JP6713163B2 - 人検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、環境電波を用いる人の検出装置に関する。とくに、屋内において電源等から生じる環境電波を用いて人を検出するものである。

人または物体がいるかどうか、静止しているかどうか、センサから近いか遠いかといった情報を得るためのセンサとして、赤外線センサ(焦電センサを含む)、超音波センサ、カメラが主に用いられている。

赤外線センサは主に赤外線LEDと組にして用い、単純なものでは、LEDから放たれた後、人や物体などの表面で反射した赤外線光の有無または強度で物体検知を行う（例えば、非特許文献１）。既存の赤外線センサは、センサ自体のコストや扱いやすさは優れているが、その方式上センサと物体間に遮蔽物があると全く動作できなくなるほか、物体表面が光を反射しづらい素材や色であったり、反射光の方向がセンサの検出範囲からそれる場合などにも物体の検出が不正確になる欠点がある。

また、赤外線センサの一種として、センサ検出範囲内における熱源の移動を検出する焦電センサ(Passive InfraRed：PIRセンサ)がある。焦電センサは検知エリア内の温度変化により起こる赤外線の分布の変化を電位差として出力することで人や物体の動きを検出するものである（例えば、非特許文献２）。焦電センサはその特性上、一定時間温度変化が起きなくなると、たとえ監視領域に人や物体が存在し続けた場合でも、検出できなくなるという欠点がある。

超音波センサは主に40kHz程度の超音波発信素子と受信素子の組からなるセンサであり、発信した超音波が物体に反射し受信素子に入るまでのToF(Time of Flight、送信した音波が反射してマイクに到達するまでの時間)を計測することで物体-センサ間の距離を測るものである（例えば、非特許文献３）。超音波センサは人や物体が動いていようと止まっていようと検出することが可能だが、あまりにセンサに近接すると超音波の反射波が良好に得られなくなったり、超音波が乱反射して正確な距離が得られないという欠点がある。

カメラは近年では一般的にCCDやCMOSイメージ素子とレンズ、画像データの変換を行うプロセッサを一体化したデジタルカメラ・デバイスがよく用いられる。画像処理により動体検出から物体形状認識といった高度な情報を扱うことが可能だが、処理のためのハードウェアやソフトウェアのコストが上記三つのセンサに比べて高いことや、画像に捉えられた人や物体のプライバシーやモラルといった観点から導入が制限される場面が少なくない。

上述のような既存のセンサは動作に少なからず電力を必要とし、電源の確保は必須である。

一方、センサをより省電力で動作させるひとつの方法として、センサに供給する電力を自給自足する試みがある。この試みは、一般にエナジーハーベスティングと呼ばれており、主に太陽光発電パネル、風力発電機、圧電素子や空間電磁波など環境中のエネルギーを電力として利用できるようにするものである（例えば、非特許文献４）。

とくに、空間電磁波から電力を得る方式は、アクディブ・センシングとパッシブ・センシングに分けられる。アクティブ・センシングの例として、特許文献１では、人の存在を判定し、照明を制御するシステムが開示されている。人の検知の判定に特定の電磁波が用いられている。

一方、パッシブ・センシングの例としては、無線局などが発する無線通信用電磁波をアンテナと整流回路により直流電力へと変換し利用する方式がある。この方式は屋内外や設備によって差はあるものの、天候や時間帯などの影響によるエネルギー供給状態の変動が小さく、かつ電力への変換が容易である（例えば、非特許文献５）。

さらに、非特許文献６では、2.4GHz帯Zigbee（登録商標）無線ノード間での受信信号強度の変動を検出することで、人にタグやデバイスなどを装備させることなく、人が屋内中のどの領域で活動しているかを知ることができるシステムが示されている。

最後に、非特許文献７では、ソフトウェア・デジタルラジオ受信機を用いて、FMラジオの周波数帯におけるラジオ音声出力の振幅波形を観測し、人が通過するなどしてその振幅が変動することを利用して人の在室の判断や移動検出等の行動認識を行うシステムが示されている。

