TWI418790B - 紅外線人體活動感測器架構及偵側人體活動量的方法 - Google Patents

Description

紅外線人體活動感測器架構及偵測人體活動量的方法

本發明係有關一種紅外線人體活動感測器架構及偵測人體活動量的方法，尤指一種利用焦電型人體紅外線(PIR)感測器透過電路、機構與動能變化檢測法設計，分析判斷出所在區域內之人體活動狀態，並將人體活動狀態資訊轉換成控制命令，透過家庭無線通訊標準介面，來設定冷氣或其他家電設備之運轉模式，以達減少區域內非必要耗能之功效。

按，紅外線的偵測器種類繁多，人體紅外線感測器主要由是利用溫度變化產生電荷現象，故又名「焦電型」人體紅外線感測器，人體或動物都會散發一種紅外線，而焦電型的紅外線感測器能感測到該種生物紅外線的變化，當人體經過感測器時，感測器會產生一個微小的信號變化，經過一運算放大器電路放大後，再配合一計時晶片的使用，即可控制繼電器導通或停止，進而達到以紅外線感測作為開關之目的。

目前習知焦電型人體紅外線感測器，普遍用於判斷人”在與不在”之低價電子元件，根據三菱電機研究所的估計，若將具人體活動檢測的技術用於空調設備，將會使設備的使用更具效率，這與毫無控制機制的一般運轉相比，最多可節約40%的電力。

國內技術現況

國內的焦電型人體紅外線(PIR)感測器產品與專利目前大都仍運用於傳統、低成本的來客報知器、自動感應照明與防盜警示等設備，由於這些設備僅需硬體電路設計便能實現應有的功能，功能上卻僅限於人體的”在與不在”一定點之判別，對於存在區域人體的活動情況與位置的資訊則無法判斷。

國外技術現況

日本主要家電設備廠商在十幾年前，已開始研究利用焦電型人體紅外線(PIR)感測器，檢測人的位置和活動，發展至今的解決方案，是以旋轉伺服馬達帶動焦電型人體紅外線感測器陣列掃瞄空間，搭配它種檢測不同物理訊號的感測器，再利用圖形識別與近似影像處理等演算法，構成多維的人體位置和活動資訊。

日本松下電器公司於2006年所提出一專利案(日本專利JP2006226988)，係以焦電型人體紅外線與溫度感測器陣列作為感測元件，並以伺服馬達定位掃瞄空間區塊，利用時間差內所感測到的人體狀態改變與環境溫度變化，所整合的資料，進行圖形辨識流程，以此獲得人體位置和活動狀態。此篇專利技術已應用於松下等電器公司近期公開的空調新產品上，該產品採用了伺服馬達帶動左右160°擺動之縱向排列感測器陣列(利用8個焦電型人體紅外線所組成)，來檢測整個房屋地板和人體溫度與位置，熱源移動30cm都會被檢測到，透過測量地板溫度及檢測人的位置， 可以控制空調的運轉，而此產品也進一步增加了檢測人活動量的功能。例如，人在睡眠時活動量較小、在同樣的氣溫下體溫會下降，就需要將空調的輸出功率降低一些，感測器檢測到人的位置後，會縮小冷氣吹送的範圍區域，依據活動量來控制空調大小。

