IT202000007942A1

IT202000007942A1 - Dispositivo e metodo di rilevamento di presenza, in particolare per sistemi di anti-intrusione

Info

Publication number: IT202000007942A1
Application number: IT102020000007942A
Authority: IT
Inventors: Enrico Rosario Alessi; Fabio Passaniti
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2021-10-15
Also published as: CN113538823B; CN113538823A; US11462086B2; US20220415144A1; US11941961B2; EP3896665A1; EP3896665B1; US20210327231A1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?DISPOSITIVO E METODO DI RILEVAMENTO DI PRESENZA, IN PARTICOLARE PER SISTEMI DI ANTI-INTRUSIONE?

La presente soluzione ? relativa ad un dispositivo e ad un metodo di rilevamento di presenza, in particolare per sistemi di anti-intrusione o simili.

Sono noti dispositivi di rilevamento di presenza, utilizzati per individuare la presenza di individui in corrispondenza di un?area monitorata, in particolare al fine di individuare intrusioni di persone non autorizzate ed attivare di conseguenza segnalazioni di allarme (si sottolinea che possono tuttavia essere previste altre finalit? di utilizzo, ad esempio per applicazioni di risparmio di energia, ?energy saving?, o di automazione domestica o industriale).

Tali dispositivi prevedono l?utilizzo di opportuni sensori per il rilevamento della presenza di individui nell?area monitorata.

Sensori di presenza noti includono ad esempio sensori di temperatura basati sul rilevamento di radiazioni nel campo dell?infrarosso (IR ? Infrared Radiation), di tipo passivo (cosiddetti PIR), ovvero che reagiscono a variazioni di temperatura nell?area sotto sorveglianza; di tipo attivo, ovvero atti a valutare l?interruzione di un raggio emesso tra un punto di emissione ed un punto di ricezione; oppure del tipo ad immagine termica, ovvero atti a rilevare il cosiddetto ?termogramma? di un soggetto, ovvero una immagine o mappa di temperatura associata alle radiazioni infrarosse (IR) emesse dal corpo dello stesso soggetto.

Altri sensori di tipo noto includono i sensori a microonde, che solitamente trovano impiego con i sensori PIR nei cosiddetti rilevatori di presenza a "doppia tecnologia". I sensori a microonde rilevano il movimento di oggetti, i sensori PIR la variazione di calore; l'unione dei due rilevamenti restituisce un segnale di allarme.

Sistemi di rilevamento di presenza noti che impiegano opportune combinazioni di uno o pi? dei suddetti sensori, ad esempio una combinazione di uno o pi? sensori di temperatura ad infrarossi e di uno o pi? sensori ad ultrasuoni, sono ad esempio descritti in US 6,188,318 B1 o in US 2005/231353 A1, al fine di migliorare l?efficienza di rilevamento e ridurre il numero di falsi positivi e/o falsi negativi.

Sono inoltre noti sensori di temperatura ad infrarossi, in particolare basati su termopile, realizzati in tecnologia integrata dei materiali semiconduttori, ad esempio con tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Tali sensori comprendono in generale una matrice (?array?) di elementi di rilevamento (cosiddetti ?pixel?), ciascuno implementante una termocoppia o giunzione caldo-freddo (ad esempio realizzata da una regione drogata n<+ >ed una regione drogata p<+>), realizzati a partire da uno stesso substrato di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, in modo tale che i giunti ?freddi? siano a temperatura nota.

In modo noto, un sensore a termopila rileva una differenza di temperatura ?T tra i rispettivi elementi di rilevamento; in particolare, quando il sensore viene riscaldato dalla radiazione ad infrarossi incidente si genera una tensione VT = N??T a causa dell?effetto Seebeck, che ? proporzionale alla differenza di temperatura ?T tra gli elementi della termocoppia, al coefficiente di Seebeck ? ed al numero di termocoppie N.

Sebbene consentano in generale di ottenere prestazioni soddisfacenti, i dispositivi di rilevamento di presenza di tipo noto presentano alcuni inconvenienti.

In particolare, i dispositivi basati su sensori di temperatura ad infrarossi sono in generale sensibili a disturbi ambientali ed a fonti di riscaldamento differenti rispetto agli individui da rilevare.

A questo riguardo, la Figura 1A mostra l?andamento di un segnale di temperatura ST fornito da un sensore di temperatura ad infrarossi, in particolare un sensore basato su termopila realizzato in tecnologia CMOS, indicativo di una temperatura rilevata in un?area monitorata.

In particolare, in presenza di almeno un individuo all?interno dell?area monitorata, e fino a quando lo stesso individuo permane all?interno di tale area prima di uscirne, il segnale di temperatura ST assume, per effetto del calore emesso dal corpo dello stesso individuo, un valore sensibilmente maggiore rispetto ad un livello cosiddetto ?basale? (corrispondente al valore dello stesso segnale di temperatura ST in assenza di individui nell?area monitorata, dovuto sostanzialmente al calore ambientale nella stessa area monitorata).

Valutando dunque la differenza tra il valore del segnale di temperatura ST ed il livello basale e confrontando tale differenza con una soglia di valore opportuno, si genera un segnale di presenza SP, mostrato in Figura 1B, che assume un valore basso in assenza di individui ed un valore alto in presenza di almeno un individuo nell?area monitorata (tale segnale di presenza SP potendo quindi essere utilizzato per causare ad esempio l?emissione di un allarme antiintrusione).