特開2010-176911公報

河内山和則, 川島信, 永瀬和宏,"半導体赤外線センサを用いた人間の動線トラッキングシステム構成法の研究，" 電子情報通信学会 信学技報 USN2012-48, pp113-118, 2012. 三木光範, 間博人, 小野林功昇, 池上久典, 奥西亮賀,"人感センサを用いた照明制御システムと知的照明システムの消費電力削減効果の比較，" FIT2013, 第4分冊, pp551-552, 2013. 高橋和哉, 中村勝一, 山崎克之,"超音波測距センサーによる人群観測ネットワークの開発と評価，" 電子情報通信学会 信学技報, pp45-50, 2009. Christian Renner, Stefan Unterschutz, Volker Turau, Kay Romer,"Perpetual Data Collection with Energy-Harvesting Sensor Networks，" ACM Transactions on Sensor Networks, Vol.11, No.1, Article 12, 2014. 繁田亮,"RFエネルギーハーベスティングを用いたセンサノードの実装とキャパシタ漏れ電力を考慮した間欠動作制御手法，" 東京大学平成25年度修士論文，2013. 青木智資, 森野博章,"Zigbeeノードの受信信号強度を利用した屋内での人の活動範囲検出法，" 電子情報通信学会 信学技報 MoMuC2009-39, pp.1-6, 2009. Shuyu Shi, Stephan Sigg, Yusheng Ji,"Passive detection of situations from ambient FM-radio signals，" UbiComp'12，pp.1049-1053, ACM DigitalLibrary, 2012.

上述した各種センサの欠点として、赤外線センサではセンサと人の間に遮蔽物があると機能しないこと、焦電センサでは一定時間静止状態が続くと検出信号が得られなくなること、超音波センサでは近距離の検出が難しいこと、カメラでは素子自体の価格と画像処理にかかる計算コストが高いことなどの課題や撮影対象のプライバシーに関わる問題がある。

また、環境電磁波を利用するパッシブ・センシングでは、使用する環境電磁波の存在や該環境電磁波の周波数により、センシング領域の縮小や検出精度の低下などの課題がある。

本発明は上記課題を鑑みなされたものであり、屋内に常在する商業電源からの漏えいなどから生じる電磁波ノイズの変動を利用し、無電源で人検出を行う装置を提供するものである。

請求項１に係る人検出装置は、屋内環境に常在する電磁波の変動により人を検出する検出装置であって、前記屋内環境に常在する電磁波を電気的に取得する集電手段と、前記集電手段によって電気的に取得された前記屋内環境に常在する電磁波の電力を直流に整流し、かつ昇圧する整流昇圧手段と、前記整流昇圧手段の出力電圧の変化から前記集電手段と前記屋内環境に常在する電磁波の変動要因たる人体との距離を求める算出手段とを備え、前記集電手段および前記整流昇圧手段は、前記屋内環境に常在する電磁波の電力により動作することを特徴とする。

請求項２に係る人検出装置は、請求項１に記載の人検出装置であって、前記集電手段において、平面アンテナを用いることを特徴とする。

請求項３に係る人検出装置は、請求項１に記載の人検出装置であって、前記整流昇圧手段において、コッククロフト・ウォルトン回路を用いることを特徴とする。

請求項４に係る人検出装置は、前記整流昇圧手段において、前記整流昇圧手段により充電される充電用コンデンサを備え、前記距離を求める算出手段を前記充電用コンデンサに蓄積された電力により動作させることを特徴とする。

請求項５に係る人検出システムは、請求項１乃至４に記載の人検出装置であって、さらに無線送受信モジュールを電気的に接続してなり、前記人検出装置の電気的出力を無線信号により通信を行うことを特徴とする。

