JP6241725B2

JP6241725B2 - 見守り装置および見守りシステム

Info

Publication number: JP6241725B2
Application number: JP2013220718A
Authority: JP
Inventors: 加納　史朗; 史朗加納
Original assignee: SOHGO SECURITY SERVICES CO.,LTD.
Current assignee: SOHGO SECURITY SERVICES CO.,LTD.
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2033-10-24
Also published as: JP2015082265A

Description

この発明は、宅内の対象者の移動状況を赤外線アレイセンサにて検知し、異常を検知して警報を出力する見守り装置および見守りシステムに関するものである。

従来から、居宅内の高齢者が病気による発作などにより異状状態となり、助けを呼ぶのも困難である場合に対応できるよう、予め所定のコールセンターの電話番号が登録され、簡単な操作で外部との連絡が取れる緊急通報システム及びその機器が提案されている。例えば、利用者が携帯可能な腕時計やペンダントなどに無線送信機能を搭載し、ボタンを押すと無線信号が公衆電話回線に接続されている緊急通報装置に伝達され、緊急通報装置はその無線信号をトリガーとして予め記憶されているコールセンターに自動的に接続するものである。このような緊急通報装置は、既に全国にて普及しており、多くの高齢者宅に設置されている。

近年では、超音波などのセンサを居宅内に設置し、または利用者に直接装着することで、利用者の異状を早期に検知して通報するシステムが提案されている。特によく用いられているのが安価に構築できる焦電素子を用いたセンサであり、人体の体温と周囲温度の相対的な温度変化から人が動いているか否かを検出する方法である（たとえば、特許文献１参照）。

また、複数の焦電センサを家屋の各部屋に取り付け、居住者がどこにいるかを検知して生活パターンを判断して、センサの値が受信できないなどにより生活パターンが崩れた場合に外部に警報を出力するようにしていた（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００６−８５３９０特開２００２−３５２３５２

しかしながら、焦電センサは人間の体温と周囲温度の相対的な温度の時系列の変化からセンサ出力を生成していることから、利用者が静止している場合にはセンサ出力がなくなり、検知することができない。つまり、利用者が動かない状態なのか、利用者が検知範囲に存在しない状態なのかを判別することができなかった。

また、焦電センサは温度の変化をオンオフのデジタルの２値で出力することで人間が動いていると判断しているが、どのように動いているのか、どの方向に動いているのか、などの詳しい動きを判断することは困難であった。よって、玄関の天井などに設置した場合には、玄関の外に出たのか、宅内に戻ったのか、などの判断はできなかった。

そのため、居間等の利用者が生活する空間と玄関口の２箇所に焦電センサを設置して、玄関口のセンサが反応して、かつ居間のセンサが反応しなくなった場合、玄関口のセンサの反応がなくなった時点で外出したという判断アルゴリズムを採用せざるをえない。しかしながら、複数のセンサが必要となりコストがかかるばかりではなく、玄関口で利用者が倒れて動けなくなった場合、上述の判断アルゴリズムでは外出したと判断してしまい、利用者の救出ができずに放置してしまうという、問題があった。

そこで、赤外線アレイセンサを用いた見守り装置について、出願人は検討している。この見守り装置は、従来焦電センサが持っていた問題を解決するものである。しかしながら、赤外線アレイセンサは消費電力が大きいため、電池による電源駆動では電池寿命が短く、ＡＣ電源での駆動を余儀なくされていた。そのため、省配線化が困難であるという課題があった。

この発明は、これらの課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、人体の動きそのものを検知することで、利用者が倒れて動けなくなったのか、検知エリアから不在になったのかを判断できることにより、確実に高齢者の安否を確認することができる見守り装置を提供する。

