本发明涉及辅助医疗设备技术领域，特别是涉及一种生命体征监测的毫米波雷达装置、方法及系统。
背景技术：
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着个人健康意识和保健意识不断加强，人口老龄化进程加快，传统医疗机构负担加重，需要对人体进行实时生命体征监测，保障人体生命健康。目前已有多种生命体征监测技术应用在医疗，老年人、婴幼儿看护等领域；如在面向医院的医疗检测中，多导睡眠分析仪能够监测除脑电图外，包括心电图、肌电图、眼动图等多个通道的生理信号；但是该分析仪需要由专门的医护人员操作，不仅成本高，而且无法仅用于诊断少数病情较为严重的病人，通用性差。
或者，在面向家庭的健康监护中，可以通过安装摄像机等监控设备远程观察老人或婴儿，但是所获取的视频图像信息无法智能检测人体的呼吸等生理信号，无法正确判断生命体征状况。
另外，传统的连续波雷达系统对目标的速度信息检测灵敏，而对目标的距离信息不敏感，连续发射电磁波导致发射和接收之间隔离困难，从而导致无法大幅度提高其抗干扰能力和目标信息提取能力；并且连续波雷达容易产生信号泄露，其发射机的发射信号及其噪声直接泄露到接收机，增加目标特征信息的提取难度。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提出了一种生命体征监测的毫米波雷达装置、方法及系统，基于fmcw雷达体制，获取由人体肌体表面反射的雷达回波，通过对单位时间内目标点距离信息及肌体表面微动信息变化的计算，实现对人体的心电信号的检测，实现非接触式无感精准监测人体呼吸、心率，可应用于医疗、护理等相关领域。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种生命体征监测的毫米波雷达装置，包括：毫米波雷达传感模块和数据处理模块；所述毫米波雷达传感器模块发送雷达信号到目标人体胸腔表面，且接收返回的回波信号；所述数据处理模块根据回波信号计算单位时间内胸腔表面起伏的距离信息，根据距离信息中的相位差信号提取呼吸信号和心跳信号，根据呼吸信号和心跳信号得到呼吸频率和心跳频率。
第二方面，本发明提供一种生命体征监测方法，包括：
控制发送雷达信号到目标人体胸腔表面，且接收返回的回波信号；
根据回波信号计算单位时间内胸腔表面起伏的距离信息；
根据距离信息中的相位差信号提取呼吸信号和心跳信号；
根据呼吸信号和心跳信号分别得到呼吸频率和心跳频率。
第三方面，本发明提供一种生命体征监测系统，包括第一方面所述的毫米波雷达装置和云服务器，所述毫米波雷达装置通过无线通信模块与云服务器进行通信。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明基于fmcw雷达体制，获取由人体肌体表面反射的雷达回波，通过对单位时间内目标点距离信息及肌体表面微动信息变化的计算，实现对人体的心电信号(ecg)的检测，可以实现非接触式无感精准监测人体呼吸、心率，可应用于医疗、护理的相关领域。
本发明中毫米波雷达传感模块的输出功率小，对人体不构成危害，且不受温度、光照、粉尘等环境因素影响，灵敏度高。
本发明中wifi数据传输单元采用esp8266模块设计，模块体积小、功耗低，支持标准的ieee802.11b/g/n协议，内置完整的tcp/ip协议栈，满足为毫米波雷达装置添加联网功能的需求；同时支持smartconfig一键配网，可实现移动端对设备的配网操作。
本发明基于毫米波雷达的非接触式生命体征信号检测技术可实现面向家庭的监控监护、面向医院的医疗检测以及面向灾难救援的生命体征检测等，面向家庭的健康监护中可以实现实时、非接触的对失能老人和婴儿在干扰最小的情况下及时地得到呼吸和心跳信息的反馈；
