CN113064367B - 基于毫米波雷达的马桶控制方法及系统 - Google Patents

基于毫米波雷达的马桶控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种基于毫米波雷达的马桶控制方法及系统，所述方法包括：S1、获取毫米波雷达发送的DFFT数据帧；S2、对DFFT数据帧进行处理，判断感应区域内是否有人；S3、若感应区域内有人，则打开马桶盖，进行手势识别并执行相应动作。本发明中具有成本低、不受光线影响、无需开孔、对温度变化不敏感、探测区域大等优点。

Description

基于毫米波雷达的马桶控制方法及系统
技术领域
本发明属于数字信号处理技术领域，具体涉及一种基于毫米波雷达的马桶控制方法及系统。
背景技术
毫米波是指波长从0.1～1cm的电磁波，对应的频率范围为30～300GHz，毫米波雷达在智能感知与交互、智能机器人、汽车雷达等领域都有着广泛的应用。毫米波雷达芯片是毫米波雷达的核心部件之一，随着毫米波雷达芯片的集成度越来越高，毫米波雷达芯片实现了越来越多的功能，在芯片内集成了更多专用数字信号处理硬件加速单元。高集成度毫米波雷达芯片大大简化了毫米波雷达的系统开发复杂度，同时大幅降低了系统成本。
马桶在长期使用过后会有大量的细菌和污渍，用手触碰非常不卫生，尤其公共马桶更是不愿用手直接触碰。在市场的强烈需求下，逐步出现了各类非接触式马桶，例如基于图像处理的非接触式马桶、基于红外的非接触式马桶等。
然而，基于图像处理的非接触式马桶具有以下缺点：1)容易受到环境光线的影响；2)一般基于机器视觉，需要较强的处理资源，成本高；3)隐私担忧。基于红外的非接触式马桶具有以下缺点：1)需要在马桶上开孔，影响美观；2)温度要求敏感；3)探测区域过窄。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于毫米波雷达的马桶控制方法及系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于毫米波雷达的马桶控制方法及系统。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，所述方法包括：
S1、获取毫米波雷达发送的DFFT数据帧；
S2、对DFFT数据帧进行处理，判断感应区域内是否有人；
S3、若感应区域内有人，则打开马桶盖，进行手势识别并执行相应动作。
一实施例中，所述步骤S2中，对DFFT数据帧进行处理具体为：
解析DFFT数据帧，去掉帧头帧尾，得到DFFT矩阵，DFFT矩阵的行代表速度维，列代表距离门；
对DFFT矩阵进行动态去杂波，得到DFFT_clean矩阵；
根据感应区域的大小，计算有效距离门，把DFFT_clean矩阵中无效距离门对应的列清零；
对DFFT_clean矩阵进行累加得到DFFT_acc矩阵；
获取DFFT_acc矩阵中每一列的最大值rangeMax，并保存最大值rangeMax和最大值对应的行号dopplerIndex，得到dopplerIndex数组及rangeMax数组。
一实施例中，所述步骤S2中，判断感应区域内是否有人具体为：
若rangeMax数组中的任意值、或零速度维的rangeMax数值的累加值大于第一预设阈值，则判定感应区域内有人；
否则，判定感应区域无人。
一实施例中，所述步骤S3中，进行手势识别并执行相应动作包括：
对DFFT_acc矩阵进行二值化处理得到DFFT_hgr矩阵；
获取DFFT_hgr矩阵中最大值对应的行号，并缓存到vbuf中；
对vbuf最新的4个值求方差，若方差大于第二预设阈值，则判定有人开始做手势，然后从这4个值中找出最大值和最小值；
若最大值大于第三预设阈值，且手势识别计时器未启动，则启动手势识别计时器，并将手势识别状态置为第一状态，认为完成由下到上的挥手动作；
若最小值小于第四预设阈值，且手势识别状态为第一状态，则认为完成由上到下的挥手动作，并将手势识别状态置为第二状态；
在手势识别计时期间内，继续处理vbuf最新的数据；
若最大值大于第三预设阈值，且手势识别状态为第二状态，则认为在继续挥手，并将手势识别状态设置为第三状态；
若最小值小于第四预设阈值，且手势识别状态为第三状态，则将手势识别状态置为第四状态。
一实施例中，所述步骤S3中，进行手势识别并执行相应动作还包括：
手势识别计时器超时后，若手势识别状态为第二状态，则认为完成一次上下挥手动作，打开马桶圈；
若手势识别状态为第四状态，则认为完成大于一次上下挥手动作，执行冲水；
若手势识别状态为其他状态，则认为没有做有效手势，不执行任何动作。
一实施例中，所述步骤S3后还包括：
S4、进行手势识别并执行相应动作之后，若在预设时间内感应区域内无人，则关闭马桶盖，若在预设时间内感应区域内有人，则继续进行手势识别并执行相应动作。
