JP2011102670A - 電力メータ連携型センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】室内で人の存在する空間領域を検出し、負荷機器を室内での人の位置に応じて制御することを可能にする。
【解決手段】センサ装置Ｓは、室内の温度分布を監視する赤外線アレイセンサ２１と、赤外線アレイセンサ２１により検出した室内の温度分布に基づいて室内の人の存在位置を検出するセンサ回路２２と、電力メータと通信することにより室内の人の存在位置の情報を電力メータに通知する無線通信モジュール２３とを器体に備える。赤外線アレイセンサ２１は、熱型赤外線素子をマトリクス状に配列したセンサ素子と、センサ素子の受光面の前方に配置した受光光学系とにより構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信機能を有するとともに他機器の管理機能を有する電力メータと連携し、電力メータで用いる情報を収集する電力メータ連携型センサ装置に関するものである。

近年、持続可能な社会という観点で、温室効果ガスの排出量の削減、化石燃料依存からの脱却などが提唱され、それに伴って、太陽光発電や風力発電のような再生可能エネルギの大規模な導入が提案されている。ただし、再生可能エネルギは出力が不安定であるという問題があり、また、小規模な発電設備の並列運転を行うことにより周波数変動が生じる可能性があり、再生可能エネルギを大規模に導入すると送電電力の品質の低下につながるという問題が懸念されている。

このような問題に対処するために、発電設備において電力の品質を管理するのはもちろんのこと、発電所から需要家に至る送電網での経路の制御や需要家における負荷機器の制御を行うことによって、電力の供給側と需要側との間の電力の無駄を抑制する技術の導入が提案されている。この種の技術には、電力の需要側が必要とする電力を監視し、監視した電力に応じて電力の供給側に対して必要な電力を要求するとともに、負荷機器の使用環境に応じて負荷機器の制御を行うことが必要になる。

そこで、需要側の電力を監視する電力メータに通信機能を設け、通信機能を用いることにより、電力の供給側への要求を行うとともに、負荷機器の使用環境の監視や負荷機器の制御を行うことが提案されている。つまり、通信機能を有するとともに他機器（負荷機器など）の管理機能を有する電力メータ（いわゆる、スマートメータ）を用いることが考えられている。このような機能を実現するために、負荷機器の使用環境や負荷機器での使用電力を監視して電力メータに通知することが必要である。

ところで、負荷機器には、室温や照度を検出するとともに、室温や照度が目標値に近付くように制御する構成のものが知られている。しかしながら、この種の負荷機器は自己完結的に制御を行っているのみであり、複数の負荷機器を関係付けて制御させることはできない。

たとえば、特定の負荷機器における消費電力が他の負荷機器に比較して大きい場合に、当該負荷機器での消費電力が低減されるように負荷機器を制御すれば、使用する電力を大きく低減させることができると考えられるが、このような制御を自動化することはできない。

一方、特許文献１には、主幹ブレーカを流れる電流の大きさを検出する変流器を分電盤に設け、変流器を用いて計測した電流量に基づいてコントローラにおいて電気使用情報を生成し、信号線を介してコントローラと接続された住宅情報盤が電気使用情報を受け取ることによって、住宅情報盤において電気使用情報を報知することを可能にする技術が記載されている。

すなわち、コントローラでは、変流器を用いて計測した電流量が、あらかじめ設定された警報基準量を超えてから所定の時間が経過するまでの間に所定の電流量まで低下しない場合には、電気の使いすぎを住宅情報盤に報知させる機能を有している。さらに、負荷機器にリレーを設けてあり、警報基準量を超えることにより住宅情報盤に電気の使いすぎが報知されるときには、あらかじめ定めた優先順位の順で負荷機器への電力供給を遮断することも記載されている。

特許文献１に記載の技術は、住宅内の負荷機器に供給する個々の電流量ではなく合計の電流量を計測し、計測した電流量が警報基準量を超えるときには、少なくとも一部の負荷機器への電力供給を停止させることにより、負荷機器で使用される電流量を制限する技術であり、電力消費の増加を抑制することから、温室効果ガスの排出量削減に寄与していると言える。

