JP2008131196A - 移動方向検知無線システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な回路構成で、指向性が高く、人や物等の移動方向や出入りを確実に検知することができる移動方向検知無線システムを提供する。
【解決手段】互いに無線通信可能な送信機１２と受信機１４ａ，１４ｂを有し、受信機１４ａ，１４ｂは、複数のアンテナ素子２３，２４を配列したアレイアンテナ２５を備える。各アンテナ素子２３，２４で受信した電波を合成する合成回路２８と、アンテナ素子２３，２４の一方と合成回路２８との間に接続された移相回路２６と、合成回路２８により合成された電波が入力する受信回路３０を備える。複数のアンテナ素子２３，２４の間隔は受信電波の波長λの１／４〜１／１６程度とする。移相回路２６により移相される各受信電波の位相差とアンテナ素子２３，２４の間隔による受信電波の位相差の和が、２π／３以上でπ以下とする。一対の受信機１４ａ，１４ｂを、互いの指向性を逆向きにして入退室口３４に配置する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電波を用いて一定の範囲で、個別対象の出入りや移動方向を検出する移動方向検知無線システムに関する。

従来、一定範囲での人の入退室を管理するシステムとしては、無指向性アンテナを用いた受信機に送信機を保持した人が近づく事により、受信機から一定距離内に送信機がある事を検知するシステムが一般的である。さらに、出入りを判断するための進行方向の検知には、特許文献1に開示されているように、無指向性アンテナを２台設置して検知するものが提案されている。

特許文献1に開示された入退室監視システムは、アンテナモジュールと、アンテナに接続された個体識別モジュールとを備え、送信機としての無線ＩＤタグとともに使用するシステムである。このシステムのアンテナモジュールは、相互に絶縁分離された複数のアンテナ部を備え、個体識別モジュールは、上記アンテナ部に対応させた複数の接続端子と、これらの複数の接続端子に接続され複数のアンテナ部に対して切換動作をする出力切換回路と、出力切換回路によって切換接続されたアンテナ部に送信信号を発信し、その受信期間内に送信機である無線ＩＤタグからの応答信号の有無を判別し、かつ応答信号を受けたときには、その応答信号に含まれている個体識別ＩＤを解読処理する信号処理部とを備えている。さらに、個体識別モジュールの信号処理部は、出力切換回路によって切換接続されたアンテナ部を通じて、無線ＩＤタグから返信されてきた応答信号の受信タイミングまたは順序を解読処理することによって、無線ＩＤタグの移動方向を更に判別する構成である。

また、特許文献２に開示されているように、受信機により受信した電波の電界強度の変化を基に、送信機の移動方向を演算するシステムも提案されている。このシステムは、入退場判断装置であって、利用者が構内へ入場または構内から退場する場合に通る入退場口に設置され、入退場口から構内または構外へのいずれかの方向に向けて、他方よりも強い電界強度の電磁波を発信する指向性を有するアンテナと、アンテナを介して、利用者が携帯している通信デバイスと無線通信して、無線通信した電磁波の電界強度を検出する無線通信部と、無線通信部と通信デバイスとが無線通信した電界強度の変化の履歴に基づいて、通信デバイスが移動している方向を算出し、通信デバイスを携帯している利用者が入場したかまたは退場したかを判断する入退場判断部を備えたものである。
特開２００３−１７８３８１号公報 特開２００５−９２８１６号公報

上記特許文献１に開示された無指向性アンテナを用いたシステムの場合、２台のアンテナの受信範囲が重複し、移動方向の検知を行うには各アンテナの設置場所を極力離す必要があり、アンテナ同士が近いと、部屋の入退室と進行方向で検知する事はできないものであった。

一方、指向性アンテナを用いることにより一方向に検知範囲を絞ることは可能であり、一般的な指向性アンテナとして八木アンテナやパッチアンテナがある。しかし、使用する電波がローバンドＵＨＦの場合、アンテナが大型であり室内向きではない。