本発明に係る人検出装置は、遮蔽物の有無を解さず、移動・停止のいずれの状態でも人を検出し、かつ省電力で動作することができる。

本発明係る人検出装置の構成を示す概要図である。 本発明に係る環境電磁波を用いる人の検出に関する概念図である。 本発明に係る環境電磁波を用いる人の検出に関する等価回路の概念図である。 ｎ倍昇圧コッククロフト・ウォルトン回路図である。 本発明に係る人検出装置に用いる8倍昇圧コッククロフト・ウォルトン回路の構成例を示す回路図である。 実施例１に係る人検出装置の基本性能に関する実験環境を示す概要図である。 実施例１に係る人検出装置の基本性能に関する実験環境において0cm位置に設置するアンテナ・センサと人間との間の条件を示す概要図である。 実施例１に係る人検出装置の基本性能（蛍光灯オフ、コンデンサ容量100pF、アンテナ・センサ-人間距離0cm）を示す出力電圧波形の図である。 実施例１に係る人検出装置の基本性能（蛍光灯オフ、コンデンサ容量100pF、アンテナ・センサ-人間距離200cm）を示す出力電圧波形の図である。 実施例１に係る人検出装置の基本性能（蛍光灯オン、コンデンサ容量100pF、アンテナ・センサ-人間距離0cm）を示す出力電圧波形の図である。 実施例１に係る人検出装置の基本性能（蛍光灯オン、コンデンサ容量100pF、アンテナ・センサ-人間距離200cm）を示す出力電圧波形の図である。 実施例１に係る人検出装置の基本性能（蛍光灯オフ、コンデンサ容量0.01μF、アンテナ・センサ-人間距離0cm）を示す出力電圧波形の図である。 実施例１に係る人検出装置の基本性能（蛍光灯オフ、コンデンサ容量0.01μF、アンテナ・センサ-人間距離200cm）を示す出力電圧波形の図である。 実施例１に係る人検出装置の基本性能（蛍光灯オン、コンデンサ容量0.01μF、アンテナ・センサ-人間距離0cm）を示す出力電圧波形の図である。 実施例１に係る人検出装置の基本性能（蛍光灯オン、コンデンサ容量0.01μF、アンテナ・センサ-人間距離200cm）を示す出力電圧波形の図である。 回路シミュレーターによる人検出装置の等価回路の出力電圧（コンデンサ容量100pF）を示す図である。 回路シミュレーターによる人検出装置の等価回路の出力電圧（コンデンサ容量0.01μF）を示す図である。 回路シミュレーターによる人検出装置の等価回路の出力電圧（コンデンサ容量100pF〜0.1μF）を示す図である。 回路シミュレーターによる人検出装置の等価回路の出力電圧（コンデンサ容量0.01μF〜100μF）を示す図である。 アンテナ・センサ-照明間距離0cm〜200cmにおける人検出装置の出力電圧(コンデンサ容量100pF)を示す図である。 本発明に係る人検出装置を用いた充電用コンデンサ（0.1μF）への充電性能を示す図である。 本発明に係る人検出装置を用いた充電用コンデンサ（1μF）への充電性能を示す図である。 本発明に係る人検出装置を用いた充電用コンデンサ（10μF）への充電性能を示す図である。 本発明に係る人検出システムの概略図である。 本発明に係る人検出システムにおける容量1μFの充電用コンデンサの充放電波形および無線受信モジュールのデータ出力端子波形を示す図である。 本発明に係る人検出システムにおける容量10μFの充電用コンデンサの充放電波形および無線受信モジュールのデータ出力端子波形を示す図である。

本発明係る人検出装置について、以下に図を用いながら説明する。

本発明に係る人検出装置は、図１に示すように、屋内に設置され、屋内環境に常在する電磁波、すなわち環境電磁波を電気的に取得する集電器と、前記集電器によって電気的に取得された前記環境電磁波の電力を直流に整流し、かつ昇圧する整流昇圧器と、前記整流昇圧器の出力電圧の変化から前記集電器と前記環境電磁波の変動要因たる人体との距離を求める制御器とを電気的に接続されてなる。本発明では、前記環境電磁波として、商用電源から漏れ出る電磁波ノイズ（以下、単にノイズということがある。）を利用する。ただし、常在する環境電磁波であればよく、商用電源からの漏えいノイズに限定されない。

電磁波ノイズの検知には、図２に示すように、銅線や金属板を用いたアンテナ・センサ（以下、単にセンサということがある。）で行う。前記アンテナ・センサは、面状電極あるいは同調周波数に合わせたアンテナ長の銅線とダイオード・コンデンサの部品から構築される。前記電磁波ノイズが商業電源からのノイズであれば、商業電源の規格上、該ノイズの主たる周波数は50Hzまたは60Hzであり、コイルおよびコンデンサ等からなる同調回路を必要とするが、本発明に係る人検出装置では前記同調回路を用いず、銅箔基板、あるいは銅線を渦状に巻いて面形状に加工した平面コイルをアンテナ・センサとして用いる。