特開平１１−２２５４３８号公報

ところで、照明機器や空調機器のように照度や温度などの室内環境を形成する負荷機器を、人が存在しないときに動作させることはエネルギーの無駄になる。また、エネルギーの観点で言えば、室内に人が存在する場合であっても、人の存在する空間領域以外を明るく照明することは消費エネルギーの増加につながり、また、人の存在する空間領域に冷気や暖気を集中して送れば消費エネルギーの低減につながる。

近年では、室内に存在する人を追跡し、人の存在する空間領域に冷気や暖気を集中的に送るようにした空調機器が提供されており、また、照明機器においても人の存在する空間領域の周囲の照度を低下させるようにした照明機器が提案されている。

この種の空調機器や照明機器では、各負荷機器に設けたテレビカメラなどにより撮像した画像から人の存在する空間領域を検出し、人の存在する空間領域に応じて風向きを調節したり、点灯位置や調光量を調節したりしている。

しかしながら、上述した空調機器や照明機器では、個々に人の存在する空間領域を検出しており、自己完結的な制御であって、空調機器と照明機器とを連携させることはできない。また、特許文献１に記載の技術のように、住宅内のすべての負荷機器の動作を統合した情報を用いて供給電流を制限するシステムを用いたとしても、人の存在する空間領域に応じて負荷機器を連携させて制御することはできないから、エネルギーの利用効率を十分に高めることはできない。

一方、負荷機器の使用環境の監視や負荷機器の制御が可能であるとともに電力供給側への要求が可能である電力メータを用いる場合に、室内での人の存在する空間領域を検出するとともに、検出した情報を用いて負荷機器に制御すれば、負荷機器で消費するエネルギーの利用効率を高めることができると考えられる。しかしながら、室内における人の存在領域を検出する装置を電力メータと連携させる技術は提案されていない。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、室内で人の存在する空間領域を検出し、しかも負荷制御が可能な電力メータと連携させることによって、負荷機器を室内での人の位置に応じて制御することを可能にし、結果的に、負荷機器によるエネルギーの利用効率を高めることを可能にする電力メータ連携型センサ装置を提供することにある。

本発明は、上述の目的を達成するために、室内の温度分布を監視するとともに室内に配置した負荷機器への配電路に挿入された電力メータと通信することにより室内の温度分布から得られた情報を電力メータに通知するセンサ装置であって、室内の温度分布を監視する赤外線アレイセンサと、赤外線アレイセンサにより取得した室内の温度分布から得られた情報を通信により電力メータに通知する通信手段とを器体に備え、電力メータは前記情報に応じて負荷機器を制御する機能を有していることを特徴とする。

また、赤外線アレイセンサは、熱型赤外線素子をマトリクス状に配列したセンサ素子と、センサ素子の受光面の前方に配置した受光光学系とにより構成されていることが望ましい。

本発明の構成によれば、室内の温度分布を監視する赤外線アレイセンサと、温度分布から得られる情報を電力メータに通知する通信手段とを器体に備えているから、室内の適宜箇所に器体を配置するだけで、室内の温度分布から室内における人の位置や行動に関する情報を電力メータに取得させることができる。電力メータでは、負荷機器の制御が可能であるから、負荷機器としての空調装置を用いて人の存在する領域付近に冷気や暖気を集中させたり、負荷機器としての照明装置を用いて人が存在しない領域では照度を低下させたりする制御が可能になり、ひいては負荷機器によるエネルギーの利用効率を高めることが可能になる。また、上述のような空調装置と照明負荷との制御は同時に行うことが可能であるから、１台のセンサ装置で複数台の負荷機器の動作を連携させることも可能である。

赤外線アレイセンサを、熱型赤外線素子をマトリクス状に配列したセンサ素子と、センサ素子の受光面の前方に配置した受光光学系とにより構成している場合には、温度分布の画像化が可能になり、人の位置や行動を把握するための情報を得るのが容易にになる。