また、受信機を特定場所に複数台設置して、送信機からの受信レベルの相関差で送信機の位置を検出するシステムや特許文献２に開示されたシステムでは、受信レベルでのみでの位置検出は精度が低く、そのデータから入室退室及び進行方向の判断は難しい。

この発明は、上記従来技術の問題に鑑みて成されたもので、簡単な回路構成で、指向性が高く、人や物等の移動方向や出入りを確実に検知することができる移動方向検知無線システムを提供することを目的とする。

この発明は、互いに無線通信可能な送信機と受信機とを有し、前記受信機は、複数のアンテナ素子を配列したアレイアンテナと、各アンテナ素子で受信した電波を合成する合成回路と、前記アンテナ素子の一方と合成回路との間に接続された移相回路と、前記合成回路により合成された電波が入力する受信回路を備え、前記複数のアンテナ素子の間隔ｄは受信電波の波長λの１／４〜１／１６、好ましくはλ／８程度であり、前記移相回路により移相される各受信電波の位相差｜φ｜（φの絶対値）と前記アンテナ素子間隔による受信電波の位相差δの和ψが、２π／３以上でπ以下、好ましくはほぼπとし、前記受信機を一対設けて、互いの指向性を逆向きにして移動検知部に配置した移動方向検知無線システムである。

またこの発明は、互いに無線通信可能な送信機と受信機とを有し、前記受信機は、複数のアンテナ素子を配列したアレイアンテナと、各アンテナ素子で受信した電波を合成する合成回路と、前記アンテナ素子の一方と合成回路との間に接続された移相回路と、前記合成回路により合成された電波が入力する受信回路を備え、前記複数のアンテナ素子の間隔ｄは受信電波の波長λの１／４〜１／１６、好ましくはλ／８程度であり、前記移相回路により移相される各受信電波の位相差｜φ｜と前記アンテナ素子間隔による受信電波の位相差δの和ψが、２π／３以上、好ましくは３π／４でπ以上、より好ましくはほぼπとし、前記受信機に前記移相回路の移相値を切り換える移相切り替え回路を設けて、所定周期で前記アレイアンテナの指向性を切り換えて前記送信機からの電波を受信する移動方向検知無線システムである。

前記アレイアンテナは一対のアンテナ素子から成り、前記受信機は前記移相回路等の回路部を一体のケース内に配置して成るものである。

前記送信機は、電源を内蔵し微弱無線電波により通信可能なアクティブタグである。または前記送信機は、ＲＦＩＤタグ等のパッシブタグでも良い。

この発明の移動方向検知無線システムによれば、入退場口等の移動検知部において比較的遠方から送信機を検知可能であり、移動方向前後で、一対の受信機の重複受信範囲が狭く、確実に送信機の移動方向を判断することができる。これにより、送信機が動きの速い検知対称や複雑な移動を行う検知対象に設けられていても、正確に移動方向を検知することができる。

以下、この発明の移動方向検知無線システムの実施形態について説明する。図１、図２はこの発明の一実施形態を示すもので、この実施形態の移動方向検知無線システム１０は、互いに無線通信可能な送信機１２と、受信機１４ａと受信機１４ｂを有し、各々複数台設けられている。そして、送信機１２はカード状に形成され、電源を内蔵し微弱電波無線回路を備えて、微弱電波無線規格により無線通信可能に形成されている。また、電源電圧の低下を警告するＬＥＤ等の表示素子が設けられていると良い。

受信機１４ａ，１４ｂは、所定の移動方向演算処理やその他処理動作を行うコンピュータ等の処理装置２０に、ＬＡＮ２２により接続されている。受信機１４ａ，１４ｂは各々同様の構成であり、図２に示すように、２本のアンテナ素子２３，２４を配列したアレイアンテナ２５と、一方のアンテナ素子２４で受信した電波の位相を遅延させる移相回路２６と、アンテナ素子２３で受信した電波と移相回路２６で移相した電波を合成する合成回路２８と、合成回路２８により合成された電波が入力する受信回路３０を備えている。さらに、受信回路３０で受信した信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路３２を備え、図示しない信号処理回路を経てＬＡＮ２２に信号が載せられる。ＬＡＮ２２に送られる信号は例えばＴＣＰ／ＩＰ（Transmission Control Protocol／Internet
Protocol)通信を行う信号である。

