JP2016145750A - 水道用の使用検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】水道管からの音の周波数特性に着目することによって、水道の使用状況を判別する際の確実性を向上させることができる水道用の使用検出センサを提供。【解決手段】水道管からの音を検出するマイクロホン１１と、マイクロホン１１の出力信号Ｓ1の周波数特性をディジタルデータＤとして出力する周波数分析部２０と、マイクロコンピュータ１３とを備えてなり、前記マイクロコンピュータ１３は、周波数分析部２０からのディジタルデータＤに基づいて水道の使用を判別し、無線信号により外部に発信することを特徴とする水道用の使用検出センサ。【選択図】図１

Description

この発明は、たとえば高齢者の生活状況を監視し、適切に保護するためなどの用途に好適に使用可能な水道用の使用検出センサに関する。

共同住宅の居室や住宅などの水道の使用状況を継続的に監視することにより、そこに入居して生活している高齢者等の健康状態や安否状況などをチェックして保護することができ、そのような用途に使用する水道用の使用検出センサが提案されている（たとえば特許文献１）。

従来の水道用の使用検出センサは、水道管の表面に密着させる振動検出素子を介して水道管の振動を検出し、振動検出素子の出力信号の出力レベルと、その継続時間情報とに基づき、水道の使用状況を判別する。なお、振動検出素子は、たとえば圧電センサが使用可能である。かかる水道用の使用検出センサは、水道管を切断したりすることなく、簡単に設置し、撤去することができるため、一般の共同住宅などにも簡便に導入することができるという利点がある。

特開平１０−４８０１０号公報

かかる従来技術によるときは、水道管に取り付ける振動検出素子の出力信号の出力レベル、継続時間に基づいて水道の使用を判別するため、水道管の材質や設置状況などにより出力信号の出力レベルが極端に変動すると、正しい判別動作ができなくなることが少なくないという問題があった。

そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、水道管からの音の周波数特性に着目することによって、水道の使用状況を判別する際の確実性を向上させることができる水道用の使用検出センサを提供することにある。

かかる目的を達成するためのこの発明の構成は、水道管からの音を検出するマイクロホンと、マイクロホンの出力信号の周波数特性をディジタルデータとして出力する周波数分析部と、マイクロコンピュータとを備えてなり、マイクロコンピュータは、周波数分析部からのディジタルデータに基づいて水道の使用を判別し、無線信号により外部に発信することをその要旨とする。

なお、周波数分析部は、マイクロホンの出力信号を周波数帯域ごとの成分に分離する複数のバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタのそれぞれに接続するＡＤ変換器とを備えることができ、または、アンチエイリアシング用のローパスフィルタ、ＡＤ変換器、時間窓処理用のタイムバッファ、ＦＦＴ演算部を縦続することができる。

また、環境音を検出する副マイクロホンを設け、マイクロホンの出力信号から副マイクロホンの出力信号を減算して周波数分析部に入力してもよく、または、副マイクロホンの出力信号は、周波数分析部と同等の周波数分析部からのディジタルデータとしてマイクロコンピュータに入力してもよい。

さらに、マイクロホンは、緩衝材を介して水道管に密着させる保護ケースに収納し、保護ケースは、水道管に固定するケーシングの底部に緩衝材を介して保持してもよい。

かかる発明の構成によるときは、周波数分析部は、水道管からの音を検出するマイクロホンの出力信号の周波数特性をディジタルデータとして出力し、マイクロコンピュータは、周波数分析部からのディジタルデータに基づいて水道の使用を判別する。なお、マイクロコンピュータは、現に水道が使用されて当該水道管に水が流れ、マイクロホンにより流水音が検出されたときのディジタルデータのデータパターンをあらかじめ登録しておき、周波数分析部からのディジタルデータのデータパターンを登録済みのデータパターンと対比し、両者が合致することにより水道の使用を確実に判別することができる。ただし、マイクロコンピュータに登録するデータパターンは、当該水道管から給水されている水道を実際に使用したときのデータパターンを登録対象として学習させればよく、そのときの水道の使用態様として、たとえば水栓の全開状態、通常の使用時の半開状態、不完全な閉鎖による漏水状態などに対応する複数のデータパターンを登録することが好ましい。

周波数分析部は、複数のバンドパスフィルタと、各バンドパスフィルタに接続するＡＤ変換器とを含む実時間分析器として構成してもよく、アンチエイリアシング用のローパスフィルタ、ＡＤ変換器、時間窓処理用のタイムバッファ、ＦＦＴ演算部を縦続するＦＦＴ分析器として構成してもよい。前者によれば、各バンドパスフィルタは、たとえばＪＩＳ Ｃ １５１４相当の定比形のアナログフィルタセットが使用でき、全体コストを低く抑えることができる。ただし、前者の実時間分析器は、ＡＤ変換器と、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）による定比形のディジタルフィルタセットとの組合せによっても実現可能である。

