蔡楚彬

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引言

根據(jù)最新調(diào)查顯示，嬰幼兒因監(jiān)護(hù)人疏忽被遺忘在車內(nèi)，造成的悲劇事件時(shí)而發(fā)生，特別在炎炎夏日，在汽車密閉的空間內(nèi)部，經(jīng)過太陽烘烤，容易造成車內(nèi)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(huì)造成威脅。隨著近幾年對毫米波技術(shù)的研究，相關(guān)理論和應(yīng)用也日漸成熟，因此基于毫米波雷達(dá)的技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用在實(shí)際生活中的智能產(chǎn)品上。毫米波雷達(dá)技術(shù)能識(shí)別很小的物體，尤其對于識(shí)別多個(gè)物體，具有非常大的優(yōu)勢。目前在監(jiān)測呼吸心率、探測生命體征上都有相關(guān)應(yīng)用。因此，研發(fā)一款車內(nèi)嬰幼兒感知系統(tǒng)的產(chǎn)品在技術(shù)上是可行的，在市場上具有廣泛的應(yīng)用前景。

本文提出的基于毫米波雷達(dá)對生命體征的探測，是基于TI公司的IWR6843應(yīng)用設(shè)計(jì)，用于準(zhǔn)確計(jì)數(shù)和跟蹤感興趣區(qū)域中的人數(shù)及對區(qū)域中的人進(jìn)行生命體征探測[1]。雷達(dá)數(shù)據(jù)處理鏈包含了靜態(tài)雜波去除、距離方位角熱圖計(jì)算、俯仰角估計(jì)、多普勒提取以及靜止單目標(biāo)的生命體征估計(jì)算法，以獲得4D點(diǎn)云信息，在使用目標(biāo)追蹤算法對獲得的點(diǎn)云信息進(jìn)行處理后，生命體征估計(jì)算法會(huì)將人員的生命體征信息估計(jì)出來。

本文通過毫米波雷達(dá)對汽車內(nèi)生命體征探測之外，為能快速準(zhǔn)確的判斷車內(nèi)生命體征的人員是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)或者是正常狀態(tài)，并讓系統(tǒng)快速做出反應(yīng)，本文提出在本系統(tǒng)中增加三軸傳感器、溫度傳感器、5G數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。結(jié)合以上傳感器數(shù)據(jù)，當(dāng)車內(nèi)檢測到車內(nèi)存在生命體征時(shí)，車內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定閾值，且車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)車內(nèi)將主動(dòng)向系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送遠(yuǎn)程電話報(bào)警信息，并通知相關(guān)人員快速做出反應(yīng)。

本系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：①雷達(dá)探測裝置，實(shí)現(xiàn)人體位置、心跳和呼吸生命體征檢測。②運(yùn)動(dòng)傳感器檢測，判斷車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為報(bào)警提供數(shù)據(jù)依據(jù)。③車內(nèi)環(huán)境溫度檢測，記錄車輛內(nèi)的環(huán)境溫度，為報(bào)警提供數(shù)據(jù)依據(jù)。④數(shù)據(jù)通信，采用5G通訊模組，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程報(bào)警功能。

1 毫米波雷達(dá)的生命體征檢測

此設(shè)計(jì)使用了FMCW波形固有的測距能力，在距離上對目標(biāo)進(jìn)行探測，找到對應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)后，因?yàn)樯砘顒?dòng)引起體表運(yùn)動(dòng)，從而引起接收到雷達(dá)信號(hào)的相位變化，所以將進(jìn)一步使用信號(hào)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(hào)反射能量最強(qiáng)點(diǎn)即為被測人體的胸腔，以此為基準(zhǔn)對反射相位變化情況進(jìn)行分析，從而得到呼吸疊加心跳導(dǎo)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(shù)據(jù)，通過慢時(shí)間積累N個(gè)幀的數(shù)據(jù)后，即可在感興趣的距離點(diǎn)上獲取到隨時(shí)間變化的相位變化情況，這個(gè)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(dòng)中的呼吸及心跳產(chǎn)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(jié)果示例

圖4 使用人員定位追蹤算法對生命體征監(jiān)測輔助的信號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)

得到體表振幅變化曲線的數(shù)據(jù)后，選取合適的滑動(dòng)窗口，本設(shè)計(jì)使用512幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，即25.6s的滑動(dòng)窗口，以此相位信息進(jìn)行相關(guān)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(hào)波形濾出，并使用FFT或峰計(jì)數(shù)等方法得到被測人的呼吸及心跳值。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測試，被測人距離雷達(dá)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(jié)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(biāo)的距離點(diǎn)，并提取鎖定點(diǎn)的相位變化，反映了被測目標(biāo)的體表波動(dòng)，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(biāo)距離點(diǎn)鎖定的計(jì)算方法上，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)存在一些缺陷。首先，它要求雷達(dá)與被測人之間沒有其他較強(qiáng)反射的靜態(tài)目標(biāo)反射，否則最強(qiáng)反射能量點(diǎn)未必就是人體的胸腔，所以在應(yīng)用中要求雷達(dá)與被測人之間的距離不能太遠(yuǎn)，否則應(yīng)用中對環(huán)境要求過高。其次，在被測環(huán)境中存在多個(gè)人的情況時(shí)，單純使用距離的信息并不能夠很好地將兩個(gè)目標(biāo)分離出來。