In presenza di un numero maggiore di individui nell?area monitorata, il segnale di temperatura ST assume un valore ancora maggiore rispetto al livello basale, con un incremento relativo proporzionale al numero di individui presenti.

Come indicato in precedenza, uno svantaggio legato a questa tipologia di sensori ? rappresentato dal fatto che la presenza di una fonte di calore ambientale che si va ad aggiungere al livello basale (ad esempio, costituita dall?accensione di un termosifone, stufa o analogo elemento riscaldatore, nel caso di applicazione domestica o indoor) provoca una variazione significativa del segnale di temperatura ST, che pu? essere anche comparabile con la variazione associata alla presenza di un individuo, causando dunque la commutazione del segnale di presenza SP ed un ?falso positivo? nel rilevamento di presenza.

? noto che un ulteriore svantaggio dei dispositivi basati su sensori di temperatura ad infrarossi ? rappresentato dal fatto che tali dispositivi presentano in generale una difficile installazione e regolazione.

Inoltre, sistemi basati su sensori a microonde sono suscettibili alla presenza di oggetti di materiale metallico nell?area monitorata, che possono agire da schermo alle radiazioni emesse, creando delle ?zone d?ombra? in cui non risulta possibile il rilevamento. In generale, bastano piccoli movimenti, o anche la presenza di luce fluorescente, per causare la generazione di allarmi (con una conseguente possibilit? di falsi positivi). Inoltre, i sensori a microonde non fanno distinzione tra esseri umani ed oggetti (ad esempio tendaggi, in ambiente indoor, o fogliame o cespugli in ambiente outdoor).

In generale, nei sistemi di anti-intrusione rappresenta una ulteriore criticit? il riconoscimento di animali domestici (?pet?) rispetto al rilevamento di effettivi intrusi; ? dunque possibile che si verifichino falsi allarmi e conseguenti erronee segnalazioni di allarme.

Scopo della presente soluzione ? quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota, fornendo un sistema di rilevamento di presenza, in particolare per finalit? di antiintrusione, avente caratteristiche migliorate.

Secondo la presente soluzione vengono realizzati un dispositivo ed un metodo di rilevamento di presenza, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione dell?invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- le Figure 1A e 1B mostrano grafici di segnali associati al rilevamento di presenza in un sistema di rilevamento di presenza di tipo noto;

- la Figura 2 illustra schematicamente un dispositivo di rilevamento, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione;

- la Figura 3 illustra una possibile forma di realizzazione di un sensore di variazione di carica elettrostatica del dispositivo di rilevamento di Figura 2;

- la Figura 4 illustra un diagramma di flusso di un metodo implementato dal dispositivo di rilevamento di Figura 2, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione;

- la Figura 5 mostra un grafico di un segnale di variazione di carica elettrostatica associato al rilevamento di almeno un individuo in un?area monitorata; e

- la Figura 6 ? uno schema a blocchi di massima di un apparecchio elettronico in cui il dispositivo di rilevamento di Figura 2 pu? essere impiegato.

Come sar? descritto in dettaglio in seguito, un aspetto della presente soluzione prevede, per il rilevamento di presenza di uno o pi? individui all?interno di un?area monitorata, un dispositivo di rilevamento basato sull?utilizzo congiunto, o in combinazione, di un sensore di temperatura ad infrarossi e di un sensore di variazione di carica elettrostatica.

In modo noto, la carica elettrica ? una componente fondamentale della natura. La carica elettrica di un corpo carico elettrostaticamente pu? essere facilmente trasferita ad un altro corpo, in condizioni di contatto diretto tra gli elementi o a distanza. Quando la carica viene trasferita tra due oggetti isolati elettricamente, si genera una carica statica per cui l?oggetto con un eccesso di elettroni viene caricato negativamente e l?oggetto con un deficit di elettroni viene caricato positivamente. Lo spostamento delle cariche ? di diversa natura, a seconda che l?oggetto sia un oggetto conduttore o un dielettrico. In un conduttore, gli elettroni sono distribuiti in tutto il materiale e sono liberi di muoversi, in base all?influenza dei campi elettrici esterni. In un dielettrico, non vi sono elettroni liberi di muoversi ma dipoli elettrici, con direzioni casuali nello spazio (quindi con carica netta risultante nulla), che per? possono essere orientati o deformati mediante un campo elettrico esterno, generando cos? una distribuzione ordinata di cariche e quindi una polarizzazione. La carica pu? comunque essere mobile, a seconda delle propriet? del materiale e di altri fattori ambientali.

Nella presente soluzione, il sensore di variazione di carica elettrostatica del dispositivo di rilevamento ? configurato per rilevare, mediante un rilevamento di tipo capacitivo, le variazioni di campo elettrico che si verificano per effetto della presenza di un individuo all?interno di un?area monitorata, in seguito al trasferimento di cariche dal corpo dello stesso individuo verso il suolo.

