本实用新型涉及检测技术领域，具体地，涉及一种坐姿检测装置。
背景技术：
当今时代，孩子的坐姿是每个家长十分关心的问题。孩子的坐姿正确与否是关乎孩子眼睛好坏的一个重要因素，所以每个家长都会在孩子学习的时候一再强调孩子要保持正确的坐姿。为监控孩子的坐姿，在保护孩子眼睛的同时，既能解放家长，又能很好的维护亲子关系，各种坐姿检测装置应运而生。现有的坐姿检测装置主要基于超声波测量、重力加速力测量以及红外线测量等测量技术进行检测。
基于重力加速力的测量方法，是利用重力传感器感知加速力（即物体在加速过程中作用在物体上的力）的变化并将其转化为电信号，通过对电信号进行分析完成对坐姿的检测。但该方法需要用户佩戴重力加速传感器，且重力加速传感器需要充电，对佩戴者的衣物材质有要求且容易丢失。
基于红外线的测量方法，是根据红外线在坐姿检测装置与人体之间的传播时间测量坐姿检测装置与人体的距离，从而对人体的坐姿进行检测。但该方法的成本高，且长时间使用红外线对人体眼睛有伤害。
基于超声波的测量方法，是通过超声波发射器发射出超声波信号，根据接收器接收到的回波信号的时间差得到坐姿检测装置与人体之间的距离，从而起到对人体坐姿的监测作用。但由于人体与坐姿检测装置之间可能存在干扰物，从而导致测量结果不准确。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种坐姿检测装置，以排除人体与坐姿检测装置之间的干扰物对检测结果的影响，较为准确地检测人体的坐姿。
为了实现上述目的，本实用新型提供一种坐姿检测装置，包括：超声波传感器和控制模块；
所述控制模块，包括中央处理器和信号处理子模块；
所述中央处理器，控制所述超声波传感器发射超声波信号，并记录发射所述超声波信号的发射时刻；控制所述超声波传感器接收多个回波信号，并记录接收到每个所述回波信号的时刻，所述回波信号是所述超声波信号经过障碍物反射的信号；
所述信号处理子模块，与所述中央处理器电连接，处理所述回波信号并将处理后的回波信号发送给所述中央处理器；
所述中央处理器还根据每个所述回波信号的脉冲宽度以及接收时长确定经人体反射的目标回波信号，其中，每个所述回波信号的接收时长是所述发射时刻到接收到每个所述回波信号的时刻之间的时长；根据所述目标回波信号的接收时长和所述超声波信号的传播速度获取所述坐姿检测装置与所述人体的距离。
可选的，所述控制模块，用于在所述多个回波信号中，确定脉冲宽度大于或等于第一预设阈值且接收时长最大的回波信号为所述目标回波信号。
可选的，所述控制模块，用于在所述多个回波信号中，确定接收时长小于预设时长阈值的回波信号为候选回波信号；在所述候选回波信号中，确定脉冲宽度大于或等于第一预设阈值且接收时长最大的回波信号为所述目标回波信号。
可选的，所述中央处理器向所述超声波传感器发送激励方波，以控制所述超声波传感器发射一定频率的超声波信号。
可选的，所述超声波传感器与所述控制模块之间设置一隔离模块，所述隔离模块用以隔离所述激励方波与所述回波信号。
可选的，所述控制模块，用于控制所述超声波传感器按照预设周期发射超声波信号；
所述控制模块，还用于在N个周期后，根据所述N个周期中的每一周期内检测到的所述距离确定所述坐姿检测装置与所述人体之间的最终距离值。
可选的，所述控制模块，用于根据每一所述周期的目标回波信号的脉冲宽度，确定参考脉冲宽度；在所述N个周期中确定候选周期，其中，所述候选周期中的每一周期的目标回波信号的接收时长位于预设时长范围内且目标回波信号的脉冲宽度与所述参考脉冲宽度的差值小于预设差值阈值；将所述候选周期中的每一周期内检测到的所述距离的平均值作为所述最终距离值。
可选的，所述隔离模块为变压器，向所述超声波传感器提供变压电压。
可选的，所述隔离模块包括单向缓冲器，以及与所述单向缓冲器电连接的驱动子模块。