このような目的を達成するために、本発明の請求項１に係る見守り装置は、複数のサーモパイル素子をマトリクス状に多画素化した赤外線センサアレイと、前記赤外線センサアレイより広角な検出範囲をもつ焦電センサと、前記赤外線センサアレイと前記焦電センサからの信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部に接続され移動する発熱体を解析する解析部と前記解析部の出力結果からコマンドを生成して伝達する通信部と、電力を供給する電池からなる見守り装置であって、前記信号処理部は、前記焦電センサが発熱体を検知している一定時間、前記赤外線センサアレイに前記電池から電源を供給する電源制御手段と、前記解析部は人体の頭部から発する熱量を前記赤外線センサアレイが検知して頭部信号を抽出する手段と、前記信号処理部の電源制御手段が前記赤外線センサアレイに電源を供給している間、前記頭部信号の座標位置を解析する手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る見守り装置は、焦電センサの検出範囲を水平方向に１００度以上に設定し、前記赤外線センサアレイの検出範囲を水平方向に９０度以下に設定することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る見守りシステムは、本発明の請求項１に係る見守り装置において、前記見守り装置は、焦電センサが発熱体を検知しなくなり、信号処理部が、赤外線センサアレイが検知した頭部信号を抽出している場合には、通信部から所定のコマンドを外部に発信する手段をさらに備え、受信した通報装置があらかじめ指定されている通報先に通信網を介し通報する通報手段を備えることを特徴とする。

この発明によれば、赤外線センサアレイの信号から人の動きを検知し、異状を判断するようにしたため、外出などによる誤検知をできるだけ少なくすることができるようになるのに併せて、省電力化による電池駆動が可能となり、省配線および設置の自由度を広げることが可能となる。

本発明の見守り装置の構成図である赤外線センサアレイの構成例を示す図である見守り装置の信号処理部の構成例を示す図である焦電センサと赤外線センサアレイの検知範囲の一例を示す図である電源制御部の構成例を示す図である電源制御部の信号を時系列に示す図である見守り装置の解析部の構成例を示す図であるセンサチップの分布状況の一例である頭部信号の移動状況を示す一例である本発明の見守りシステムの構成図である見守り装置からの信号により通報するまでの処理フローを示すものである

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、異なる実施の形態において、同一または同様の作用効果を奏する箇所については、同一の符号を付してその説明を省略する。

〔実施の形態１〕
図１は、実施の形態の見守り装置の構成を示すものである。見守り装置１は、焦電センサ１０、赤外線センサアレイ１１、信号処理部１２、解析部１３、通信部１４から構成され、焦電センサ１０および赤外線センサアレイ１１は信号処理部１２に接続され、信号処理部１２は解析部１３に接続される。通信部１４は解析部１３に接続され、通信部１４からは有線、または無線により外部機器と通信を行なう構成となっている。なお、見守り装置１は屋内に設置するため、電池１５を電源として駆動する。

図２は、赤外線センサアレイ１１の構成例を示したものである。赤外線センサアレイ１１は複数のサーモパイル素子によるセンサチップ１１１が平面状に敷き詰められた状態で配置される。センサチップ１１１の数が多いほど高精度な計測が可能となるが、消費電力が大きくなり、かつコストが高くなることから、１６×１６画素程度が適当である。なお、所定の方向の検知に用いるだけであれば、センサチップ１１１を一次元状に敷き詰めても良い。センサチップ１１１は、熱電堆と呼ばれる素子群からなり、局所的な温度差あるいは温度勾配に比例した電圧を出力するものである。多数の熱電対を直列に接続して出力電圧を増加させることや、温度を空間的に平均化する。センサチップ１１１は、発熱体から放出している赤外線を離れた点で計り、それにより温度を求めることができる。赤外線照射によりセンサアレイ素子１１１の感熱部の温度上昇が起こり、熱起電力が発生することを利用している。なお、温度測定する用途に応じてセンサ前面に波長選択フィルタを付けることが望ましい。

センサチップ１１１の表面にはレンズ１１２が実装され、視野角の設定をおこなう。レンズ１１２は赤外線を透過する材質が使用される。なお、後述するが、レンズ１１２の視野角を大きくすることにより検知範囲が広がるが、その分センサチップ１１１のカバーするエリアが広がってしまうことから、検知精度が下がる。一方で検知範囲を狭めることで検知精度は向上するが、居室全体をカバーするにはセンサチップ１１１の数を増やしたり、見守り装置１自体の数を増やす必要があり、コストアップに繋がる。このような現状を考慮したうえ、さらに実験の結果からすると、レンズ１１２の視野角は６０度から９０度までが実用的であることが確認できた。その中でも、９０度以下であれば、センサの検知精度を落とすことなく運用することが可能となることが実証されている。

