CN111417242A - 一种无线感知节能灯控系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无线感知节能灯控系统及控制方法，包括电源管理模块、亮度检测模块、毫米波雷达探测模块、人体微动多普勒雷达信号处理模块、智能灯控决策控制模块和继电器模块；电源管理模块连接亮度检测模块、毫米波雷达探测模块和人体微动多普勒雷达信号处理模块；亮度检测模块连接智能灯控决策控制模块；智能灯控决策控制模块连接毫米波雷达探测模块；毫米波雷达探测模块连接人体微动多普勒雷达信号处理模块；人体微动多普勒雷达信号处理模块连接继电器模块。本发明实现了小区域的自动亮度检测，一方面避免了人为开关的麻烦，另一方面也克服了定时开关对于天气变化等突发情况不能实时响应的缺陷。

Description

一种无线感知节能灯控系统及控制方法

技术领域

本发明属于节能灯控技术领域，特别涉及一种无线感知节能灯控系统及控制方法。

背景技术

随着时代的发展和电子科技产品的层出不穷，电能已经与国民经济的各部门和人民日常生活密不可分。但是电能只能由一次能源经过加工转换而成，基于一次能源的种类，目前已经成熟开发利用的电能技术产生方式主要有火力发电、水力发电、风力发电以及原子能发电。其中火力发电以燃煤发电为主。众所周知，煤是不可再生资源，而且燃煤散烧时会产生大量颗粒物(包括一次PM2.5)以及二氧化硫、氮氧化物、烃类等有害气体，这些气态污染物在大气中又会发生一系列化学反应生成二次PM2.5，形成雾霾，造成严重的环境污染，最终影响到人的身体健康。因此，在开发环保型电能产生方式的同时，节约电力资源就显得尤为重要。

目前在各大公共场所均存在不同程度的电力资源浪费问题，各大高校自习教室、图书馆也不例外，经常会出现教室灯火通明但是学生寥寥无几的现象，各大高校为此提出了诸多措施，比如呼吁学生随手关灯、设置专门人员进行管理、教室限时开放等，但是效果不佳。除了这种被动式的人管灯的方式以外，也有比如声控、红外等方式的智能灯控方式。但是在诸如教室、图书馆等需要保持安静的环境采用声控的方式显然是不合适的，与此同时，红外探测容易受到环境、遮挡物的影响，而且当人体温度与环境温度相当时，探测灵敏度会大幅下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线感知节能灯控系统及控制方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种无线感知节能灯控系统，包括电源管理模块、亮度检测模块、毫米波雷达探测模块、人体微动多普勒雷达信号处理模块、智能灯控决策控制模块和继电器模块；电源管理模块连接亮度检测模块、毫米波雷达探测模块和人体微动多普勒雷达信号处理模块；亮度检测模块连接智能灯控决策控制模块；智能灯控决策控制模块连接毫米波雷达探测模块；毫米波雷达探测模块连接人体微动多普勒雷达信号处理模块；人体微动多普勒雷达信号处理模块连接继电器模块。

进一步的，电源管理模块连接电源，用于为其它模块提供工作电压；亮度检测模块用于自动对探测区域内的亮度进行检测，并且将检测到的亮度值实时传送给智能灯控决策控制模块。

进一步的，智能灯控决策控制模块用于对整个系统进行决策控制，包括对毫米波雷达探测模块工作状态以及继电器工作状态的控制。

进一步的，毫米波雷达探测模块用于所处区域内毫米波雷达探测信号的无线发射及回波信号的无线接收，并且将回波信号传输至人体微动多普勒雷达信号处理模块进行进一步的信号处理；人体微动多普勒雷达信号处理模块用于对毫米波雷达回波信号进行放大、滤波后提取信号特征传输至智能灯控决策控制模块。

进一步的，毫米波雷达探测到的人体微动信号的信号幅度与人体在K波段的雷达散射截面RCS有关，根据实际探测结果分析人体微动信号在不同特征域中的典型特征，依据特征类型选择最佳的特征提取方法，毫米波雷达探测到的人体微动信号的信号频率为多普勒频率，与人体“微动”的速度有关，频率计算如下：

式中：

f_d——多普勒频率；

V——运动速度；

λ——射频信号波长。

进一步的，一种无线感知节能灯控系统的控制方法，包括以下步骤：

首先将接收到的亮度检测模块的亮度测量值与预设阈值进行比对，当亮度值高于阈值时，不启动毫米波雷达探测器进行探测；否则，当探测区域内亮度低于设置的阈值，即当前探测区域弱光或无关时，启动毫米波雷达探测模块对于探测区域内否有人进行进一步探测；

