JP7419861B2 - 人体検出システムおよび人体検出パッシブタグ - Google Patents

Description

本発明は、パッシブタグを用いて高速に人体を検出する人体検出システムと、この人体検出システム用いられる人体検出パッシブタグに関する。

ＲＦＩＤシステムは、電波を用いてＲＦタグのデータを非接触で読み取るシステムであり、１台のリーダ（親機）によって複数のＲＦタグのデータを１個ずつ読み取ることができる。また、ＲＦＩＤシステムにおいては、バッテリーを持たないＲＦタグ（すなわち、パッシブタグ）を用いる方式がある。

パッシブタグは、リーダから送信される信号（電波）を受信すると、この信号を直流に変換して動作電力とすると共に、受信した信号のコマンドに応答する形でデータをリーダへ返信する（例えば、特許文献１）。

特開２００９－４４６４８号公報

パッシブタグを用いる人体検出システムとして、人体に装着したパッシブタグからの返信信号を用いることで、そのタグを持つ人に対する人体検出を行うことができる。尚、ここでの、人体検出とは、人体有無、人体に照射される電波の強度、人体・送信機間で発生した電波の位相変化量を検出することを言う。

人体検出システムでは、送信機（親機）の周りに存在する複数の人体を検出するために、複数のタグの信号を検出しなければならない。

従来のＲＦＩＤシステムは、リーダが複数のパッシブタグを検出する際、複数のタグと同時に通信ができないため、各タグとのデータ通信のタイミングをずらし、各タグとのデータ通信を個別に行う必要がある。特許文献１におけるＲＦＩＤシステムでも、各タグとのデータ通信のタイミング制御を行っている。

このように、従来のＲＦＩＤシステムは、各タグとのデータ通信を個別に行うため、ＲＦＩＤシステムを人体検出に用いようとしても、検出すべき人数が増加すると、全ての人体検出に掛かる通信時間が長くなる（人体検出時間が長くなる）。また、タグとの通信時間が長くなると、その分、タグへの給電時間が短くなり、各タグが通信を行うのに必要な電力を給電できなくなる恐れもある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、多数の人体を検出する場合であっても、短時間での検出が可能となる人体検出パッシブタグおよび人体検出システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様である人体検出システムは、親機と、複数の人体検出パッシブタグとを備える人体検出システムであって、それぞれの前記人体検出パッシブタグは、前記親機から受信した電波信号を直流に変換し、当該人体検出パッシブタグの動作電力として供給する受電部と、前記受電部から供給される動作電力によって発振し、特定周波数の発振信号を生成する特定周波数発振部と、前記親機から受信した電波信号をキャリア信号とし、当該キャリア信号に前記発振信号を合成して前記反射信号を生成する反射信号生成部とを有しており、複数の前記人体検出パッシブタグは、前記発振信号における前記特定周波数がそれぞれ異なる周波数に設定されており、前記親機は、受信した反射信号に対して周波数領域解析を実施し、当該周波数領域解析によって得られる前記発振信号の前記特定周波数の周波数成分に基づいて人体検出パッシブタグの検出を行うことを特徴としている。

上記の構成によれば、人体検出パッシブタグが送信する反射信号には特定周波数の発振信号が含まれ、発振信号における特定周波数がそれぞれの人体検出パッシブタグで異なる周波数に設定されているため、親機では、受信した発振信号の周波数成分に基づいて人体検出パッシブタグの検出を行うことができる。これにより、親機が多数の人体を検出する場合であっても、各人体検出パッシブタグとの通信を個別に行うためのタイミング制御が不要であり、重複するタイミングで送信された複数の反射信号を一括して検出することができるため、短時間での検出が可能となる。

また、上記人体検出システムでは、前記周波数領域解析は、複数の信号が重複した反射信号に対して高速フーリエ変換処理を行い、各反射信号における前記発振信号の前記特定周波数を解析するものであり、前記親機は、高速フーリエ変換処理によって検出された前記特定周波数に基づき、前記検出領域内に存在する前記人体検出パッシブタグを検出する構成とすることができる。