面向医院的医疗检测中可以有效减少患者因长时间佩戴检测设备而产生的不适感，对于特殊患者避免二次伤害；
面向灾难救援的生命体征检测中在灾后的复杂环境中发现生命存在的迹象，帮助救援人员技术发现存活目标，提高搜救效率，减少受灾群众的伤亡。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例2提供的fmcw雷达主射频组件的简化框图；
图2为本发明实施例2提供的生命体征监测方法流程图；
图3为本发明实施例2提供的生命体征监测方法流程图；
图4为本发明实施例3提供的生命体征监测系统结构框图；
图5为本发明实施例3提供的wifi智能配网流程图；
图6为本发明实施例3提供的生命体征监测系统的工作方法流程图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例基于fmcw雷达体制，实现对人体的心电信号(ecg)的检测，得到人体生命体征的的呼吸、心率参数，毫米波雷达即工作在毫米波频段的雷达，毫米波指长度在1-10mm的电磁波，对应的频率范围为30-300ghz；该毫米波雷达装置工作频率为77-81ghz，能达到的最大带宽为4ghz，能够提供厘米级的距离分辨率，且频率越高波长越短，分辨率、精确度就越高；雷达发射功率符合fcc规定，最大的eirp发射功率为21dbm，所产生的辐射不会对人体造成危害。
本实施例提供一种生命体征监测的毫米波雷达装置，包括：电源模块、毫米波雷达传感器模块、数据处理模块和无线通信模块。其中，数据处理模块分别与毫米波雷达传感器模块和无线通信模块连接，电源模块为毫米波雷达传感器模块、数据处理模块和无线通信模块供电。
所述无线通信模块采用wifi模块，采用esp8266模块设计，该模块体积小、功耗低，支持标准的ieee802.11b/g/n协议，内置完整的tcp/ip协议栈，满足为毫米波雷达装置添加联网功能的需求；同时，esp8266模块支持smartconfig一键配网，可实现移动端对设备进行配网操作。
所述数据处理模块采用stm32微处理器，该微处理器基于arm架构设计，功耗低，其主要负责对呼吸、心率参数做数据处理分析、与wifi模块通信等工作。
所述毫米波雷达传感器模块通过铜螺柱及螺丝固定在底板上，通过底板提供的5v电源工作；毫米波雷达传感器模块包括：毫米波雷达收发单元、数模转换单元(adc模块)、信号处理单元、电源稳压器和存储单元；其中：
所述毫米波雷达传感器模块为iwr1642，该传感器单元输出功率小，对人体不构成危害，且不受温度、光照、粉尘等环境因素影响，灵敏度高；
所述电源稳压器选用ldo芯片tps7a88；
所述毫米波雷达收发单元采can收发器，can收发器选用tcan1042hgv；
所述存储单元选用flash存储芯片mx25v1635fznq。
实施例2
本实施例提供一种基于实施例1所述的生命体征监测的毫米波雷达装置的生命体征监测方法，通过fmcw雷达体制，获取由人体肌体表面反射的雷达回波，通过对单位时间内目标点距离信息及肌体表面微动信息变化的计算，实现对人体的心电信号ecg的检测。
fmcw雷达体制中，fmcw雷达系统发射线性调频脉冲信号，并捕捉其发射路径中的物体反射的信号，如图1所示为fmcw雷达主射频组件的简化框图，该雷达的工作原理如下：
(1)合成器生成线性调频脉冲；
(2)该线性调频脉冲由发射天线(tx天线)发射；
(3)物体对该线性调频脉冲的反射生成由接收天线(rx天线)捕捉的反射线性调频脉冲；
(4)“混频器”将rx和tx信号合并，生成中频(if)信号。
在混频器时，一个电子组件将两个信号合并到一起生成一个具有新频率的新信号；对于两个正弦输入x1和x2：
输出xout的瞬时频率等于两个输入正弦函数的瞬时频率之差；输出xout的相位等于两个输入信号的相位之差：