前記アンテナ・センサにより、図３に示す等価回路を構成し、人体と該アンテナ・センサとが電気的に結合し、効率的に前記ノイズを拾い上げることができる。

また、前記アンテナ・センサは、人との間に遮蔽物があっても検出でき、さらに、人がアンテナ・センサに近接することにより得る電磁波ノイズの振幅が変化し続けるため、人が静止していても検出可能である。

一方、人を検出可能な距離は、前記電磁波ノイズを集電して検出を行うため、前記アンテナ・センサに接触した時が最大感度であり、前記アンテナ・センサから離れるにつれ感度が小さくなる。

前記電磁波ノイズからは、アンテナ・センサ単体では低い交流電圧出力（mV程度）しか得られないので、本発明においては、前記アンテナ・センサからの交流入力を直流へ変換（整流）し、かつ出力電圧を高める昇圧回路（すなわち、整流昇圧回路）を用いて、人を検出可能な直流電圧を得る。

前記整流昇圧回路には、例えばコッククロフト・ウォルトン回路を用いる。該コッククロフト・ウォルトン回路は、入力が交流であることを利用して整流・昇圧を行うものであり、部品点数が少なく、回路構成が単純である。また、該コッククロフト・ウォルトン回路は、回路素子としてショットキーバリアダイオードとセラミックコンデンサなどを用いて構成される。

図４にn倍昇圧のコッククロフト・ウォルトン回路図を示す。以下に、コッククロフト・ウォルトン回路の動作概要を説明する。例として、4倍昇圧のコッククロフト・ウォルトン回路について以下に示す。前記4倍昇圧コッククロフト・ウォルトン回路は、四つのダイオード、四つのコンデンサから構成される。始めの負の半サイクルの電流経路において、ダイオードD1を通ってコンデンサC1を交流入力電圧のピーク電圧Vpまで充電する。次の正の半サイクルの電流経路において、前記交流入力電圧のピーク電圧Vpと、前回充電したC1の電圧Vpとを合わせて2VpをダイオードD2を介してコンデンサC2へ充電する。以後、前記負および正のサイクルを繰り返し、最終的に出力電圧Voutはn×Vpとなる。以上により、元の交流入力電圧（Vp）の４倍昇圧（4Vp）が可能となる。

（人検出装置の実装）
図５にコッククロフト・ウォルトン回路の構成例を示す。コッククロフト・ウォルトン回路のコンデンサ容量は、人検出装置として使用するために、出力電圧が数V得られ、かつ出力電圧変化の応答速度も数秒以内の範囲で動作するよう設計した。前記コッククロフト・ウォルトン回路の段数は8倍昇圧とし、前記コンデンサの容量として、100pFから0.01μFとする。

今回漏洩ノイズの出力がどれだけ得られるかをパラメータごとに観測するため、整流用に東芝製ショットキーバリアダイオード（例えば、形式番号1SS154）と、100pFおよび0.01μFの2種類の容量のセラミックコンデンサを使用した前記コッククロフト・ウォルトン回路を製作した。したがって、人検出装置は、（１）コンデンサ容量100pF、（２）コンデンサ容量0.01μF、の二つのセットを作製し、それぞれの特性を測定した。