また、上記人体検出システムでは、前記親機は、高速フーリエ変換処理によって検出された前記特定周波数の数を、前記検出領域内に存在する前記人体検出パッシブタグの数として検出する構成とすることができる。

また、上記人体検出システムでは、前記親機が送信する前記電波信号は、前記人体検出パッシブタグに対するコマンドを含まない、キャリア信号のみである構成とすることができる。

また、上記の課題を解決するために、本発明の第２の態様である人体検出パッシブタグは、人体検出システムの親機が送信する電波信号を受信したときに、反射信号を送信する人体検出パッシブタグであって、前記親機から受信した電波信号を直流に変換し、当該人体検出パッシブタグの動作電力として供給する受電部と、前記受電部から供給される動作電力によって発振し、特定周波数の発振信号を生成する特定周波数発振部と、前記親機から受信した電波信号をキャリア信号とし、当該キャリア信号に前記発振信号を合成して前記反射信号を生成する反射信号生成部とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、人体検出パッシブタグが送信する反射信号には特定周波数の発振信号が含まれるため、人体検出システムの親機では、受信した発振信号の周波数成分に基づいて人体の検出を行うことができる。これにより、親機が多数の人体を検出する場合であっても、親機においては、各人体検出パッシブタグとの通信を個別に行うためのタイミング制御が不要であり、重複するタイミングで送信された複数の反射信号を一括して検出することができるため、短時間での検出が可能となる。

また、上記人体検出パッシブタグは、前記電波信号を受信したときに、当該電波信号の電波強度を検出する電波検出部を有し、前記電波検出部で検出された電波強度が基準値以上である場合に、前記反射信号を送信する構成とすることができる。

上記の構成によれば、親機との距離が近く、電波強度が基準値以上である人体検出パッシブタグのみが反射信号を送信するため、親機側では、人体検出パッシブタグでの電波強度が基準値以上となる領域を検出領域に定めることができる。

本発明の人体検出システムおよび人体検出パッシブタグは、親機が多数の人体を検出する場合に、各人体検出パッシブタグとの通信を個別に行うためのタイミング制御が不要であり、重複するタイミングで送信された複数の反射信号を一括して検出することができるため、短時間での検出が可能となるといった効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る人体検出システムで用いられる親機の基本構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る人体検出システムで用いられる人体検出パッシブタグの基本構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る人体検出システムの概略構成を示す図である。 ＦＦＴ処理で変換された反射信号の周波数領域を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る人体検出システム（以下、本システム）で用いられる親機１００の基本構成を示すブロック図である。図２は、本システムで用いられる人体検出パッシブタグ２００の基本構成を示すブロック図である。本システムでは、１台の親機１００に対して複数の人体検出パッシブタグ２００が使用可能である。また、人体検出パッシブタグ２００は、バッテリーを有していない。

親機１００は、図１に示すように、処理部１０１、キャリア信号発振部１０２、第１増幅部１０３、送受分離部１０４、第２増幅部１０５、ミキサ１０６、ＡＤＣ（Analog/Digital Converter）１０７、およびアンテナ１０８を有している。

処理部１０１は、親機１００全体を制御する主制御部であり、特に、人体検出パッシブタグ２００から受信する反射信号の解析を行う機能を有している。

キャリア信号発振部１０２は、キャリア信号（搬送波）を生成する。ここでのキャリア信号は、マイクロ波信号であり、周波数ｆｃの正弦波であるとする。親機１００では、キャリア信号発振部１０２が出力するキャリア信号が、第１増幅部１０３で増幅され、送受分離部１０４およびアンテナ１０８を介してコマンド信号（電波信号）として送信される。尚、本システムでは、実際には、親機１００が送信するコマンド信号において人体検出パッシブタグ２００に対する何らかのコマンド（例えば、データ返信を要求するコマンドなど）が含まれるものではない。但し、便宜上、親機１００が送信する電波信号をコマンド信号と称している。コマンド信号を受信した人体検出パッシブタグ２００からは、反射信号が送信されてくる。