通过上述技术方案，根据接收到的多个回波信号中每个回波信号的脉冲宽度和接收时长确定经人体反射的目标回波信号，并根据目标回波信号的接收时长和所述超声波信号的传播速度计算坐姿检测装置与人体的距离，可以排除人体与坐姿检测装置之间的干扰物对检测结果的影响，提高坐姿检测结果的准确性。
本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是本实用新型一实施例的坐姿检测装置的示意图；
图2是本实用新型一实施例的经处理后的回波信号示意图；
图3是本实用新型另一实施例的坐姿检测装置的示意图；
图4是本实用新型一实施例的坐姿检测方法的流程图；
图5是本实用新型一实施例的坐姿测量的示意图；
图6是本实用新型一实施例的超声波信号和多个回波信号的示意图；
图7是本实用新型一实施例的确定目标回波信号的流程图；
图8是本实用新型另一实施例的坐姿检测方法的流程图；
图9是本实用新型一实施例的计算坐姿检测装置与人体的最终距离值的流程图；
图10是本实用新型一实施例的坐姿检测装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书以及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本实用新型一实施例的坐姿检测装置的结构示意图。该坐姿检测装置包括：超声波传感器101和控制模块102。
在一个实施例中，控制模块102包括中央处理器（MCU）121和信号处理子模块122。中央处理器121向超声波传感器101发送激励方波，以控制超声波传感器101发射一定频率的超声波信号。其中，激励方波的频率可为超声波信号的固有频率，在该固有频率下，反射的超声波信号最强。例如，固有频率可为40khz。
超声波信号经障碍物反射回的信号为回波信号，反射回的回波信号被超声波传感器101接收并发送给控制模块102。此处的障碍物包括人体和处于坐姿检测装置周围的干扰物。控制模块102中的信号处理子模块122将返回的回波信号进行处理，转换为中央处理器121可识别的数字回波信号。中央处理器121对处理后的回波信号（即数字回波信号）进行分析，得到坐姿检测装置与人体的距离，并根据该距离监控人体的坐姿。
在另一个实施例中，该坐姿检测装置还包括为整个坐姿检测装置供电的电源104。
在另一个实施例中，为了将激励方波与超声波传感器101接收到的回波信号完全隔离以避免回波信号对检测结果造成影响，可在超声波传感器101与控制模块102之间增设一隔离模块103。
可选地，若电源104的供电电压为5V，如图1所示，隔离模块103可以包括变压器。该变压器除了可以起到隔离激励方波与回波信号的作用，还可以向超声波传感器101提供所需的变压电压。
相应地，信号处理子模块122对回波信号进行处理的过程为：首先，将接收到的回波信号进行波形整形和滤波，以滤除非固有频率外的回波信号和噪声。由于滤波后的回波信号的波形幅值较小，一般在mV级别，因此还需对回波信号进行多级放大（例如进行一级和二级放大），最后经过波形变换和开关整形处理，使得回波信号的幅值达到中央处理器121可以识别的幅值，如图2所示。
可选地，若电源的供电电源为3.3V，如图3所示，隔离模块103可以包括单向缓冲器和驱动子模块。相比于图1所述的变压器，该单向缓冲器可以解决变压器体积大、不便安装、对坐姿检测装置的结构外观有影响的问题。
