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CN113885015B - 一种基于毫米波雷达的智能厕所系统 - Google Patents

一种基于毫米波雷达的智能厕所系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于毫米波雷达的智能厕所系统，该系统在利用毫米波雷达监测厕所的使用情况，通过利用毫米波雷达监测厕所使用情况，实现对厕所的智慧保洁、自动开关灯、地面积水报警、自动换气、厕所使用情况显示、流量统计等智能应用；本发明包括用于挂在厕所墙面的毫米波雷达，以及根据毫米波雷达数据处理结果控制的智慧保洁系统、自动换气设备、自动开灯设备、智慧统计显示设备。本发明适用于智慧城市领域。

Description

一种基于毫米波雷达的智能厕所系统
技术领域
本发明涉及智慧城市技术领域，特别涉及一种基于毫米波雷达的智能厕所系统。
背景技术
小厕所，大民生，厕所虽小，却折射了民生。厕所是衡量文明的重要标志，改善厕所卫生状况直接关系到这些国家人民的健康和环境状况。随着生活水平的改善和健康水平的提高，公厕的环境卫生也更能体现一个城市的建设水平，而一个国家的厕所状况，则更能体现国家的文化和国家的文明程度。从这个意义上看，公厕设施的改善、卫生入厕等行为的形成、健康厕所文化的树立，既是个人和家庭的私事，也是国家和民族的大事。
目前，城市公共厕所存在以下几个问题：
1随着城市化发展，越来越多人集中在城市。城市人员聚集地方，比如商场、办公楼等常常存在厕所紧缺问题。
2厕所的保洁和养护也经常耗费大量的人力。由于对厕所使用情况缺乏了解，保洁人员需要经常去查看并清洁厕所位。
3由于厕所耗水大，地面经常存在积水问题，容易使人滑倒，需要及时处理。
4厕所由于是公共区域，缺乏负责人，厕所灯光以及排风扇经常24小时运转照成能源大量浪费。
由于厕所涉及到隐私问题，常规的摄像头无法在厕所环境中使用。无隐私问题的红外和激光应用范围有限，需要安装在每个厕所位的上方，准确性低和施工难度大，且激光和红外镜头类似摄像头，易让人产生担忧。毫米波雷达可以监测人员位置与运动情况，以及地面积水情况，可以完美地解决上述问题。同时，毫米波雷达存在检测准确率高，不管是静止、微运动还是运动人员都可以实现准确检测；无隐私、敏感问题，无镜头设计；超低功耗，辐射量仅为蓝牙十分之一，对人体安全无害；检测距离远，适配各种安装高度；可自由设定检测范围，适用于不同大小和形状的空间区域；不受环境障碍物影响，如烟雾，污垢遮挡、低光照，热源等，不需要任何维护；美观、可隐藏在木材或塑料天花板等非金属材料后等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于毫米波雷达的智能厕所系统，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种基于毫米波雷达的智能厕所系统，包括毫米波雷达、雷达信号处理模块和智能应用终端，所述毫米波雷达和雷达信号处理模块安装于厕所墙面上，所述毫米波雷达与雷达信号处理模块相连接，所述雷达信号处理模块与智能应用终端相连接，所述控制方法包括如下步骤：
S1、毫米波雷达通过发射电磁波对厕所环境进行感知，电磁波遇到目标后反射形成雷达回波，毫米波雷达接收雷达回波并对雷达回波进行解调；
S2、雷达信号处理模块对解调后的雷达回波进行距离维的快速傅里叶变换提取回波频率得到对应的距离维信息，再对距离维信息进行快速傅里叶变换进行速度提取得到速度维信息；
S3、根据速度维信息，利用CFAR算法判断是否有人员进入厕所；若有人员则进入下一步；反之，回到步骤S1；
S4、毫米波雷达通过监测厕所内人员位置与速度，确定厕所是否被使用，并判断使用厕所具体位置，对其使用情况以及使用时间进行统计；
S5、毫米波雷达通过监测厕所位内人员是否转身和下蹲判断进入厕所位的人员的目的。
作为优选，所述步骤S4具体包含如下子步骤：
S41、根据进入厕所的人员的雷达回波进行到达角估计得到方位信息；
S42、根据入厕所的人员的距离维信息和方位信息确定进入厕所位的编号；
S43、对该厕所位的使用状态信息进行标记；