（人検出装置の基礎性能測定）
図６および図７に、本発明に係る人検出装置の基礎性能測定を行う実験環境を示す。前記人検出装置はバッテリーなどの電源を用いることなく動作する装置として設計するため、常に動作し続けている装置となる。このため基礎性能を測定するにあたり、実験環境において人検出装置に対し影響を与えると想定される電化製品は極力排除した。具体的には、WiFiアクセスポイント(室内のみ)、パーソナルコンピューター、スマートフォンおよび携帯電話などの電源をオフにした状態で測定を行った。ただし測定を行うためのオシロスコープと天井の蛍光灯は例外としている。とくに蛍光灯については、電源オフの状態と電源オンの状態でそれぞれセンサ-人物間の出力電圧測定を行い、加えて蛍光灯の影響がどれほどのものかを判断するために、センサ-蛍光灯間の出力電圧測定も行った。アンテナ・センサの位置は室内壁面、床面および天井からそれぞれ1m以上離れた位置に固定した。センサ-人物間の距離は200cmから50cmまでは50cm刻み、50cmから0cmまでは10cm刻みとし、センサ-人物間の角度は-90°から+90°まで45°刻みとしてそれぞれ人検出装置の出力電圧測定を行った。なお、人検出装置からの出力電圧は、該人物正面に該アンテナ・センサ面が平行に対抗する0°の角度で最大となる。

（人検出装置の基礎性能測定の結果）
１）コンデンサ容量100pF、蛍光灯オフ時の結果
まず、蛍光灯がオフの状態でのセンサ-人物間距離が0cmの時、あるいは200cmの時の人検出装置の出力電圧波形を、それぞれ図８および図９に示す。

実験環境としては人検出装置、人、室内に埋設されている電源ケーブルのみがその動作の主要因となっている。得られた波形について、本来コッククロフト・ウォルトン回路を通して得られる直流出力はリプルを含むとはいえ基本的にはほぼ直線状の直流波形であるべきだが、この測定においては半波整流した波形に近いものとなっている。これは回路におけるコンデンサの容量が小さいために、放電時に次の充電周期に至るより早く放電しきってしまうためである。コッククロフト・ウォルトン回路の本来の用途である安定した直流電源として扱うには不十分な出力波形といえるが、本発明では人検出装置としての出力であるので、パルス状であったとしても波形の最大電圧が人の有無によって変化すれば人検出装置としての役割は十分に果たせる。とくに、センサ角0°において、センサ-人物間距離が30cmから50cm付近までの地点で、一般的なロジック回路のしきい値を超える出力電圧変化を得ている。すなわち、30cmより近い範囲においては人が近接したことを検出することが可能である。

２）コンデンサ容量100pF、蛍光灯オン時の結果
次に、蛍光灯がオンの状態でのセンサ-人物間距離が0cmの時、あるいは200cmの時の人検出装置の出力電圧波形を、それぞれ図１０および図１１に示す。

実験環境としては人検出装置、人、室内に埋設されている電源ケーブルに加え、天井の蛍光灯からのノイズが動作の主要因として含まれている。センサ-人物間距離が20cmから50cmまでの領域において、それより遠方に人がいる場合より出力電圧が下がっている傾向が見られた。実験結果から、人がアンテナ・センサより遠方にいる場合は蛍光灯からのノイズを自然に受け取り電力として使用するが、人が近接することにより前記ノイズの流れが人間側に寄ることによりアンテナ・センサで受け取れる電力が小さくなる。さらにアンテナ・センサへ人が近接した場合、今度はアンテナ・センサと人との間で電気的な容量性の結合が大きくなり、アンテナ・センサへ蛍光灯のノイズに加え商用電源ノイズが多く流れる。これは人検出装置出力の波形から、センサ-人物間距離が0cmの時は蛍光灯オフ時と同様の60Hzほどの半波整流波形に近い波形をしているが、センサ-人物間距離が200cmの時は60Hzよりはるかに高い周波数の振幅変化があることからも伺える。すなわちアンテナ・センサに人が近接した状態では商用電源ノイズの流入が大きく、人が遠方にいる場合は蛍光灯からのノイズ流入が支配的である。

蛍光灯をオフにした場合の結果と比較して、遠方・近傍までの移動で人検出装置の動作が逆の状態と見なせるため、蛍光灯の影響を考慮したアンテナ・センサの設置位置を検討する必要がある。

３）コンデンサ容量0.01μF、蛍光灯オフ時の結果
コンデンサ容量を0.01μＦに変更し、蛍光灯がオフの状態でのセンサ-人物間距離が0cmの時、あるいは200cmの時の人検出装置の出力電圧波形を、それぞれ図１２および図１３に示す。

