一种基于24G毫米波雷达人体感知检测系统

技术领域

本发明涉及人体检测技术领域，特别涉及一种基于24G毫米波雷达人体感知检测系统。

背景技术

随着人们对环境污染越来越重视，减少碳排放实现节能环保是当务之急。因此对监测办公室、会议室、生产车间等工作区域有没有人存在，以此来决定如空调、灯光等电气设备是否需要关闭，孕育了很多检测手段。

传统的手段是基于红外原理，主要思路是人体都有恒定的体温，所以会发出特定波长10μm左右的红外线；红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作。人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号，其主要框图如图1所示，但是红外技术存在以下缺点：

(1)容易受各种热源、阳光源干扰，红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探测器接收，易受射频辐射的干扰；

(2)环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；

(3)红外技术检测人体的作用距离短，灵敏度低，覆盖范围窄，达不到室内高度较高检测人体存在。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于24G毫米波雷达人体感知检测系统，以解决背景技术中的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于24G毫米波雷达人体感知检测系统，包括：

雷达芯片，通过调频连续波的发射和接收，将外界的物体信号转换成电信号，发送到MCU进行处理；

雷达天线，将射频信号进行波束压缩，能量更加集中，方向更加明确，同时提高所述雷达芯片的信号增益；

MCU，负责雷达芯片的信号采集，处理，输出，另外温度的采集也由MCU负责；

4GCAT1模块，将所述雷达芯片采集到的人体微动信号，也即人体存在信号发送到后台服务器，通过该服务器下发执行，控制电气设备的启停，最大化节能；

电源，为所述MCU、所述雷达芯片以及所述4GCAT1模块提供电压。

在一种实施方式中，所述基于24G毫米波雷达人体感知检测系统还包括温度传感器和光照度传感器，所述温度传感器用于室内温度的检测与电气设备控制形成闭环；所述光照度传感器用于检测室内的光照强度，以判断室内光线是否明亮。

在一种实施方式中，所述MCU通过SPI总线和雷达芯片通讯读取所述雷达芯片的人体感应原始数据，在MCU内部运行雷达原始数据处理程序和算法，通过算法最后得出人体是否存在。

在一种实施方式中，所述在MCU内部运行雷达原始数据处理程序和算法包括：

首先对采集到的原始数据进行滤波去除噪声，对数据加汉明窗防止频谱泄漏，进而做1D-FFT得到距离信息；

然后再做2D-FFT得到多普勒速度信息，对数据进行相干累计提高信号质量后做恒虚警检测CFAR算法，此时得出有没有微动信息也即人体存在信息；

最后将人体是否存在信息通过4GCAT1模块发送到后台服务器，此时在服务器就可以看到现场情况。

在一种实施方式中，所述MCU读取所述温度传感器的数据，最后把温度和人体是否存在的结果通过串口发给所述4GCAT1模块，所述4GCAT1模块通过MQTT协议将结果发给后台服务器。

在一种实施方式中，所述雷达芯片为24G雷达芯片，尺寸小且工作频率高。

在一种实施方式中，所述雷达天线由3个1X3的串馈微带贴片天线和一个三等分功分器组成，通过优化阵面单元排布，压窄波束，将波束压窄到±17度。

在一种实施方式中，所述电源采用AC-DC模块，将220V供电转换成直流5V电压。

在一种实施方式中，所述MCU的型号为GD32E230C8T6主控芯片。

在本发明提供的一种基于24G毫米波雷达人体感知检测系统中，具有以下有益效果：

(1)能够精确检测室内是否有人员存在；

(2)灵敏度高并且覆盖范围广，在室内高度较高时仍然能够检测人体存在；

(3)物业管理人员根据检测系统提示，管理电气设备启动或者开启，最大化节约电力能源。

附图说明

图1是传统红外热释电人体检测系统结构示意图。

图2是本发明提供的一种基于24G毫米波雷达人体感知检测系统的框架结构示意图。

图3是本发明提供的软件算法流程示意图。

图4是天线方向结构示意图。

图5是天线阵列结构示意图。

图6是CFAR算法结构示意图。

图7是2D-FFT变换示意图。

图8是本发明的基于24G毫米波雷达人体感知检测系统安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于24G毫米波雷达人体感知检测系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

针对红外检测距离短，灵敏度低，达不到室内高度较高的情况人体检测，本发明提出一种基于24G毫米波雷达人体感知检测系统，是针对室内高度较高的情况，利用毫米波雷达的检测技术。