基于此，如图2-3所示，生命体征监测方法具体包括：
s1：数据处理模块控制毫米波雷达传感器模块发送雷达信号到目标人体胸腔表面，获取毫米波雷达传感器模块接收的回波信号；
具体地，控制毫米波雷达传感器模块的毫米波雷达收发单元发送雷达信号和接收回波信号，将该回波信号经过毫米波雷达收发单元的中频放大电路放大后，再通过数模转换单元进行ad采样，得到多个中频信号。
s2：根据回波信号计算单位时间内胸腔表面起伏的距离信息；该距离信息能够反映目标人体胸腔表面的起伏规律；具体包括：
s2.1：对回波信号经信号处理后得到的多个中频信号进行range-fft得到与目标人体胸腔表面之间的距离信号；
在本实施例中，毫米波雷达传感器模块的雷达前端发射电磁波照射到目标人体胸腔后返回回波信号，回波信号经过放大和混频后，再次经过ad采样得到i、q两路用于range-fft的中频信号，经过ad采样后的数据存储在adcbuffer中，通过edma将adcbuffer中的数据传输到硬件加速器完成fft后，再次传输到arm中的l3存储器中。
优选地，硬件加速器中fft的具体参数可以通过ti公司提供的api设置。
优选地，本实施例设置adc的采样率为2mhz，每个锯齿波的采样点数为100。
优选地，本实施例中range-fft的设置为100点的复数fft，得到的结果包含有100个距离单元，也就是得到的距离分辨率为3.15厘米，此时被测目标到雷达的距离大概为0.5米。
s2.2：提取距离信息中的相位差信号；具体地：
雷达中频信号经过rangefft之后的结果以实部和虚部的方式保存在存储器，首先求出rangefft的幅值，然后提取其中最大的幅值并求出其相位，幅值最大的点就是被测目标所在的距离单元，将得到的相位减去上个锯齿波求出的相位得到相位差。
s3：根据得到的相位差信号采用带通滤波器提取呼吸信号和心跳信号；
优选地，采用0.1-0.9hz的带通滤波器提取呼吸信号；
优选地，采用0.9-2hz的带通滤波器提取心跳信号；
优选地，带通滤波器的具体参数是由滤波器的型号得到，根据呼吸和心跳不同的频率进行选择。
s4：对呼吸信号和心跳信号进行fft分别得到呼吸频率和心跳频率；具体地：经过滤波器处理后的信号分别送到呼吸循环缓存区、心跳循环缓存区中，借助硬件加速器对呼吸循环缓存区、心跳循环缓存区的数据分别进行fft，得到呼吸频率和心跳频率。
实施例3
本实施例提供一种生命体征监测系统，包括毫米波雷达装置和云服务器，所述毫米波雷达装置通过无线通信模块与云服务器进行通信；如图4所示，
本实施采用移动端给进行wifi配网，如图5所示，wifi配网的主要工作流程包括：
(1)装置进入初始化状态，收听附近的wifi数据包；
(2)移动端设置wifi名字和密码后，发送udp广播包；
(3)装置通过udp包(长度)获取配置信息，切换网络模式，连接wifi网络，配置完成。
毫米波雷达装置与云服务器进行通信成功后，如图6所示，工作流程具体包括：
第一步：对毫米波雷达装置进行初始化，包括毫米波雷达传感器模块、数据处理模块和无线通信模块的初始化，初始化通过则进行第二步。
第二步：移动端app对装置进行配网及其相关参数配置，配网及参数配置成功进行第三步。
第三步：毫米波雷达传感器模块运行，提取呼吸、心率数据，且将数据推送到数据处理模块。
第四步：数据处理模块将呼吸、心率参数进行数据分析、处理，进行边缘计算后，将数据推送给无线通信模块。
第五步：无线通信模块将采集数据通过mqtt协议实时传输到云服务器。
第六步：云服务器做大数据分析等数据处理，将数据推送到移动端app；若发生体征异常，则推送告警信息到移动端app。