複数のセンサチップ１１１の信号はセレクタ１１３によりそれぞれを分別して信号処理部１２に伝達される。セレクタ１１３のサンプリング周期により温度変化の時系列の精度が変わり、サンプリング周期を高くすることで瞬時の温度変化を捕捉することができる。一方、サンプリング周期を下げることにより、温度変化を捕える周期は遅くなるが、消費電力を抑えることが可能となるため、見守り装置１を電池駆動させるには有効となる。サンプリング周期は人間の動きの速度に合わせて上記のトレードオフの最適値を選定することが望ましい。

図３は、信号処理部１２の構成例を示したものである。信号処理部１２の電源制御部１２４には焦電センサ１０と赤外線センサアレイ１１、電池１５が接続されている。焦電センサ１０には電源制御部１２４から常時電源が供給されてあり、人体と周囲温度の温度差が約３℃ほどあると反応し、デジタルの２値の信号が電源制御部１２４に向けて出力される。なお焦電センサ１０は赤外線センサアレイ１１と比較して消費電力が小さいのが一般的であるが、電池駆動を考えるとできる限り消費電力を抑えたものが望ましい。

また、赤外線センサアレイ１１は、電源制御部１２４から電源供給されると、増幅器１２１にて信号増幅をおこなう。信号増幅のゲインは測定対象の温度を基準として可変となるようにするのが望ましい。増幅された信号はＡ／Ｄ変換器１２２によりアナログ値からデジタル値に変換する。Ａ／Ｄ変換器１２２の信号は出力部１２３に伝達される。

図４は焦電センサ１０と赤外線センサアレイ１１の位置関係を示す図である。見守り装置１を屋内の天井に設置し、焦電センサ１０と赤外線センサアレイ１１は下方を検知するようになっているとする。焦電センサ１０の検知範囲は１０ｄの角度に設定され、一方赤外線センサアレイ１１の検知範囲はそれよりも狭い１１ｄの角度に設定されている。焦電センサ１０および赤外線センサアレイ１１は数十ｍｍの大きさであるので、実際にはほぼ同じ位置からの検知範囲を示す角度と考えてよい。焦電センサ１０の検知角度１０ｄは赤外線センサアレイ１１と比較して検知精度への影響は少ないので１００度以上が適当である。これは設置の高さを２ｍとした場合に約５ｍ四方が検知範囲となる。一方、赤外線センサアレイ１１の検知角度１１ｄは７５度程度が良く、４ｍ弱四方が検知範囲となる。これにより、焦電センサ１０のみの検知エリア１０ａと、焦電センサ１０と赤外線センサアレイ１１の双方が検知範囲となる検知エリア１１ａを作り出すことができる。

図５は信号処理部１２の電源制御部１２４の内部構成を示す図、図６は各接続ラインの信号を時系列に示す図である。電源制御部１２４は電池から安定した内部電源を生成するレギュレータ１２５と切り替えスイッチ１２６から構成されている。焦電センサ１０にはレギュレータ１２５から常時安定な電源ＶＤＤが供給されている。まず、検知エリア内に人間(発熱体)が入ってくると、検知範囲の広い焦電センサ１０が人体を検知して１０ｓの信号を切り替えスイッチ１２６に伝達する。焦電センサ１０の信号１０ｓは人間が動いたときのみＯＮとなることから、検知範囲に人間が居る場合は断続的な信号となる。切り替えスイッチ１２６では信号１０ｓがＯＮを検知すると、時間ｔｒ分のラッチ機能を有して赤外線センサアレイ１１に対して電源１２６ｐの供給を開始する。焦電センサ１０と赤外線センサアレイ１１の検知範囲は約５０ｃｍ異なることから、人間の移動速度を考えると赤外線センサアレイ１１は人間が検知エリアに入ってきた時点では電源の供給を受けて動作可能の状態となる。切り替えスイッチ１２６はトランジスタで構成され、焦電センサ１０の信号１０ｓによりレギュレータ１２５の出力（ＶＤＤ）を供給するものである。なお、電源制御部１２４は赤外線センサアレイ１１のみの電源制御ではなく、赤外線センサアレイ１１の信号を処理する信号処理部１２全体の電源制御をおこなっても良い。特に赤外線センサアレイ１１と信号処理部１２が高精度化などが目的でパッケージングされている場合には、一緒に電源の制御をおこなうことで全体の待機電流を抑制することが可能となる。信号１０ｓが時間ｔｒ以内に入力されないと１２６ｐはＯＦＦとなる。なお、熱風等の外乱を避けるため、複数回１０ｓが入力された時点で１２６ｐをＯＮさせても良い。