実施形態を示すブロック図である。 同上のシステム構成図である。 同上とともに用いる電力メータを示すブロック図である。 （ａ）は同上に用いる赤外線アレイセンサを示す概略断面図であり、（ｂ）は同上に用いるセンサ素子の動作例を示す図である。 同上の外観を示す斜視図である。

以下に説明するセンサ装置Ｓは、図２に示すように、電力の需要家である住宅や事業所に設置される電力メータＭとの間でデータ通信を行う機能を有し、負荷機器Ｌの使用環境に関する情報を通信を用いて電力メータＭに通知することによって、電力メータＭによる各種の負荷機器Ｌの制御や監視を可能にするものである。

すなわち、以下の実施形態で用いる電力メータＭは、負荷機器Ｌへの配電路Ｌｐに挿入され、電力の供給側（発電設備や送電網）および需要側（センサ装置Ｓや負荷機器Ｌ）との間で通信する機能を有している。また、センサ装置Ｓにより計測される負荷機器Ｌの使用環境に関する情報を用いて、負荷機器Ｌの制御を行い、また電力の供給側への要求を行う機能を有している。以下では、需要家が住宅である場合を例として説明するが、需要家は事業所であってもよい。

電力メータＭは、通信技術や情報技術を活用することにより、センサ装置Ｓにより検出された情報を受け取るとともに負荷機器Ｌを制御し、また電力の供給側に電力の供給や制限を要求する機能を有している。この種の電力メータは、スマートグリッドと称する技術において、住宅Ｈにおける電力利用の制御を行うために、住宅Ｈに設置されるネットワーク制御型の電力メータであり、スマートグリッドと称する技術においては、スマートメータとして知られている。この種の電力メータは、検針の機能に加えて、無線と有線との通信機能および監視した情報に応じて負荷機器Ｌを制御する機能を有している。

電力メータＭの基本的な構成を図３に示す。電力メータＭは、電力量計としての機能を有しており、住宅Ｈでの電力の使用量を計測するメータ回路部１１を備える。メータ回路１１は、住宅Ｈに配線される配線路Ｌｐを流れる電流および配電路Ｌｐの線間の電圧を計測し、使用電力の瞬時値および積算値を求める機能を有する。

また、電力メータＭには、検針値などを表示するための表示器ＤＰを駆動する機能、およびセンサ装置Ｓから取得した負荷機器Ｌの使用環境に関する情報に基づいて負荷機器Ｌの制御内容を決定する機能を有した制御部１２が設けられる。制御部１２は、センサ装置Ｓと負荷機器Ｌとを対応付けるとともに、センサ装置Ｓにより検出される負荷機器Ｌの使用環境に対する各負荷機器Ｌの制御内容を対応付けている。

電力メータＭには、住宅Ｈに設置した負荷機器Ｌやセンサ装置Ｓとの間で通信を行うための近距離通信部１３と、インターネットのような広域網に接続するための広域通信部１４とが設けられる。近距離通信部１３には、ＺｉｇＢｅｅ（商標）と称する規格で無線伝送路によるデータ通信を行う無線通信部１３ａと、宅内で電力線搬送通信を行う有線通信部１３ｂとが設けられる。同様に、広域通信部１４にも、ＩＳＭ帯域の電波を用いた無線伝送路によるデータ通信を行う無線通信部１４ａと、宅外で電力線搬送通信を行う有線通信部１４ｂとが設けられる。

近距離通信部１３では、住宅Ｈの適所に設置されたセンサ装置Ｓから受信した情報をメータ回路部１１に通知し、メータ回路部１１では、受信した情報に応じて負荷機器Ｌを制御するか、広域網に情報を送出する。また、電力メータＭには、商用電源に接続された配電路Ｌｐから電源が供給され内部回路に給電する電源回路１５が設けられる。

