雷达感应在空调研究应用

雷达感应在空调研究应用

黄仲林 于博洋 余洁伟

广东TCL智能暖通设备有限公司

摘  要针对消费者对空调节能和智能要求，本论文对人体感应的智能模组进行研究。模组由XBR816芯片、定频、定向的高增益微带天线及信号处理电路和算法构成。板载集成中频解调、频谱能量分析、信号放大与数字处理等技术，其感应距离、精度、延时可根据客户需求进行调整。该模组可检测正常生活中人体行走、跑动等大动作，摇头、摆臂等微小动作信号，人体呼吸等生命体征信号，即实现人体存在的检测，可应用于智慧酒店、智慧养老、智慧照明、智慧安防、智能家居等诸多领域。

关键词  雷达  多普勒效应原理  人体感应

Application of radar induction in air conditioning research

GD TCL Intelligent Heating & Ventilating Equipment Co., Ltd.

  Huang Zhonglin  Yu Boyang Yu Jiewei

Abstract:According to the requirement of energy-saving and intelligence of air-conditioning, this paper studies the intelligent module of human body induction. The module consists of XBR816 chip, fixed frequency, directional high gain microstrip antenna, signal processing circuit and algorithm. On-board integrated if demodulation, spectrum energy analysis, signal amplification and digital processing technology, its induction distance, accuracy, delay can be adjusted according to customer needs. The module can detect the human body in normal life, such as walking, running and other large movements, shaking head, arm swing and other small movement signals, such as life signs, such as human breathing signals, that is, to achieve the detection of human existence, it can be applied to many fields such as intelligent hotel, intelligent endowment, intelligent lighting, intelligent security, intelligent home and so on.

KeywordsRadarDoppler effect    Human sensors

0  前言

近20多年来，中国响应世界大潮流，空调发展主要从环保、节能、智能控制三方面大力推广。如出口欧洲方面的空调产品必须符合RoSH要求，近几年还针对空气问题开发了负离子除菌空调；节能等级不符合国家要求的，不允许出售；智能控制方面，各空调厂家更是投入了人力物力：空调线控集中控制，网络集中控制，手机控制，电话控制等。

空调器人体雷达感应的智能控制是结合了节能管理理念和技术的研究，可以实现更有效的应用性节能。避免群众有急事而出门时忘记关空调，不但解决了节能问题，还可以预防意外的安全事故的发生，非常值得我们去技术研究和市场推广。

之前很多控制模组采用红外线控制原理，精度较差，如动物的发出的红外线，也影响了控制器的误判，导致无人在却开启了空调，浪费电能且有一定安全隐患。该模组可检测正常生活中人体行走、跑动等大动作，摇头、摆臂等微小动作信号，人体呼吸等生命体征信号，即实现人体存在的检测。

作者简介：黄仲林，（1981- ），男，工程师

1  雷达感应原理及功能优势

雷达感应的感应原理是多普勒效应原理，其感应距离远，角度大，灵敏度高，有穿透非金属物质的特性，不受环境，温度，灰尘等影响[1]。而红外感应是通过热释电元件接收人体发射出的红外线(人体都有恒定的温度，所以会发出特定波长的红外线)来触发后续电路的工作，其感应距离一般，角度较小，受环境，温度，灰尘等影响较大，误触发多，而且检测红外感应头需要露出，不方便安装。

雷达感应开关，又称微波感应开关，是根据多普勒效应为基础，采用最先进的平面天线，可有效抑制高次谐波和其他杂波的干扰﹑灵敏度高﹑可靠性强﹑安全方便﹑智能节能，是楼宇智能化和物业管理现代化的首选产品。

发射机产生电磁信号，由天线辐射到空中，发射的信号一部分被目标拦截并向许多方向再辐射。向后再辐射回到雷达的信号被天线采集，并送到接受机，在接收机中，该信号被处理以检测目标的存在并确定其位置,最后在雷达终端上将处理结果显示出来。

一般来说，会通过雷达信号到目标并从目标返回雷达的时间，得到目标的距离。目标的角度位置可以根据收到的回波信号幅度为最大时，窄波束宽度雷达天线所指的方向而获得。如果目标是运动的，由于多普勒效应，回波信号的频率会漂移。该频率的漂移与目标相对于雷达的速度成正比，根据

2rdvfλ=目标的速度。

与红外产品比较：雷达开关感应距离更远，角度广，无死区，能穿透玻璃，和薄木板，根据功率不同，可以穿透不同厚度的墙壁，不受环境、温度、灰尘等影响，在37度情况下，感应距离不会缩短。雷达开关是红外开关的理想更新换代产品。