信号処理部１２に接続されている赤外線センサアレイ１１は、電源の供給を受けると数〜数十μＶと微小な信号を出力し、増幅器１２１にて信号増幅をおこなう。信号増幅のゲインは測定対象の温度を基準として可変となるようにするのが望ましい。増幅された信号はＡ／Ｄ変換器１２２によりアナログ値からデジタル値に変換する。Ａ／Ｄ変換器１２２の信号は出力部１２３に伝達され、各センサチップ１１１のデジタル変換値をパラレルに出力して解析部１３に伝達する。なお、Ａ／Ｄ変換器１２２から出力されるデジタル値は温度を示しているが、赤外線センサアレイ１１のセンサチップ１１１および信号処理部１２の部品の特性ばらつきなどがあるため、温度の絶対値とはなり得ない。そこで、赤外線センサアレイ１１と信号処理部１２が組みつけられた後に、校正機による温度の校正をおこなうことが必要である。

図７に解析部１３の例を示す。信号処理部１２の信号は座標生成部１３１に入力される。座標生成部１３１では座標が形成され、各センサチップ１１１が計測した温度のデジタル値から各座標の温度分布を解析する。座標生成部１３１で生成された温度分布から、頭部信号抽出部１３２にて人間の頭部の温度分布を抽出する。また、移動している方向を方向判断部１３３で判断し、所定の方向に頭部信号が移動したと判断した時点でトリガー生成部１３４に信号を送出する。

図８は解析部１３の座標判断部１３１に入力されたデジタル値を視覚的にわかりやすいように座標毎に色分けをした図である。見守り装置１は例えば玄関の天井に設置され、赤外線センサアレイ１１は下部方向を検知面としている。通常、玄関にいない場合には、赤外線センサアレイ１１毎の座標は１３１−ａのようにほぼ均一な温度分布の色で表示される。ここで、人間が見守り装置１の検知範囲に入ってきた場合、人間から発する熱量により、各座標の色分けが変わってくる。例えば、服を着ている部分に関しては熱量が多い部分と少ない部分がまだらに存在するので、１３１−ｂのようにぼんやりとした熱分布となる。一方、人間の頭部に関しては直接皮膚の表面温度を検知することができることから、１３１−ｃのようにほぼ頭の形のまま一様に高い温度分布となる。

頭部信号抽出部１３２では予め人間の体温である３６℃あたりの温度のしきい値と、さらに精巧には見守り装置１の設置した高さから計算した人間の頭部の大きさから、人間の頭部がある座標分布を抽出する。波長をλ（μｍ）、絶対温度をＴ（Ｋ）とすると、３６℃の波長は以下の式１により計算される。
（式１） λ＝２８９７／Ｔ＝２８９７／３０９≒９．３７５μｍ

一方、周囲温度が２０℃の場合、λ＝９．８９μｍであることから、Ａ／Ｄ変換器１２２の分解能は両者を区別できるように設定すれば、頭部信号抽出部１３２では容易に人間の頭部の座標領域を抽出することができる。さらには、周囲温度にあわせてＡ／Ｄ変換器１２２の分解能を可変にすることにより、夏場や冬場などの周囲温度の違いによる誤差を極力少なくすることが可能となる。これは従来の見守り用のセンサとして使用されていた周囲温度との相対的な温度の時系列の変化をオンオフの２値でしか出力できなかった焦電センサでは到底できないものである。頭部信号抽出部１３２では一度捕捉した頭部信号を、利用者が見守り装置１の検知範囲を外れるまで、どの座標に存在しているかを常時追尾できる。

