信号合成器、倍频器和功率放大器，所述毫米波接收模块包括依次连接的低噪放大器、混频器、中频收集器和模数转换器；其中，所述斜波振荡器产生连续信号，通过信号合成器产生20GHz的信号，再通过倍频器产生两路77GHz毫米波雷达信号，一路经功率放大器放大后由毫米波发射模块的天线阵列发射出去，一路到达混频器，与毫米波接收模块接收到的经低噪放大器放大后的反射信号进行混频，再经过中频收集器的放大和滤波产生一个可由模数转换器采样收集的差频信号，模数转换器生成数字信号，送至信号处理模块进行处理。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括数字前端和模数转换缓冲器，数字前端与模数转换器和模数转换缓冲器分别连接，模数转换缓冲器还与信号处理模块连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号处理模块包括依次连接的傅里叶变换单元、呼吸心跳频率参数捕获单元和参数分析单元；

所述傅里叶变换单元，对毫米波雷达前端模块传送的回波信号进行去均值化的预处理，消除干扰，将预处理后的回波信号进行多次傅里叶变换；

所述呼吸心跳频率参数捕获单元，对进行傅里叶变换后的图谱中的相位点进行检测、筛选、捕获，得到呼吸和心跳频率参数；

所述参数分析单元，对呼吸和心跳频率参数进行分析。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通讯接口模块包括RS485总线，将信号处理模块输出的信息传输至上位机。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机包括上位通讯单元、数据处理单元和报警单元；

所述上位通讯单元，接收通讯接口模块发送的生命体征数据，并将其上传至后台服务器；

所述数据处理单元，将接收到的生命体征数据与预设数据进行比对，并进行危险等级划分，若超出预设范围，触发报警单元；

所述报警单元，在异常时发出警报；超出预设最高值时，进行自动报警，若无异常时，则显示被测生命体征数据。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述移动终端包括健康状况查询单元、健康报警单元和移动通讯单元。

所述健康状况查询单元，从后台服务器下载被监护人员健康状况及生命体征数据，并显示与预设数据对比结果；

所述健康报警单元，当上位机发出警报时，在移动终端也发出警告；

所述移动通讯单元，与上位机通讯，通过移动通讯单元亦可进行报警。

Images