随着5G时代的到来，人工智能和物联网不断发展，人机互动和物联智能技术的不断提升也迎来的爆发。微波雷达人体传感器位于物联网感知层，无疑对物联网智能场景的实现起着不可或缺的作用

2模组设计分析

2.1 场景和人体感应分析

本研究在模拟3人在长6为，宽3.6米的房间进行分析测试和角度计算。

2.2 人体走动的雷达分析

人在雷达前行走 ,通过红外运动分析系统准确分板了行走周期内人体各肢体的运动规律，通过雷达测量并对回波数据做短时傅立叶变换提取微动特征，可以看到前后摆动所激励的微多普勒信号分量。

使用时域有限差分法计算了人体的电磁散射，获得了不同角度下人体目标的RCS和SAR图像。

从简单的物体最基本的运动着手研究微动现象，提取目标的微多普特征。在此基础上，研究了人体走动中胳膊和腿的摆动带来的微多普勒调制，运用一台小型的Ｘ波段雷达探测人体的走动，运用时频分析手段提取微多普勒特征，利用椭圆体对人进行建模，将人体的运动学参数输入到模型中计算人体的RCS,模拟出人体的微动特征,如图1。

图1　行人微多普勒特征分析  图示

在此基础上，对人体雷达的实测数据作了深入分析，研究了抑制杂波的方法，从混乱的雷达回波中提取人体的微多普勒特征[2]，最后对比人体各肢体的运动状态作了分析。

3运动人体目标辨别设计与实现

3.1　技术指标

工作频率：X波段；极化形式：水平极化；

收、发天线隔离：〉80dB; 天线增益：〉27dB;

发射功率：500mW; 中频带宽：1.4K-105KHz;

3.2　设计框图

　　如设计框图中，前端信号预处理模块负责对输入差分多普勒信号进行预处理，达到A/D采样电路频率和幅度要求，完成采样[3]。CPLD作为总控制器，它负责控制前端各芯片时序控制。后端数据传输部分作为采集部分和主机之间的桥梁。系统设计有两套传输方案:USB接口传输系统和以太网接口传输系统[4]，如图2。

图2　系统总体设计框图  图示

3.3　设计框图硬件设计实物图：

图3  图示

3.4  人体运动目标雷达测量实验

　　实验方案按照人体运动由简单到复杂的方式进行。分别测量了人体原地摆臂、踏步、正常步幅匀速行走、加速行走、跑步等运动形式下雷达回波信号[5]。对原始回波数据进行希尔伯特变换后再做时频变换提取微多普勒特征[6]，用以分析人体运动特性。

3.5 　空调应用

空调同人类生存环境密切相关。常见的有如办公大楼，超市，商务厅等，且由于国民的生活质量提高，多数家庭都使用空调了。

暖通空调的能效比是关系到全球的长远利益。 中国是空调消费能源非常大的国家，空调能耗占全国能耗16%以上，而且由于国民经济不断发展和国民生活质量的提高，这个比例还将逐年升高,中央空调不但会影响能源消耗,而且会影响地球环境污染,所以节能的潜力非常巨大。我国当局“十八大”汇报中明确对空调行业的发展提出要求，要通过技术创新来做好节能和环保。

目前在某些办公大楼安装了一套人体雷达节能控制系统，技术特点主要采用统一的开关机红外遥控码控制了中央空调的主要产品系列，如风管机，天花机，座吊机，柜机。

4  结论

经实验测试及部分用户体验论证了，通过人体静止及运动回波信号，提取微多普勒特征信号，可以准确监控人体各活动特征，从而用于空调节能模式的开启，有效地进行节能控制和安防控制。

参 考 文 献

[1] 崔来友， 张春林. 人体运动学模型的研究[J]. 机械设计与研究，2003（6）:10-13.

[2] 张春林. 高等机构学[M]. 北京，北京理工大学，1997.

[3] 郭巧. 现在机器人学[M] . 北京，北京理工大学，1997.

[4] 范毅方.采用40个自由度十五刚体人体模型模拟运动动作[J] 济南大学学报，2000（1）：32-36.

[5] 李振波.基于运动生物力学的三维人体运动模型[J] 系统仿真学报，2006（10）:107-109.

[6] 高云峰.人体上肢运动动力学模型[J]，力学与实践，2005.27：63-66.