図９は見守り装置１の検知範囲内を人間が移動した場合の頭部信号の動きを示したものである。見守り装置１は予め決められた向きに設置されている。これは頭部信号、つまり人間がどちらの方向に移動しているかを認識するようにするためである。例えば１３１−ｔ１において、所定の方向に向かってＰ１からＰ４の方向に配置している。例えば玄関に設置された見守り装置１で、座標Ｐ４を玄関のドアの方向に設置した場合、利用者が外出する場合には１３１−ｔ１、１３１−ｔ２、１３１−ｔ３の順に頭部信号が座標を移動する。方向判断部１３３ではこの移動の方向と速度と利用者が見守り装置１の検知外に出たことから、どの方向に動いたかを判断する。一つの例を示すと、各座標フレームにおける一番温度の高い部分を頭部信号として捕捉し、所定の時系列の頭部信号データから回帰曲線を生成する。さらに回帰曲線と頭部信号からの離れている距離の逆数を重みとして、重みづけ平均を求める。重み付け平均と予め設定したしきい値を比較することで頭部信号の移動の方向と量を判断する。なお、例えば座標の移動が１３１−ｔ２などで停滞した場合の処理については以降後述する。

方向判断部１３３は所定の方向に頭部信号が移動したと判断した時点でトリガー生成部１３４に信号を送出する。例えば、図４において検知エリア１１ａを通過したと判断した場合などである。トリガー生成部１３４では方向判断部１３３の信号によりステータスをオンとして通信部１４に伝達する。通信部１４はこの情報に関してコマンドを生成して外部に送出する。玄関に見守り装置１を設置した場合には、利用者が外出したことを示すコマンドとなる。利用者が外出した場合、焦電センサ１０の検知エリアである１０ａも外れるので、図６において焦電センサ１０の信号１０ｓもＯＦＦになることから、電源制御部１２４は赤外線センサアレイ１１への電源供給１２６ｐを時間ｔｒ後にＯＦＦとする。

図１０には実際に見守りをおこなう見守りシステムの実施の形態を示す。見守り装置１は異常が発した場合などに通報装置２に対して通信部１４を介してその旨を伝える通信をおこなう。通信手段としては無線でも良いし、有線でも良い。通報装置２は公衆電話回線網に接続され、コールセンターなど予め指定されている通報先に通報することができる。公衆電話回線網としてはアナログ電話回線やひかり回線３や、携帯電話などのモバイル通信回線網４など、さまざまな手段が考えられる。よって通報装置２は扱うデータや公衆電話回線網にあわせたものを選択することが望ましい。見守り装置１が異常を検知して通報装置２が通報するまでの流れを図１１に示す、

図１１では見守り装置１の動作についてのフローを示している。見守り装置１は電池により電源が供給されると（Ｓ１０１）、電源制御部１２４の切り替えスイッチ１２６を一旦ＯＦＦにして赤外線センサアレイ１１への電源供給を中止する（Ｓ１０２）。その後焦電センサ１０により人間が検知エリアに入ってくるかを監視し（Ｓ１０３）、人間を検知すると切り替えスイッチ１２６をＯＮにして赤外線センサアレイ１１に電力を供給して動作可能状態とする（Ｓ１０４）。頭部信号抽出部１３２にて人間の頭部を捕捉し（Ｓ１０５）、焦電センサ１０が人間を検知している間、頭部信号を追尾する（Ｓ１０６）。頭部信号の追尾が終了し、かつ焦電センサ１０が人間を検知しなくなったら（Ｓ１０８）、その旨を通信部１４に連絡して（Ｓ１０９）、通報装置２に伝達する（Ｓ１１０）。