本发明另一实施例提供的技术方案如下：
一种基于毫米波雷达的马桶控制系统，所述系统包括：
毫米波雷达，用于基于调频连续波获取DFFT数据帧；
微控制器，用于获取毫米波雷达发送的DFFT数据帧，对DFFT数据帧进行处理，判断感应区域内是否有人，若感应区域内有人，则打开马桶盖，进行手势识别并执行相应动作。
一实施例中，所述微控制器包括：
第一接口，用于向毫米波雷达发送输出DFFT数据帧的控制信息；
第二接口，用于根据手势识别结果控制马桶执行相应动作；
所述毫米波雷达包括：
第三接口，用于向微控制器发送DFFT数据帧。
一实施例中，第一接口为IIC接口，第二接口为UART接口、IIC接口、GPIO接口中的一种或多种，第三接口为SPI接口。
本发明具有以下有益效果：
与基于图像处理的非接触式马桶相比，本发明中通过毫米波雷达及微控制器即可实现，成本低，毫米波雷达不需要光线，不受光线影响，且不会存在隐私问题；
与基于红外的非接触式马桶相比，本发明中毫米波雷达可以穿透马桶，所以无需开孔，系统工作温度为-20℃～85℃，对温度变化不敏感，系统探测方位角为120°，探测区域大。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明马桶控制方法的流程示意图；
图2为本发明马桶控制系统的模块示意图；
图3为本发明一具体实施例中马桶控制系统的模块示意图；
图4为本发明一具体实施例中马桶控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明公开了一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，包括：
S1、获取毫米波雷达发送的DFFT数据帧；
S2、对DFFT数据帧进行处理，判断感应区域内是否有人；
S3、若感应区域内有人，则打开马桶盖，进行手势识别并执行相应动作。
参图2所示，本发明还公开了一种基于毫米波雷达的马桶控制系统，包括：
毫米波雷达，用于基于调频连续波获取DFFT数据帧；
微控制器，用于获取毫米波雷达发送的DFFT数据帧，对DFFT数据帧进行处理，判断感应区域内是否有人，若感应区域内有人，则打开马桶盖，进行手势识别并执行相应动作。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参图3所示，本发明一具体实施例中基于毫米波雷达的马桶控制系统，包括毫米波雷达和微控制器，毫米波雷达采用S3KM111(矽典微)智能毫米波传感器，微控制器采用GD32F350CBT6(兆易创新)，毫米波雷达采用FMCW调频连续波，结合雷达信号处理算法、人体感应算法、手势识别算法，对马桶感应区内的人体目标和手势动作进行探测并实时更新探测结果。
微控制器包括：
第一接口，第一接口为IIC接口，用于向毫米波雷达发送输出DFFT数据帧的控制信息；
第二接口，第二接口为UART接口、IIC接口、GPIO接口中的一种或多种，用于根据手势识别结果控制马桶执行相应动作。
毫米波雷达包括：
第三接口，第三接口为SPI接口，用于向微控制器发送DFFT数据帧。
系统上电以后，微控制器通过IIC接口配置毫米波雷达S3KM111使其输出DFFT数据。微控制器通过SPI接口接收该DFFT数据，经过一系列算法处理之后，微控制器通过UART接口(或IIC接口、GPIO接口)输出处理结果来控制马桶做相应动作。
参图4所示，本实施例中基于毫米波雷达的马桶控制方法，具体包括：
1、获取毫米波雷达发送的DFFT数据帧。
首先微控制器通过IIC接口配置毫米波雷达S3KM111，毫米波雷达S3KM111采用调频连续波进行数据采集，并输出DFFT数据帧。
2、对DFFT数据帧进行处理，判断感应区域内是否有人。
微控制器对DFFT数据帧进行处理具体为：
解析DFFT数据帧，去掉帧头帧尾，得到DFFT矩阵，DFFT矩阵的行代表速度维，列代表距离门；
对DFFT矩阵进行动态去杂波，得到DFFT_clean矩阵；
根据感应区域的大小，计算有效距离门，把DFFT_clean矩阵中无效距离门对应的列清零；
对DFFT_clean矩阵进行累加得到DFFT_acc矩阵；
获取DFFT_acc矩阵中每一列的最大值rangeMax，并保存最大值rangeMax和最大值对应的行号dopplerIndex，得到dopplerIndex数组及rangeMax数组。
微控制器判断感应区域内是否有人具体为：
若rangeMax数组中的任意值、或零速度维的rangeMax数值的累加值大于第一预设阈值，则判定感应区域内有人；
否则，判定感应区域无人。
3、若感应区域内有人，则打开马桶盖，进行手势识别并执行相应动作。
微控制器进行手势识别并执行相应动作包括：