アレイアンテナ２５を各々備えた受信機１４ａ，１４ｂは、各々指向性アンテナ装置を構成する。受信機１４ａ，１４ｂは、その指向性を、移動検知部である入退室口３４の内外に各々セットされる。その際、受信機１４ａ，１４ｂは、その受信感度の指向を室内および室外に各々向け、室内３８に配置された受信機１４ａの指向性受信範囲Ａが室内側を向き、室外３９に位置された受信機１４ｂの指向性受信範囲Ｂが室外側を向くようにセットする。

この実施形態では、複数のアンテナ素子２３，２４の間隔ｄは、使用する電波の波長により適宜設定されるがＵＨＦの場合は、受信電波の波長λの１／４〜１／１６、好ましくはλ／８程度である。移相回路２６により移相される各受信電波の位相差｜φ｜とアンテナ素子２３，２４の間隔ｄによる受信電波の位相差δの和ψは、２π／３以上でπ以下、好ましくはほぼπである。ここで、角度は０からπ（１８０°）までとし、πを超える角度は符号を変えて２π−ψと等しいとする。

ここで、アレイアンテナ２５についての配列指向性の原理を説明する。図３に示すように、間隔ｄをおいて２本のアンテナがある場合、このアレイアンテナ２５の各方向θにおける指向性は、
Ｅ（θ）＝ｇ（θ）・ｆ（θ） （１）
で表される。ｇ（θ）は各アンテナ素子の指向性、ｆ（θ）は配列指向性係数である。

配列指向性係数は、各アンテナ素子の係数の和であり、以下の式で表される。

ｆ（θ）＝ａ１＋ａ２・ｅｘｐ（ｊφ）・ｅｘｐ（ｊｋｄｃｏｓθ） （２）
ａ１、ａ２は各アンテナ素子の相対振幅、ｅｘｐ（ｊφ）は位相差、ｅｘｐ（ｊｋｄｓｉｎθ）は光路差による値である。ここでφは移相回路による移相値、ｋは波数２π／λである。従ってｋｄはアンテナ素子間での位相差を指す。

アンテナ素子が無指向性であるとすると、アレイアンテナ２５の指向性は、配列指向性のみとなり、以下の式で表される。

Ｅ（θ）＝ｆ（θ）＝（２＋２ｃｏｓ（φ＋ｋｄｃｏｓθ））^１／２ （３）
なお、式（３）は、図３のａ２の位置に移相回路２６を配置したものである。

この実施形態の移動方向検知無線システムは、２本の無指向性アンテナのアンテナ素子２３，２４を用いて、受信感度の指向性を室内外に各々急峻にして指向性受信範囲Ａ、Ｂの長さＤを長くする事より、受信範囲の半値角及び前後比が大きくなる様に位相差を設定する。また指向性受信範囲Ａ、Ｂの重複範囲Ｅは相対的に短く狭いものとなる。これにより、この指向性アンテナ装置（フェーズドアレイアンテナ）の受信機を用いて、指向性アンテナ装置である受信機１４ａ，１４Ｂにより、互いに反対方向に送信機１２からの電波を検知する事により、その空間への入退場を検知可能にしている。

そして、この実施形態の指向性アンテナ装置１４ａ，１４ｂは、ローバンドＵＨＦを利用するので小型が可能であり、且つ指向性を出す為の２本の無指向性アンテナ素子２３，２４の距離は、アンテナ素子２３，２４相互間の悪影響がなく、位相合成が容易な距離に設定している。

