JP2016125881A - 空間監視装置および空間監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で精度よく居室等の空間内の状況変化を検出する。【解決手段】空間監視装置１は、高周波の無線周波信号を監視対象である空間に送信波として送出するとともにその反射波を受信し、前記送信波および前記反射波をデジタルデータ化して送信波データおよび反射波データとし、前記送信波データと前記反射波データとを比較して両者間のデジタルデータ上の差異を検出する送受信部１０と、送受信部１０の動作を制御する制御部２０とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、空間監視装置および空間監視方法に関する。

独居老人、乳幼児、ペット等の見守りなどを目的として、居室内等の空間の状況を監視するニーズが存在する。そのニーズに対応する手法としては、ビデオカメラを常時動作させる、通過型光学センサ、赤外線センサ、超音波センサ等を設置して空間内での動作を検出するといったものが提案され、また用いられている。

しかしながら、ビデオカメラによる監視は、見守り対象のプライバシーの観点からは好ましくない場合がある。また通過型センサは、センサの軸線上でないと行動を検出できないため、多数のセンサを配置する必要があるという問題がある。また、赤外線の放射を利用したセンサ（焦電センサ）の場合、振動や電磁波などの外乱で誤動作することがあり、また犬や猫など、人の体温と似た温度のペットがいる場合人の行動と判別することができない。さらに、超音波を利用した動きセンサの場合は、センサの指向性が強く、検知領域を少し外れた場合でも検出できなくなることがあり設置場所に注意が必要であり、また対象空間内をカバーするためには多数のセンサが必要であるという問題があった。

これに対し、例えば特許文献１の技術が提案されている。特許文献１は無線技術を用いて監視空間への物体の侵入等を監視する装置であって、監視すべき室内の一定位置にＯＭＤＦ方式の送受信を行うＵＷＢ送信機とＵＷＢ受信機を設置し、基準の受信強度に対する変動に基づいて出入口のドアの開放、ガラス窓の破損といった異常を検出する構成を有する。

特開２００９−８０７６７号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、構成上送信機と受信機とをペアで用意する必要があり設置費用が高くなる、送信側のレベルや位相が変化すると誤動作しがちであるため受信機の感度を十分上げることができないといった問題が考えられるため、空間監視のための装置としては十分とは言えなかった。

本発明は上記の課題等を解決するためになされたものであり、その一つの目的は、簡易な構成で精度よく居室等の空間内の状況変化を検出することができる空間監視装置および空間監視方法を提供することである。

上記の課題および他の課題を解決するために、本願発明の一態様によれば、空間の状況を監視するための空間監視装置であって、高周波の無線周波信号を監視対象である空間に送信波として送出するとともにその反射波を受信し、前記送信波および前記反射波をデジタルデータ化して送信波データおよび反射波データとし、前記送信波データと前記反射波データとを比較して両者間のデジタルデータ上の差異を検出する送受信部を有する空間監視装置が提供される。

本発明の一態様によれば、簡易な構成で精度よく居室等の空間内の状況変化を検出することができる。

本発明の一態様による空間監視方法の説明図である。 本発明の一態様による空間監視方法の説明図である。 本発明の一態様による空間監視方法の説明図である。 本発明の一態様による空間監視方法の説明図である。 本発明の一態様による空間監視装置１の構成例を示す図である。 空間監視装置１の送受信部１０の構成例を示す図である。 空間監視装置１による空間監視処理フローの一例を示す図である。 空間監視装置１の応用例を示す説明図である。