In particolare, il corpo umano ? conduttivo e la carica elettrica ? normalmente bilanciata; ogni passo compiuto dall?individuo genera uno sbilanciamento nella carica elettrica del corpo, causando in tal modo un flusso di cariche, ovvero una corrente, per il bilanciamento della carica complessiva. Tale corrente elettrica pu? dunque essere rilevata (come descritto in dettaglio in seguito), per individuare la presenza dell?individuo all?interno dell?area monitorata.

La Figura 2 illustra, schematicamente, un dispositivo di rilevamento 1 secondo una forma di realizzazione della presente soluzione, che comprende:

un sensore di temperatura ad infrarossi 2, in particolare un sensore basato su termopila realizzato in tecnologia CMOS, di tipo per s? noto (qui non descritto in dettaglio), atto a fornire un segnale di temperatura ST, associato alla presenza di un individuo in un?area monitorata, in funzione della temperatura rilevata (in particolare, la variazione di tale segnale di temperatura ST rispetto ad un valore basale potendo essere utilizzata per la generazione di un segnale di presenza SP, come discusso in precedenza);

un sensore di variazione di carica elettrostatica 4, che sar? descritto in dettaglio in seguito, atto a fornire un segnale di variazione di carica SQ indicativo di una variazione di carica elettrostatica associata alla presenza dell?individuo; ed

un?unit? di elaborazione 6, accoppiata al sensore di temperatura ad infrarossi 2 ed al sensore di variazione di carica elettrostatica 4 al fine di ricevere il segnale di temperatura ST ed il segnale di variazione di carica SQ e configurata per elaborare congiuntamente i suddetti segnale di temperatura ST e segnale di variazione di carica SQ per rilevare la presenza di almeno un individuo nell?area monitorata.

In particolare, come sar? del resto descritto in dettaglio in seguito, l?unit? di elaborazione 6 ? configurata in modo da implementare una operazione di ?AND temporale?, per la verifica della presenza contemporanea di una prima e di una seconda indicazione di presenza, fornite rispettivamente in base all?elaborazione del segnale di variazione di carica SQ e del segnale di temperatura ST.

Inoltre, la stessa unit? di elaborazione 6 ? configurata in modo da adattare automaticamente il valore basale del segnale di temperatura ST, in maniera condizionata all?elaborazione del segnale di variazione di carica SQ, in particolare in modo tale da abilitare l?aggiornamento di tale valore basale solamente in assenza di individui nell?area monitorata, cos? da aggiornarlo in funzione dell?effettivo rumore ambientale presente nella stessa area monitorata.

L?unit? di elaborazione 6 comprende ad esempio un microcontrollore, o un processore MLC (Machine Learning Core) residente in un circuito elettronico ASIC (Application Specific Integrated Circuit) accoppiato al sensore di temperatura ad infrarossi 2 e al sensore di variazione di carica elettrostatica 4 per l?elaborazione dei relativi segnale di temperatura ST e segnale di variazione di carica SQ; i suddetti sensore di temperatura ad infrarossi 2, sensore di variazione di carica elettrostatica 4 ed unit? di elaborazione 6 possono essere realizzati all?interno di uno stesso package dotato di opportuni elementi di connessione elettrica verso l?esterno, ad esempio per il collegamento con un apparecchio elettronico ospitante (host).

La Figura 3 illustra una forma di realizzazione esemplificativa e non limitativa del sensore di variazione di carica elettrostatica 4, che comprende almeno un elettrodo di ingresso 8, destinato ad essere disposto affacciato alla, o in prossimit? dell?area monitorata.

L?elettrodo di ingresso 8 forma parte di un ingresso differenziale 9 di un amplificatore da strumentazione (?instrumentation amplifier?) 12, essendo accoppiato ad un relativo primo terminale di ingresso 9a.

Tra il primo terminale di ingresso 9a ed un secondo terminale di ingresso 9b dell?ingresso differenziale 9 sono presenti un condensatore di ingresso CI ed un resistore di ingresso RI, collegati in parallelo tra loro.

In uso, una tensione di ingresso Vd ai capi del condensatore di ingresso CI varia a causa del processo di carica/scarica elettrica attraverso il corpo dell?individuo, in particolare in seguito al contatto con il suolo ed alla corrente elettrica risultante. Dopo un transitorio (la cui durata ? data dalla costante RI?CI definita dal parallelo tra il condensatore CI ed il resistore RI), la tensione di ingresso Vd torna al suo valore di stato stabile (cosiddetto ?steady state?).

L?amplificatore da strumentazione 12 ? essenzialmente costituito da due amplificatori operazionali OP1 e OP2, aventi terminali di ingresso non invertenti collegati rispettivamente al primo ed al secondo terminale di ingresso 9a, 9b e terminali invertenti collegati fra loro mediante un resistore di guadagno RG2.

Uno stadio di polarizzazione (buffer) OP3 polarizza l?amplificatore da strumentazione 12 ad una tensione di modo comune VCM, attraverso un resistore R1 accoppiato al secondo terminale di ingresso 9b.

I terminali di uscita degli amplificatori operazionali OP1 e OP2 sono collegati ai rispettivi terminali di ingresso invertenti mediante un rispettivo resistore di guadagno RG1; tra gli stessi terminali di uscita ? presente una tensione di uscita Vd'.