相应地，信号处理子模块122对接收到的回波信号的处理过程为：首先，通过信号保护电路对接收到的回波信号进行保护，即通过设置一定幅值（如1.65V）的基准电平减小回波信号震荡对信号处理子模块122造成的损坏。接着，对回波信号进行放大处理，使回波信号的幅值达到中央处理器121可以识别的幅值。由于放大处理仅仅是对小信号进行了放大处理，回波信号可能依然无法被中央处理器121识别，因此还需对回波信号进行包络检波处理，对回波信号进行整形以使回波信号转换为中央处理器121可以识别的模拟信号。最后，通过将模拟信号与设定的阈值进行信号比较，输出中央处理器121可以识别的数字信号。
在另一个实施例中，图1和图3所示的坐姿检测装置还包括上位机105，中央处理器121还将人体坐姿的检测结果通过串口通讯发送给上位机105，以供上位机105对检测结果进行监控，例如，可在坐姿检测装置与人体之间的距离小于预设距离阈值时判定人体身体前倾，并输出一提示信息，以提示人体调整坐姿。
参见图4，本实用新型提供了一种坐姿检测方法，该坐姿检测方法可应用于上述图1和图3任一实施例所述的坐姿检测装置，该坐姿检测方法包括：
在步骤S41中，发射超声波信号，并记录发射超声波信号的发射时刻。
在本实用新型的实施例中，坐姿检测装置安装在台灯上，具体地涉及正确坐姿初始化，可依人体根据实际使用情况自行设置，在发射超声波信号的同时记录发射超声波信号的发射时刻。当然，在其他的实施例中，坐姿检测装置也可安装在书桌等方便检测人体坐姿的位置，不以上述为限。
在步骤S42中，接收多个回波信号，并记录接收到每个回波信号的时刻，回波信号是超声波信号经过障碍物反射回的信号。
由于超声波信号是以类圆锥体的扩散面向外发射的（可参见图5），即超声波信号的开阔角范围内的超声波信号最强，而开阔角外的超声波信号最弱，因而位于开阔角内的所有障碍物都会将超声波信号发射回来，形成回波信号。
如图5所示，在检测人体的坐姿时，由于人体周围环境复杂，在超声波信号的开阔角里除了人体必定会存在诸如水杯、书本等干扰物，人体和干扰物等所有障碍物都会将超声波信号反射回来形成回波信号，因此坐姿检测装置会接收到多个回波信号。
在步骤S43中，根据每个回波信号的脉冲宽度以及接收时长确定人体发射回的目标回波信号，其中，每个回波信号的接收时长是发射时刻到接收到每个回波信号的时刻之间的时长。
各个障碍物相对于坐姿检测装置的位置不同，因而坐姿检测装置接收到的各个障碍物反射回的回波信号的时刻与超声波信号的发射时刻之间的时长（各个回波信号的接收时长）不同。在通常的实施环境中，相比于杯子、书本等障碍物，人体距离坐姿检测装置的位置通常较远，因而其反射回的回波信号的接收时长较大。
此外，不同的障碍物的反射面积不同，其反射的回波信号的脉冲宽度也不同。人体的反射面积通常较大，其反射的回波信号的脉冲宽度较大；而杯子、书本等障碍物的反射面积通常较小，其反射的回波信号的脉冲宽度较小。
因此，可根据每个回波信号的脉冲宽度以及接收时长将非人体反射回的回波信号筛除，从而确定出人体反射回的目标回波信号。
在一个实施例中，在多个回波信号中，可确定脉冲宽度大于或等于第一预设阈值且接收时长最大的回波信号为人体反射回的目标回波信号。
在另一个实施例中，在多个回波信号中，可确定接收时长小于预设时长阈值的回波信号为候选回波信号，并在候选回波信号中，确定脉冲宽度大于或等于第一预设阈值且接收时长最大的回波信号为人体反射回的目标回波信号。
在通常的实施场景中，人体通常位于坐姿检测装置的一定范围内。例如以坐姿检测装置安装在照明装置上，或者坐姿检测装置与照明装置一体设计时，用户（即人体）写字看书时，通常位于距离台灯1m的范围内。因此，可根据该范围以及超声波的传播速度，设定一预设时长阈值tmax，对于接收时长大于或等于该预设时长阈值tmax的回波信号，可判定为是该范围以外的障碍物反射回的回波信号，即非人体反射回的回波信号；而对于接收时长小于该预设时长阈值tmax的回波信号，可判定为可能为人体反射回的回波信号，因而确定为候选回波信号。