以下、本発明について、その実施形態に即して添付図面を用いて説明する。まず、本発明の実施形態による空間監視方法について、図１Ａ〜図１Ｄを参照して説明する。図１Ａ〜図１Ｄは、本実施形態の空間監視方法の原理について模式的に説明する図である。図１Ａに示すように、壁などで仕切られた略直方体状の空間Ｒ（一般的な居室を想定したもので、形状には特に意味はない。）に本実施形態による空間監視装置１が設置されているとする。装置１の位置も例示であり特に意味はない。後述するように、空間監視装置１は任意の方式で変調された無線周波信号を送信波として空間Ｒ内に向けて送出する機能を有している。このとき送信波の振幅ｍと位相φがそれぞれｍ０、φ０であったとする。送信波は、空間Ｒ内の壁面等で反射して反射波として空間監視装置１で受信される。送信波の振幅、位相は、周知のように反射することにより変化する。反射波の振幅、位相をそれぞれｍ’０、φ’０とする。図１Ａの空間Ｒ内には人、物などがなにもない状態を想定しているので、空間監視装置１によって測定される反射波の振幅と位相が空間Ｒの電波特性を表しているということができる。

次に、図１Ｂを参照すると、空間Ｒ内に人Ｐがひとりいる状況を示している。このとき図１Ａの場合と同様に振幅ｍ０、位相φ０の送信波を空間Ｒ内に送出したとする。この場合、反射波の振幅、および位相は、人Ｐによって反射され、また誘電体としての人Ｐを透過することによって図１Ａの場合とは異なる振幅ｍ''０、位相φ''０を有する反射波として空間監視装置１によって観測される。このような振幅、位相の変化に基づいて、空間Ｒ内に人Ｐが存在することを検出することができる。

次に、図１Ｃを参照すると、図１Ｂの場合と同様に空間Ｒ内にひとりの人Ｐが存在するが、空間Ｒ内での位置が異なっている状況を示している。このとき振幅ｍ０、位相φ０の送信波に対して空間監視装置１が観測する反射波の振幅と位相は、例えばｍ'''０、φ'''０と図１Ｂの場合とは異なる。これは、空間Ｒ内に人Ｐが存在することは同じであってもその位置が異なっていることにより送信波の反射の様相が変化しているためである。このことは、人Ｐという誘電体の空間Ｒ内での位置という情報も反射波の振幅、位相に反映されることを意味している。すなわち、空間監視装置１によって、人Ｐの空間Ｒ内での位置も検出することが可能であり、例えば人Ｐが空間Ｒの端にある電話機付近にいる、といった情報を得ることができることになる。

次に、図１Ｄを参照すると、空間Ｒ内に犬Ｄが一匹いる状況を示している。この状況は、生体が空間Ｒ内に存在しているという点で図１Ｂの状況と変わらないが、誘電体としての人Ｐではなく犬Ｄがいるということで、図１Ｂの場合とは空間Ｒ内での送信波の反射の様相が変化している。これは、人Ｐに対する犬Ｄの大きさの違い、誘電体としての性質の違いが反映されているためである。すなわち、空間監視装置１により空間Ｒ内に存在する生体の種類も検出することができることとなる。

以上のように、本実施形態の空間監視方法によると、空間内に存在する生体の位置、種別を簡易に検出することができる。また連続的に送信波を送出して反射波を観測することにより、空間における物体の移動も検出することができる。以下、このような空間監視方法を可能とする空間監視装置１の構成、機能等について具体的に説明する。

まず、本実施形態の空間監視装置１の全体構成について説明する。図１に空間監視装置１の構成例を示している。図１に示すように、本実施形態の空間監視装置１は、送受信部１０、制御部２０、通信インタフェース部（通信Ｉ／Ｆ部）３０、電源部４０、アンテナ５０を備えている。

送受信部１０は所定の仕様の送信波を生成するとともに、その送信波に対応する反射波を受信してデジタルデータに変換する処理を実行する。送受信部１０については後述する。

制御部２０は送受信部１０および空間監視装置１の他の機能部の動作を制御するもので、演算部２１と記憶部２２とを備える。演算部２１は、ＣＰＵ等のデータ処理デバイスを有している。記憶部２２はＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶デバイスを有する。記憶部２２はまたＨＤＤ、ＳＳＤ等の記憶デバイスを備えることができる。記憶部２２には空間監視装置１の機能を実現するためのプログラム、制御用データ等が格納されている。演算部２１は、記憶部２２から読みだしたプログラムを実行することにより空間監視装置１を制御する。