其中所述大数据分析包括：与数据库中正常的呼吸和心跳数据范围进行大数据比对分析，分析呼吸和心跳数据是否异常；数据库中有婴儿、儿童、成人和老人的正常呼吸和心跳范围。
上述实施例所提供的生命体征监测的毫米波雷达装置、方法及系统的主要应用场景是医院病房、养老院等，只要人体到达雷达的测量范围，就可以提取呼吸和心跳，如果正对胸部，数据则会更准确；非接触式生命体征监测技术相比于接触式的检测方法，不需要电极或传感器贴在被测者的皮肤表面，为一些场景的生命信号监测提供了方便、快捷的手段。
如面向家庭的健康监护：基于毫米波雷达的非接触式生命体征信号检测技术可以实现实时、非接触的对失能老人和婴儿在干扰最小的情况下及时地得到呼吸和心跳信息的反馈，发生异常时能及时将异常信息反馈给监护人。
如面向医院的医疗检测：对于需要长时间观察生理变化的患者，长期佩戴接触式检测设备可能会给患者带来不适，使用基于毫米波雷达的非接触式生命信号检测技术可以有效减少患者因长时间佩戴检测设备而产生的不适感。对于一些特殊患者(严重的烧伤、烫伤等)，接触式的监测方法会给患者带来二次伤害，非接触式的检测方便能避免对特殊患者的二次伤害。
如面向灾难救援：在灾难发生后，非接触检测生命信号技术可以在灾后的复杂环境中发现生命存在的迹象，帮助救援人员技术发现存活目标，提高搜救效率，减少受灾群众的伤亡。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
1.一种生命体征监测的毫米波雷达装置，其特征在于，包括：毫米波雷达传感模块和数据处理模块；所述毫米波雷达传感器模块发送雷达信号到目标人体胸腔表面，且接收返回的回波信号；所述数据处理模块根据回波信号计算单位时间内胸腔表面起伏的距离信息，根据距离信息中的相位差信号提取呼吸信号和心跳信号，根据呼吸信号和心跳信号得到呼吸频率和心跳频率。
2.如权利要求1所述的一种生命体征监测的毫米波雷达装置，其特征在于，所述毫米波雷达传感模块包括毫米波雷达收发单元、信号处理单元和数模转换单元；
所述毫米波雷达收发单元用于发送雷达信号且接收返回的回波信号；
所述信号处理单元用于将回波信号经中频放大电路进行放大和混频；
所述数模转换单元将处理后的回波信号进行ad采样得到多个中频信号。
3.一种生命体征监测方法，其特征在于，包括：
控制发送雷达信号到目标人体胸腔表面，且接收返回的回波信号；
根据回波信号计算单位时间内胸腔表面起伏的距离信息；
根据距离信息中的相位差信号提取呼吸信号和心跳信号；
根据呼吸信号和心跳信号分别得到呼吸频率和心跳频率。
4.如权利要求3所述的一种生命体征监测方法，其特征在于，所述回波信号经中频放大电路进行放大和混频后，进行ad采样得到多个中频信号。
5.如权利要求4所述的一种生命体征监测方法，其特征在于，对中频信号进行range-fft得到单位时间内胸腔表面起伏的距离信息。
6.如权利要求3所述的一种生命体征监测方法，其特征在于，获取距离信息的幅值，提取最大幅值并得到对应的相位，根据当前相位与上个锯齿波的相位得到相位差信号。
7.如权利要求3所述的一种生命体征监测方法，其特征在于，根据相位差信号采用0.1-0.9hz的带通滤波器提取呼吸信号；根据相位差信号采用0.9-2hz的带通滤波器提取心跳信号。
8.如权利要求3所述的一种生命体征监测方法，其特征在于，对呼吸信号和心跳信号进行fft分别得到呼吸频率和心跳频率。
9.一种生命体征监测系统，其特征在于，包括权利要求1-2任一项所述的毫米波雷达装置和云服务器，所述毫米波雷达装置通过无线通信模块与云服务器进行通信。
10.如权利要求9所述的一种生命体征监测系统，其特征在于，所述毫米波雷达装置将得到的呼吸频率和心跳频率通过mqtt协议传输到云服务器；
所述云服务器对呼吸频率和心跳频率进行大数据比对分析，并推送分析结果至移动端。
技术总结