基于毫米波雷达的睡眠监测装置、方法及介质

摘要

本发明公开了基于毫米波雷达的睡眠监测装置、方法及介质，所述睡眠监测装置包括监测装置本体，所述监测装置本体内设置有用于检测当前睡眠区域的环境数据的传感模块；用于向人体发射毫米波电磁信号并接收回波信号的毫米波雷达模块；用于根据环境数据判断当前睡眠区域是否存在人体并根据判断结果控制毫米波雷达模块的工作状态，以及根据回波信号提取人体位置对应的目标数据后根据目标数据输出睡眠监测结果的控制模块。本发明实施例通过检测睡眠区域是否存在人体灵活控制毫米波雷达模块的工作状态，并且先提取回波信号中人体位置对应的目标数据再进行数据处理实现睡眠监测，有效降低了睡眠监测装置的数据处理量，实现低功耗高效率的睡眠监测。

说明书

技术领域

本发明涉及睡眠监测技术领域，尤其涉及基于毫米波雷达的睡眠监测装置、方法及介质。

背景技术

现今人们生活节奏加快，睡眠问题越来越被重视，如何监测人们的睡眠情况成为关注人体健康需要考虑的问题，传统的多导睡眠仪是人体睡眠监测的主要工具和标准，由于其具有侵入性、时间消耗长且成本高等问题无法在大众中推广使用。

目前，为提高睡眠监测的普遍性，很多适合日常使用的睡眠监测产品被开发出来，其中通过毫米波雷达进行探测具有非接触性、检测范围广、准确率高等优点，但是现有的毫米波雷达睡觉监测产品通常需要对接收到的所有回波信息进行数据处理，数据量大且处理繁琐，而且在监测时也没有考虑其他环境因素对睡眠监测的影响，导致睡觉监测装置的功耗高且效率低。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于毫米波雷达的睡眠监测装置、方法及介质，旨在解决现有技术中通过毫米波雷达进行睡眠监测时监测功耗高且效率低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于毫米波雷达的睡眠监测装置，包括监测装置本体，所述监测装置本体内设置有传感模块、毫米波雷达模块和控制模块；所述传感模块与控制模块连接，用于检测当前睡眠区域的环境数据并输出至控制模块；所述毫米波雷达模块与控制模块连接，用于向人体发射毫米波电磁信号并接收回波信号，以及将接收到的回波信号输出至控制模块；所述控制模块用于根据所述环境数据判断当前睡眠区域是否存在人体并根据判断结果控制所述毫米波雷达模块的工作状态，以及根据所述回波信号提取人体位置对应的目标数据后根据所述目标数据输出睡眠监测结果。

所述的基于毫米波雷达的睡眠监测装置中，所述传感模块包括加速度传感器，所述加速度传感器与控制模块连接，用于检测当前睡眠区域的加速度数据并输出至控制模块。

所述的基于毫米波雷达的睡眠监测装置中，所述控制模块包括判断控制单元，所述判断控制单元用于根据所述加速度数据判断当前睡眠区域是否存在人体，当存在人体时控制所述毫米波雷达模块开启并向睡眠区域内的人体发射毫米波电磁信号；否则控制所述毫米波雷达模块关闭。

所述的基于毫米波雷达的睡眠监测装置中，所述控制模块还包括计算监测单元，所述计算监测单元用于根据所述回波信号对人体位置进行定位，以及根据人体定位结果在所述回波信号中提取对应的目标数据后根据所述目标数据输出睡眠监测结果。

所述的基于毫米波雷达的睡眠监测装置中，所述计算监测单元具体用于搜索所述回波信号中的最大振幅区域，提取所述最大振幅区域对应的目标回波数据后对所述目标回波数据进行睡眠特征分析并输出睡眠监测结果。