Come risulter? evidente, il guadagno Ad dell?amplificatore da strumentazione 12 risulta pari a (1+2?R1/R2); pertanto, la suddetta tensione di uscita Vd' ? pari a: Vd?(1+2?R1/R2).

I componenti dell?amplificatore da strumentazione 12 sono scelti in modo tale per cui lo stesso amplificatore da strumentazione 12 abbia un ridotto rumore ed un?elevata impedenza (ad esempio dell?ordine di 10<9 >Ohm) nella sua banda passante (ad esempio compresa tra 0 e 500 Hz).

La suddetta tensione di uscita Vd' viene fornita in ingresso ad un convertitore analogico digitale (ADC) 14, che fornisce in uscita il suddetto segnale di variazione di carica SQ per l?unit? di elaborazione 6. Tale segnale di variazione di carica SQ ?, ad esempio, un flusso digitale ad elevata risoluzione (a 16 o 24 bit).

Secondo una diversa forma di realizzazione, disponendo di un convertitore analogico digitale 14 con caratteristiche opportune (ad es. ingresso differenziale, elevata impedenza di ingresso, elevata risoluzione, range dinamico ottimizzato per le grandezze da misurare, basso rumore) l?amplificatore da strumentazione 12 pu? essere omesso, in tal caso alimentando la tensione di ingresso Vd direttamente all?ingresso del convertitore analogico digitale 14.

In maniera non illustrata, il segnale di variazione di carica SQ pu? essere fornito ad un primo ingresso di un blocco multiplexer, che pu? inoltre ricevere in corrispondenza di almeno un ulteriore ingresso il suddetto segnale di temperatura ST (ed eventualmente, in corrispondenza di ulteriori ingressi, ulteriori segnali di rilevamento). L?uscita del blocco multiplexer ? in questo caso accoppiata ad un ingresso dell?unit? di elaborazione 6, fornendo, sequenzialmente nel tempo, i suddetti segnale di variazione di carica e segnale di temperatura SQ, ST (ed eventualmente ulteriori segnali di rilevamento) per l?elaborazione congiunta da parte della stessa unit? di elaborazione 6.

La Figura 4 illustra, mediante diagramma di flusso, le operazioni di elaborazione congiunta dei segnali di variazione di carica e di temperatura SQ, ST eseguite dall?unit? di elaborazione 6, in una possibile forma di realizzazione della presente soluzione.

In particolare, come sar? in ogni caso evidenziato in seguito, l?unit? di elaborazione 6 ? configurata in modo da eseguire in parallelo (ovvero in maniera sostanzialmente contemporanea nel tempo) due distinti rami di elaborazione, un primo ramo di elaborazione 20 ed un secondo ramo di elaborazione 30, rispettivamente per l?elaborazione del segnale di temperatura ST e del segnale di variazione di carica SQ (nella forma di realizzazione descritta, entrambi segnali di tipo digitale), ed in modo da rilevare la presenza di almeno un individuo nell?area monitorata, sulla base, in maniera congiunta, dei risultati forniti dai suddetti rami di elaborazione.

I rami di elaborazione 20, 30 sono eseguiti in maniera continuativa nel tempo all?interno di un rispettivo loop ciclico.

In dettaglio, il primo ramo di elaborazione 20 prevede, in una fase iniziale, blocco 21, l?acquisizione di un nuovo valore o campione (o di un insieme di valori o campioni) del segnale di temperatura ST.

Successivamente, blocco 22, in funzione di, ed in maniera condizionata ad, un segnale di abilitazione EN ricevuto dal secondo ramo di elaborazione 30, viene abilitato o meno un aggiornamento di un valore basale (baseline) BL dello stesso segnale di temperatura ST. Come sar? descritto in dettaglio in seguito, il valore di tale segnale di abilitazione EN ? indicativo della presenza o assenza di individui nell?area monitorata, come determinate dall?elaborazione del segnale di variazione di carica SQ.

In particolare, nel caso di abilitazione dell?aggiornamento (in assenza di individui nell?area monitorata), blocco 23, il valore basale BL viene aggiornato, in maniera di per s? nota, ad esempio mediante l?aggiornamento di una media a finestra mobile o mediante l?implementazione di un opportuno filtro, ad esempio di tipo passa basso con opportuna costante di tempo, atti a fornire in uscita il suddetto valore basale BL.

L?aggiornamento del valore basale BL consente in maniera automatica di adattare il rilevamento di temperatura da parte del sensore di temperatura ad infrarossi 2 alle condizioni ambientali ed alle possibili variazioni delle stesse (ad esempio per l?accensione o l?attivazione di una sorgente di calore esterna o di una qualsiasi differente fonte di disturbo). In particolare, dato che il suddetto segnale di abilitazione EN ? indicativo dell?assenza di individui nell?area monitorata, l?aggiornamento del valore basale BL pu? essere eseguito in maniera ottimizzata con operazioni dedicate, ad esempio per quanto riguarda la velocit? di risposta delle suddette operazioni di media mobile e/o di filtraggio, senza problemi di interferenza con l?eventuale rilevamento di presenza di individui nella stessa area monitorata.

Viene quindi calcolato, blocco 24, il valore di una differenza (o gradiente) di temperatura ?T, come la differenza, in valore assoluto, tra il valore del segnale di temperatura ST ed il suddetto valore basale BL (eventualmente opportunamente aggiornato, come discusso in precedenza).