実験環境はコンデンサ容量100pFの時と同様である。波形としてはコンデンサ容量100pFの時よりはるかに直流に近い波形となっている。人検出の範囲としてはコンデンサ容量100pFの時よりも狭く、アンテナ・センサ正面の10cm以内、特に接触レベルでのみ出力電圧が2.5Vを超えるという状態である。直流電源として利用するには比較的適当であるかもしれないが、人検出装置として動作させるには非常に限られた領域での利用となる。

４）コンデンサ容量0.01μF、蛍光灯オン時の結果
蛍光灯がオンの状態でのセンサ-人物間距離が0cmの時、あるいは200cmの時の人検出装置の出力電圧波形を、それぞれ図１４および図１５に示す。

波形はコンデンサ容量100pFの時と異なり、高い周波数でのリプルは見えず、ほぼ直流に近い波形であることがわかる。コンデンサ容量100pFの時と同様、センサ-人物間距離が20cmから50cmほどまでの範囲において、一時的に出力電圧が低下する傾向がこちらにも見られている。

５）コンデンサ容量に関する回路シミュレーション
測定実験を行ったうえで、コンデンサの値を100pFから0.01μFまでの間とした場合、あるいは、コンデンサ容量0.01μF以上の値とした場合に波形や出力電圧がどう変化するのかを見るため、回路シミュレーターLTSpice（登録商標）上で、ダイオードのパラメータを東芝製1SS154のもつ数値とし、コンデンサ容量を100pF〜100μFまでとして本発明に係る人検出装置の等価回路を設定し、回路シミュレーションを行った。

まず、コンデンサ容量100pFの時とコンデンサ容量0.01μFの時とで実験時に見られた波形と前記シミュレーションの波形が一致するかどうかを確認する。図１６および図１７に、それぞれコンデンサ容量100pFの時、とコンデンサ容量0.01μFの時のシミュレーション結果を示す。交流入力については、測定実験時の環境電磁波そのものを同時に同位置で測定することが困難であるため、サイクル60Hz、電圧1Vの正弦波とした。コンデンサ容量100pF時の人検出装置の出力電圧は約2.0Vであり、コンデンサ容量0.01μF時の人検出装置の出力電圧は約7.2Vとなった。

交流入力の電圧および電流の条件が、実測定と上記シミュレーションとで異なっているため、結果として測定と人検出装置の出力電圧に違いはあるが、定常状態の出力電圧の波形は、おおむね同様な波形であるといえる。

一方、図１８にコンデンサ容量100pFから0.1μFまでの場合において上記と同様にして実行した回路シミュレーション結果を、図１９にコンデンサ容量0.01μFから100μFまでとした場合のシミュレーション結果をそれぞれ示す。これらの図から、前記シミュレーションにおいては、コンデンサ容量0.01μFの時が最大電圧に至るまで最も早く最大電圧が大きいという結果であった。すなわち、人がアンテナ・センサに接触してノイズを供給した場合、コンデンサ容量0.01μFの時が最大電圧を外部に出力できる。

６）センサ-照明間距離に関する人検出装置の出力電圧の測定
最後に、天井の蛍光灯（照明）が発生させているノイズの影響を調べるため、センサ-照明間角度は0°固定（すなわち蛍光灯の真下にセンサを設置）とし、前記距離は0cmから200cmまで10cm間隔で変化させ人検出装置の出力電圧を測定した。天井の蛍光灯が発するノイズが本発明に係る人検出装置にどれほど影響を及ぼすのかを調査するための実験である。図２０に前記測定の結果を示す。なお、コンデンサ容量は100pFである。

前記実験結果から、センサ-照明間の距離が100cm未満においてはアンテナ・センサの出力電圧が数十Vに達するほどの影響を受けている。上記コンデンサ容量100pFおよび0.01μFでの出力電圧と図２０に示された出力電圧を比べると、センサ-照明間距離がおよそ120cmを超えたところで出力電圧がほぼ一定となっており、それ以上離れた場合は壁面や床下等の電源ラインの方の影響が支配的になっている。

