基于毫米波雷達的車內嬰幼兒感知系統研究

蔡楚彬

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引言

根據最新調查顯示，嬰幼兒因監護人疏忽被遺忘在車內，造成的悲劇事件時而發生，特別在炎炎夏日，在汽車密閉的空間內部，經過太陽烘烤，容易造成車內氣溫上升，對兒童身體如腦腎等器官，造成不可逆的損傷，甚至對生命也會造成威脅。隨著近幾年對毫米波技術的研究，相關理論和應用也日漸成熟，因此基于毫米波雷達的技術已經逐漸應用在實際生活中的智能產品上。毫米波雷達技術能識別很小的物體，尤其對于識別多個物體，具有非常大的優勢。目前在監測呼吸心率、探測生命體征上都有相關應用。因此，研發一款車內嬰幼兒感知系統的產品在技術上是可行的，在市場上具有廣泛的應用前景。

本文提出的基于毫米波雷達對生命體征的探測，是基于TI公司的IWR6843應用設計，用于準確計數和跟蹤感興趣區域中的人數及對區域中的人進行生命體征探測[1]。雷達數據處理鏈包含了靜態雜波去除、距離方位角熱圖計算、俯仰角估計、多普勒提取以及靜止單目標的生命體征估計算法，以獲得4D點云信息，在使用目標追蹤算法對獲得的點云信息進行處理后，生命體征估計算法會將人員的生命體征信息估計出來。

本文通過毫米波雷達對汽車內生命體征探測之外，為能快速準確的判斷車內生命體征的人員是否處于危險狀態或者是正常狀態，并讓系統快速做出反應，本文提出在本系統中增加三軸傳感器、溫度傳感器、5G數據傳輸設備。結合以上傳感器數據，當車內檢測到車內存在生命體征時，車內溫度達到設定閾值，且車輛處于靜止狀態，這時車內將主動向系統預先設定的手機號碼發送遠程電話報警信息，并通知相關人員快速做出反應。

本系統主要由四部分構成：①雷達探測裝置，實現人體位置、心跳和呼吸生命體征檢測。②運動傳感器檢測，判斷車輛的運動狀態，為報警提供數據依據。③車內環境溫度檢測，記錄車輛內的環境溫度，為報警提供數據依據。④數據通信，采用5G通訊模組，實現數據的遠程監控和數據遠程報警功能。

1 毫米波雷達的生命體征檢測

此設計使用了FMCW波形固有的測距能力，在距離上對目標進行探測，找到對應的目標點后，因為生理活動引起體表運動，從而引起接收到雷達信號的相位變化，所以將進一步使用信號處理算法來提取呼吸和心率[2]。在既定的近距離使用場景中，選取信號反射能量最強點即為被測人體的胸腔，以此為基準對反射相位變化情況進行分析，從而得到呼吸疊加心跳導致的體表振幅變化。

如下圖1所示，每50ms為一幀，每次測量一組數據，通過慢時間積累N個幀的數據后，即可在感興趣的距離點上獲取到隨時間變化的相位變化情況，這個相位變化情況及反映了被測人的體表振幅變化（由生理活動中的呼吸及心跳產生）。

圖2 呼吸及心跳波形的分離算法流程圖

圖3 呼吸及心跳波形的分離結果示例

圖4 使用人員定位追蹤算法對生命體征監測輔助的信號鏈實現

得到體表振幅變化曲線的數據后，選取合適的滑動窗口，本設計使用512幀的數據進行估算，即25.6s的滑動窗口，以此相位信息進行相關濾波處理。

對于呼吸及心跳的估算，分別使用兩組不同截止頻率的帶通濾波器將呼吸及跳的信號波形濾出，并使用FFT或峰計數等方法得到被測人的呼吸及心跳值。

在實驗室環境測試，被測人距離雷達約1.5m的距離，測試過程中保持身體完全靜止，得到波形分離結果及心跳呼吸估算值如下：

此方法使用距離峰值檢測的方式來鎖定目標的距離點，并提取鎖定點的相位變化，反映了被測目標的體表波動，從原理上證明非接觸式探測人員呼吸心跳的可行性。

但是，在目標距離點鎖定的計算方法上，在實際應用中會存在一些缺陷。首先，它要求雷達與被測人之間沒有其他較強反射的靜態目標反射，否則最強反射能量點未必就是人體的胸腔，所以在應用中要求雷達與被測人之間的距離不能太遠，否則應用中對環境要求過高。其次，在被測環境中存在多個人的情況時，單純使用距離的信息并不能夠很好地將兩個目標分離出來。