環境音を検出する副マイクロホンを設けるときは、副マイクロホンの出力信号を利用することにより、マイクロホンに混入する環境音の影響を消去して水道の使用を一度適確に判別することができる。なお、副マイクロホンの出力信号は、マイクロホンの出力信号を周波数分析部に入力させるに先き立ってマイクロホンの出力信号から減算させてもよく、マイクロホンの出力信号を処理する周波数分析部と実質的に同等の周波数分析部を介してディジタルデータとしてマイクロコンピュータに入力させ、マイクロコンピュータ内において、マイクロホンの出力信号に基づくディジタルデータのデータパターンを補正した上で登録済みのデータパターンと対比させてもよい。

マイクロホンは、緩衝材を介して水道管、ケーシングの双方から機械的に分離する保護ケースに収納することにより、有害な衝撃的な外来ノイズなどによる誤動作を効果的に排除することができる。

全体構成ブロック系統図 使用状態斜視図 分解斜視図 要部断面説明図 プログラムフローチャート 他の実施の形態を示す要部ブロック説明図（１） 他の実施の形態を示す要部ブロック説明図（２）

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

水道用の使用検出センサは、マイクロホン１１、周波数分析部２０、マイクロコンピュータ１３を備えてなる（図１）。

マイクロホン１１の出力信号Ｓ1 は、増幅器１２を介して周波数分析部２０に入力されている。周波数分析部２０は、複数のバンドパスフィルタ２１、２１…と、各バンドパスフィルタ２１の出力側に個別に接続するＡＤ変換器２２、２２…とを備えて構成されており、周波数分析部２０の出力は、マイクロコンピュータ１３に接続されている。なお、増幅器１２の出力は、ウェークアップ信号Ｓw として、マイクロコンピュータ１３に分岐入力されている。また、マイクロコンピュータ１３の出力側には、送信部１４を介してアンテナＡが接続されている。

マイクロコンピュータ１３は、バッテリＢＴによって給電されている。マイクロコンピュータ１３には、バッテリＢＴの端子電圧Ｖをチェックするチェック回路３０が付設されており、端子電圧Ｖは、チェック回路３０内において、抵抗Ｒ1 、トランジスタＴＲを介して接地されるとともに、抵抗Ｒ2 、Ｒ3 により分圧された上、ＡＤ変換器３１を介してマイクロコンピュータ１３に入力されている。また、マイクロコンピュータ１３からのチェックパルスＳp は、トランジスタＴＲのベースに導かれている。そこで、マイクロコンピュータ１３は、チェックパルスＳp を出力してトランジスタＴＲを導通させ、バッテリＢＴに抵抗Ｒ1 による負荷を加えたときの端子電圧ＶをＡＤ変換器３１を通して読み取り、バッテリＢＴの再充電の要否を判断して外部に表示することができる。

マイクロホン１１は、水道管Ｐに取り付けて固定する箱状のケーシング４１に収納され（図２、図３）、水道管Ｐからの音を検出することができる。なお、ケーシング４１には、ねじ止め式の蓋４１ａが付属している。また、ケーシング４１は、一対のクランプ金具４１ｂ、４１ｂを介して水道管Ｐに着脱自在に固定されており、クランプ金具４１ｂ、４１ｂは、それぞれ水道管Ｐを挟み込む２つ割りに形成され、ケーシング４１の底面両端部にねじ止めされている。

マイクロホン１１は、有底円筒状の保護ケース４２に収納されている（図３、図４）。保護ケース４２は、円板状の緩衝材４２ａを介して水道管Ｐの表面に密着しており、リング状の緩衝材４２ｂを介し、ケーシング４１の底部の円筒状の開口部に保持されている。なお、ケーシング４１の断面下向き円弧状の底面と水道管Ｐとの間には、軟質のシリコーン樹脂の密着材４３が介装され、密着材４３の中央には、保護ケース４２より十分大径の丸孔４３ａが形成されている。ただし、図４（Ａ）は、図２のＸ矢視相当断面図であり、図４（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ水道管Ｐが小径、大径の場合の図２のＹ矢視相当断面図である。

ケーシング４１には、基板４５、ＲＦモジュール４６が併せて収納され、バッテリＢＴを構成する単位電池ＢＴa 、ＢＴa …用の電池ボックス４７が組み込まれている。なお、基板４５には、マイクロコンピュータ１３、周波数分析部２０、チェック回路３０を含む図１の一連の電子回路の大部分が搭載されており、ＲＦモジュール４６には、送信部１４、アンテナＡが搭載されている。