S44、统计该厕所位的使用频次。
作为优选，所述步骤S5具体包含如下子步骤：
S51、根据厕所位内的人员的雷达回波的点云数据的强度和水平方向微多普勒变化符合度提取出转身概率；所述转身概率的值大于等于0小于等于1；
S52、根据厕所位内的人员的雷达回波点云上下变化以及垂直方位的微多普勒变化，提取出下蹲概率；所述下蹲概率的值大于等于0小于等于1；
S53、根据转身概率和下蹲概率，判断厕所位内的人员的目的；
作为优选，所述步骤S53具体判断过程如下：计算转身概率和下蹲概率之和，若转身概率和下蹲概率之和小于等于1，则判断为打扫卫生；若转身概率和下蹲概率之和大于1，则判断为使用厕所。
作为优选，所述智能应用终端包括地面积水报警装置，所述控制方法还包括步骤S6、毫米波雷达根据雷达回波的强度判断厕所地面是否存在积水；具体操作如下：
S61、训练测试不同纹理材质厕所地面的雷达回波数据，得到相应的雷达强度阈值；
S62、当厕所地面的雷达回波的强度低于雷达强度阈值时，判断厕所地面存在积水；反之判断厕所地面不存在积水；
S63、当判断厕所地面存在积水时，地面积水报警装置呼叫保洁进行打扫。
作为优选，所述智能应用终端包括自动开关灯和自动排风扇，所述步骤S3中判断为有人员进入厕所后，则开启自动开关灯和自动排风扇。
本发明的有益效果：
本发明可以在不侵犯隐私的前提下，实现对厕所使用情况的监控与智能管理。本系统的应用可以改善人员密集区域厕所紧缺排队问题，也可以减少保洁人员工作内容，提高厕所保洁效果，同时减小厕所由于没人关灯关排气扇带来的能源浪费；
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明一种基于毫米波雷达的智能厕所系统的平面示意图；
图2是本发明一种基于毫米波雷达的智能厕所系统的控制流程图；
图3是雷达解调回波经过一次FFT后得到的距离-时间图；
图4是雷达解调回波经过二次FFT后得到的距离-速度图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参阅图1，本发明提出一种基于毫米波雷达的智能厕所系统，该系统可以安装在厕所墙壁上实现对厕所使用情况的智能管理和控制，包括毫米波雷达、雷达信号处理数字电路、无线物联模块，以及智能无线控制灯泡、智能排气扇、无线喇叭、以及包含配套的智慧保洁、厕所使用情况显示、流量统计等功能的智能移动终端；其中，毫米波雷达和雷达信号处理数字电路位于厕所上方墙面，检测不同位置人员运动情况、地面积水情况。
参阅图2，本发明一种基于毫米波雷达的智能厕所系统的控制方法：
毫米波雷达安装在厕所墙面上，对着厕所位，毫米波雷达通过发射30GHz-300GHz的线性调频电磁波对环境进行感知。遇到目标的电磁波反射回去被接收，并与发射的回波进行相乘并低通滤波可以得到解调的回波信息，该解调信息的频率对应着目标的距离信息。参阅图3，对该解调后的雷达回波进行距离维的快速傅里叶变换(FFT)提取回波频率(既对应的距离信息)，参阅图4，再对每个距离维的数据FFT进行速度提取，其中，黑色方块代表该单元回波能量较强，根据速度维的结果，利用CFAR(恒虚警检测)算法判断是否有人进入厕所位，并根据距离维信息以及方位信息确定进入厕所位位置，对该信息进行记录；CFAR不限于均值类CFAR、统计有序类CFAR等算法。方位信息估计算法不限于波束形成(BF)、多重信号分类(MUSIC)等到达角估计算法；
根据雷达回波判断进入厕所位使用人是否存在蹲下和转身行为，如果同时存在下蹲和转身行为就判定为使用厕所，否则判断为清洁厕所；由于多普勒效应，雷达照射目标的蹲下和转身运动会使得雷达的回波也存在相应的速度变化，而静止物体的回波的速度为0，根据目标的速度变化可以估计其运动状态。在具体雷达回波判断过程中，应结合点云和微多普勒数据对转身和下蹲行为概率进行判断。利用点云数据的变化来判断是否存在转身行为，根据点云数据的强度和水平方向微多普勒变化符合度提取出转身概率Pz(0≤Pz≤1)。通过分析雷达目标回波点云上下变化以及垂直方位的维多普勒变化，提取出下蹲概率Pd(0≤Pd≤1)。定义Pu＝Pd+Pz(0≤Pd≤2)为两者的概率之和，当Pu≤1时，判为清洁厕所，当Pu＞1时，判断为使用厕所。；