考慮すべき問題としては、蛍光灯がオンになっている間は人検出装置の出力がマイコン等の電気的動作のしきい値を超え続けて人検出が行えない状態になる可能性があるが、人検出装置のアンテナ・センサを蛍光灯からより遠ざける、アンテナ・センサ面積を小さくしてノイズが拾える量を調節する、人検出装置出力とマイコン等のデバイス間に分圧抵抗のような電圧調整機構を設けるといった対策を行えばよい。

本発明に係る人検出装置は、上記基礎性能測定から、銅箔板をアンテナ・センサとして利用した際に、該アンテナ・センサの30cmまで近接する人の検出を行うことができる。

（人の検出）
上記基礎性能測定を行った人検出装置は、無負荷時は5V程度まで電圧を発生させることができるが、前記人検出装置をセンサ兼電源として使用した場合、供給できる電力としては非常に小さいものとなるため、マイコン等の外部デバイスにそのままつなぐ場合は最低でもマイコン等の外部デバイスに電池やACアダプタなどによる電力を与えなければ動作できない。しかし、より低消費電力で人検出が行える装置を構築するにあたっては設置するセンサ群として無電源化を図る。例えば、本発明に係る人検出装置を複数台接続し、常時、電力を集める充電用の前記装置と、人の検出を行うためのセンサ用の前記装置として、二つの前記装置を一組みとすること、あるいは、複数の整流昇圧回路を接続し、常時、電力を集める充電用の前記整流昇圧回路と、人の検出を行うためのセンサ用の前記整流昇圧回路として、二つの前記整流昇圧回路を一組みとすること、により無電源動作を行ってもよい。

（人検出装置による充電用コンデンサの充電実験）
まず本発明に係る人検出装置によって十分な電力を供給するには、充電用コンデンサへ充電することがコスト、スペース、動作的にも最適である。そのため、本発明に係る人検出装置によってどれほどの電圧まで前記充電用コンデンサに充電ができるか、どれほどの早さで充電ができるかを測定する。想定する環境としては、室内で人が活動していることを前提として室内の蛍光灯はオンとなっており、確実な検出と充電電力の確保のためアンテナ・センサに人が接触するような環境、例えば椅子の座面に座っても支障が無い銅板アンテナ・センサを設置し、人検出装置は人が座ることで検出を行う、という状況を設定した。

前記充電用コンデンサへの充電実験の環境としては、室内の蛍光灯はオンにし、蛍光灯から人検出装置のアンテナ・センサである銅板アンテナまでの距離は200cm以上、使用する整流昇圧回路は8倍昇圧コッククロフト・ウォルトン回路（コンデンサ容量0.01μF）とする。前記充電用コンデンサは0.1μF、1μF、10μFの3種類の容量を用意した。前記充電実験前には前記アンテナ・センサから離れておき、人が全く触れない自然状態でどこまで充電されるかをまず測定し、その後、人が前記アンテナ・センサに接触してどれほど充電が行われるのかを測定するという手順を取る。

図２１、図２２および図２３に、それぞれ充電用コンデンサ容量0.1μF、1μF、10μFでの充電時の波形を示す。いずれの容量の充電用コンデンサの場合でも、人が前記アンテナ・センサに触れない状態の場合、最大で500mV程度まで充電されることが波形の左端の部分において示されている。次に、人が前記アンテナ・センサに触れた場合、充電用コンデンサ容量0.1μFでは最大4.08V、最大電圧付近に至るまでおよそ4秒から5秒程度かかり、充電用コンデンサ容量1μFでは最大4.56V、最大電圧まで30秒程度かかっている。充電用コンデンサ容量10μFでは最大3.76V、充電するのに180秒以上必要とすることが示されている。ただし、実施例３で説明する本発明に係る人検出システムにおいては、該システムが必要とする電圧3.0V程度までの充電時間を見ると、充電用コンデンサ容量0.1μFでは2秒程度、充電用コンデンサ容量1μFでは8秒程度、充電用コンデンサ容量10μFでは120秒程度かかることがわかる。

（無線モジュールを使用した人検出システム）
本発明に係る人検出装置において、前記充電用コンデンサへ充電し電力として蓄えることが可能である。次に、前記充電された電力を使用して、マイコンまたはパーソナルコンピューターなど前記人検出装置の外部デバイスに対し人の検出が行われたことを通知する人検出システムについて説明する。