所述的基于毫米波雷达的睡眠监测装置中，所述睡眠监测结果包括心率、和/或呼吸频率、和/或睡眠状态、和/或睡姿。

本发明又一实施例还提供了一种基于毫米波雷达的睡眠监测方法，其包括如下步骤：

检测当前睡眠区域的环境数据；

根据所述环境数据判断当前睡眠区域是否存在人体并根据判断结果控制毫米波雷达模块的工作状态；

通过所述毫米波雷达模块向人体发射毫米波电磁信号并接收回波信号；

根据所述回波信号提取人体位置对应的目标数据后根据所述目标数据输出睡眠监测结果。

所述的基于毫米波雷达的睡眠监测方法中，所述根据所述回波信号提取人体位置对应的目标数据后根据所述目标数据输出睡眠监测结果，包括：

根据所述回波信号对人体位置进行定位；

根据人体定位结果在所述回波信号中提取对应的目标数据后根据所述目标数据输出睡眠监测结果。

所述的基于毫米波雷达的睡眠监测方法中，所述根据所述回波信号对人体位置进行定位，具体包括：

搜索所述回波信号中的最大振幅区域；

所述根据人体定位结果在所述回波信号中提取对应的目标数据后根据所述目标数据输出睡眠监测结果，具体包括：

提取所述最大振幅区域对应的目标回波数据后对所述目标回波数据进行睡眠特征分析并输出睡眠监测结果。

本发明又一实施例还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，所述非易失性计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时，可使得所述一个或多个处理器执行如上所述的基于毫米波雷达的睡眠监测方法。

有益效果：本发明公开了基于毫米波雷达的睡眠监测装置、方法及介质，相比于现有技术，本发明实施例通过检测睡眠区域是否存在人体灵活控制毫米波雷达模块的工作状态，并且先提取回波信号中人体位置对应的目标数据再进行数据处理实现睡眠监测，有效降低了睡眠监测装置的数据处理量，实现低功耗高效率的睡眠监测。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明提供的基于毫米波雷达的睡眠监测装置的立体图；

图2为本发明提供的基于毫米波雷达的睡眠监测装置的爆炸图；

图3为本发明提供的基于毫米波雷达的睡眠监测装置的结构框图；

图4为本发明提供的基于毫米波雷达的睡眠监测装置较佳实施例的结构框图；

图5为本发明提供的基于毫米波雷达的睡眠监测装置应用实施例的检测示意图；

图6为本发明提供的基于毫米波雷达的睡眠监测方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。以下结合附图对本发明实施例进行介绍。

请参阅图1和图2，本发明提供的基于毫米波雷达的睡眠监测装置包括监测装置本体1，所述监测装置本体1包括依次设置的顶盖11、中框12和底板 13，所述顶盖11与中框12固定连接，例如可通过螺钉等连接件进行固定，所述底板13上设置有若干个凹槽，所述中框12的对应位置上设置有相应数量的卡扣，所述卡扣与凹槽一一对应扣合，通过对应位置的卡扣和凹槽紧密扣合实现中框12与底板13之间的稳定连接，所述中框12与底板13之间形成的容置空间中设置有PCB板，具体所述PCB板的布局和容置空间内的结构可相应同步调整，确保PCB板的布局与容置空间内的结构相匹配即可，本发明对此不作限定。

进一步地，所述底板13上还设置有至少一个磁吸件(图中未示出)，即所述睡眠监测装置可通过磁吸方式固定在例如床垫四周侧面等监测位置，在监测位置处对应设置极性相反的磁吸件即可，安装方式灵活方便。

具体请参阅图3，所述PCB板上设置有传感模块10、毫米波雷达模块20 和控制模块30，所述传感模块10和毫米波雷达模块20均与控制模块30连接，其中所述传感模块10用于检测当前睡眠区域的环境数据并输出至控制模块30；所述毫米波雷达模块20用于向人体发射毫米波电磁信号并接收回波信号，以及将接收到的回波信号输出至控制模块30；所述控制模块30用于根据所述环境数据判断当前睡眠区域是否存在人体并根据判断结果控制所述毫米波雷达模块20的工作状态，以及根据所述回波信号提取人体位置对应的目标数据后根据所述目标数据输出睡眠监测结果，其中所述控制模块30采用型号为 STM32H750的MCU，当然在其它实施例中也可选用其它具有相同功能的 MCU，本发明对此不作限定。