通信Ｉ／Ｆ部３０は、送受信部１０によって取得された反射波波形データの制御部による解析結果を外部装置に転送するために通信ネットワークへ送出するインタフェースであり、ネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）等のハードウェアで構成される。電源部４０は空間監視装置１内の各部に電源を供給するためのユニットであり図外の商用電源等から供給される電力を変換する適宜の電力デバイスによって構成されている。アンテナ５０は送受信部１０によって生成される送信波を空間に送出するとともにその反射波を受信する機能を有する。本実施形態の空間監視装置１においてはミリ波帯（周波数にして３０〜３００Ｇｈｚ）の無線周波信号が好適に用いられるので、アンテナ５０としてはそのような無線周波信号の送受信に適した形式のアンテナを適宜選択して用いることができる。

次に、本実施形態における空間監視装置１の送受信部１０について説明する。図３に送受信部１０の構成例を示している。前記したように、送受信部１０は、空間監視用の送信波を生成して送出し、その反射波を受信して送信波との特性の差異を検出する機能を有する。

送受信部１０は、後述するように制御部２０からの命令に基づいて無線周波信号の送受信を行う。送受信部１０が制御部２０からの送受信処理開始命令を受け取ると、第１発振器１１０が所定の周波数と波形を有する送信用の無線周波信号を生成するとともに、所定の方式による変調処理を行う。生成された無線周波信号はアンプ１２０によって増幅されてブリッジ回路１３０へ入力される。

ブリッジ回路１３０はアンプ１２０からの送信波とアンテナ５０からの反射波を分離する機能を有し、例えば方向性結合器、抵抗ブリッジ回路等として構成されている。ブリッジ回路１３０により、送信波はアンプ１４１Ａへ、反射波はアンプ１４１Ｂへ送出される。ブリッジ回路１３０の動作は制御部２０によって制御される。無線周波信号送信のタイミングで、ブリッジ回路１３０はアンプ１２０からアンプ１４１Ａへの回路を構成し、反射波受信のタイミングで、アンテナ端子１９０からアンプ１４１Ｂへの回路を構成する。

アンプ１４１Ａで増幅された送信波は、周波数変換器１４２Ａに入力される。周波数変換器１４２Ａは送信波の周波数を所定の一定周波数のインタフェース信号に変換する機能を有し、種々の形式の混合器として構成することができる。図３の例では、周波数変換器１４２Ａは、アンプ１４１Ａからの送信波信号と第２発振器１５０からアンプ１６０を介して入力される変換用信号との和、差、又は積の周波数を有するインタフェース信号をアンプ１４３Ａに出力する。周波数変換器１４２Ａによって、アナログデジタル（ＡＤ）変換器１４４Ａで扱うインタフェース信号の周波数を常に一定に保持することができる。本実施形態では、無線周波信号の周波数を変化させてもインタフェース信号（ＡＤ変換器１４４Ａへの入力信号）の周波数を一定にできるため、周波数変換後のインタフェース周波数で、システム自体のゲインを大きくして感度を上げても、無線周波信号周波数を変えた場合の回路の特性変化をほとんど無視できるほど低減することができる。

アンプ１４３Ａの出力はＡＤ変換器１４４Ａにおいてデジタル信号に変換され、デジタル信号処理回路１７０へ出力される。ＡＤ変換器１４４Ａは、コストダウンのために高周波デテクタなどの回路と置き換えて構成することができる。アンテナ端子１９０からの反射波はブリッジ回路１３０からアンプ１４１Ｂに入力され、送信波の場合と同様の処理が行われた後デジタル信号としてデジタル信号処理回路１７０へ入力される。

デジタル信号処理回路１７０（信号解析回路）は、送信波に対応するベクトルデータとしてのデジタル信号の振幅と位相を、反射波に対応するベクトルデータとしてのデジタル信号の振幅と位相と連続的に、あるいは周期的に比較して、反射波の振幅、位相における微小な変化を検出する機能を有する。検出される反射波の変化が、無線周波信号が送出された空間の状況の変化を反映する。デジタル信号処理回路１７０は、例えばＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＣＰＵ等によって構成することができる。温度センサ１８０は送受信部１０内の適所の温度を検出して温度データとして制御部２０へ送信する。制御部２０で受信された温度データは、送受信部１０内回路動作の温度補償等に使用される。