以下では、本実施形態において用いるセンサ装置Ｓについて説明する。図１に示すように、センサ装置Ｓは、ボロメータ型あるいはサーモパイル型の赤外線アレイセンサ２１を備えている。赤外線アレイセンサ２１は、図４のように、数十〜数百個程度の熱型赤外線素子２１ｃをマトリクス状に配列したセンサ素子２１ａと、センサ素子２１ａの受光面の前方に配置した受光光学系２１ｂとにより構成される。

センサ素子２１ａは低解像度であって、センサ素子２１ａの受光面に入射する赤外線の分布は検出できるが、受光光学系２１ｂを通して見たときに視野内の物体の細部の形状は検出できない程度に熱型赤外線素子２１ｃの個数が制限されている。赤外線アレイセンサ２１の視野は室内の略全域を含むように設定されており、センサ素子２１ａに設けた各熱型赤外線素子２１ｃの出力の分布によって、室内の温度分布が把握できるようになっている。

なお、赤外線アレイセンサ２１の視野を室内の略全域とするために、赤外線アレイセンサ２１の取付位置は室内の高所（壁の上方や天井）に設けることが望ましいが、後述するように、視野を制限する場合には、床からの高さ位置を１５０ｃｍ前後としてもよい。

赤外線アレイセンサ２１に設けたセンサ素子２１ａの出力はセンサ回路２２に入力される。赤外線アレイセンサ２１の出力は、センサ回路２２において、アナログ−デジタル変換がなされ、センサ回路２２からは熱型赤外線素子２１ｃの位置ごとに受光した赤外線量（熱線量）に相当する複数ビットのデジタル信号が出力される。すなわち、受光した赤外線の分布に応じたデジタル値の画像信号が得られる。

赤外線アレイセンサ２１の出力は、適宜の時間間隔（１秒前後でよいが、３０分の１秒から１０秒程度の範囲で適宜に設定される）で更新され、センサ回路２２においてセンサ素子２１ｃの各熱型赤外線素子２１ｃで受光した赤外線量を取り込むことによって、赤外線アレイセンサ２１の視野内における赤外線分布の時間変化を監視することができる。たとえば、人と周囲との温度差を利用することにより人と周囲とを区別し、人と認識される領域の位置の時間変化を追跡することにより、人の移動を把握することが可能になる。

センサ回路２２では、赤外線分布の時間変化を監視することによって、室内での人の位置を把握して人の存在する場所付近にエアコンの冷気や暖気を集中的に送る目的に用いることが可能になる。また、浴室やトイレであれば人の移動や画面に占める領域を把握して転倒や失神等の異常の有無を監視する目的に用いることが可能になる。センサ回路２２では、赤外線アレイセンサ２１の出力を用いて目的に応じた判断を行って判定結果を出力する。たとえば、前者の目的であれば、人の位置を判定結果として出力する。また、後者の目的であれば、人の異常の有無を判定結果として出力する。

このように、センサ回路２２が判定結果のみを出力し、また、赤外線アレイセンサ２１が低解像度であることにより、仮に電力メータＭとの通信経路において通信内容が漏洩したとしても、鮮明な人の画像が第三者に漏洩することがなく、プライバシーを保つことができる。

センサ装置Ｓには、電力メータＭとの通信のための通信手段としての無線通信モジュール２３が設けられており、上述した赤外線アレイセンサ２１に対応するセンサ回路２２の出力は、無線通信モジュール２３により無線信号に変換され、アンテナ２４から送信される。

無線通信モジュール２３は、ＺｉｇＢｅｅ（商標）の規格に適合したデータ通信を行う機能を有し、宅内に複数台のセンサ装置Ｓが設けられているときには、電力メータＭへのデータ伝送をマルチホッピングで行うことが可能になっている。したがって、複数台のセンサ装置Ｓが配置されていれば、電力メータＭとの距離が大きいセンサ装置Ｓであっても他のセンサ装置Ｓを中継に用いることによって、電力メータＭへの情報の伝送が可能になる。