本实施例中，采用毫米波雷达模块20进行睡眠监测，其探测准确率高且可实现远距离的非接触式检测，无需用户安装佩戴任何传感器即可进行无感探测，无镜头设计因此不涉及用户隐私，同时其不受环境障碍物影响，例如烟雾、污垢、热源等等，因此是非常优越的睡眠监测方式，本实施例在毫米波雷达探测的基础上进一步结合传感模块10监测到的环境数据先大范围判断当前睡眠区域是否存在人体，进而根据判断结果灵活控制所述毫米波雷达模块20的工作状态，使得毫米波雷达模块20无需一直保持开启状态有效降低了睡眠监测装置的功耗，并且在毫米波雷达模块20开启工作向人体发射毫米波电磁信号并接收到回波信号后，无需对全部的回波信号进行睡眠监测计算处理，而是根据所述回波信号先提取人体位置对应的目标数据再根据所述目标数据输出睡眠监测结果，在确保监测准确性的同时也大幅减小了数据计算量，实现低功耗高效率的睡眠监测。

进一步地，请一并参阅图4，所述传感模块10包括加速度传感器101，所述加速度传感器101与控制模块30连接，用于检测当前睡眠区域的加速度数据并输出至控制模块30。

本实施例中，通过加速度传感器101检测睡眠区域的加速度变化作为后续判断是否存在人体的依据，例如当所述睡眠监测装置安装在床垫上(床垫侧边、床垫底部、床垫内部)时，通过所述加速度传感器101在有人上床或起床时可检测到床垫区域不同的加速度数据并输出至控制模块30，当然还可采用例如陀螺仪传感器等进行加速度数据的获取。

进一步地，所述控制模块30包括判断控制单元(图中未示出)，所述判断控制单元与加速度传感器101和毫米波雷达模块20连接，用于根据所述加速度数据判断当前睡眠区域是否存在人体，当存在人体时控制所述毫米波雷达模块20开启并向睡眠区域内的人体发射毫米波电磁信号；否则控制所述毫米波雷达模块20关闭。

本实施例中，通过检测到的加速度数据进行初步的人体判断，同样以床垫为例，若有人上床进入床垫区域，则加速度传感器101将检测到长时间持续的加速度变化，例如当持续第一预设时间均检测到大于0的加速度数据时，则判断当前床垫区域存在人体，此时控制所述毫米波雷达模块20开启，通过毫米波雷达模块20向床垫区域发射毫米波电磁信号以再次准确检测是否存在人体，此时若根据回波信号判断不存在人体则控制毫米波雷达模块20关闭；若有人起床离开床垫区域，则加速度传感器101在离床时刻检测到短时间的加速度变化后将持续检测到加速度为0，例如当持续第二预设时间均检测到加速度为0 时，则判断当前床垫区域不存在人体，此时控制所述毫米波雷达模块20关闭，优选地在初步判断当前床垫区域不存在人体时控制所述毫米波雷达模块20向床垫区域发射毫米波电磁信号以再次准确检测是否存在人体，此时若根据回波信号判断不存在人体则控制毫米波雷达模块20关闭，避免环境数据的误判导致毫米波雷达模块20的关闭。本实施例通过环境数据初步进行是否存在人体的判断从而灵活控制毫米波雷达模块20的工作状态，实现毫米波雷达模块20的自动检测与切换，避免毫米波雷达模块20在睡眠区域无人时还进行信号发射造成的功耗浪费。