Come mostrato nel blocco 25, tale gradiente di temperatura ?T viene confrontato, in valore assoluto, con una soglia di temperatura THT, di valore prefissato, indicativa della variazione del segnale di temperatura ST associata alla presenza di almeno un individuo nell?area monitorata (il valore di tale soglia di temperatura THT pu? essere determinato a priori o in una fase di caratterizzazione iniziale).

Se il gradiente di temperatura ?T risulta, in valore assoluto, inferiore alla soglia di temperatura THT, l?elaborazione ritorna al blocco 21, per calcolare un nuovo valore dello stesso gradiente di temperatura (considerando il valore successivo, o un insieme di valori successivi, del segnale di temperatura ST).

Se invece lo stesso gradiente di temperatura ?T risulta, in valore assoluto, uguale o superiore alla soglia di temperatura THT, il primo ramo di elaborazione 20 fornisce una prima indicazione di presenza, indicativa della presenza di almeno un utente nell?area monitorata.

In parallelo, il secondo ramo di elaborazione, indicato con 30, prevede, come mostrato nel blocco 31, in maniera continuativa nel tempo all?interno di un rispettivo loop ciclico, l?acquisizione ed elaborazione del segnale di variazione di carica SQ (eventualmente sottoposto in maniera preliminare ad opportune azioni di filtraggio).

In particolare, blocco 32, viene dapprima eseguito un controllo (check) preliminare del segnale di variazione di carica SQ, al fine di identificarne una variazione significativa rispetto ad un valore di riferimento (o basale).

In una forma di realizzazione, tale controllo preliminare pu? essere eseguito mediante un confronto del segnale di variazione di carica SQ con una soglia di carica ThQ. Tale soglia di carica ThQ pu? essere di tipo fisso e preimpostato, o, in alternativa, essere di tipo adattativo, ovvero variabile in funzione dell?andamento del segnale di variazione di carica SQ. Il calcolo della soglia di carica ThQ di tipo adattativo pu? essere eseguito sfruttando tecniche note nello stato della tecnica; ad esempio, ? possibile utilizzare finestre temporali mobili (?sliding windows?) o finestre temporali sovrapposte (?overlapping windows?), o ancora altre tecniche per il calcolo in tempo reale di soglia adattativa.

In una possibile forma di realizzazione, la soglia di carica ThQ pu? essere scelta come la media del segnale di variazione di carica SQ (nella finestra temporale considerata) pi? un multiplo della deviazione standard dello stesso segnale di variazione di carica SQ (nella stessa finestra considerata): ThQ = mean(SQ) n?stddev(SQ), con ?n? scelto nell?intervallo tra 2 e 6, ad esempio 4 (dove ?mean? rappresenta l?operazione di media aritmetica e ?stddev? l?operazione di calcolo della deviazione standard). La finestra temporale ? scelta di valore opportuno, a seconda del tipo di applicazione; la Richiedente ha verificato che valori compatibili con una elaborazione su microcontrollore (ovvero tenendo in considerazione i buffer, la memoria impiegata, le risorse di calcolo), possono andare da 2 a 10 secondi.

Se il controllo preliminare del segnale di variazione di carica SQ non porta all?identificazione di una variazione significativa, l?elaborazione ritorna al blocco 31, per un nuovo ciclo di elaborazione dello stesso segnale di variazione di carica SQ.

Inoltre, nuovamente nel caso in cui non venga identificata la suddetta variazione significativa del segnale di variazione di carica SQ, viene fornito al primo ramo di elaborazione 20 (blocco 22) il segnale di abilitazione EN (ad esempio di valore alto), per abilitare la modifica e l?aggiornamento automatico del valore basale del segnale di temperatura ST (come indicato in precedenza).

Se invece viene identificata la suddetta variazione significativa del segnale di variazione di carica SQ, viene disabilitato il suddetto aggiornamento automatico del valore basale del segnale di temperatura ST (il segnale di abilitazione commutando ad esempio al valore basso) e viene eseguita una ulteriore e pi? approfondita analisi dello stesso segnale di variazione di carica SQ al fine di verificare la presenza di caratteristiche che siano indicative della presenza di almeno un individuo nell?area monitorata.

Tale ulteriore analisi pu? prevedere, in una forma di realizzazione pi? semplice (e meno onerosa dal punto di vista computazionale) l?identificazione di picchi (positivi e/o negativi) nell?andamento del segnale di variazione di carica SQ rispetto ad un valore di riferimento, dovuti al trasferimento di cariche elettrostatiche da o verso il suolo per la presenza dell?individuo nell?area monitorata.

Come sar? del resto evidenziato anche in seguito, la presente Richiedente ha infatti verificato la possibilit? di individuare picchi nel segnale di variazione di carica SQ in corrispondenza di ciascun passo, per effetto del suddetto trasferimento di cariche dal corpo dell?individuo da o verso il suolo.

In una differente forma di realizzazione, illustrata nella suddetta Figura 4, pi? onerosa dal punto di vista computazionale ma che assicura una migliore accuratezza nel rilevamento dei passi, la suddetta ulteriore analisi del segnale di variazione di carica SQ pu? essere eseguita mediante una duplice fase di estrazione di caratteristiche significative dello stesso segnale di variazione di carica SQ , blocco 33, e di analisi delle caratteristiche estratte, blocco 34.