接着，根据各个候选回波信号的脉冲宽度和接收时长，将脉冲宽度大于或等于第一预设阈值且接收时长最大的回波信号作为人体反射回的目标回波信号。
例如，发射的超声波信号和接收到的n个回波信号的示意图如图6所示，坐姿检测装置的控制模块中可设置一计时器，该计时器可被配置为高电平上升沿时触发计时以及高电平下降沿时停止计时。由此，可得到：超声波信号的发射时刻t0，超声波信号完成发射的时刻t1，第一个回波信号的接收时刻t2及其接收完成的时刻t3，第二个回波信号的接收时刻t4及其接收完成的时刻t5，第三个回波信号的接收时刻t6及其接收完成的时刻t7以及第n个回波信号的接收时刻t2n及其接收完成的时刻t2n+1，进而可得到该预设周期内第一个回波信号至第n个回波信号的脉冲宽度分别为t3-t2、t4-t3、…、t2n+1-t2n，以及第一个回波信号至第n个回波信号的接收时长分别为t2-t0、t4-t0、…、t2n-t0。
接着，根据预设时长阈值筛除距离坐姿检测设备过远的障碍物反射回的回波信号，得到候选回波信号。在确定出候选回波信号后，如图7所示，将各个候选回波信号的脉冲宽度与第一预设阈值tset进行比较，将脉冲宽度小于第一预设阈值tset的候选回波信号舍弃，保留脉冲宽度大于第一预设阈值tset的回波信号，且将保留的回波信号中接收时长最大的回波信号确定为目标回波信号。
通过上述实施例，可以进一步排除干扰物反射回的干扰回波信号，更准确地确定人体反射回的目标回波信号。
在步骤S44中，根据目标回波信号的接收时长和超声波信号的传播速度获得坐姿检测装置与人体的距离。
在确定出目标回波信号后，可得到目标回波信号的接收时长T，即坐姿检测装置接收到目标回波信号的时刻与超声波信号的发射时刻之间的时长（如图6，T=t2n-t0）。坐姿检测装置与人体的距离可根据式（1）得到：
（1）
其中，L为坐姿检测装置与人体的距离；v为超声波信号的传播速度，可取v=340m/s；T为目标回波信号的接收时长。
根据计算得到的坐姿检测装置与人体的距离后，可判断人体的坐姿。例如，若坐姿检测装置与人体的距离小于预设距离阈值，可判定用户身体前倾，此时坐姿检测装置可输出一提示信息，以提示用户调整坐姿，提示信息的形式可以例如包括但不限于：声音、文字、震动等等。其中，预设距离预设可以是用户自定义设置的，也可以是坐姿检测装置出厂时设置好的。
通过本实用新型的上述技术方案，可以排除人体与坐姿检测装置之间的干扰物对检测结果的影响，提高坐姿检测结果的准确性。
参见图8，本实用新型还提供了另一种坐姿检测方法，该方法包括以下步骤：
在步骤S81中，按照预设周期发射超声波信号。
预设周期可以是用户自定义设置的，也可以是超声波检测装置在出厂时设置好的。例如，预设周期可设置为50ms。
在步骤S82中，接收多个回波信号，并记录接收到每个回波信号的时刻，回波信号是超声波信号经过障碍物反射回的信号。
在步骤S83中，根据每个回波信号的脉冲宽度以及接收时长确定经人体反射回的目标回波信号，其中，每个回波信号的接收时长是发射时刻到接收到每个回波信号的时刻之间的时长。
在步骤S84中，根据目标回波信号的接收时长和所述超声波信号的传播速度获得坐姿检测装置与人体的距离。
针对每个预设周期，关于确定该预设周期的目标回波信号及计算坐姿检测装置与人体的距离，已在本实用新型的上述实施例中进行了详细说明，在此不再赘述。
在步骤S85中，在N个周期后，根据N个周期中的每一周期内检测到的距离确定坐姿检测装置与人体之间的最终距离值。
在一个实施例中，可在N个周期后，可计算N个周期中的每一周期内检测到的距离的平均值，将该平均值确定为坐姿检测装置与人体之间的最终距离值。由此，可以减小检测误差，提高坐姿检测结果的准确性。例如，N可为3~5中的任一整数。