センサ装置Ｓには、無線通信モジュール２３のほかに、外部機器を接続する汎用のインターフェイス２５も付設されている。インターフェイス２５としては、ＲＳ−２３２ＣあるいはＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）を用いることが望ましい。インターフェイス２５にこれらの規格を採用すると、パーソナルコンピュータのような汎用の装置を支援装置として接続することが可能になり、センサ装置Ｓの動作の監視や内部設定値の変更などが可能になる。たとえば、赤外線アレイセンサ２１の出力を更新する時間間隔、赤外線アレイセンサ２１の出力に基づくセンサ回路２２での判定内容などを支援装置から指示することが可能である。

センサ装置Ｓの電源には電池２６が用いられており、電源の確保が不要であるから、センサ装置Ｓを任意の場所に設置することが可能になっている。センサ装置Ｓは低消費電力であって、電池２６として太陽電池を用いるととともに、太陽電池の出力を電気二重層コンデンサのような大容量コンデンサで安定化することにより電源供給を行っている。さらに、太陽電池による発電量が不足する環境で用いる場合に備えて、電池も用いることが可能になっている。センサ装置Ｓの器体２０は、どのような形状でもよく、センサ装置Ｓを天井面や壁面に設置する場合には、図５に示すように薄型に形成した器体２０を用いればよい。

本発明のセンサ装置Ｓは、他の装置に組み込んで用いることもできる。たとえば、照明器具、テレビジョン受像機、ビデオレコーダ、エアコン装置などの各種負荷機器Ｌにセンサ装置Ｓを組み込むことができる。あるいはまた、負荷機器Ｌを操作するリモコン装置、火災報知器、炊飯器などにセンサ装置Ｓを組み込んでもよい。

上述したように、赤外線アレイセンサ２１を用いることにより室内の温度分布を計測するとともに、計測した温度分布に基づく人の行動の判定結果を電力メータＭに通知する機能を有するセンサ装置Ｓを用いているから、センサ装置Ｓを１台設けるだけで室内に配置した多くの負荷機器Ｌを人の行動に応じて制御することが可能になる。また、電力メータＭにおいて複数の負荷機器Ｌを連携させて制御することも可能になる。このことは、需要家での電力の利用効率を高めることにつながり、省エネルギの効果が期待できる。

さらに、電力メータＭは、センサ装置Ｓにより計測した人の行動に関する情報を通信機能により得るとともに、通信機能を用いて負荷機器Ｌの制御を行うから、構内ネットワークを構築していることになり、電力の供給がなされていれば、住宅内ネットワークとしての機能によってセンサ装置Ｓが計測した使用環境の情報に基づいて負荷機器Ｌを制御することが可能になる。

一方、電力メータＭには、電力の供給側との通信機能もあり、上述したように、電力メータＭは、インターネットのような広域網を用いることもできる。すなわち、電力メータＭは、住宅内ネットワークと広域網のような外部ネットワークとのゲートウェイとしても機能する。

２０ 器体
２１ 赤外線アレイセンサ
２１ａ センサ素子
２１ｂ 受光光学系
２１ｃ 熱型赤外線素子
２２ センサ回路
２３ 無線通信モジュール
２４ アンテナ
２５ インターフェイス
２６ 電池
Ｌ 負荷機器
Ｌｐ 配電路
Ｍ 電力メータ
Ｓ センサ装置

Claims (2)

1. 室内の温度分布を監視するとともに室内に配置した負荷機器への配電路に挿入された電力メータと通信することにより室内の温度分布から得られた情報を電力メータに通知するセンサ装置であって、室内の温度分布を監視する赤外線アレイセンサと、赤外線アレイセンサにより取得した室内の温度分布から得られた情報を通信により電力メータに通知する通信手段とを器体に備え、電力メータは前記情報に応じて負荷機器を制御する機能を有していることを特徴とする電力メータ連携型センサ装置。
2. 前記赤外線アレイセンサは、熱型赤外線素子をマトリクス状に配列したセンサ素子と、センサ素子の受光面の前方に配置した受光光学系とにより構成されることを特徴とする請求項１記載の電力メータ連携型センサ装置。

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