技术领域
[0001] 本
申请涉及FMCW微波测距技术领域，具体涉及一种FMCW微波测距感应智能马桶，可以通过FMCW微波
传感器检测人体的距离，以实现智能马桶的自动翻盖、关盖、冲
水或是座圈加热功能。
背景技术
[0002] 随着人们
生活质量的日益提升，大多数人对卫生洁具的要求也是越来越高。而马桶作为使用
频率较高的卫生洁具之一，人们对于智能化马桶的需求越来越大的同时，也对其性能要求越来越高。例如，使用者更多地需要一种误动作概率小、性能稳定、可靠性高的能精确测距的智能马桶。这种高性能的智能马桶只有检测到使用者到达一定距离范围内，才自动开盖或预加热座圈。
[0003] 传统的人体感应智能马桶，大多数采用的红外传感器或是多普勒微波传感器。
[0004] 众所周知，红外传感器由于对反射物的
颜色及反射面的反光率敏感，所以距离不稳定；并且它需要开窗，对马桶的结构、外观都有一定影响。所以，目前智能马桶几乎都没有采用红外的方式进行人体检测。
[0005] 微波传感器发射的高频
电磁波能穿透塑料、陶瓷等介质，其运用到智能马桶中能保证马桶结构的完整和美观。多普勒微波传感器检测的是动态的物体的速度信息，其往往用
信号的强度来粗略地估算距离。但其信号强度会受到多方因素的影响，例如：被测物形体大小、动作幅度大小以及使用环境的空间大小等。所以多普勒微波传感器并不能精确地检测到人体的具体距离。而采用多普勒微波传感器进行人体检测的智能马桶，也有着较大的距离不
稳定性。
[0006]
专利CN102445696提到一种智能马桶的人体检测装置，该装置是一种多普勒微波感应器。其利用了传感器输出的多普勒信号强度变化的规律性，如：物体靠近时的多普勒信号幅度总体趋势是越来越大，而物体远离时的信号幅度总体趋势是越来越小。通过该规律，该
发明结合对信号强度和频率的限制，达到了一个更好的检测效果。该方式在一定程度改善了检测效果，但是一般检测装置安装在马桶内部，不同的马桶由于其塑料、陶瓷的材质或厚度的不同，其对于微波信号强度的衰减也不同；而不同体型的人，其反射的微波信号强度也不同。而信号强度也是该发明触发开盖的条件中的一项，所以其开盖感应距离的一致性和可靠性并不理想。例如，将其发明安装于两种厚度不同的陶瓷中，那么对于信号衰减较大的陶瓷，其感应距离就会变近。由于多普勒微波感应器只能检测到动作幅度较大的人体，而当有男性在马桶跟前小便时，由于此时人体动作幅度很小，多普勒微波感应器并不能检测到是否有人站立在马桶跟前，从而不能判断小便男性是否已经离开和是否应该冲水。
发明内容
[0007] 本发明所要解决的问题在于：1、消除感应器
外壳、马桶本体陶瓷、马桶盖等部件对微波测距的精准度的影响；2、消除由于人体体型差异对微波测距的精准度的影响；3、精确检测人体距离信息，更为准确地判断人体是离开还是靠近；4、能检测到站立在马桶跟前只有微动的人体，可以判断小便的男性是否已经完成离开，从而可以判断是否应该冲水。
[0008] 本发明为解决上述问题提出了一种FMCW微波测距感应智能马桶，其通过FMCW微波传感器精确检测人体距离，从而实现马桶自动化开盖、关盖、冲水或是座圈加热等功能。其包括马桶盖、翻盖驱动机构、冲水
阀、座圈加热系统和马桶主控器，翻盖驱动机构分别与马桶盖和马桶主控器连接，冲水阀为电磁冲水阀，其安装于冲水管上，其还包括FMCW微波传感器，FMCW微波传感器包括发射天线，接收天线，FMCW雷达收发器，调频
电路，信号
滤波器，信号
放大器和
单片机；发射天线和接收天线作为测量的收发端分别与FMCW雷达收发器电性连接，FMCW雷达收发器的依次通过信号滤波器和信号放大器与单片机电性连接，并且通过调频电路与单片机电性连接；单片机与马桶主控器电性连接。
[0009] 进一步地，翻盖驱动机构包括驱动
电机和翻转组件，翻转组件为
齿轮组，齿轮组与马桶盖连接，用于驱动马桶盖翻转开合。
[0010] 进一步地，冲水阀与马桶主控器电性相连，用于进行自动冲水。
[0011] 进一步地，座圈加热系统安装于座圈内部，并与马桶主控器电性相连，用于对座圈进行加热。
[0012] 进一步地，FMCW微波传感器安装在马桶内。
[0013] 进一步地，单片机包括DA输出单元，及依次相连接的AD转换单元、数字滤波单元、
数字信号处理单元和输出单元，DA输出单元与调频电路电性连接，AD转换单元与信号放大器连接，输出单元与马桶主控器电性连接。
[0014] 进一步地，单片机的DA输出单元用于控制调频电路连续产生调制信号，该调制信号用于控制FMCW雷达收发器通过微波发射天线向外发射具有一定带宽的线性扫频电磁波。
[0015] 进一步地，FMCW雷达收发器用于接收到电磁波反射的回波，并根据发射的电磁波与回波的频率差生成一个用于判断是否