為解決以上設計缺陷，本文提出了一個新的目標區域跟蹤方法，此方法是基于人數統計及人員定位的參考設計軟件框架。在通用的人數統計鏈路中，DSP底層算法同時獲取動態目標及靜態目標的4D點云信息，ARM核心拿到4D點云信息后，使用追蹤算法對運動特性一致的目標進行聚類，從而估計出不同目標的具體位置，將ARM核心運算完成后的追蹤結果（人員中心位置信息）反饋給到DSP中的生命體征監測鏈路以做進一步的分析[3]。本文所描述的方法，使用動態人員定位作為基礎，在獲得人員位置的坐標后，動態選擇該區域進行生命體征信號的提取與追蹤，可實現車內多個人員的生命體征監測并準確獲取數據的情況。

生命體征監測鏈路拿到檢測體的位置坐標后，需要從L3提取原始ADC數據，重新對監測區域的熱圖進行計算，得到檢測區域的熱圖后，再使用峰值搜索算法獲取瞬時的相位信息，從而實現了動態的檢測點、搜索區域調整。

在使用高層級的追蹤算法對目標進行追蹤的過程中，追蹤算法可以獲取目標的幾種運動狀態（FREE，DETECT，ACTIVE or SLEEP），由于生命體征監測中，每個檢測點的運算需要耗費約4ms的運算時間，ARM追蹤器追蹤結果的狀態輸出則可以幫助DSP節約一些運算時間，降低系統運算負載。

1.1 運動傳感器的檢測

運動傳感器采用MMA7260Q作為信號采集模塊。提供三軸向XYZ的加速度檢測，如下圖所示，三軸加速度傳感器放置車內，無論安裝方向如何，都能在XYZ三個方向獲取到車內的加速度值，通過信號處理，AD轉換之后，通過單片機進行數據處理分析，從而判斷汽車是處于運動狀態還是靜止狀態。

通過對ADC的數據采集，可以輕易判斷車輛當下運動狀態是處于靜止還是行駛狀態。從而實現在車內行駛過程中，在車內檢測到人體生命體征情況下，也不會觸發系統報警的目的。

1.2 車內環境溫度檢測

根據研究表明[4]，當環境溫度高于32℃，嬰幼兒身體容易出現悶熱。當環境溫度達到38℃以上時，嬰幼兒的身體調節功能就會出現阻礙，從而導致體溫升高。如果時間過長，很容易造成腦缺氧，呼吸不暢等不良反應，甚至出現休克的現象。當環境溫度低于-8℃時，身體長時間暴露在低溫下，會出現組織壞死，凍死等情況。

從以上研究表明無論處于何種情況下，車內的環境溫度對于車內人員，特別是嬰幼兒都存在致命傷害，因此增加車內環境溫度檢測是保證車內生命安全的一道重要防線。

一旦檢測到車內溫度達到高溫32℃，汽車處于靜止狀態，而且車內檢測到生命體征，系統發出預警信號。一旦汽車溫度達到38℃或者低于-8℃時，無論車里處于何種運動狀態，只要檢測到車輛存在生命體征，系統發出緊急報警信號[5]。

車內環境溫度檢測可采用DS18B20實現對環境溫度的采集，該芯片內置了溫度上限和下限報警功能，測溫范圍從－55℃～＋125℃，完全滿足當下系統的要求。

2 實驗結果與分析

在一車內安裝IWR6483雷達探測裝置，安裝高度選取1.1m，下傾角10°，安裝如下圖5所示：

圖5 測量角度說明

測試過程中被測人在0角度及大FOV角度下，測試結果如下所示：

表1 車輛狀態的測試結果

車輛在各種狀態測試結果如表1所示。在車輛靜止40min后，測量到車輛內部溫度達到32℃時，手機接收到平臺發送的預警短信“您使用的車輛內檢測到人員遺留，請檢查！”，當車輛內部溫度上升到38℃時，車輛蜂鳴器主動發出報警信號，并同時在預留手機收到報警短信“您使用的車輛內檢測到人員遺留，請速速查看！”在其余狀態下都不會觸發報警信號，該系統設計滿足設計預期。

3 結束語

基于毫米波雷達的車內嬰幼兒感知系統，結合了TI公司的IWR6483雷達探測和5G通信技術，可以準確、高效地對遺留的嬰幼兒進行識別，從而減少家庭悲劇的發生。該研究具有重大的社會意義和社會價值。