親機１００が受信する人体検出パッシブタグ２００からの反射信号は、アンテナ１０８および送受分離部１０４を介して第２増幅部１０５に送られ、第２増幅部１０５にて増幅される。送受分離部１０４は、親機１００から送信する送信信号（すなわちコマンド信号）と、親機１００が受信する受信信号（すなわち反射信号）との経路の分離を行う。送受分離部１０４としては、例えば、サーキュレータなどを使用することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。

第２増幅部１０５で増幅された反射信号は、ミキサ１０６において、キャリア信号発振部１０２で生成されるキャリア信号と乗算される。ミキサ１０６による乗算により、ｆｋとｆｋ＋２×ｆｃとの周波数を持つ信号が得られ、この信号をＬＰＦ（Low Pass Filter）処理を施すことで、ｆｋの周波数を持つ信号のみが抽出できる。ここで、ｆｋの周波数を持つ信号は、後述する人体検出パッシブタグ２００の発振信号である。

ミキサ１０６の出力（反射信号とキャリア信号との合成波）は、ＡＤＣ１０７にてアナログ／デジタル変換された後、処理部１０１に入力される。処理部１０１は、デジタル変換された反射信号の解析を行い、反射信号を送信した人体検出パッシブタグ２００の検出を行う。処理部１０１での人体検出パッシブタグ２００の具体的な検出方法については後述する。

人体検出パッシブタグ２００は、図２に示すように、スイッチ２０１、制御部２０２、電波検出部２０３、受電部２０４、ｆｋ周波数発振部（特定周波数発振部）２０５、ＬＰＦ（Low Pass Filter）２０６、ミキサ２０７、サーキュレータ（反射信号生成部）２０８、およびアンテナ２０９を有している。

スイッチ２０１は、第１ないし第３端子２０１ａ～２０１ｃを有しており、給電時（親機１００からのコマンド信号受信時）と返信時（親機１００への反射信号送信時）とで接続の切り替えが行われる。すなわち、給電時には第１端子２０１ａと第２端子２０１ｂとが接続され、返信時には第１端子２０１ａと第３端子２０１ｃとが接続される。スイッチ２０１における接続の切り替えは、制御部２０２の指示によって行われる。

給電時において、アンテナ２０９で受信したコマンド信号は、スイッチ２０１を介して電波検出部２０３および受電部２０４へ送られる。電波検出部２０３は、受信したコマンド信号の信号強度を検出し、制御部２０２へ出力する。受電部２０４は、受信したコマンド信号を直流に変換し、他の処理部（ここでは制御部２０２およびｆｋ周波数発振部２０５）へ動作電力として供給する。制御部２０２は、電波検出部２０３から入力される信号強度が基準値以上であれば、コマンド信号に対する返信が必要であると判断し、スイッチ２０１を返信時の接続に切り替える。

ｆｋ周波数発振部２０５は、受電部２０４からの電力供給を受けて発振し、周波数ｆｋの正弦波を出力する。ｆｋ周波数発振部２０５の出力は、ＬＰＦ２０６を介してミキサ２０７に入力される。ここで、ｆｋ周波数発振部２０５の出力には、周波数ｆｋの正弦波以外に、その高調波（周波数がｆｋの整数倍となる正弦波）も含まれる。ＬＰＦ２０６は、ｆｋ周波数発振部２０５の出力から高調波をカットし、周波数ｆｋの正弦波のみを周波数ｆｋの発振信号としてミキサ２０７に入力させる。

返信時には、スイッチ２０１において第１端子２０１ａと第３端子２０１ｃとが接続されているため、アンテナ２０９で受信したコマンド信号は、スイッチ２０１を介してサーキュレータ２０８へ送られる。サーキュレータ２０８は、３つのポートＰＯ２１～ＰＯ２３を有しており、ポートＰＯ２１に入力された信号はポートＰＯ２２から出力され、ポートＰＯ２３に入力された信号はポートＰＯ２１から出力される（ポートＰＯ２２に入力された信号はポートＰＯ２３から出力されるが、人体検出パッシブタグ２００ではこの経路は使用しない）。アンテナ２０９から受信したコマンド信号は、サーキュレータ２０８のポートＰＯ２１から入力され、ポートＰＯ２２から出力されてミキサ２０７へ送られる。