其次，当人体微动多普勒雷达信号处理模块检测到人体特征时，启动继电器给照明设施进行供电，为当前探测区域内的人照明；否则表明当前探测区域内无人，无需进行照明。

进一步的，人体微动多普勒雷达信号处理模块的特征提取方法采用：采用Wigner-Ville魏格纳维尔分布和W-V分布峰值检测法提取微多普勒，此外在多分量信号中提取微多普勒特征时，利用重构的平滑伪W-V分布有效抑制交叉项；(魏格纳维尔Wigner-Ville，简称：W-V)。

具体的：

①W-V分布和瞬时频率

对于解析信号z(t)，其W-V分布定义为

对于离散信号z(n)(1≤n≤M)，离散W-V分布为

W(m,k)＝FFT[R(m,n)] (3)

其中FFT[·]表示快速傅里叶变换，R_M×(2N+1)为信号的瞬时自相关矩阵，表示为

②W-V分布峰值检测法

W-V分布的峰值在时频面的投影为瞬时频率；设信号的离散W-V分布W(m,k)为M×(2N+1)矩阵，则瞬时频率近似为

f(m)＝arg{max_1≤k≤2N+1{W(m,k)}}, 1≤m≤M (5)

其中arg{·}为取宗量运算，若信号为微动目标对单频连续波的回波，且由径向匀速平动引起的频移为f_u，则微多普勒为

f_microD(m)＝f(m)-f_u 1≤m≤M (6)

微多普勒率为

其中Δt为采样间隔；

为了保证微多普勒的连续性，需要对其进行平滑，即

其中p为平滑窗长度；

③一阶时间条件矩法

信号的瞬时频率为时间的一阶条件矩[22]

离散瞬时频率表示为

④平滑伪W-V分布(SPWVD)

从式(2)所示的W-V分布定义可以看出，W-V分布本质上是一种双线性变换，对于多分量信号将出现所谓的“交叉项干扰”，它们来自多分量信号中不同信号分量之间的交叉作用，对于一般的多分量非平稳信号，各种时频分布交叉项非常严重，减小交叉项分布(RID)一般形式为

它是通过对u和τ两者加组合窗函数获得比较理想的交叉项抑制效果，W-V分布未加任何窗函数，所以对u和τ同时加窗的思想也适用于它，采用的窗函数形式为g(u)h(τ)，即对u和τ分别加g(u)、h(τ)，这样得到的W-V分布称作SPWD，定义为

式中，g(u)和h(τ)均为实偶函数，且g(0)＝h(0)＝1。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明是一种基于人体微动多普勒雷达特征的无线感知节能灯控系统，通过区域亮度的自动检测结合人体微动多普勒雷达特征来实现小区域的智能灯控。当小区域亮度不足，且区域内有人时才对该区域进行照明。本发明实现了小区域的自动亮度检测，一方面避免了人为开关的麻烦，另一方面也克服了定时开关对于天气变化等突发情况不能实时响应的缺陷。本发明利用人体微动雷达多普勒特征进行人体探测，可实现对人体的实时、高灵敏度、准确探测。基于人体微动多普勒雷达特征的无线感知节能灯控系统具有结构简单、体积小、成本低廉、灵敏度高、不受环境影响等优点，可用于一切需要节约电能资源的场合，特别适用于图书馆、教室等空间区域较大、使用者地理位置相对分散的环境。

附图说明

图1是本发明的系统实现框图。

图2是本发明的系统功能示意图。

图3是本发明的毫米波雷达探测模块框图。

图4是本发明的信号处理模块框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图4，一种无线感知节能灯控系统，包括电源管理模块、亮度检测模块、毫米波雷达探测模块、人体微动多普勒雷达信号处理模块、智能灯控决策控制模块和继电器模块；电源管理模块连接亮度检测模块、毫米波雷达探测模块和人体微动多普勒雷达信号处理模块；亮度检测模块连接智能灯控决策控制模块；智能灯控决策控制模块连接毫米波雷达探测模块；毫米波雷达探测模块连接人体微动多普勒雷达信号处理模块；人体微动多普勒雷达信号处理模块连接继电器模块。