对DFFT_acc矩阵进行二值化处理得到DFFT_hgr矩阵；
获取DFFT_hgr矩阵中最大值对应的行号，并缓存到vbuf中；
对vbuf最新的4个值求方差，若方差大于第二预设阈值，则判定有人开始做手势，然后从这4个值中找出最大值和最小值；
若最大值大于第三预设阈值，且手势识别计时器未启动，则启动手势识别计时器，并将手势识别状态置为第一状态，认为完成由下到上的挥手动作；
若最小值小于第四预设阈值，且手势识别状态为第一状态，则认为完成由上到下的挥手动作，并将手势识别状态置为第二状态；
在手势识别计时期间内，继续处理vbuf最新的数据；
若最大值大于第三预设阈值，且手势识别状态为第二状态，则认为在继续挥手，并将手势识别状态设置为第三状态；
若最小值小于第四预设阈值，且手势识别状态为第三状态，则将手势识别状态置为第四状态。
本实施例中，进行手势识别并执行相应动作还包括：
手势识别计时器超时后，若手势识别状态为第二状态，则认为完成一次上下挥手动作，打开马桶圈；
若手势识别状态为第四状态，则认为完成大于一次上下挥手动作，执行冲水；
若手势识别状态为其他状态，则认为没有做有效手势，不执行任何动作。
4、进行手势识别并执行相应动作之后，若在预设时间内感应区域内无人，则关闭马桶盖，若在预设时间内感应区域内有人，则继续进行手势识别并执行相应动作。
系统启动手势识别之后，同时还会探测感应区域是否有人，如果感应区域无人，则启动无人定时器，超过10秒持续无人则停止手势识别，并关闭马桶盖(若马桶圈打开，则先关闭马桶圈，在关闭马桶盖)；如果在10秒内又探测到有人则重启无人定时器，继续探测。
本实施例中的预设时间以10秒为例进行说明，在其他实施例中也可以根据需要设置其他时间。
5、关闭马桶盖之后，系统重新回到探测是否有人在感应区域的状态。
本发明中马桶控制系统具有以下功能：
每次如厕时，当人走进设定的感应区域内，马桶会立即自动打开马桶盖；
如果需要打开马桶圈，则做一次上下挥手动作即可；
如果需要冲水，则需要做大于一次上下挥手的动作；
如厕完毕后，离开感应区域预设时间后，马桶盖会自动关盖(如果马桶圈已经打开，会先关闭马桶圈，在关闭马桶盖)。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
与基于图像处理的非接触式马桶相比，本发明中通过毫米波雷达及微控制器即可实现，成本低，毫米波雷达不需要光线，不受光线影响，且不会存在隐私问题；
与基于红外的非接触式马桶相比，本发明中毫米波雷达可以穿透马桶，所以无需开孔，系统工作温度为-20℃～85℃，对温度变化不敏感，系统探测方位角为120°，探测区域大。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本说明书一个或多个实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本说明书一个或多个实施例的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本说明书一个或多个实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书一个或多个实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本说明书一个或多个实施例可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书一个或多个实施例，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种基于毫米波雷达的马桶控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、获取毫米波雷达发送的DFFT数据帧；
S2、对DFFT数据帧进行处理，判断感应区域内是否有人；
S3、若感应区域内有人，则打开马桶盖，进行手势识别并执行相应动作；
所述步骤S2中，对DFFT数据帧进行处理具体为：
解析DFFT数据帧，去掉帧头帧尾，得到DFFT矩阵，DFFT矩阵的行代表速度维，列代表距离门；
对DFFT矩阵进行动态去杂波，得到DFFT_clean矩阵；
根据感应区域的大小，计算有效距离门，把DFFT_clean矩阵中无效距离门对应的列清零；
对DFFT_clean矩阵进行累加得到DFFT_acc矩阵；
获取DFFT_acc矩阵中每一列的最大值rangeMax，并保存最大值rangeMax和最大值对应的行号dopplerIndex，得到dopplerIndex数组及rangeMax数组；
所述步骤S3中，进行手势识别并执行相应动作包括：
对DFFT_acc矩阵进行二值化处理得到DFFT_hgr矩阵；