Le suddette caratteristiche significative caratterizzano l?andamento del segnale di variazione di carica SQ, ad esempio di un relativo inviluppo (?envelope?), e possono essere identificate e rilevate mediante elaborazione dello stesso segnale di variazione di carica SQ. Vantaggiosamente, per effettuare le suddette operazioni di estrazione e di analisi di caratteristiche possono essere impiegati algoritmi di intelligenza artificiale ad apprendimento automatico (cosiddetti di ?machine learning?) opportunamente addestrati, ad esempio mediante reti neurali, SVM, reti bayesiane, ecc.

In ogni caso, in funzione della suddetta ulteriore analisi, si verifica la presenza, o meno, nel segnale di variazione di carica SQ di caratteristiche indicative della presenza di almeno un individuo, blocco 35.

In caso negativo, l?elaborazione prevede un successivo ciclo di elaborazione dello stesso segnale di variazione di carica SQ (nell?esempio il ritorno al suddetto blocco 31).

In caso positivo, viene invece fornita una seconda indicazione di presenza, relativa alla presenza di almeno un individuo nell?area monitorata.

In seguito, blocco 40, l?elaborazione prevede la verifica della presenza contemporanea, ovvero sostanzialmente in uno stesso istante o intervallo temporale, delle suddette prima e seconda indicazione, al fine di validare (in caso di verifica positiva della suddetta presenza contemporanea) il rilevamento della presenza di almeno un individuo nell?area monitorata; in altre parole, nel blocco 40 viene eseguita una operazione di AND (temporale) tra la prima e la seconda indicazione di presenza, in tal modo rafforzando le indicazioni di presenza fornite, singolarmente, dal sensore di temperatura ad infrarossi 2 e dal sensore di variazione di carica 4.

Si evidenzia che la suddetta operazione di AND temporale pu? essere ad esempio eseguita come descritto nella domanda di brevetto italiana 102020000001603 depositata il 28/01/2020 a nome della stessa Richiedente.

Si evidenzia inoltre che un certo ritardo (ad esempio dell?ordine di qualche decina di ms) tra le due rilevazioni della prima e seconda indicazione ? comunque accettabile, rientrando nel normale ritardo di generazione, acquisizione ed elaborazione dei due segnali (mediante operazioni eseguite con procedure diverse tra loro).

Nel caso in cui venga verificata la presenza contemporanea della prima e seconda indicazione, dal blocco 40 si passa al blocco 41, in cui viene generato in uscita un segnale di presenza SP, indicativo della rilevata presenza di almeno un individuo nell?area monitorata. Tale segnale di presenza SP pu? in particolare essere un segnale che assume un primo valore (ad esempio alto) per tutto l?intervallo temporale all?interno del quale almeno un individuo entra nella, e si mantiene all?interno della, area monitorata.

La Figura 5 mostra l?andamento del segnale di variazione di carica SQ durante l?esecuzione di una serie di passi da parte di un individuo all?interno dell?area monitorata, che avviene, come mostrato schematicamente, nell?intervallo temporale identificato con ?T. In particolare, ? evidente come, per ogni passo si verifichi un picco (indicato con un pallino) ed inoltre un andamento caratteristico (indicato con un box rettangolare) nel segnale di variazione di carica SQ, che possono dunque essere identificati mediante l?elaborazione dello stesso segnale da parte dell?unit? di elaborazione 6.

In Figura 5 ? anche indicata la soglia di carica ThQ, che viene ad esempio calcolata in maniera adattativa rispetto all?andamento del segnale di variazione di carica SQ, in particolare rispetto ad un valore basale o di base dello stesso segnale di variazione di carica SQ (il cui andamento ? indicato nella stessa Figura 5); i picchi sono dunque riferiti in questo caso alla suddetta soglia di carica ThQ.

? inoltre evidente come, al di fuori del suddetto intervallo temporale ?T, ovvero in assenza di individui all?interno dell?area monitorata, il segnale di variazione di carica SQ abbia caratteristiche sensibilmente differenti, ed in particolare ampiezza inferiore alla soglia di carica ThQ. In tale intervallo temporale, come discusso in precedenza, viene dunque abilitato l?aggiornamento del valore basale del segnale di temperatura ST.

La Figura 6 illustra schematicamente un apparecchio elettronico 50 che include il dispositivo di rilevamento 1 precedentemente descritto.

L?apparecchio elettronico 50 comprende un controllore principale 52 (un microcontrollore, un microprocessore o un?analoga unit? di elaborazione digitale), accoppiato all?unit? di elaborazione 6 del dispositivo di rilevamento 1, al fine di ricevere le informazioni relative alla presenza di almeno un individuo nell?area monitorata.

Nella forma di realizzazione descritta in precedenza, il controllore principale 52 riceve dall?unit? di elaborazione 6 del dispositivo di rilevamento 1 il segnale di presenza SP, ad esempio al fine di attivare opportune segnalazione di allarme anti-intrusione (oppure per altre finalit?, ad esempio di risparmio di energia, ?energy saving?, o di automazione domestica o industriale).