反射物的纹理和材料决定了雷达接收到的反射回波的强弱分布。正常无积水情况下，雷达回波的RD图上的0多普勒区域存在一定强度的雷达回波。当地面存在积水时，毫米波雷达地面方向的回波强度变弱，可以判定为地面存在积水，推送保洁人员提醒清洁，以及提醒使用人小心积水；在判断过程中，根据厕所地面纹理和材质，在实际过程中通过实验测试得到最佳强度判断阈值。
根据得到的厕所使用情况，对厕所灯光以及厕所排风扇进行自动控制；
根据步骤得到的厕所使用情况，统计各厕所使用情况，让保洁人员减少对长期无人使用厕所的保洁，减少清洁人员无效查看的次数，实现较少保洁人员对更多厕所的动态智能高效保洁；
根据得到的厕所使用情况，提醒保洁人员给使用频次达到一定数目的厕所位进行保洁和纸张添置。实际应用中频次的设定可以根据保洁人员情况以及成本等进行相应的调整。
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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于毫米波雷达的智能厕所系统，其特征在于，包括毫米波雷达、雷达信号处理模块和智能应用终端，所述毫米波雷达和雷达信号处理模块安装于厕所墙面上，所述毫米波雷达与雷达信号处理模块相连接，所述雷达信号处理模块与智能应用终端相连接；所述智能厕所系统的控制方法包括如下步骤：
S1、毫米波雷达通过发射电磁波对厕所环境进行感知，电磁波遇到目标后反射形成雷达回波，毫米波雷达接收雷达回波并对雷达回波进行解调；
S2、雷达信号处理模块对解调后的雷达回波进行距离维的快速傅里叶变换提取回波频率得到对应的距离维信息，再对距离维信息进行快速傅里叶变换进行速度提取得到速度维信息；
S3、根据速度维信息，利用CFAR算法判断是否有人员进入厕所；若有人员则进入下一步；反之，回到步骤S1；
S4、毫米波雷达通过监测厕所内人员位置与速度，确定厕所是否被使用，并判断使用厕所具体位置，对其使用情况以及使用时间进行统计；
S5、毫米波雷达通过监测厕所位内人员是否转身和下蹲判断进入厕所位的人员的目的；若同时存在下蹲和转身行为就判定为使用厕所；否则判断为清洁厕所；
S51、根据厕所位内的人员的雷达回波的点云数据的强度和水平方向微多普勒变化符合度提取出转身概率；所述转身概率的值大于等于0小于等于1；
S52、根据厕所位内的人员的雷达回波点云上下变化以及垂直方位的微多普勒变化，提取出下蹲概率；所述下蹲概率的值大于等于0小于等于1；
S53、根据转身概率和下蹲概率，判断厕所位内的人员的目的；计算转身概率和下蹲概率之和，若转身概率和下蹲概率之和小于等于1，则判断为打扫卫生；若转身概率和下蹲概率之和大于1，则判断为使用厕所。
2.如权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的智能厕所系统，其特征在于，所述步骤S4具体包含如下子步骤：
S41、根据进入厕所的人员的雷达回波进行到达角估计得到方位信息；
S42、根据入厕所的人员的距离维信息和方位信息确定进入厕所位的编号；
S43、对该厕所位的使用状态信息进行标记；
S44、统计该厕所位的使用频次。
3.如权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的智能厕所系统，其特征在于，所述智能应用终端包括地面积水报警装置，所述控制方法还包括步骤S6、毫米波雷达根据雷达回波的强度判断厕所地面是否存在积水；具体操作如下：
S61、训练测试不同纹理材质厕所地面的雷达回波数据，得到相应的雷达强度阈值；
S62、当厕所地面的雷达回波的强度低于雷达强度阈值时，判断厕所地面存在积水；反之判断厕所地面不存在积水；
S63、当判断厕所地面存在积水时，地面积水报警装置呼叫保洁进行打扫。
4.如权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的智能厕所系统，其特征在于，所述智能应用终端包括自动开关灯和自动排风扇，所述步骤S3中判断为有人员进入厕所后，则开启自动开关灯和自动排风扇。
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