获取DFFT_hgr矩阵中最大值对应的行号，并缓存到vbuf中；
对vbuf最新的4个值求方差，若方差大于第二预设阈值，则判定有人开始做手势，然后从这4个值中找出最大值和最小值；
若最大值大于第三预设阈值，且手势识别计时器未启动，则启动手势识别计时器，并将手势识别状态置为第一状态，认为完成由下到上的挥手动作；
若最小值小于第四预设阈值，且手势识别状态为第一状态，则认为完成由上到下的挥手动作，并将手势识别状态置为第二状态；
在手势识别计时期间内，继续处理vbuf最新的数据；
若最大值大于第三预设阈值，且手势识别状态为第二状态，则认为在继续挥手，并将手势识别状态设置为第三状态；
若最小值小于第四预设阈值，且手势识别状态为第三状态，则将手势识别状态置为第四状态，认为完成大于一次上下挥手动作。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的马桶控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，判断感应区域内是否有人具体为：
若rangeMax数组中的任意值、或零速度维的rangeMax数值的累加值大于第一预设阈值，则判定感应区域内有人；
否则，判定感应区域无人。
3.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的马桶控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，进行手势识别并执行相应动作还包括：
手势识别计时器超时后，若手势识别状态为第二状态，则认为完成一次上下挥手动作，打开马桶圈；
若手势识别状态为第四状态，则认为完成大于一次上下挥手动作，执行冲水；
若手势识别状态为其他状态，则认为没有做有效手势，不执行任何动作。
4.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的马桶控制方法，其特征在于，所述步骤S3后还包括：
S4、进行手势识别并执行相应动作之后，若在预设时间内感应区域内无人，则关闭马桶盖，若在预设时间内感应区域内有人，则继续进行手势识别并执行相应动作。
5.一种基于毫米波雷达的马桶控制系统，其特征在于，所述系统包括：
毫米波雷达，用于基于调频连续波获取DFFT数据帧；
微控制器，用于获取毫米波雷达发送的DFFT数据帧，对DFFT数据帧进行处理，判断感应区域内是否有人，若感应区域内有人，则打开马桶盖，进行手势识别并执行相应动作；
所述微控制器对DFFT数据帧进行处理具体为：
解析DFFT数据帧，去掉帧头帧尾，得到DFFT矩阵，DFFT矩阵的行代表速度维，列代表距离门；
对DFFT矩阵进行动态去杂波，得到DFFT_clean矩阵；
根据感应区域的大小，计算有效距离门，把DFFT_clean矩阵中无效距离门对应的列清零；
对DFFT_clean矩阵进行累加得到DFFT_acc矩阵；
获取DFFT_acc矩阵中每一列的最大值rangeMax，并保存最大值rangeMax和最大值对应的行号dopplerIndex，得到dopplerIndex数组及rangeMax数组；
所述微控制器进行手势识别并执行相应动作包括：
对DFFT_acc矩阵进行二值化处理得到DFFT_hgr矩阵；
获取DFFT_hgr矩阵中最大值对应的行号，并缓存到vbuf中；
对vbuf最新的4个值求方差，若方差大于第二预设阈值，则判定有人开始做手势，然后从这4个值中找出最大值和最小值；
若最大值大于第三预设阈值，且手势识别计时器未启动，则启动手势识别计时器，并将手势识别状态置为第一状态，认为完成由下到上的挥手动作；
若最小值小于第四预设阈值，且手势识别状态为第一状态，则认为完成由上到下的挥手动作，并将手势识别状态置为第二状态；
在手势识别计时期间内，继续处理vbuf最新的数据；
若最大值大于第三预设阈值，且手势识别状态为第二状态，则认为在继续挥手，并将手势识别状态设置为第三状态；
若最小值小于第四预设阈值，且手势识别状态为第三状态，则将手势识别状态置为第四状态，认为完成大于一次上下挥手动作。
6.根据权利要求5所述的基于毫米波雷达的马桶控制系统，其特征在于，所述微控制器包括：
第一接口，用于向毫米波雷达发送输出DFFT数据帧的控制信息；
第二接口，用于根据手势识别结果控制马桶执行相应动作；
所述毫米波雷达包括：
第三接口，用于向微控制器发送DFFT数据帧。
7.根据权利要求6所述的基于毫米波雷达的马桶控制系统，其特征在于，第一接口为IIC接口，第二接口为UART接口、IIC接口、GPIO接口中的一种或多种，第三接口为SPI接口。
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