所述基于24G毫米波雷达人体感知检测系统的框架图如图2所示，包括电源、4GCAT1模块、雷达芯片、雷达天线、MCU、温度传感器和光照度传感器。所述电源采用AC-DC模块，将220V供电转换成直流5V，为所述MCU、所述雷达芯片、所述4GCAT1模块、所述温度传感器以及所述光照度传感器提供电压；所述4GCAT1模块将所述雷达芯片采集到的人体微动信号，也即人体存在信号发送到后台服务器，通过该服务器下发执行，控制照明，取暖，空调等设备的启停，最大化节能；所述雷达芯片通过调频连续波(即FMCW)的发射和接收，将外界的物体信号转换成电信号，发送到MCU进行处理；所述MCU负责雷达芯片的信号采集，处理，输出，另外温度的采集和室内光照强度的检测也由MCU负责；所述雷达天线将射频信号进行波束压缩，能量更加集中，方向更加明确，同时提高雷达芯片的信号增益。

本发明的硬件的工作流程为：系统上电，电源(即AC-DC模块)把220V电压转换成5V电压，5V电压进一步转换成3.3V电压给所述MCU供电和3.8V给所述4GCAT1模块供电；所述MCU通过SPI总线和雷达芯片通讯读取雷达芯片的人体感应原始数据，在MCU内部运行雷达原始数据处理程序和算法，通过算法最后得出人体是否存在；同时MCU也读取温度传感器的数据，最后把温度和人体是否存在的结果通过串口发给所述4GCAT1模块，所述4GCAT1模块通过MQTT协议将结果发给后台服务器。雷达天线的主要功能就是负责能量转化，把雷达基带信号转换成电磁波发射和接收。

本发明的软件算法流程如图3所示：首先对采集到的原始数据进行滤波去除噪声，然后对数据加汉明窗防止频谱泄漏，进而做1D-FFT得到距离信息，然后再做2D-FFT得到多普勒速度信息，然后对数据进行相干累计提高信号质量后做恒虚警检测CFAR算法，此时就可以得出有没有微动信息也即人体存在信息，最后将人体是否存在信息通过4GCAT1模块发送到后台服务器，此时在服务器就可以看到现场情况。

对比于传统红外检测，本发明的毫米波雷达方案从硬件，软件算法，天线三个方面结合形成检测优势。

首先针对硬件，本发明采用了高集成度的24G雷达芯片，该芯片具有如下优点：

(1)工作频率高，带宽大，更大的信号带宽有利于提高测量的距离和微动的精度，具有更好的分辨能力；

(2)小尺寸，得益于工作频率高，因此毫米波雷达的天线和微波元器件可以较小，小的天线尺寸可获得窄波束。

其次针对天线，天线方向如图4所示，表示了天线在24GHz和24.25GHz频点处的增益方向图，天线增益达到了9dB，3dB波束宽度大于33°；天线阵列结构如图5所示，收发天线使用相同的天线，天线由3个1X3的串馈微带贴片天线和一个三等分功分器组成；通过优化阵面单元排布，压窄波束，将波束压窄到±17度，此时波束的能量更加集中，信噪比更高。

最后，在软件算法方面采用CFAR，相干累积，1D-FFT，2D-FFT等算法，有效的提高了雷达的信噪比和检测灵敏度。其中，CFAR(ConstantFalse AlarmRate，恒定虚警概率)算法结构如图6所示。恒定虚警概率下的检测器，是雷达目标检测的一种常见的手段。检测器功能都在于判断目标存在的有和无。因此检测器的作用就变成了在含有噪声的情况下确定信号存在还是不存在。本发明中通俗说就是在存在各种噪声的情况下，来区分到底是不是真实的人体存在。

图7为2D-FFT变换(距离，速度)示意图，对雷达芯片返回的每一个chirp信号的ADC数据做FFT，得到距离维度图，即Range-FFT图；对Rang-FFT图做纵向FFT，即得到速度维度的FFT，即Doppler-FFT；根据距离FFT(1D-FFT)和速度FFT(2D-FFT)的结果进行判断，可以初步判定有无人体微动，即感应到人体存在。

本发明的基于24G毫米波雷达人体感知检测系统安装示意图如图8所示，在实际使用中，人在高度8米，雷达下方直径5米的范围内，可以检测到人体。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。