ミキサ２０７は、サーキュレータ２０８から入力されるコマンド信号に、ＬＰＦ２０６から入力される周波数ｆｋの発振信号を合成する。このとき、サーキュレータ２０８から入力されるコマンド信号は周波数ｆｃの正弦波であり、人体検出パッシブタグ２００は、親機１００から受信したコマンド信号を反射信号のキャリア信号として利用する。ミキサ２０７の出力（周波数ｆｃのキャリア信号と周波数ｆｋの発振信号との合成波）は、サーキュレータ２０８のポートＰＯ２３から入力され、ポートＰＯ２１から出力される。これにより、ミキサ２０７の出力は、サーキュレータ２０８、スイッチ２０１およびアンテナ２０９を介して反射信号として送信される。このように、人体検出パッシブタグ２００は、自身でキャリア信号を生成することなく、バックスキャッタ通信によって反射信号を親機１００へ送信する。尚、キャリア信号の周波数ｆｃは、発振信号の周波数ｆｋよりも十分に高い周波数とされている。これにより、キャリア信号と発振信号との合成波となる返信信号は、キャリア信号と同じマイクロ波としての電波特性を有するものとなる。

続いて、本システムにおける人体検出パッシブタグ２００の検出方法、すなわち親機１００の処理部１０１での人体検出パッシブタグ２００の検出方法について以下に説明する。ここで、本システムの用途の一例として、工場などでの人員管理が挙げられる。具体的には、工場などの作業員の各自に人体検出パッシブタグ２００を付けさせ、工場内の所定の監視領域（検出領域）に何人の作業員が存在しているかを親機１００で検出するといったことが考えられる。以下の説明では、このような用途での人体検出パッシブタグ２００の検出方法を例示する。但し、本システムの用途は上記例に限定されるものではない。

まず、本システムは、図３に示すように、１台の親機１００に対してＮ個の人体検出パッシブタグ２００を含んで構成されているものとする。すなわち、工場内にＮ人の作業員が存在し、各自が１個ずつの人体検出パッシブタグ２００を付けているとする。

各人体検出パッシブタグ２００においては、反射信号に含まれる発振信号の周波数ｆｋが、それぞれ異なる周波数とされている。例えば、Ｎ個の人体検出パッシブタグ２００に対して、１番目からＮ番目までの番号を割り当てるとすれば、ｋ番目（ｋ＝１，２、…Ｎ）の人体検出パッシブタグ２００の発振信号が周波数ｆｋ（ｆｋ＝ｆ１，ｆ２、…ｆＮ）となる。すなわち、人体検出パッシブタグ２００においては、発振信号の周波数ｆｋが、各タグにおける固有の情報となり、それぞれの人体検出パッシブタグ２００の特定に利用可能な特定周波数となる。尚、Ｎ個の人体検出パッシブタグ２００に割り当てられるＮ個の周波数ｆｋは、検出用信号帯域幅ＢＷ内において、周波数間隔ΔｆがΔｆ≦ＢＷ／Ｎ（好適にはΔｆ＝ＢＷ／Ｎ）となるように設定されている必要がある（図４参照）。また、図３では、ｋ番目の人体検出パッシブタグ２００を、人体検出パッシブタグ２００－ｋと記載している。

親機１００は、人体検出パッシブタグ２００を検出しようとする監視領域に向けて、定期的にコマンド信号を送信し、コマンド信号の送信開始からの所定時間を、人体検出パッシブタグ２００を検出するタグ検出期間Ｔｓとして設定している。監視領域に存在する人体検出パッシブタグ２００は、コマンド信号を受信すると、タグ検出期間Ｔｓ内にこれに対する反射信号を送信する。この場合、タグ検出期間Ｔｓは、周波数分解能のΔｆの逆数よりも長く設定される（Ｔｓ≧１／Δｆ）必要があり、すなわち最短のＴｓは、Ｔｓ＝１／Δｆとなるように設定されている必要がある。