请参阅图2所示，本发明一种基于人体微动多普勒雷达特征的无线感知节能灯控系统，实现探测区域亮度的自动测量，并且在弱光或无光且探测到人体时自动进行照明，以“一灯一控”、“一灯一区域”、“人在灯亮”、“人走灯灭”为最终设计目的。包括：电源管理模块、亮度检测模块、毫米波雷达探测模块、人体微动多普勒雷达信号处理模块、智能灯控决策控制模块、继电器模块。

请参阅图1所示，电源管理模块负责将220V交流电转换为稳定的+5V直流电压，为其它模块提供工作电压。亮度检测模块自动对所处区域的亮度进行检测，目的是弱光或无光时才启动毫米波雷达探测器进行工作，否则毫米波雷达探测器只是出于待机状态，从而进一步节省系统能耗。智能灯控决策控制模块负责对整个系统进行决策控制，主要包括对毫米波雷达探测模块工作状态以及继电器工作状态的控制。首先将接收到的亮度检测模块的亮度测量值与预设阈值进行比对，当亮度值高于阈值时，不启动毫米波雷达探测器进行探测。否则，当探测区域内亮度低于设置的阈值，即当前探测区域弱光或无关时，启动毫米波雷达探测模块对于探测区域内否有人进行进一步探测。其次，当人体微动多普勒雷达信号处理模块检测到人体特征时，启动继电器给照明设施进行供电，为当前探测区域内的人照明。否则表明当前探测区域内无人，无需进行照明。

请参阅图3所示，毫米波雷达探测模块负责在弱光或无关时对探测区域是否有人进行实时、准确的探测。为了对人体微动多普勒信号进行探测且达到安装简易、“一灯一控”的目的，本发明需要采用小尺寸雷达。本发明采用的雷达发射的信号频率为24GHz(位于K波段)，采用超外差接收方式进行接收。采用探测天线波束宽度大于等于60°，拟选用介电常数为3.66、厚度为0.254mm的罗杰斯4350板材。

请参阅图4所示，人体微动多普勒雷达信号处理模块负责对毫米波雷达探测模块探测到的信号放大、滤波后进行信号特征提取，根据特征判断探测区域内是否有人。毫米波雷达探测到的人体微动信号的信号幅度与人体在K波段的RCS(雷达散射截面)有关，根据实际探测结果分析人体微动信号在不同特征域中的典型特征，进一步依据特征类型选择最佳的特征提取方法并物理实现。毫米波雷达探测到的人体微动信号的信号频率为多普勒频率，与人体“微动”的速度有关。采用K波段电磁波探测人体微动多普勒信号，该信号幅度小，频率低。因此拟采用模拟预处理与数字识别判决相结合的方法实现对人体微动多普勒信号的实时处理及决策。由于人体微动多普勒信号是随时间变化的非平稳信号，而传统的傅里叶变换不包含时间信息，因此对于人体微动多普勒信号而言不能采用传统的傅里叶变换对其进行分析。高分辨的时频分布是动态信号和多信号分析的一种有效工具，它可以在时间和频率二维空间获取信号的时变特性，从而可以用于分析人体微动雷达回波信号。本发明拟采用Wigner-Ville(魏格纳维尔，简记为W-V)分布和W-V分布峰值检测法提取微多普勒，此外在多分量信号中提取微多普勒特征时，可以利用重构的平滑伪W-V分布有效抑制交叉项。

作为一个完整的实施例，以下对基于人体微动多普勒雷达特征的无线感知节能灯控系统的工作过程进行详细描述：当所述系统的亮度检测模块检测到当前探测区域亮度值时，实时传送给智能灯控决策控制模块，当亮度实测值低于亮度阈值时，启动毫米波雷达探测模块对当前区域进行探测，并将探测信号传送给人体微动多普勒雷达信号处理模块进行放大、滤波、特征提取，当提取到人体雷达毫米波信号特征时给继电器发送开关信号启动照明设施进行照明，否则不进行照明。实现了亮度充足时无论是否有人均不照明，亮度不足且仅在有人时才进行照明的无线感知节能灯光控制。

Claims (7)

1.一种无线感知节能灯控系统，其特征在于，包括电源管理模块、亮度检测模块、毫米波雷达探测模块、人体微动多普勒雷达信号处理模块、智能灯控决策控制模块和继电器模块；电源管理模块连接亮度检测模块、毫米波雷达探测模块和人体微动多普勒雷达信号处理模块；亮度检测模块连接智能灯控决策控制；模块智能灯控决策控制模块连接毫米波雷达探测模块；毫米波雷达探测模块连接人体微动多普勒雷达信号处理模块；人体微动多普勒雷达信号处理模块连接继电器模块。