以上説明した送受信部１０での送信波・反射波処理によれば、第１発振器１１０が生成する無線周波信号を常に基準の信号として反射波を観測するため、第１発振器１１０やその後の回路要素の温度や経時変化によるレベルドリフト等を無視できるほど低減することができる。そのため空間の状況をより精度よく検出することができる。

図４に空間監視装置１の制御部２０が実行する空間監視処理の処理フロー例を示している。空間監視処理は、制御部２０の演算部２１が記憶部２２から読み出す対応プログラムを実行することにより行われる。制御部２０はＳ５００で処理を開始すると、送受信部１０から対象空間に向けて高周波の無線周波信号（送信波）を送出する。無線周波信号の周波数は例えば３０〜３００ＧＨｚ（ミリ波帯）である。次いで制御部２０は送受信部１０に空間からの反射波を受信させ（Ｓ５２０）、図３のアンプ１４１Ｂ〜アンプ１４３Ｂのインタフェース回路で所定周波数のインタフェース信号に変換させた後（Ｓ５３０）、ＡＤ変換器１４４Ｂでデジタル信号に変換させる（Ｓ５４０）。その後制御部２０はデジタル信号処理回路１７０によって反射波データの解析処理を実行させて処理を終了する（Ｓ５５０，Ｓ５６０）。

空間監視装置１から発せられた高周波の無線周波信号は、空間の壁、空間内の人、物などにより反射されて空間の状況を反映する反射波として戻ってきて送受信部１０により検出される。そこで、送受信動作中に、人体などの誘電体物質が対象空間に入って、空間内の電波の伝播パターンが変化すると、反射信号の振幅や位相に変化が現れる。また、空間にあるドアの開閉、冷蔵庫などの機器のドアの開閉などでも同様に振幅や位相が変化する。これらの変化を捉えることにより、空間内での人の移動等の状況変化を推察することができる。

また、例えば監視対象空間内を任意のメッシュに区画して各メッシュに人がいる場合の反射波の特性をデータベース化しておくことにより、反射波の変化によって空間内での人のおおよその位置を検出することができる。空間内のドアの開放時、閉止時等についても反射波のパターンを蓄積しておけば、具体的な空間内の状況を概略推定することも可能である。

なお、本実施形態の空間監視装置１は、第１発振器１１０の信号をオフにすることで、携帯電話、コードレス電話、あるいは、Ｗｉ−Ｆｉ信号などの無線周波信号そのものも受信することができるため、これらの信号の有無も検出でき、利用者が電話を使うなどの行動をとった場合、その利用者が移動中だということを認識できる。これらの空間内の状況の変化を一定時間毎に観測することで利用者が活動しているかどうかを確認することができる。また、独居者であるにもかかわらず頻繁に電話が着信している、またそれに伴って空間内での利用者の移動が頻繁に検出されるといったことが観測された場合には、不審な電話に対応しているのではないかという推定のもと、利用者に関して登録された親族等に警報を通知するといった動作をさせることも可能である。

また、前記のように、従来の焦電型センサでは、犬や猫など人と同じ程度の体温を持ったペットが動き回ることで誤動作することが問題であった。本実施形態の空間監視装置１では、空間監視用の無線周波信号の周波数を適当に選ぶことや、信号をデジタル処理することで、人間と同じような体温を持ったペットと人間との区別を行うことができる。人間からの電波の反射と、ペットからの電波の反射では人間の方が大きい等の違いがあるためである。

なお、本実施形態では監視対象空間に対して空間監視装置１を１台設置しているが、空間お広さや形状によって、複数台の空間監視装置１を設けてもよい。この場合には、各装置１の変調信号に適当なＩＤを挿入しておくことで、各空間監視装置１が相互に無線周波信号を識別することができる。