进一步地，所述传感模块10还包括有霍尔传感器102、光敏传感器103 和温湿度传感器104，所述霍尔传感器102、光敏传感器103和温湿度传感器 104均与所述控制模块30连接，所述霍尔传感器102用于检测当前睡眠监测装置的位移信息从而判断是否安装在睡眠区域的相应位置，例如在睡眠监测装置安装完成后进行位置标定，后续若检测到发生位移，则根据移动的距离和方向判断其是否还安装在预设的有效区域内，确保睡眠监测装置始终在有效区域内工作；所述光敏传感器103和温湿度传感器104分别用于检测当前睡眠区域的光强信息和温湿度信息，通过检测睡眠区域的光强信息可在当前睡眠区域存在人体时的睡眠意图，例如在判断当前睡眠区域存在人体且当前光强大于预设光强时，此时可能用户刚进入睡眠区域暂时无睡眠倾向，控制所述毫米波雷达模块20以第一频率发射毫米波电磁信号，当用户关灯或拉上窗帘时，此时检测到当前光强小于预设光强，说明当前用户已有睡眠倾向，控制所述毫米波雷达模块20以第二频率发射毫米波电磁信号，所述第二频率大于第一频率，即在用户没有睡眠意图时以较低的发射频率发射信号，进一步节约监测功耗。

进一步地，所述控制模块30还包括计算监测单元(图中未示出)，所述计算监测单元与毫米波雷达模块20连接，用于根据所述回波信号对人体位置进行定位，以及根据人体定位结果在所述回波信号中提取对应的目标数据后根据所述目标数据输出睡眠监测结果。

本实施例中，请一并参阅图5，当监测装置本体1内的毫米波雷达模块20 向睡眠区域中的人体发射毫米波电磁信号后，将接收到经过人体反射后的回波信号，该回波信号为包含有振幅信息和相位信息的复数数据，不仅仅包含人体目标的径向距离与径向速度信息，还包含身体各个部位丰富的微动信息，这些微动信息能够很好的帮助雷达对人体目标进行运动状态区分与参数提取，因此若全部进行睡眠监测分析则需要处理的数据量很大，导致睡眠监测的功耗过高且效率低，本实施例中则先根据回波信号对人体位置进行定位，即人体与监测装置本体1之间的距离，根据获取的人体定位结果在所述回波信号中提取对应的目标数据后再进行睡眠监测特征分析，大幅减少了数据处理量提高处理效率，更有利于实现实时的睡眠监测。

进一步地，所述计算监测单元具体用于搜索所述回波信号中的最大振幅区域，提取所述最大振幅区域对应的目标回波数据后对所述目标回波数据进行睡眠特征分析并输出睡眠监测结果。

所述睡眠监测结果包括心率、和/或呼吸频率、和/或睡眠状态、和/或睡姿。

本实施例中，在睡眠区域有人体时控制毫米波雷达模块20探测到回波信号，由于毫米波雷达信号对人体穿透性不好，回波振幅很高，且根据收到的回波时间差可计算出回波对应的距离，因此在所述回波信号的复数数组中寻找到最大振幅值，该最大振幅值对应的距离即为人体位置，并根据最大振幅值所处波形的宽度确定最大振幅区域，即该最大振幅区域对应的距离范围即为人体睡眠区域，在回波信号中提取该最大振幅区域对应的目标回波数据，通过所述目标回波数据进行睡眠监测分析，得到相应的睡眠监测结果，实现对心率、呼吸、睡眠状态以及睡姿的监测。

具体实施时，人体目标往往运动速度较慢，与地杂波的频谱部分都分布在零中频附近，在频域上会造成混叠，其次，人体运动中包含有丰富的微动信息，会出现多普勒扩散效应，信号能量分散，降低人体目标的探测性能，因此在获取到目标回波数据后，该目标回波数据为存在微多普勒信息的雷达回波，其包含两部分信号分量，一部分为目标微动带来的微多普勒回波，另一部分为目标主要部分的回波，这两种信号分量交杂在一起，需要将两者进行分离才可得到目标的微多普勒特征，更好地分析目标的内部运动，从而获得目标的状态参数实现睡眠监测。