2.根据权利要求1所述的一种无线感知节能灯控系统，其特征在于，电源管理模块连接电源，用于为其它模块提供工作电压；亮度检测模块用于自动对探测区域内的亮度进行检测，并且将检测到的亮度值实时传送给智能灯控决策控制模块。

3.根据权利要求1所述的一种无线感知节能灯控系统，其特征在于，智能灯控决策控制模块用于对整个系统进行决策控制，包括对毫米波雷达探测模块工作状态以及继电器工作状态的控制。

4.根据权利要求1所述的一种无线感知节能灯控系统，其特征在于，毫米波雷达探测模块用于所处区域内毫米波雷达探测信号的无线发射及回波信号的无线接收，并且将回波信号传输至人体微动多普勒雷达信号处理模块进行进一步的信号处理；人体微动多普勒雷达信号处理模块用于对毫米波雷达回波信号进行放大、滤波后提取信号特征传输至智能灯控决策控制模块。

5.根据权利要求4所述的一种无线感知节能灯控系统，其特征在于，毫米波雷达探测到的人体微动信号的信号幅度与人体在K波段的雷达散射截面RCS有关，根据实际探测结果分析人体微动信号在不同特征域中的典型特征，依据特征类型选择最佳的特征提取方法，毫米波雷达探测到的人体微动信号的信号频率为多普勒频率，与人体“微动”的速度有关，频率计算如下：

式中：

f_d——多普勒频率；

V——运动速度；

λ——射频信号波长。

6.一种无线感知节能灯控系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求1至5任意一项所述的一种无线感知节能灯控系统，包括以下步骤：

首先将接收到的亮度检测模块的亮度测量值与预设阈值进行比对，当亮度值高于阈值时，不启动毫米波雷达探测器进行探测；否则，当探测区域内亮度低于设置的阈值，即当前探测区域弱光或无关时，启动毫米波雷达探测模块对于探测区域内否有人进行进一步探测；

其次，当人体微动多普勒雷达信号处理模块检测到人体特征时，启动继电器给照明设施进行供电，为当前探测区域内的人照明；否则表明当前探测区域内无人，无需进行照明。

7.根据权利要求6所述的一种无线感知节能灯控系统的控制方法，其特征在于，人体微动多普勒雷达信号处理模块的特征提取方法采用：采用Wigner-Ville魏格纳维尔分布和W-V分布峰值检测法提取微多普勒，此外在多分量信号中提取微多普勒特征时，利用重构的平滑伪W-V分布有效抑制交叉项；W-V是Wigner-Ville魏格纳维尔的简称；

具体的：

①W-V分布和瞬时频率

对于解析信号z(t)，其W-V分布定义为

对于离散信号z(n)(1≤n≤M)，离散W-V分布为

W(m,k)＝FFT[R(m,n)] (3)

其中FFT[·]表示快速傅里叶变换，R_M×(2N+1)为信号的瞬时自相关矩阵，表示为

②W-V分布峰值检测法

W-V分布的峰值在时频面的投影为瞬时频率；设信号的离散W-V分布W(m,k)为M×(2N+1)矩阵，则瞬时频率近似为

f(m)＝arg{max_1≤k≤2N+1{W(m,k)}},1≤m≤M (5)

其中arg{·}为取宗量运算，若信号为微动目标对单频连续波的回波，且由径向匀速平动引起的频移为f_u，则微多普勒为

f_microD(m)＝f(m)-f_u1≤m≤M (6)

微多普勒率为

其中Δt为采样间隔；

为了保证微多普勒的连续性，需要对其进行平滑，即

其中p为平滑窗长度；

③一阶时间条件矩法

信号的瞬时频率为时间的一阶条件矩

离散瞬时频率表示为

④平滑伪W-V分布(SPWVD)

从式(2)所示的W-V分布定义可以看出，W-V分布本质上是一种双线性变换，对于多分量信号将出现所谓的“交叉项干扰”，它们来自多分量信号中不同信号分量之间的交叉作用，对于一般的多分量非平稳信号，各种时频分布交叉项非常严重，减小交叉项分布(RID)一般形式为

它是通过对u和τ两者加组合窗函数获得比较理想的交叉项抑制效果，W-V分布未加任何窗函数，所以对u和τ同时加窗的思想也适用于它，采用的窗函数形式为g(u)h(τ)，即对u和τ分别加g(u)、h(τ)，这样得到的W-V分布称作SPWD，定义为

式中，g(u)和h(τ)均为实偶函数，且g(0)＝h(0)＝1。

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