図１において、周波数分析部２０のバンドパスフィルタ２１、２１…には、増幅器１２を介してマイクロホン１１の出力信号Ｓ1 が入力されている。そこで、バンドパスフィルタ２１、２１…は、出力信号Ｓ1 を所定の周波数帯域ごとの成分に分離した上、それぞれ対応するＡＤ変換器２２を介し、ディジタルデータＤとしてマイクロコンピュータ１３に送出する。すなわち、周波数分析部２０は、マイクロホン１１の出力信号Ｓ1 の周波数特性をディジタルデータＤとしてマイクロコンピュータ１３に出力することができる。なお、マイクロコンピュータ１３用のウェークアップ信号Ｓw は、マイクロホン１１の出力信号Ｓ1 を利用している。

水道管Ｐに接続され、水道管Ｐによって給水する水道が使用されると、マイクロホン１１は、水道管Ｐからの流水音を検出し、出力信号Ｓ1 、ウェークアップ信号Ｓw が発生するとともに、周波数分析部２０からのディジタルデータＤは、水道管Ｐに固有のデータパターンを示す。そこで、マイクロコンピュータ１３は、周波数分析部２０からのディジタルデータＤのデータパターンをチェックすることにより、水道管Ｐによって給水する水道の使用を判別することができる。ただし、マイクロコンピュータ１３には、当該水道が使用されたときのデータパターンをあらかじめ登録しておき、周波数分析部２０からのデータパターンが登録済みのデータパターンに合致しているときにのみ、水道の使用と判別するものとする。

マイクロコンピュータ１３の動作内容は、たとえば図５のプログラムフローチャートのとおりである。

プログラムは、まずウェークアップ信号Ｓw の発生を待って待機する（図５のプログラムステップ（１）、以下、単に（１）のように記す）。ただし、このときのマイクロコンピュータ１３は、スリープ状態に待機しているものとする。

水道管Ｐによって給水する水道を使用することにより、マイクロホン１１が流水音を検出してウェークアップ信号Ｓw が発生すると（１）、プログラムは、スリープ状態のマイクロコンピュータ１３を起動させるとともに（２）、周波数分析部２０からのディジタルデータＤを取得し（３）、ディジタルデータＤのデータパターンが登録済みであるか否かをチェックする（４）。データパターンが登録済みでないときは（４）、今回のデータパターンを登録した上（５）、マイクロコンピュータ１３をスリープ状態に待機させ（６）、次のウェークアップ信号Ｓw を待つ（１）。ただし、プログラムステップ（５）で登録されるデータパターンは、水道管Ｐから給水されている水道の使用判別用のデータパターンであり、このようにして登録されるデータパターンは、水栓の全開、半開などの水道の使用態様ごとに対応する複数であってもよい。

データパターンの登録後にウェークアップ信号Ｓw が発生すると（１）、プログラムは、プログラムステップ（２）〜（４）を実行し、データパターンが登録済みであるから（４）、今回のディジタルデータＤのデータパターンを登録済みのデータパターンと対比して両者が合致していると認められるときは（７）、水道管Ｐから給水されている水道の使用であると判断し、送信部１４、アンテナＡを介し、その旨を無線信号Ｓo により外部に発信して（８）、マイクロコンピュータ１３を待機させる（６）。また、今回のディジタルデータＤのデータパターンが登録済みのデータパターンと合致しているとはいえないときは（７）、そのままマイクロコンピュータ１３を待機させる（６）。なお、プログラムステップ（７）の判断は、時間の要素を加え、一定時間以上継続してデータパターンが合致していると認められたときに初めて水道の使用であると判別してもよい。

以上のようにして水道の使用が無線信号Ｓo により外部に発信されると（８）、その情報は、たとえば図示しないネットワークを介して管理用のサーバに伝達される。そこで、サーバは、たとえば水道の使用のタイミング、継続時間、時間間隔などのパラメータに着目してデータ解析することにより、水道の使用者、すなわち水道管Ｐが設置されている住宅の入居者などの安否を効果的に監視し、必要に応じて適切な対策行動を指示することができる。

以上の説明において、登録モード、判別モードを切り替えて指定可能な手動の切替スイッチをマイクロコンピュータ１３に付設し、図５のプログラムステップ（４）の判断内容として、切替スイッチが登録モード、判別モードのいずれかにより、それぞれプログラムステップ（５）側、プログラムステップ（７）側にブランチさせることができる。切替スイッチを登録モードにして水道を使用するだけで、データパターンの登録動作を必要に応じて何度でも確実に実施することができる。なお、マイクロコンピュータ１３に複数のデータパターンを登録するときは、登録モードｉ（ｉ＝１、２…）のように、複数の登録モードｉを指定可能な切替スイッチを使用して、各登録モードｉを水道の各使用態様に対応させればよい。