図２４に無線送信モジュール駆動用の電力を確保する回路と、本発明に係る人検出装置とを組み合わせた人検出システムの構成を示す。前記人検出システムは、センサおよび充電兼用の整流昇圧回路から給電されて常に前記充電用コンデンサへ充電を行い、前記無線送信モジュールの駆動が可能となる電圧まで充電を行う。前記無線送信モジュールの駆動を行う条件は、前記充電用コンデンサの充電電圧が完了していることと、前記人検出装置が人を検出したこと、の二つの条件が成立した時である。このとき前記無線送信モジュールは前記充電用コンデンサから電力を供給されて無線信号を発信する。前記発信された無線信号は待受状態の無線受信モジュールにて受信し、マイコンなど外部デバイスでの制御などに利用する。

本実施例では、前記無線送信モジュールの駆動と、該駆動時の前記通知信号の受信を確認した。図２５および図２６にそれぞれ異なる容量の前記充電用コンデンサの充放電波形と前記無線受信モジュールのデータ出力端子波形を示す。前記充電用コンデンサはそれぞれ最低でも3.0Vまで充電を行い、前記の図２４におけるアンテナ・センサ(銅板)に人が触れるという手順で前記無線送信モジュールを駆動する。一方、前記無線受信モジュールは常に外部のノイズの影響を受けて約1ミリ秒ごと程度の高電位出力と低電位出力を継続的に繰り返す状態であり、前記無線送信モジュールから人検出の信号が送られた際に高電位出力と低電位出力のパルス幅が長くなるという動作をする。

図２５に示す前記充電用コンデンサ容量1μFでの場合、前記充電用コンデンサの放電が行われているタイミングにおいて前記無線受信モジュールの出力パルス幅が長くなっている。前記パルス幅はおよそ2ミリ秒から3ミリ秒程度であり、前記無線受信モジュールで、前記無線送信モジュールからの人検出の信号を受信できている。

図２６に示す前記充電用コンデンサ容量10μFでの場合、前記充電用コンデンサの放電後に20ミリ秒ほどの高電位出力と80ミリ秒ほどの低電位出力とが前記無線受信モジュールから出力されている。これは明瞭に前記無線送信モジュールから人検出の信号を受信できており、前記無線受信モジュールに電気的に接続されたマイコン等による人の識別も容易となる。

以上から、前記無線送信モジュールの駆動と、前記無線受信モジュールでの受信とを安定して動作させるためには、前記充電用コンデンサ容量は1μF必要である。前記充電用コンデンサ容量が大きいほど前記無線送信モジュールの動作は安定するが、充電までの時間は大きく伸びる。すなわち、人検出を行う時間的間隔が伸びることになり、実時間処理あるいは生活動作に追従可能な時間間隔での間欠動作のために、適切に前記充電用コンデンサ容量を決定しなければならない。

Claims (5)

1. 屋内環境に常在する電磁波の変動により人を検出する検出装置であって、
   前記屋内環境に常在する電磁波を電気的に取得する集電手段と、
   前記集電手段によって電気的に取得された前記屋内環境に常在する電磁波の電力を直流に整流し、かつ昇圧する整流昇圧手段と、
   前記整流昇圧手段の出力電圧の変化を検出するとともに、該出力電圧の変化量と所定の閾値との比較より、前記集電装置から所定距離内における人体の検出を求める算出手段とを備えることを特徴とする人検出装置。
2. 前記集電手段において、平面アンテナを用いることを特徴とする請求項１に記載の人検出装置。
3. 前記整流昇圧手段において、コッククロフト・ウォルトン回路を用いることを特徴とする請求項１に記載の人検出装置。
4. 前記整流昇圧手段において、前記整流昇圧手段により充電される充電コンデンサを備え、前記算出手段を前記充電コンデンサにより動作させることを特徴とする請求項１に記載の人検出装置。
5. 請求項１乃至４に記載の人検出装置であって、さらに無線送受信モジュールを電気的に接続してなり、前記人検出装置の電気的出力を無線信号により通信を行うことを特徴とする人検出システム。
   

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