尚、親機１００が送信するコマンド信号は電波であるため、明確に境界が定まった領域のみにコマンド信号を送信することはできない。すなわち、親機１００の監視領域外に存在する人体検出パッシブタグ２００がコマンド信号を受信することもあり得る。但し、上述したように、人体検出パッシブタグ２００は、電波検出部２０３から入力される信号強度が基準値以上の場合に反射信号を送信する。これにより、本システムでは、親機１００からの距離が近く、受信したコマンド信号の振動強度が基準値以上であって、反射信号を送信した人体検出パッシブタグ２００のみを監視領域に存在するものと見なすことができる。一方で、親機１００からの距離が遠く、受信したコマンド信号の振動強度が基準値未満であって、反射信号を送信しない人体検出パッシブタグ２００は、監視領域に存在しないものと見なされる。すなわち、親機１００側では、人体検出パッシブタグ２００での電波強度が基準値以上となる領域を監視領域に定めることができる。

監視領域内に存在し、コマンド信号を受信した人体検出パッシブタグ２００が複数存在する場合、これらの人体検出パッシブタグ２００が送信する反射信号は、親機１００に向けて重複するタイミングで送信される。本システムにおいて、親機１００は、各タグとの通信を個別に行うためのタイミング制御は実施せず、重複するタイミングで送信された複数の反射信号を、これらが重複した状態で一括して受信する。このため、親機１００における第２増幅部１０５、ミキサ１０６およびＡＤＣ１０７は、複数の信号が重複された反射信号に対して、上述した処理を行う。

ＡＤＣ１０７から出力される反射信号は、処理部１０１においてＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理が施される。このＦＦＴ処理により、複数の信号が重複した反射信号に対して、各反射信号における発振信号の周波数ｆｋが解析される。言い換えれば、ＦＦＴ処理により、複数の信号が重複した反射信号が、周波数の互いに異なる複数の正弦波に分離される（重複した反射信号の周波数領域解析）。図４は、ＦＦＴ処理で変換された反射信号の周波数領域を示すグラフの一例である。尚、ここでは、重複した反射信号の周波数領域解析にＦＦＴ処理を用いているが、ＦＦＴ処理以外の解析方法が用いられるものであってもよい。

図４に示す例では、周波数ｆ１、ｆ３およびｆ（Ｎ－１）においてピークが検出されており、周波数ｆ２およびｆＮにおいてはピークが検出されていない。このことは、親機１００の監視領域内において、１番目、３番目および（Ｎ－１）番目の人体検出パッシブタグ２００が存在し、２番目およびＮ番目の人体検出パッシブタグ２００が存在しないことを示している。

すなわち、親機１００は、Ｎ個の周波数ｆｋのうち、ＦＦＴ処理によってピークが検出される周波数の数（検出用信号帯域幅ＢＷ内で検出されるピーク数）を、人体検出パッシブタグ２００の検出数（監視領域内に存在する人体検出パッシブタグ２００の数）とすることができる。また、親機１００では、ピークが検出された周波数ｆｋより、検出された人体検出パッシブタグ２００がどのタグであるかを特定することもできる。

このように、本システムでは、親機１００が各人体検出パッシブタグ２００との通信を個別に行うためのタイミング制御が不要であり、親機１００は重複するタイミングで送信された複数の反射信号を一括して検出することができる。これにより、各タグとの通信を個別に行う従来システムに比べ、人体検出パッシブタグ２００の検出時間を大幅に短縮することができ、検出する人体検出パッシブタグ２００の数が増加しても検出時間は増加しない。さらに、本システムでは、以下のような効果も得られる。
・各タグとの通信を個別に行うタイミング制御が不要であるため、タイミング制御にかかる消費電力を削減できる。
・事前に正確なタグ数を把握していなくても、複数のタグを検出することが可能である。
・親機１００からのコマンド送信が不要であるため、給電とタグ検出とを同時に実施できる（タグ検出を連続的に実施できる）。