他の実施の形態

周波数分析部２０は、ＡＤ変換器２３と、ＤＳＰによる定比形のディジタルフィルタセット２４とを組み合わせる実時間分析器としてもよい（図６（Ａ））。また、周波数分析部２０は、アンチエイリアシング用のローパスフィルタ２５、ＡＤ変換器２６、時間窓処理用のタイムバッファ２７、ＦＦＴ演算部２８を縦続するＦＦＴ分析器としてもよい（図６（Ｂ））。なお、図６（Ｂ）のタイムバッファ２７、ＦＦＴ演算部２８も、ＤＳＰにより構成することができる。

マイクロホン１１に加えて、副マイクロホン１５を設けることができる（図７）。副マイクロホン１５は、マイクロホン１１を収納するケーシング４１の近傍において、水道管Ｐから独立させて設置することにより、水道管Ｐが設備されている環境における外来ノイズ、すなわち環境音を検出することができる。

副マイクロホン１５の出力信号Ｓ2 は、増幅器１６を介し、周波数分析部２０の入力側に設置する加算器１７の減算端子に入力させてもよい（図７（Ａ））。周波数分析部２０には、マイクロホン１１の出力信号Ｓ1 から副マイクロホン１５の出力信号Ｓ2 を減算した信号が入力され、周波数分析部２０からのディジタルデータＤは、環境音の影響が消去されており、マイクロコンピュータ１３による判別能力を向上させることができる。ただし、加算器１７の加算端子、減算端子において、出力信号Ｓ1 、Ｓ2 は、互いに同位相であり、同一レベルに揃っているものとする。

また、副マイクロホン１５の出力信号Ｓ2 は、増幅器１６を介し、周波数分析部２０と実質的に同等性能の周波数分析部２０ａに入力させ、周波数分析部２０からのディジタルデータＤとともに、周波数分析部２０ａからのディジタルデータＤa をマイクロコンピュータ１３に入力させてもよい（図７（Ｂ））。マイクロコンピュータ１３は、周波数分析部２０、２０ａからのディジタルデータＤ、Ｄa に基づき、環境音の影響を消去したデータパターンを作成して登録済みのデータパターンと対比することにより、同様に判別能力を向上させることができる。

この発明は、共同住宅の居室や住宅などにおいて、たとえば台所、洗面所、トイレなどの水道使用場所の水道管に装着することにより、高齢者などの居住者の生活状況の監視、安否の確認、保護などのシステムを構築する用途などに対して広く好適に適用することができる。

Ｐ…水道管
Ｓo …無線信号
Ｓ1 、Ｓ2 …出力信号
Ｄ…ディジタルデータ
１１…マイクロホン
１３…マイクロコンピュータ
１５…副マイクロホン
２０、２０ａ…周波数分析部
２１…バンドパスフィルタ
２２…ＡＤ変換器
２５…ローパスフィルタ
２６…ＡＤ変換器
２７…タイムバッファ
２８…ＦＦＴ演算部
４１…ケーシング
４２…保護ケース
４２ａ、４２ｂ…緩衝材

特許出願人 株式会社 リニア・サーキット

Claims (6)

1. 水道管からの音を検出するマイクロホンと、該マイクロホンの出力信号の周波数特性をディジタルデータとして出力する周波数分析部と、マイクロコンピュータとを備えてなり、前記マイクロコンピュータは、前記周波数分析部からのディジタルデータに基づいて水道の使用を判別し、無線信号により外部に発信することを特徴とする水道用の使用検出センサ。
2. 前記周波数分析部は、前記マイクロホンの出力信号を周波数帯域ごとの成分に分離する複数のバンドパスフィルタと、該バンドパスフィルタのそれぞれに接続するＡＤ変換器とを備えることを特徴とする請求項１記載の水道用の使用検出センサ。
3. 前記周波数分析部は、アンチエイリアシング用のローパスフィルタ、ＡＤ変換器、時間窓処理用のタイムバッファ、ＦＦＴ演算部を縦続することを特徴とする請求項１記載の水道用の使用検出センサ。
4. 環境音を検出する副マイクロホンを設け、前記マイクロホンの出力信号から前記副マイクロホンの出力信号を減算して前記周波数分析部に入力することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の水道用の使用検出センサ。
5. 環境音を検出する副マイクロホンを設け、該副マイクロホンの出力信号は、前記周波数分析部と同等の周波数分析部からのディジタルデータとして前記マイクロコンピュータに入力することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の水道用の使用検出センサ。
6. 前記マイクロホンは、緩衝材を介して水道管に密着させる保護ケースに収納し、該保護ケースは、水道管に固定するケーシングの底部に緩衝材を介して保持することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか記載の水道用の使用検出センサ。

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