在进行多普勒信号的分离时，可以在时间维度上进行，也可以在时间-频率维二维联合维度进行。在时域分离时，利用主体运动与微动形式的不同将信号按照频段分解为基函数，之后进行微动信息的重构，对信号时域分离的手段有小波分解、经验模态分解等手段；在时频域进行分离时，利用时频分析方法将信号转换到时频谱上，通过主体运动与微动形式的径向速度随时间变化的不同进行分离，常用的时频分析手段有短时傅里叶变换、小波变换、魏格纳-威尔分布等。分离得到的人体目标的微动信息可以作为运动状态分类的特征向量，即通过这些特征向量对于不同的人体状态进行区分，具体可通过设置分类器进行分类训练，常见的分类器有KNN，SVM以及人工神经网络等。

具体地，当物体移向或远离雷达时，其反射的线性调频脉冲的频率和相位都会改变，由于毫米波雷达模块20发射信号波长为毫米级别，任何很小的变化都将会导致很大的相位变化，因此在进行睡眠监测时，通过对目标回波数据中的相位进行均方差计算后根据均方差大小可得到体动大小，同时由于人体胸腔的运动，在发射线性调频脉冲后提取得到的目标回波数据是相位调制的，调制涵盖运动的所有分量，包括心跳和呼吸引起的运动，因此通过目标回波数据可解析得到当前目标人体的心跳和呼吸频率值，进而进行睡眠状态的判断。例如当人体处于静止状态一分钟以上并呼吸平稳，当人体不动时统计为深睡，当人体无规律动时并且动作幅度较大(均方差大于0.1)统计为浅睡，当人体有规律动时并且动作较小(均方差小于0.1)统计为眼动睡眠，进而实现睡眠状态监测。

并且，由于人体在不同睡姿(仰睡、侧睡、趴睡)下雷达探测面积不相同，因此提取到的目标回波数据最大振幅值与最大振幅区域对应的距离宽度也不相同，通过预先设置不同睡姿对应的宽度范围进行睡姿判断，当实际提取到的目标回波数据中最大振幅区域对应的距离宽度落入相应的宽度范围时，则可判断当前用户是仰睡、侧睡或者趴睡。进一步地，由于同一睡姿下不同睡眠朝向时目标回波数据中的微动信息不相同，例如侧睡时，面朝睡眠监测装置时的微动大小会大于背朝睡眠监测装置时的微动大小，因此可设置不同睡眠朝向下的均方差阈值，将检测到的均方差大小与不同睡眠朝向下均方差阈值比较后可进一步确定区分当前睡眠朝向，实现准确的睡眠姿态判断。

进一步地，所述监测装置本体1内还进一步设置有通信模块40、电源模块50、麦克风60和扬声器70，所述通信模块40、电源模块50、麦克风60 和扬声器70均与控制模块30连接，所述通信模块40可采用蓝牙模块、WIFI 模块或者蜂窝通信模块，实现与移动终端之间的通信连接进行远程控制；所述电源模块50用于为睡眠监测装置中各功能模块进行供电，可采用干电池或充电电池等实现；所述麦克风60用于采集音频信息，所述音频信息可以是用户输入的语音信息或者当前睡眠环境下的背景音频信息等，通过所述音频信息实现语音控制或者辅助睡眠质量判断；所述扬声器70用于输出语音提示信息，便于用户获知当前睡眠监测装置的工作状态。

由以上产品实施例可知，本发明提供的基于毫米波雷达的睡眠监测装置通过检测睡眠区域是否存在人体灵活控制毫米波雷达模块的工作状态，并且先提取回波信号中人体位置对应的目标数据再进行数据处理实现睡眠监测，有效降低了睡眠监测装置的数据处理量，实现低功耗高效率的睡眠监测。