开关盖或冲水的中频信号。
[0016] 进一步地，对于相同距离的被测物体，从发射到接收到回波的时间相同，即接收到回波时，回波与此时正发射的电磁波的频率差相同，则混频后的中频信号的频率也相同；对于不同距离的被测物体，则输出的中频信号的频率也会不同。
[0017] 进一步地，上述中频信号通过信号滤波器过滤掉调制波的低频干扰，再通过信号放大器将有效信号放大，从而得到最终
模拟信号。单片机通过AD转换单元将最终模拟信号转换为数字信号，再通过数字滤波单元过滤
采样中的抖动等噪波，最后通过数字
信号处理单元进行一系列
算法分析。
[0018] 进一步地，数字信号处理单元首先通过FFT算法得到有效信号的
频谱和
相位谱，其频谱和相位谱的每一个频点都对应着不同距离上的被测物体的信息，频率越低的频点所对应的距离越近，而频率越高的频点所对应的距离越远。为了防止静止的物体(例如放置在马桶侧前方的静态的水桶)对检测的干扰，FMCW微波传感器会将完全静止的物体当做环境背景，不考虑其距离信息。
[0019] 进一步地，通过上述方法进行分析判断，可以得到最终的人体距离信息、方向信息以及速度信息。若检测到有人员在检测范围内，并且以一定速度正在靠近马桶，当靠近到某一预设距离值时，则判断需要打开马桶盖和对座圈进行预加热。若检测到有人员在检测范围内，并且以一定速度正在远离马桶，当远离到某一预设距离值时，则判断需要关闭马桶盖。
[0020] 进一步地，对于完全静止的物体，其信号的频谱和相位谱也是一直保持不变的，而对于有微小动作的人体，其相位谱会有着明显的变化。如有正在小便的男性站立在马桶跟前，即使其并没有主动地动作，FMCW微波传感器也能根据相位谱检测到其自身的晃动、呼吸和心跳等微弱的动作，从而判断有人员仍站立在马桶跟前；当该男性小便完离开时，FMCW微波传感器即可马上判断马桶跟前的微动信号已经消失，从而进行自动冲水。
[0021] 与此同时，FMCW微波传感器与马桶主
控制器电性相连，马桶
主控制器与
驱动电机、冲水阀和座圈加热系统电性相连。驱动电机可驱动翻转组件转动，翻转组件与马桶盖机械相连，可带动马桶盖进行开盖、关盖动作；冲水阀可以进行自动冲水；座圈加热系统可以进行座圈加热。
[0022] 进一步地，FMCW微波传感器将控制指令通过单片机的输出单元发送给马桶主控制器，马桶主控制器接收到上述控制信息后，会根据不同的控制指令产生不同的动作，如：开关马桶盖、冲水或是预加热座圈。从而实现了可以自动开、关盖，冲水以及座圈预加热的智能马桶。
[0023] 本发明提供的FMCW微波测距感应智能马桶，由于马桶内安装有FMCW微波传感器，FMCW微波传感器主要依靠信号的频谱信息判断被测物体的距离，从而有效地避免了因传感器外壳、马桶本体陶瓷对微波信号的衰减所带来的测距精准度的影响。例如，倘若有两种不同的马桶本体A和B，由于其陶瓷厚度不同，所以马桶A对微波所产生的衰减小于于马桶B。当有人员走到同样的距离时，马桶A中的FMCW微波传感器检测到有信号频谱中有一频点f的幅值由一接近为0的值变为较大值a，马桶B中的FMCW微波传感器则会检测到相同频点f的幅值由一接近为0的值变为较大值b，同时b小于a。但是，并不因为b比a小就影响了FMCW微波传感器对被测物的距离的判断，因为它们幅度的增加都出现在同一频点f，所以其对应的距离也是相同的。同理，FMCW微波传感器也消除了不同体型的人对于微波传感器距离判断精准度的影响。由此可见，FMCW微波传感器的测距依据是信号频率，与多普勒所依据的信号强度是完全不同的。信号强度极容易被被测物形体大小、动作幅度大小以及使用环境的空间大小影响，而信号频率是不被上述因素所影响的。与此同时，由于FMCW微波传感器能检测到人体自身的微小晃动、呼吸和心跳等微弱动作，从而可以判断出男性小便的结束时间，进而可以实现自动冲水的功能。而多普勒微波传感器不能检测到上述微弱的动作。综上所述，具备FMCW微波传感器的FMCW微波测距感应智能马桶能提供更好的用户体验，并且具备更高的可靠性。
附图说明
[0024] 图1为一种
实施例中智能马桶的原理
框图；
[0025] 图2为一种实施例中人站立在远处的信号
波形图；
[0026] 图3为一种实施例中人站立在近处的信号波形图。
具体实施方式
[0027] 下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明：
[0028] 在本实施例中提供了一种FMCW微波测距感应智能马桶，其采用了FMCW微波传感器进行测距，以实现自动开、关盖、冲水以及座圈预加热的智能马桶。FMCW微波传感器安装在马桶后盖内侧。当然，在其他实施例中，FMCW微波传感器也可安装在马桶其他