I vantaggi conseguiti dalla presente soluzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.

In ogni caso, si evidenzia nuovamente come nel dispositivo di rilevamento 1, il monitoraggio della variazione di carica consenta di rafforzare le informazioni associate al solo rilevamento di temperatura da parte del sensore di temperatura ad infrarossi.

Il dispositivo di rilevamento 1 consente di ottimizzare le prestazioni (in particolare, riducendo il numero di falsi rilevamenti, falsi positivi e falsi negativi, dovuti alla presenza di fonti di calore di disturbo o di cariche elettrostatiche nell?ambiente), con un consumo di energia ottimizzato ed una ridotta occupazione di spazio (in particolare, con la possibilit? di integrazione in un unico package di entrambe le tecnologie di rilevamento, di temperatura e di variazione di carica).

Come descritto in precedenza, risulta vantaggiosa la possibilit? di utilizzare l?indicazione di presenza fornita dall?elaborazione del segnale di variazione di carica SQ per abilitare o meno l?aggiornamento del valore basale BL del segnale di temperatura ST, in modo tale da eliminare (o ridurre fortemente) i falsi rilevamenti associati al rumore ambientale.

Inoltre, vantaggiosamente, l?elaborazione delle caratteristiche del segnale di variazione di carica SQ consente di discriminare con una elevata affidabilit? la presenza di individui o di animali domestici all?interno dell?area monitorata. In particolare, la presenza di animali domestici non porta generalmente alla generazione della seconda indicazione di presenza da parte del secondo ramo di elaborazione 30; al pi?, la presenza di animali pu? portare alla generazione di un segnale di ampiezza minore (quindi filtrabile con una soglia sufficientemente alta) o di caratteristiche diverse, per forma e frequenza, da quello associato al rilevamento di presenza umana.

Alla presente soluzione possono infine essere applicate variazioni e modifiche, senza per questo uscire dall?ambito di protezione identificato dalle rivendicazioni.

In particolare, in maniera non illustrata, possono essere previste opportune operazioni di filtraggio (ad esempio utilizzando filtri passa-basso o passa-alto) per i segnali di temperatura ST e di variazione di carica SQ, preliminari alle elaborazioni descritte. Tale filtraggio pu? avere la funzione di ripulire i segnali di temperatura e di variazione di carica ST e SQ da rumore o da componenti di disturbo a frequenze non significative (es. intorno ai 50Hz o 60Hz per il segnale di variazione di carica SQ). ? altres? possibile effettuare una analisi in frequenza (es., mediante trasformata di Fourier veloce - FFT) del segnale di variazione di carica SQ al fine di identificarne le caratteristiche per il riconoscimento della salita o discesa di scale e relativi gradini.

In maniera non illustrata, il dispositivo di rilevamento 1 pu? integrare ulteriori sensori e prevedere ulteriori canali di elaborazione dedicati per altri rilevamenti.

Inoltre, in una forma di realizzazione, il sensore di variazione di carica 4 pu? essere disposto in maniera delocalizzata rispetto al sensore di temperatura 2, in tal caso il dispositivo di rilevamento 1 non essendo integrato all?interno di un unico package e potendo ad esempio essere prevista una comunicazione wireless tra l?unit? di controllo 6 e lo stesso sensore di variazione di carica 4.

Tale forma di realizzazione pu? risultare vantaggiosa ad esempio per indirizzare l?area di monitoraggio del sensore di variazione di carica 4 in maniera specifica verso sorgenti di disturbo conosciute (ad esempio costituite da fonti di calore la cui accensione potrebbe essere interpretata come presenza di un individuo nell?area monitorata).