在另一个实施例中，如图9所示，考虑到N个周期中可能存在一个或多个周期确定的目标回波信号并非真实为人体返回的回波信号，为了进一步排除干扰障碍物反射回的回波信号以提高检测结果的准确性，上述步骤S85包括：
在步骤S851中，根据每一周期的目标回波信号的脉冲宽度，确定参考脉冲宽度。
可选地，可将其中一个周期的目标回波信号的脉冲宽度作为参考脉冲宽度，例如，将第一个周期T1的目标回波信号的脉冲宽度作为参考脉冲宽度。
可选地，还可取N个周期的目标回波的脉冲回波信号的平均值、中位数等作为参考脉冲宽度，本实用新型对此不做限定。
在步骤S852中，在N个周期中确定候选周期，其中，候选周期中的每一周期的目标回波信号的接收时长位于预设时长范围内且目标回波信号的脉冲宽度与参考脉冲宽度的差值小于预设差值阈值。
考虑到通常情况下人体的动作在较短时间内不会有巨大变化，因此在各个预设周期内人体反射的回波信号的接收时长基本相同且脉冲宽度的差异较小。因此，可比较N个周期中每个回波信号的接收时长和脉冲宽度，对于接收时长超过预设时长范围或者脉冲宽度变化较大的目标回波信号，可判定该目标回波信号为非人体反射回的回波信号，因而判定该目标回波信号对应的周期无效，故将该周期的检测结果舍弃；对于接收时长位于预设时长范围且脉冲宽度与参考脉冲宽度的差值小于预设差值阈值的目标回波信号，可进一步判定为人体反射回的回波信号，因而确定该目标回波信号对应的周期为候选周期，将候选周期的检测结果保留。
在步骤S853中，将候选周期中的每一周期内检测到的距离的平均值作为最终距离值。
计算候选周期中的每一个周期内检测到的距离的平均值，将该平均值作为坐姿检测装置与人体的最终距离值。由此，可进一步排除干扰障碍物对检测结果的影响，提升坐姿检测的准确性。
相应地，参见图10，本实用新型还提供了一种坐姿检测装置，该坐姿检测装置包括：超声波传感器1001和控制模块1002。其中，该超声波传感器1001可以包括图1和图3任一实施例所述的坐姿检测装置中的超声波传感器1001，控制模块1002可以包括图1和图3任一实施例所述的坐姿检测装置中的中央处理器121和信号处理子模块122。
该控制模块1002，用于控制超声波传感器1001发射超声波信号，并记录发射超声波信号的发射时刻；控制超声波传感器1001接收多个回波信号，并记录接收到每个回波信号的时刻，回波信号是超声波信号经过障碍物反射回的信号；根据每个回波信号的脉冲宽度以及接收时长确定人体反射回的目标回波信号，其中，每个回波信号的接收时长是发射时刻到接收到每个回波信号的时刻之间的时长；根据目标回波信号的接收时长计算坐姿检测装置与人体的距离。
在一个实施例中，控制模块1002，用于在多个回波信号中，确定脉冲宽度大于或等于第一预设阈值且接收时长最大的回波信号为目标回波信号。
在另一个实施例中，控制模块1002，用于在多个回波信号中，确定接收时长小于预设时长阈值的回波信号为候选回波信号；在候选回波信号中，确定脉冲宽度大于或等于第一预设阈值且接收时长最大的回波信号为目标回波信号。
在另一个实施例中，控制模块1002，用于控制超声波传感器按照预设周期发射超声波信号；
控制模块1002，还用于在N个周期后，根据所述N个周期中的每一周期内检测到的距离确定坐姿检测装置与人体之间的最终距离值。
在另一个实施例中，控制模块1002，用于根据每一周期的目标回波信号的脉冲宽度，确定参考脉冲宽度；在N个周期中确定候选周期，其中，候选周期中的每一周期的目标回波信号的接收时长位于预设时长范围内且目标回波信号的脉冲宽度与参考脉冲宽度的差值小于预设差值阈值；将候选周期中的每一周期内检测到的距离的平均值作为最终距离值。
关于上述实施例中的坐姿检测装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所实用新型的内容。