さらに、この実施形態の指向性アンテナ装置３４ａ，３４ｂは、２台を近づけて(一定距離以上)に設置する事が可能であり、受信の有無又は受信レベルの差により進行方向、入室、退室を検知することができる。

なお、この発明の移動方向検知無線システムは、上記実施形態に限定されるものではなく、図４に示すように、受信機４０を入退室口等の移動検知部に１台設置して、移相回路２６の移相値を上記条件と、上記条件にπを加えた移相値とに一定周期で切り替える移相切り替え回路４２を設け、送信機１２からの電波の受信タイミングにより、指向性受信範囲Ａ，Ｂのどちらのタイミングでの受信かを判断することにより、送信機１２の移動方向や出入りを判別することができる。

さらに、この発明の移動方向検知無線システムは、前後方向の１軸のみの方向検知に限らず、複数の受信機を組み合わせて、３軸方向の任意の方向の検知も可能である。

また、この発明の指向性アンテナ装置は、その設置環境により、マルチパスやフィ−ルドホール等の悪影響を容易に避けるために、指向性アンテナ装置又は送信機に受信感度調整可能な回路を用いても良い。送信機は、電源を内蔵した微弱無線電波によるアクティブタグの他、アンテナ側に備えた高周波伝送装置により送信機側の電磁誘導コイルに起電力を発生させて、送信を行うＲＦＩＤタグ等のパッシブタグでも良い。

次に、この発明の１実施例について以下に説明する。まず、無指向性のアンテナ素子によるアレイアンテナの指向性は式（３）の通りであるから、図１に於けるアンテナ素子２３，２４の間隔ｄを、受信電波の波長λの１／８とし、用いる電波は、ローバンドＵＨＦで、例えば周波数３１５ＭＨｚの場合、素子間隔ｄ＝λ／８＝１１９ｍｍである。この場合のアレイアンテナの指向性を図５、図６に示す。

図５は、移相値φを−３π／４（−１３５°）とした場合の、方向θにおける指向性係数を示す。図５において、例えば、方向θが０と１８０°の場合を式（３）と図３に当てはめると、ｄ＝λ／８であるので、アンテナ素子間による遅延の位相差ｋｄ＝２π／λ・λ／８＝π／４であり、θ＝０の場合、
ｆ（θ）＝（２＋２ｃｏｓ（−３π／４＋π／４））^１／２＝２^１／２
となる。

また、θ＝πの場合、
ｆ（θ）＝（２＋２ｃｏｓ（−３π／４−π／４））^１／２＝０
となる。

さらに、移相値φ＝−９０°について図６に示す。この場合、φの絶対値とｋｄの和は３π／４となる。移相回路による移相値φがこの程度、即ち移相値の大きさとアンテナ素子間による位相差の和が３π／４程度あれば指向性が得られることが分かった。

これより、移相回路２６により移相される各受信電波の位相差である移相値φの大きさとアンテナ素子２３，２４間隔ｄによる受信電波の位相差δの和ψが、２π／３以上でπ以下であれば、ある程度の指向性を示すと言え、好ましくは、ψが３π／４以上、最も好ましくは、ψがπであるアレイアンテナを備えると良いことが分かる。

図７に、アンテナ素子間隔が使用電波の波長λの１／４の場合、移相回路による移相値を−９０°とした場合の指向性を示す。この場合、アンテナ素子間による位相差ｋｄ＝２π／λ・λ／４＝π／２である。従って、移相回路２６による移相値φを−π／２（９０°）にすることにより、｜φ｜＋ｋｄ＝πとなり、最も強い指向性を示す。

同様に、アンテナ素子間隔をλ／１０とした場合の指向性を図８に示す。この場合、アンテナ素子間による位相差ｋｄ＝２π／λ・λ／１０＝π／５（３６°）であり、移相回路２６による移相値φを−３π／４（−１３５°）にすることにより、｜φ｜＋ｋｄ＝１７１°となり、比較的強い指向性を示すことが分かる。