一方、利用者が見守り装置１の検知範囲内で倒れた場合を想定する。その場合、頭部信号抽出部１３２が捕捉した頭部信号が、座標生成部１３１の１つの座標で停滞すると共に、焦電センサ１０の信号はＯＦＦとなってしまう。そこで頭部信号を追尾しているときに（Ｓ１０６）、頭部信号は残っているが、焦電センサ１０の信号がＯＦＦになった場合は、検知エリアにて人間が倒れた可能性があることから、同様に通信部１４に連絡して（Ｓ１０９）、通報装置２に警報として伝達する（Ｓ１１０）。この場合、一時的に検知エリア内で人間の動きがなくなった可能性があるので、電源制御部１２４の切り替えスイッチ１２６はＯＮのままとして、赤外線センサアレイ１１を継続して動作させることが望ましい。つまり、赤外線センサアレイ１１の信号を焦電センサ１０の信号よりも優先させる論理を電源制御部１２４に盛り込む。これにより、異常が発生したと疑れる場合にも安全に対応することが可能となる。

このように、複数のサーモパイルをマトリクス状に多画素化した赤外線センサアレイと、赤外線センサアレイより広角な検出範囲をもつ焦電センサと、赤外線センサアレイと焦電センサからの信号を処理する信号処理部とからなり、信号処理部は、焦電センサが検知している期間に赤外線センサアレイに電池から電源を供給する電源制御手段を有して、解析部は人体の頭部から発する熱量を赤外線センサアレイが検知して頭部信号を抽出する手段と、信号処理部の電源制御手段が赤外線アレイに電源を供給している期間に頭部信号の座標位置を解析するようにしていることから、必要なときにだけ赤外線センサアレイを駆動させることができ、消費電力が大きい赤外線センサアレイによる電力消費を抑えることが可能となり、電池での駆動が可能な見守り装置を構築することができる。また、人間の頭部を発する熱量の波長から抽出し、その動く方向を判断することにより、従来高齢者の見守りなどに使用されていた焦電センサでは困難であった、どのように動いているのか、どの方向に動いているのか、などの人間の詳しい動きを判断することが可能となり、利用者が動かない状態なのか、利用者が検知範囲に存在しない状態なのかを判別も容易となる。またカメラ画像のようなプライバシーの侵害を起こすことがないシステムとなる。

本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、上述した実施の形態の構成に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計の変更などがあっても本発明に含まれることは言うまでもない。

１：見守り装置、１０：焦電センサ、１１：赤外線センサアレイ、１２：信号処理部、１３：解析部、１４：通信部、１５：電池、２：通報装置、３：公衆回線網、４：モバイル通信回線網

Claims

複数のサーモパイル素子をマトリクス状に多画素化した赤外線センサアレイと、前記赤外線センサアレイより広角な検出範囲をもつ焦電センサと、前記赤外線センサアレイと前記焦電センサからの信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部に接続され移動する発熱体を解析する解析部と前記解析部の出力結果からコマンドを生成して伝達する通信部と、電力を供給する電池からなる見守り装置であって、
前記信号処理部は、前記焦電センサが発熱体を検知している一定時間、前記赤外線センサアレイに前記電池から電源を供給する電源制御手段と、
前記解析部は人体の頭部から発する熱量を前記赤外線センサアレイが検知して頭部信号を抽出する手段と、前記信号処理部の電源制御手段が前記赤外線センサアレイに電源を供給している間、前記頭部信号の座標位置を解析する手段を備えたことを特徴とする見守り装置。
前記焦電センサの検出範囲は、水平方向に１００度以上に設定し、前記赤外線センサアレイの検出範囲は、水平方向に９０度以下に設定することを特徴とする請求項１に記載の見守り装置。
請求項１に記載の見守り装置において、前記見守り装置は、焦電センサが発熱体を検知しなくなり、信号処理部が、赤外線センサアレイが検知した頭部信号を抽出している場合には、通信部から所定のコマンドを外部に発信する手段をさらに備え、受信した通報装置があらかじめ指定されている通報先に通信網を介し通報する通報手段を備えることを特徴とする見守りシステム。