基于毫米波雷达的车内婴幼儿感知系统研究

蔡楚彬

身份证号码：44528119****120013 广东 广州 511440

引言

根据最新调查显示，婴幼儿因监护人疏忽被遗忘在车内，造成的悲剧事件时而发生，特别在炎炎夏日，在汽车密闭的空间内部，经过太阳烘烤，容易造成车内气温上升，对儿童身体如脑肾等器官，造成不可逆的损伤，甚至对生命也会造成威胁。随着近几年对毫米波技术的研究，相关理论和应用也日渐成熟，因此基于毫米波雷达的技术已经逐渐应用在实际生活中的智能产品上。毫米波雷达技术能识别很小的物体，尤其对于识别多个物体，具有非常大的优势。目前在监测呼吸心率、探测生命体征上都有相关应用。因此，研发一款车内婴幼儿感知系统的产品在技术上是可行的，在市场上具有广泛的应用前景。

本文提出的基于毫米波雷达对生命体征的探测，是基于TI公司的IWR6843应用设计，用于准确计数和跟踪感兴趣区域中的人数及对区域中的人进行生命体征探测[1]。雷达数据处理链包含了静态杂波去除、距离方位角热图计算、俯仰角估计、多普勒提取以及静止单目标的生命体征估计算法，以获得4D点云信息，在使用目标追踪算法对获得的点云信息进行处理后，生命体征估计算法会将人员的生命体征信息估计出来。

本文通过毫米波雷达对汽车内生命体征探测之外，为能快速准确的判断车内生命体征的人员是否处于危险状态或者是正常状态，并让系统快速做出反应，本文提出在本系统中增加三轴传感器、温度传感器、5G数据传输设备。结合以上传感器数据，当车内检测到车内存在生命体征时，车内温度达到设定阈值，且车辆处于静止状态，这时车内将主动向系统预先设定的手机号码发送远程电话报警信息，并通知相关人员快速做出反应。

本系统主要由四部分构成：①雷达探测装置，实现人体位置、心跳和呼吸生命体征检测。②运动传感器检测，判断车辆的运动状态，为报警提供数据依据。③车内环境温度检测，记录车辆内的环境温度，为报警提供数据依据。④数据通信，采用5G通讯模组，实现数据的远程监控和数据远程报警功能。

1 毫米波雷达的生命体征检测

此设计使用了FMCW波形固有的测距能力，在距离上对目标进行探测，找到对应的目标点后，因为生理活动引起体表运动，从而引起接收到雷达信号的相位变化，所以将进一步使用信号处理算法来提取呼吸和心率[2]。在既定的近距离使用场景中，选取信号反射能量最强点即为被测人体的胸腔，以此为基准对反射相位变化情况进行分析，从而得到呼吸叠加心跳导致的体表振幅变化。

如下图1所示，每50ms为一帧，每次测量一组数据，通过慢时间积累N个帧的数据后，即可在感兴趣的距离点上获取到随时间变化的相位变化情况，这个相位变化情况及反映了被测人的体表振幅变化（由生理活动中的呼吸及心跳产生）。

图2 呼吸及心跳波形的分离算法流程图

图3 呼吸及心跳波形的分离结果示例

图4 使用人员定位追踪算法对生命体征监测辅助的信号链实现

得到体表振幅变化曲线的数据后，选取合适的滑动窗口，本设计使用512帧的数据进行估算，即25.6s的滑动窗口，以此相位信息进行相关滤波处理。

对于呼吸及心跳的估算，分别使用两组不同截止频率的带通滤波器将呼吸及跳的信号波形滤出，并使用FFT或峰计数等方法得到被测人的呼吸及心跳值。

在实验室环境测试，被测人距离雷达约1.5m的距离，测试过程中保持身体完全静止，得到波形分离结果及心跳呼吸估算值如下：

此方法使用距离峰值检测的方式来锁定目标的距离点，并提取锁定点的相位变化，反映了被测目标的体表波动，从原理上证明非接触式探测人员呼吸心跳的可行性。

但是，在目标距离点锁定的计算方法上，在实际应用中会存在一些缺陷。首先，它要求雷达与被测人之间没有其他较强反射的静态目标反射，否则最强反射能量点未必就是人体的胸腔，所以在应用中要求雷达与被测人之间的距离不能太远，否则应用中对环境要求过高。其次，在被测环境中存在多个人的情况时，单纯使用距离的信息并不能够很好地将两个目标分离出来。