本发明另一实施例提供一种基于毫米波雷达的睡眠监测方法，如图6所示，包括如下步骤：

S100、检测当前睡眠区域的环境数据；

S200、根据所述环境数据判断当前睡眠区域是否存在人体并根据判断结果控制毫米波雷达模块的工作状态；

S300、通过所述毫米波雷达模块向人体发射毫米波电磁信号并接收回波信号；

S400、根据所述回波信号提取人体位置对应的目标数据后根据所述目标数据输出睡眠监测结果。

进一步地，所述根据所述回波信号提取人体位置对应的目标数据后根据所述目标数据输出睡眠监测结果，包括：

根据所述回波信号对人体位置进行定位；

根据人体定位结果在所述回波信号中提取对应的目标数据后根据所述目标数据输出睡眠监测结果。

进一步地，根据所述回波信号对人体位置进行定位，具体包括：

搜索所述回波信号中的最大振幅区域；

所述根据人体定位结果在所述回波信号中提取对应的目标数据后根据所述目标数据输出睡眠监测结果，具体包括：

提取所述最大振幅区域对应的目标回波数据后对所述目标回波数据进行睡眠特征分析并输出睡眠监测结果。

需要说明的是，上述各步骤之间并不必然存在一定的先后顺序，本领域普通技术人员，根据本发明实施例的描述可以理解，不同实施例中，上述各步骤可以有不同的执行顺序，亦即，可以并行执行，亦可以交换执行等等，具体实施方式请参考上述对应的产品实施例，此处不再赘述。

本发明的另一种实施例提供了一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行上述方法实施例的干细胞图像采集方法。例如，执行以上描述的图6中的方法步骤S100至步骤S400。

综上所述，本发明公开的基于毫米波雷达的睡眠监测装置、方法及介质中，所述基于毫米波雷达的睡眠监测装置包括监测装置本体，所述监测装置本体内设置有用于检测当前睡眠区域的环境数据的传感模块；用于向人体发射毫米波电磁信号并接收回波信号的毫米波雷达模块；用于根据环境数据判断当前睡眠区域是否存在人体并根据判断结果控制毫米波雷达模块的工作状态，以及根据回波信号提取人体位置对应的目标数据后根据目标数据输出睡眠监测结果的控制模块。本发明实施例通过检测睡眠区域是否存在人体灵活控制毫米波雷达模块的工作状态，并且先提取回波信号中人体位置对应的目标数据再进行数据处理实现睡眠监测，有效降低了睡眠监测装置的数据处理量，实现低功耗高效率的睡眠监测。

以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施例的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施例可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存在于计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络电子设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。

除了其他之外，诸如"能够"、"能"、"可能"或"可以"之类的条件语言除非另外具体地陈述或者在如所使用的上下文内以其他方式理解，否则一般地旨在传达特定实施方式能包括(然而其他实施方式不包括)特定特征、元件和/或操作。因此，这样的条件语言一般地还旨在暗示特征、元件和/或操作对于一个或多个实施方式无论如何都是需要的或者一个或多个实施方式必须包括用于在有或没有输入或提示的情况下判定这些特征、元件和/或操作是否被包括或者将在任何特定实施方式中被执行的逻辑。

已经在本文中在本说明书和附图中描述的内容包括能够提供基于毫米波雷达的睡眠监测装置、方法及介质的示例。当然，不能够出于描述本公开的各种特征的目的来描述元件和/或方法的每个可以想象的组合，但是可以认识到，所公开的特征的许多另外的组合和置换是可能的。因此，显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下能够对本公开做出各种修改。此外，或在替代方案中，本公开的其他实施例从对本说明书和附图的考虑以及如本文中所呈现的本公开的实践中可能是显而易见的。意图是，本说明书和附图中所提出的示例在所有方面被认为是说明性的而非限制性的。尽管在本文中采用了特定术语，但是它们在通用和描述性意义上被使用并且不用于限制的目的。