位置。
[0029] 如图1所示，本实施例包括：FMCW微波传感器1、马桶主控器2、翻盖驱动机构、马桶盖5、冲水阀6以及座圈加热系统7，其中，翻盖驱动机构包括驱动电机3和翻转组件4。翻盖驱动机构分别与马桶盖5和马桶主控器2连接，冲水阀为电磁冲水阀，其安装于冲水管上。具体的，翻盖驱动机构的驱动电机3与马桶主控器2电性连接，翻盖驱动机构的翻转组件4为齿轮组，与马桶盖5机械连接，用于驱动马桶盖翻转开合。
[0030] 其中，FMCW微波传感器1包括：单片机11、发射天线12，接收天线13，FMCW雷达收发器14，调频电路15，信号滤波器16，信号放大器17。发射天线12和接收天线13作为测量的收发端分别与FMCW雷达收发器14电性连接，FMCW雷达收发器14的依次通过信号滤波器16和信号放大器17与单片机11电性连接，并且通过调频电路15与单片机11电性连接。
[0031] 其中，单片机11包括：DA输出单元111、AD转换单元112、数字滤波单元113、数字信号处理单元114和输出单元115。AD转换单元112、数字滤波单元113、数字信号处理单元114和输出单元115依次相连接，DA输出单元111与调平电路15电性连接，AD转换单元112与信号放大器17电性连接，输出单元115与马桶主控器2电性连接。
[0032] DA输出单元111控制调频电路15连续输出调制信号，该调制信号输入到FMCW雷达收发器14的调频
接口。
[0033] FMCW雷达收发器14根据上述调制信号会通过发射天线12向外发射从具一定带宽的有连续扫频的高频电磁波。其扫频速度由调制信号的频率决定，调制信号频率越高，扫频速度越快。
[0034] 发射电磁波在遇到被测物体后，会产生回波。FMCW雷达收发器14通过接收天线13接受到回波，由于发射电磁波为线性扫频电磁波，所以FMCW雷达收发器14接收到上述回波时，此时正发射的电磁波与上述回波已经产生了一个频率差，通过将发射电磁波与上述回波混频，可以输出一个中频信号。
[0035] 该中频信号包含了调制波的低频信号，为了去掉该低频信号对距离判断的影响，所以需要使用信号滤波器16滤掉上述低频信号和其他
干扰信号从而得到有效信号。
[0036] 信号放大器17将有效信号进行交流放大，使得其中有用的高频信号幅度变强，从而更有利于单片机11的采集和分析。
[0037] 单片机11中的AD转换单元112将放大后的信号进行AD转换，再通过数字滤波单元113过滤采样中的抖动等噪波后得到最终的数字信号，最后通过数字信号处理单元114进行一系列算法分析。
[0038] 在数字信号处理单元114中，首先通过FFT算法得到数字信号的频谱和相位谱。其频谱和相位谱的每一个频点都对应着不同距离上的被测物体的信息，频率越低的频点所对应的距离越近，而频率越高的频点所对应的距离越远。如图2所示，当人员站立在远处时，信号的频率较高；如图3所示，当人员站立在近处时，信号的频率较低。为了防止静止的物体(例如放置在马桶侧前方的静态的水桶)对检测的干扰，FMCW微波传感器1会将完全静止的物体当做环境背景，不考虑其距离信息。
[0039] 通过上述方法进行分析判断，可以得到最终的人体距离信息、方向信息以及速度信息。若检测到有人员在检测范围内，并且以一定速度正在靠近马桶，当靠近到某一预设距离值时，则判断需要打开马桶盖5和对座圈进行预加热。若检测到有人员在检测范围内，并且以一定速度正在远离马桶，当远离到某一预设距离值时，则判断需要关闭马桶盖5。与此同时，单片机11将生成一个控制指令通过输出单元115发送给马桶主控器2。
[0040] 对于完全静止的物体，其信号的频谱和相位谱也是一直保持不变的，而对于有微小动作的人体，其相位谱会有着明显的变化。如有正在小便的男性站立在马桶跟前，即使其并没有主动地动作，FMCW微波传感器1也能根据相位谱检测到其自身的晃动、呼吸和心跳等微弱的动作，从而判断有人员仍站立在马桶跟前；当该男性小便完离开时，FMCW微波传感器1即可马上判断马桶跟前的微动信号已经消失，单片机11生成一个控制指令通过输出单元
115发送给马桶主控器2进行自动冲水。
[0041] FMCW微波传感器1将控制指令通过单片机11的输出单元115发送给马桶主控制器2，马桶主控制器2接收到上述控制信息后，会根据不同的控制指令产生不同的动作，如：开关马桶盖5、控制冲水阀6进行自动冲水或是控制座圈加热系统7进行预加热座圈。从而实现了可以自动开、关盖，冲水以及座圈预加热的智能马桶。
[0042] 以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、
变形或替换。