为解决以上设计缺陷，本文提出了一个新的目标区域跟踪方法，此方法是基于人数统计及人员定位的参考设计软件框架。在通用的人数统计链路中，DSP底层算法同时获取动态目标及静态目标的4D点云信息，ARM核心拿到4D点云信息后，使用追踪算法对运动特性一致的目标进行聚类，从而估计出不同目标的具体位置，将ARM核心运算完成后的追踪结果（人员中心位置信息）反馈给到DSP中的生命体征监测链路以做进一步的分析[3]。本文所描述的方法，使用动态人员定位作为基础，在获得人员位置的坐标后，动态选择该区域进行生命体征信号的提取与追踪，可实现车内多个人员的生命体征监测并准确获取数据的情况。

生命体征监测链路拿到检测体的位置坐标后，需要从L3提取原始ADC数据，重新对监测区域的热图进行计算，得到检测区域的热图后，再使用峰值搜索算法获取瞬时的相位信息，从而实现了动态的检测点、搜索区域调整。

在使用高层级的追踪算法对目标进行追踪的过程中，追踪算法可以获取目标的几种运动状态（FREE，DETECT，ACTIVE or SLEEP），由于生命体征监测中，每个检测点的运算需要耗费约4ms的运算时间，ARM追踪器追踪结果的状态输出则可以帮助DSP节约一些运算时间，降低系统运算负载。

1.1 运动传感器的检测

运动传感器采用MMA7260Q作为信号采集模块。提供三轴向XYZ的加速度检测，如下图所示，三轴加速度传感器放置车内，无论安装方向如何，都能在XYZ三个方向获取到车内的加速度值，通过信号处理，AD转换之后，通过单片机进行数据处理分析，从而判断汽车是处于运动状态还是静止状态。

通过对ADC的数据采集，可以轻易判断车辆当下运动状态是处于静止还是行驶状态。从而实现在车内行驶过程中，在车内检测到人体生命体征情况下，也不会触发系统报警的目的。

1.2 车内环境温度检测

根据研究表明[4]，当环境温度高于32℃，婴幼儿身体容易出现闷热。当环境温度达到38℃以上时，婴幼儿的身体调节功能就会出现阻碍，从而导致体温升高。如果时间过长，很容易造成脑缺氧，呼吸不畅等不良反应，甚至出现休克的现象。当环境温度低于-8℃时，身体长时间暴露在低温下，会出现组织坏死，冻死等情况。

从以上研究表明无论处于何种情况下，车内的环境温度对于车内人员，特别是婴幼儿都存在致命伤害，因此增加车内环境温度检测是保证车内生命安全的一道重要防线。

一旦检测到车内温度达到高温32℃，汽车处于静止状态，而且车内检测到生命体征，系统发出预警信号。一旦汽车温度达到38℃或者低于-8℃时，无论车里处于何种运动状态，只要检测到车辆存在生命体征，系统发出紧急报警信号[5]。

车内环境温度检测可采用DS18B20实现对环境温度的采集，该芯片内置了温度上限和下限报警功能，测温范围从－55℃～＋125℃，完全满足当下系统的要求。

2 实验结果与分析

在一车内安装IWR6483雷达探测装置，安装高度选取1.1m，下倾角10°，安装如下图5所示：

图5 测量角度说明

测试过程中被测人在0角度及大FOV角度下，测试结果如下所示：

表1 车辆状态的测试结果

车辆在各种状态测试结果如表1所示。在车辆静止40min后，测量到车辆内部温度达到32℃时，手机接收到平台发送的预警短信“您使用的车辆内检测到人员遗留，请检查！”，当车辆内部温度上升到38℃时，车辆蜂鸣器主动发出报警信号，并同时在预留手机收到报警短信“您使用的车辆内检测到人员遗留，请速速查看！”在其余状态下都不会触发报警信号，该系统设计满足设计预期。

3 结束语

基于毫米波雷达的车内婴幼儿感知系统，结合了TI公司的IWR6483雷达探测和5G通信技术，可以准确、高效地对遗留的婴幼儿进行识别，从而减少家庭悲剧的发生。该研究具有重大的社会意义和社会价值。