為解決以上設(shè)計(jì)缺陷，本文提出了一個(gè)新的目標(biāo)區(qū)域跟蹤方法，此方法是基于人數(shù)統(tǒng)計(jì)及人員定位的參考設(shè)計(jì)軟件框架。在通用的人數(shù)統(tǒng)計(jì)鏈路中，DSP底層算法同時(shí)獲取動(dòng)態(tài)目標(biāo)及靜態(tài)目標(biāo)的4D點(diǎn)云信息，ARM核心拿到4D點(diǎn)云信息后，使用追蹤算法對運(yùn)動(dòng)特性一致的目標(biāo)進(jìn)行聚類，從而估計(jì)出不同目標(biāo)的具體位置，將ARM核心運(yùn)算完成后的追蹤結(jié)果（人員中心位置信息）反饋給到DSP中的生命體征監(jiān)測鏈路以做進(jìn)一步的分析[3]。本文所描述的方法，使用動(dòng)態(tài)人員定位作為基礎(chǔ)，在獲得人員位置的坐標(biāo)后，動(dòng)態(tài)選擇該區(qū)域進(jìn)行生命體征信號(hào)的提取與追蹤，可實(shí)現(xiàn)車內(nèi)多個(gè)人員的生命體征監(jiān)測并準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)的情況。

生命體征監(jiān)測鏈路拿到檢測體的位置坐標(biāo)后，需要從L3提取原始ADC數(shù)據(jù)，重新對監(jiān)測區(qū)域的熱圖進(jìn)行計(jì)算，得到檢測區(qū)域的熱圖后，再使用峰值搜索算法獲取瞬時(shí)的相位信息，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的檢測點(diǎn)、搜索區(qū)域調(diào)整。

在使用高層級的追蹤算法對目標(biāo)進(jìn)行追蹤的過程中，追蹤算法可以獲取目標(biāo)的幾種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（FREE，DETECT，ACTIVE or SLEEP），由于生命體征監(jiān)測中，每個(gè)檢測點(diǎn)的運(yùn)算需要耗費(fèi)約4ms的運(yùn)算時(shí)間，ARM追蹤器追蹤結(jié)果的狀態(tài)輸出則可以幫助DSP節(jié)約一些運(yùn)算時(shí)間，降低系統(tǒng)運(yùn)算負(fù)載。

1.1 運(yùn)動(dòng)傳感器的檢測

運(yùn)動(dòng)傳感器采用MMA7260Q作為信號(hào)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(nèi)，無論安裝方向如何，都能在XYZ三個(gè)方向獲取到車內(nèi)的加速度值，通過信號(hào)處理，AD轉(zhuǎn)換之后，通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，從而判斷汽車是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)還是靜止?fàn)顟B(tài)。

通過對ADC的數(shù)據(jù)采集，可以輕易判斷車輛當(dāng)下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是處于靜止還是行駛狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)在車內(nèi)行駛過程中，在車內(nèi)檢測到人體生命體征情況下，也不會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警的目的。

1.2 車內(nèi)環(huán)境溫度檢測

根據(jù)研究表明[4]，當(dāng)環(huán)境溫度高于32℃，嬰幼兒身體容易出現(xiàn)悶熱。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到38℃以上時(shí)，嬰幼兒的身體調(diào)節(jié)功能就會(huì)出現(xiàn)阻礙，從而導(dǎo)致體溫升高。如果時(shí)間過長，很容易造成腦缺氧，呼吸不暢等不良反應(yīng)，甚至出現(xiàn)休克的現(xiàn)象。當(dāng)環(huán)境溫度低于-8℃時(shí)，身體長時(shí)間暴露在低溫下，會(huì)出現(xiàn)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(nèi)的環(huán)境溫度對于車內(nèi)人員，特別是嬰幼兒都存在致命傷害，因此增加車內(nèi)環(huán)境溫度檢測是保證車內(nèi)生命安全的一道重要防線。

一旦檢測到車內(nèi)溫度達(dá)到高溫32℃，汽車處于靜止?fàn)顟B(tài)，而且車內(nèi)檢測到生命體征，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。一旦汽車溫度達(dá)到38℃或者低于-8℃時(shí)，無論車?yán)锾幱诤畏N運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，只要檢測到車輛存在生命體征，系統(tǒng)發(fā)出緊急報(bào)警信號(hào)[5]。

車內(nèi)環(huán)境溫度檢測可采用DS18B20實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的采集，該芯片內(nèi)置了溫度上限和下限報(bào)警功能，測溫范圍從－55℃～＋125℃，完全滿足當(dāng)下系統(tǒng)的要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在一車內(nèi)安裝IWR6483雷達(dá)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(jié)果如下所示：

表1 車輛狀態(tài)的測試結(jié)果

車輛在各種狀態(tài)測試結(jié)果如表1所示。在車輛靜止40min后，測量到車輛內(nèi)部溫度達(dá)到32℃時(shí)，手機(jī)接收到平臺(tái)發(fā)送的預(yù)警短信“您使用的車輛內(nèi)檢測到人員遺留，請檢查！”，當(dāng)車輛內(nèi)部溫度上升到38℃時(shí)，車輛蜂鳴器主動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并同時(shí)在預(yù)留手機(jī)收到報(bào)警短信“您使用的車輛內(nèi)檢測到人員遺留，請速速查看！”在其余狀態(tài)下都不會(huì)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 結(jié)束語

基于毫米波雷達(dá)的車內(nèi)嬰幼兒感知系統(tǒng)，結(jié)合了TI公司的IWR6483雷達(dá)探測和5G通信技術(shù)，可以準(zhǔn)確、高效地對遺留的嬰幼兒進(jìn)行識(shí)別，從而減少家庭悲劇的發(fā)生。該研究具有重大的社會(huì)意義和社會(huì)價(jià)值。