同様に、アンテナ素子間隔をλ／１６とした場合の指向性を図９に示す。この場合、アンテナ素子間による位相差ｋｄ＝２π／λ・λ／１６＝π／８であり、移相回路２６による移相値φを−５π／６（−１５０°）にした場合、｜φ｜＋ｋｄ＝１７２．５°となり、比較的強い指向性を示すが、式（３）による指向性係数の値は小さくなる。

この発明の一実施形態の移動方向検知無線システムの概略構成図である。 この実施形態の移動方向検知無線システムの受信機のブロック図である。 この実施形態の移動方向検知無線システムのアレイアンテナの原理示すベクトル図である。 この発明の移動方向検知無線システムの他の実施形態の概略構成図である。 この発明の移動方向検知無線システムにおいて、アンテナ素子間隔λ／８の移相回路による移相値を−１３５°とした場合のアンテナ指向性の理論値を示すグラフである。 この発明の移動方向検知無線システムにおいて、アンテナ素子間隔λ／８の移相回路による移相値を−９０°とした場合のアンテナ指向性の理論値を示すグラフである。 この発明の移動方向検知無線システムにおいて、アンテナ素子間隔λ／４の移相回路による移相値を−９０°とした場合のアンテナ指向性の理論値を示すグラフである。 この発明の移動方向検知無線システムにおいて、アンテナ素子間隔λ／１０の移相回路による移相値を−１３５°とした場合のアンテナ指向性の理論値を示すグラフである。 この発明の移動方向検知無線システムにおいて、アンテナ素子間隔λ／１６の移相回路による移相値を−１５０°とした場合のアンテナ指向性の理論値を示すグラフである。

符号の説明

１０ 移動方向検知無線システム
１２ 送信機
１４ａ，１４ｂ 受信機
２０ 処理装置
２２ ＬＡＮ
２３，２４ アンテナ素子
２５ アレイアンテナ
２６ 移相回路
２８ 合成回路
３０ 受信回路
３２ Ａ／Ｄ変換回路
３４ 入退室口

Claims (4)

1. 互いに無線通信可能な送信機と受信機とを有し、前記受信機は、複数のアンテナ素子を配列したアレイアンテナと、各アンテナ素子で受信した電波を合成する合成回路と、前記アンテナ素子の一方と合成回路との間に接続された移相回路と、前記合成回路により合成された電波が入力する受信回路を備え、前記複数のアンテナ素子の間隔は受信電波の波長λの１／４から１／１６程度であり、前記移相回路により移相される各受信電波の位相差と前記アンテナ素子間隔による受信電波の位相差の和が、２π／３以上でπ以下とし、前記受信機を一対設けて、互いの指向性を逆向きにして移動検知部に配置したことを特徴とする移動方向検知無線システム。
2. 互いに無線通信可能な送信機と受信機とを有し、前記受信機は、複数のアンテナ素子を配列したアレイアンテナと、各アンテナ素子で受信した電波を合成する合成回路と、前記アンテナ素子の一方と合成回路との間に接続された移相回路と、前記合成回路により合成された電波が入力する受信回路を備え、前記複数のアンテナ素子の間隔は受信電波の波長λの１／４から１／１６程度であり、前記移相回路により移相される各受信電波の位相差と前記アンテナ素子間隔による受信電波の位相差の和が、２π／３以上でπ以下とし、前記受信機に前記移相回路の移相値を切り換える移相切り替え回路を設けて、所定周期で前記アレイアンテナの指向性を切り換えて前記送信機からの電波を受信することを特徴とする移動方向検知無線システム。
3. 前記アレイアンテナは一対のアンテナ素子から成り、前記受信機は回路部を一体のケース内に配置して成ることを特徴とする請求項１または２記載の移動方向検知無線システム。
4. 前記送信機は、電源を内蔵し微弱無線電波により通信可能なアクティブタグであることを特徴とする請求項３記載の移動方向検知無線システム。
   
   

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