Inoltre, si evidenzia che il dispositivo di rilevamento 1 potrebbe comprende un differente sensore per fornire il segnale di variazione di temperatura utilizzato in maniera congiunta al segnale di variazione di carica per il rilevamento di presenza, ad esempio un sensore di temperatura ad infrarossi di tipo attivo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di rilevamento (1), comprendente: un sensore di temperatura ad infrarossi (2), configurato in modo da fornire un segnale di temperatura (ST) associato ad una emissione di calore di almeno un individuo all?interno di un?area monitorata; un sensore di variazione di carica elettrostatica (4), configurato in modo da fornire un segnale di variazione di carica (SQ) indicativo di una variazione di carica elettrostatica associata a detto almeno un individuo; ed un?unit? di elaborazione (6), accoppiata al sensore di temperatura ad infrarossi (2) ed al sensore di variazione di carica elettrostatica (4) in modo da ricevere il segnale di temperatura (ST) ed il segnale di variazione di carica (SQ) e configurata in modo da elaborare congiuntamente detti segnale di temperatura (ST) e segnale di variazione di carica (SQ) per rilevare la presenza di detto almeno un individuo all?interno di detta area monitorata.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta unit? di elaborazione (6) ? configurata in modo da: elaborare un gradiente di temperatura (?T) associato ad una variazione di detto segnale di temperatura (ST) rispetto ad un valore basale (BL) per rilevare una prima indicazione di presenza; elaborare una variazione di detto segnale di variazione di carica (SQ) nel tempo per rilevare una seconda indicazione di presenza; e generare un segnale di presenza (SP) indicativo della presenza di detto almeno un individuo all?interno di detta area monitorata in caso di rilevamento congiunto di dette prima e seconda indicazione di presenza in uno stesso intervallo temporale.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detta prima indicazione di presenza ? rilevata nel caso in cui detto gradiente di temperatura (?T) supera, in valore assoluto, una soglia di temperatura (THT); e detta seconda indicazione di presenza ? rilevata nel caso di rilevamento di caratteristiche del segnale di variazione di carica (SQ) associate all?esecuzione di almeno un passo da parte di detto almeno un individuo.
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detta analisi di caratteristiche del segnale di variazione di carica (SQ) include: l?analisi di picchi di ampiezza di detto segnale di variazione di carica (SQ) eccedenti una soglia di carica (THQ) fissa o adattativa; e/o l?analisi di pattern specifici del segnale di variazione di carica (SQ).
5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-4, in cui detta unit? di elaborazione (6) ? configurata in modo da abilitare un aggiornamento del valore basale (BL) di detto segnale di temperatura (ST) per adattare automaticamente il rilevamento a condizioni di temperatura ambientale di detta area monitorata, in maniera condizionata all?elaborazione di detto segnale di variazione di carica (SQ).
6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui detta unit? di elaborazione (6) ? configurata in modo da abilitare l?aggiornamento del valore basale (BL) di detto segnale di temperatura (ST), solamente nel caso in cui l?elaborazione del segnale di variazione di carica (SQ) nel tempo ? indicativa dell?assenza di individui nell?area monitorata.
7. Dispositivo secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui detta unit? di elaborazione (6) ? configurata in modo da abilitare l?aggiornamento del valore basale (BL) di detto segnale di temperatura (ST), nel caso in cui detto segnale di variazione di carica (SQ) non presenta una variazione significativa rispetto ad un valore di riferimento.
8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sensore di variazione di carica elettrostatica (4) comprende almeno un elettrodo (8) destinato ad essere disposto affacciato a detta area monitorata; un amplificatore da strumentazione (12) ad elevata impedenza avente un ingresso accoppiato a detto elettrodo (8); e un convertitore analogico-digitale (14) accoppiato in uscita a detto amplificatore da strumentazione (12) per fornire detto segnale di variazione di carica (SQ).
9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unit? di elaborazione (6), detto sensore di temperatura ad infrarossi (2) e detto sensore di variazione di carica elettrostatica (4) sono realizzati in maniera integrata all?interno di uno stesso package dotato di opportuni elementi di connessione elettrica verso l?esterno.
10. Apparecchio elettronico (50), comprendente un dispositivo di rilevamento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti ed un controllore principale (52) accoppiato all?unit? di elaborazione (6) del dispositivo di rilevamento (1), al fine di ricevere un segnale di presenza (SP) indicativo della presenza di detto almeno un individuo all?interno di detta area monitorata.
11. Apparecchio secondo la rivendicazione 10, in cui detto controllore principale (52) ? configurato in modo da attivare una segnalazione di allarme anti-intrusione in funzione di detto segnale di presenza (SP).
12. Metodo di rilevamento di presenza di almeno un individuo all?interno di un?area monitorata, comprendente: fornire, da parte di un sensore di temperatura ad infrarossi (2), un segnale di temperatura (ST) associato ad una emissione di calore di almeno un individuo all?interno di un?area monitorata; fornire, da parte di un sensore di variazione di carica elettrostatica (4), un segnale di variazione di carica (SQ) indicativa di una variazione di carica elettrostatica associata a detto almeno un individuo; ed elaborare congiuntamente detti segnale di temperatura (ST) e segnale di variazione di carica (SQ) per rilevare la presenza di detto almeno un individuo all?interno di detta area monitorata.
13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui elaborare congiuntamente comprende: elaborare un gradiente di temperatura (?T) associato ad una variazione di detto segnale di temperatura (ST) rispetto ad un valore basale (BL) per rilevare una prima indicazione di presenza; elaborare una variazione di detto segnale di variazione di carica (SQ) nel tempo per rilevare una seconda indicazione di presenza; e generare un segnale di presenza (SP) indicativo della presenza di detto almeno un individuo all?interno di detta area monitorata in caso di rilevamento congiunto di dette prima e seconda indicazione di presenza in uno stesso intervallo temporale.
14. Metodo secondo la rivendicazione 13, comprendente abilitare un aggiornamento del valore basale (BL) di detto segnale di temperatura (ST) per adattare automaticamente il rilevamento a condizioni di temperatura ambientale di detta area monitorata, in maniera condizionata all?elaborazione di detto segnale di variazione di carica (SQ).
15. Metodo secondo la rivendicazione 14, comprendente abilitare l?aggiornamento del valore basale (BL) di detto segnale di temperatura (ST), solamente nel caso in cui l?elaborazione del segnale di variazione di carica (SQ) ? indicativa dell?assenza di individui nell?area monitorata.
16. Metodo secondo la rivendicazione 14 o 15, comprendente abilitare l?aggiornamento del valore basale (BL) di detto segnale di temperatura (ST), nel caso in cui detto segnale di variazione di carica (SQ) non presenta una variazione significativa rispetto ad un valore di riferimento.