また、本システムにおいては、伝搬係数の抽出によって親機１００におけるアンテナ１０８の指向性の調整を行うようにしてもよい。伝搬係数とは、人体に照射される電波の強度と、電波が人体までに到達した際に発生する電波の位相変化量とを示すものである。この伝搬係数を用いて、人体に到達する電波を弱め、電波を受信する対象に電波を強めるようにアンテナ１０８の指向性を調整することができる。伝搬係数の抽出方法は公知であるため、ここでは詳細な説明は省略する。また、この場合、アンテナ１０８には、素子アンテナの振幅・位相を電気的に制御することで指向性の制御が行えるアレーアンテナなどが使用される。

尚、上記説明では、本システムに含まれる親機１００を１台としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、本システムに含まれる親機１００は複数台であってもよい。例えば、上述した用途の変形例として、工場内に、監視領域がそれぞれ異なる複数台の親機１００を設置し、それぞれの監視領域において何人の作業員が存在しているかを各親機１００によって検出する構成が考えられる。

今回開示した実施形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

１００ 親機（人体検出システム）
１０１ 処理部
１０２ キャリア信号発振部
１０３ 第１増幅部
１０４ 送受分離部
１０５ 第２増幅部
１０６ ミキサ
１０７ ＡＤＣ
１０８ アンテナ
２００ 人体検出パッシブタグ（人体検出システム）
２０１ スイッチ
２０２ 制御部
２０３ 電波検出部
２０４ 受電部
２０５ ｆｋ周波数発振部（特定周波数発振部）
２０６ ＬＰＦ
２０７ ミキサ
２０８ サーキュレータ（反射信号生成部）
２０９ アンテナ

Claims (6)

1. 親機と、複数の人体検出パッシブタグとを備える人体検出システムであって、
   それぞれの前記人体検出パッシブタグは、
   前記親機から受信した電波信号を直流に変換し、当該人体検出パッシブタグの動作電力として供給する受電部と、
   前記受電部から供給される動作電力によって発振し、特定周波数の正弦波である発振信号を生成する特定周波数発振部と、
   前記親機から受信した電波信号をキャリア信号とし、当該キャリア信号に前記発振信号を合成して反射信号を生成する反射信号生成部とを有しており、
   複数の前記人体検出パッシブタグは、前記発振信号における前記特定周波数がそれぞれ異なる周波数に設定されており、
   前記親機は、
   受信した前記反射信号に対して、周波数の互いに異なる複数の正弦波に分離することで前記発振信号の前記特定周波数を解析する周波数領域解析を実施し、当該周波数領域解析によって得られる前記発振信号の前記特定周波数の周波数成分に基づいて人体検出パッシブタグの検出を行うことを特徴とする人体検出システム。
2. 請求項１に記載の人体検出システムであって、
   前記周波数領域解析は、複数の信号が重複した前記反射信号に対して高速フーリエ変換処理を行うものであり、
   前記親機は、高速フーリエ変換処理によって検出された前記特定周波数に基づき、所定の検出領域内に存在する前記人体検出パッシブタグを検出することを特徴とする人体検出システム。
3. 請求項２に記載の人体検出システムであって、
   前記親機は、高速フーリエ変換処理によって検出された前記特定周波数の数を、前記検出領域内に存在する前記人体検出パッシブタグの数として検出することを特徴とする人体検出システム。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の人体検出システムであって、
   前記親機が送信する前記電波信号は、前記人体検出パッシブタグに対するコマンドを含まない、キャリア信号のみであることを特徴とする人体検出システム。
5. 人体検出システムの親機が送信する電波信号を受信したときに、反射信号を送信する人体検出パッシブタグであって、
   前記親機から受信した電波信号を直流に変換し、当該人体検出パッシブタグの動作電力として供給する受電部と、
   前記受電部から供給される動作電力によって発振し、特定周波数の正弦波である発振信号を生成する特定周波数発振部と、
   前記親機から受信した電波信号をキャリア信号とし、当該キャリア信号に前記発振信号を合成して前記反射信号を生成する反射信号生成部とを有することを特徴とする人体検出パッシブタグ。
6. 請求項５に記載の人体検出パッシブタグであって、
   前記電波信号を受信したときに、当該電波信号の電波強度を検出する電波検出部を有し、
   前記電波検出部で検出された電波強度が基準値以上である場合に、前記反射信号を送信する人体検出パッシブタグ。

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