実施例
次に、上記実施形態で説明した空間監視装置１の具体的な応用例を実施例として説明する。この実施例は、空間監視装置１を公共の場所に設置されるトイレに適用した例である。図５に、本実施例のトイレ６００の概略構成例を模式的に示している。

このトイレ６００には、複数の大便器６１０、複数の小便器６２０、手洗い用水栓６３０、乾燥機６４０が設けられている。トイレ６００内の適宜の箇所には空間監視装置１が設置され、トイレ６００内の状況を監視している。任意の場所にはこのトイレ６００を管理するためのコンピュータ６５０が設置される。

空間監視装置１は、トイレ６００内における人の存在、位置、ドア６１５の開閉状態を検出する。これにより、トイレ６００の利用状況、混雑状況の表示を行うことができる。また一歩進んでトイレ６００内のどの便器が使用中であるかを反射波のパターン分析により推定することが可能である。空間監視装置１からのデータは適宜の通信回線６６０を通じてコンピュータ６５０に転送される。コンピュータ６５０は、この情報を利用して、トイレ６００の利用状況、混雑状況をリアルタイムに近い状態で提供することができる。

本実施例の構成は、トイレだけでなく類似のシステム、例えばレストラン、スーパーマーケット、遊園地などの施設での混雑や利用状況などの把握にも有効である。

以上説明した本発明の実施形態によれば、居室等の空間内における人等の物体の有無、配置、移動状況、あるいはドア、窓の開閉など、空間内の状態の変化を簡易な構成で検出することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば，上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の構成を加えることも可能である。

１ 空間監視装置
１０ 送受信部
２０ 制御部
２１ 演算部
２２ 記憶部
３０ 通信インタフェース部
４０ 電源部
５０ アンテナ
１１０ 第１発振器
１２０，１４１Ａ，１４１Ｂ，１４３Ａ，１４３Ｂ，１６０ アンプ
１３０ ブリッジ回路
１４４Ａ，１４４Ｂ ＡＤ変換器
１５０ 第２発振器
１８０ 温度センサ
１９０ アンテナ端子
６５０ コンピュータ

Claims (5)

1. 空間の状況を監視するための空間監視装置であって、
   高周波の無線周波信号を監視対象である空間に送信波として送出するとともにその反射波を受信し、
   前記送信波および前記反射波をデジタルデータ化して送信波データおよび反射波データとし、
   前記送信波データと前記反射波データとを比較して両者間のデジタルデータ上の差異を検出する送受信部を有する、
   空間監視装置。
2. 請求項１に記載の空間監視装置であって、
   前記送受信部は、
   所定の方式で変調された無線周波信号を発生させる発振器と、
   該無線周波信号の送信波と、該送信波に対する空間からの反射波とを分離するブリッジ回路と、
   前記送信波および前記反射波の信号をデジタル変換するアナログデジタル変換器と、
   前記アナログデジタル変換器からのデジタルデータにより前記送信波と前記反射波の振幅および位相をそれぞれ検出し、前記送信波と前記反射波との間の振幅および位相の差異を検出する信号解析回路と、
   を備えている空間監視装置。
3. 請求項１又は２に記載の空間監視装置であって、
   前記無線周波信号の周波数が３０〜３００ＧＨｚの範囲である、
   空間監視装置。
4. 請求項１に記載の空間監視装置であって、
   監視対象である空間の異なる状況に対応するデジタルデータを複数の状況代表データとして記憶しており、前記送受信部が検出した前記送信波データと受信波データとの差異を前記状況代表データと比較して、監視対象である空間の状況を推定する、
   空間監視装置。
5. 空間の状況を監視するための空間監視方法であって、
   高周波の無線周波信号を監視対象である空間に送信波として送出するとともにその反射波を受信するステップと、
   前記送信波および前記反射波をデジタルデータ化して送信波データおよび反射波データとするステップと、
   前記送信波データと前記反射波データとを比較して両者間のデジタルデータ上の差異を検出するステップと、
   を有する空間監視方法。