概觀上述國外(日本)發展焦電型人體紅外線感測器檢測人體活動技術，具有下列問題：

(1)需利用它種物理量感測器為輔助，故製造成本提高。

(2)需以精密定位與定速旋轉之伺服馬達進行空間掃瞄，亦提高製造成本。

(3)其焦電型人體紅外線元件不管是感測器陣列、封裝機構與菲涅耳(Fresnel)透鏡都需要特殊設計，無論是製造成本或加工困難度皆提高。

(4)具有複雜的圖形辨識演算法。

(5)內嵌於冷凍空調設備，無任何彈性。

基於以上之問題可見此項技術研發之時程與成本相當可觀，本發明正可以解決上述問題，以較為低廉的成本來製造紅外線人體活動感測器架構，具有判斷人體位置及活動量之功能。

基於解決以上所述習知技藝的缺失，本發明為一種紅外線人體活動感測器架構及偵測人體活動量的方法，主要目的為利用焦電型人體紅外線(PIR)感測器透過電路、機構與動能變化檢測法設計，分析判斷出所在區域內之人體活動狀 態。更進一步，本發明並可將人體活動狀態資訊轉換成控制命令，透過家庭無線通訊標準介面，來設定冷氣或其他家電設備之運轉模式，以達減少區域內非必要耗能之功效。

一空間中人體活動狀態，相對於焦電型人體紅外線感測器的輸出電壓信號變化程度是成正相關的，人體活動狀態的高低程度，就好比在空間中動能變化的增減趨勢，基於這種物理性質，將不同的人體活動狀態，依照焦電型人體紅外線感測訊號，所顯現出來的電壓信號變化程度，建構出動能變化模型，並以監測演算方式分析判斷此模型之人體活動狀態，如此便可突破低成本焦電型人體紅外線感測器，僅能判斷人”在與不在”的二元判斷功能，進而提昇至具備檢知多元人體活動狀態的能力。

本發明之另一目的在於為了傳輸多元人體活動狀態資訊，無線傳輸單元利用ZigBee通信協定模組來實施，使其具有家庭無線控制等功能。

為達上述目的，本發明提出一種紅外線人體活動感測器架構，其係包括有：一紅外線感測器，用以偵測人體的位置，並輸出一人體位置資料；一微控制單元，用以接收紅外線感測器所輸出之人體位置資料，並可依據人體位置資料計算一活動量；以及一記憶單元，用以暫存微控制單元之人體位置及活動量數據。

其中該微控制單元係根據人體位置資料建構一動能變化模型，以獲得人體活動量的數值。

本發明更提出一種紅外線人體活動感測器架構，可與電子產品之控制電路做一無線傳輸，其係包括有：一電源；一紅外線感測器，用以偵測人體的位置，並輸出一人體位置資料；一微控制單元，用以接收紅外線感測器所輸出之人體位置資料，並可依據人體的位置資料計算一活動量，再根據活動量輸出一控制指令；一無線傳輸單元，接收微控制單元所傳輸之控制指令，將該控制指令傳輸至該電子產品之控制電路；以及一記憶單元，用以暫存該微控制單元之人體位置及活動量數據。

本發明更提出以一種紅外線人體活動感測器偵測人體活動量的方法，利用至少二個紅外線感測器來對人體進行偵測，該些紅外線的感測器之掃瞄區域具有重疊及非重疊區域，偵測一段時間內人體在重疊及非重疊區域的人體位置資料，並由一微控制單元計算該些重疊及非重疊區域的人體位置資料的總量，即可獲得人體活動量的數值。

為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及發明詳細說明，冀能對 貴審查委員於審查工作有所助益。

茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結 關係，以利於 貴審委做一瞭解。

本發明紅外線人體活動感測器係包括有：一紅外線感測器，用以偵測人體的位置，並輸出一人體位置資料；一微控制單元，用以接收紅外線感測器所輸出之該人體位置資料，並可依據該人體位置資料計算一活動量；以及一記憶單元，用以暫存該微控制單元之人體位置及活動量數據。其中該微控制單元係根據該人體位置資料建構一動能變化模型，以獲得人體活動量的數值。

本發明更可與電子產品之控制電路做一無線傳輸，請參閱圖一、二所示，係為本發明紅外線人體活動感測器之一實施例之架構方塊圖及較為詳細電路方塊圖，其係與一冷氣機1之控制電路11做一無線傳輸，該控制電路11當包括有一無傳輸單元11(該無線傳輸單元係為利用電機電子工程師學會IEEE 820.15.4之通訊協定進行傳輸，該IEEE 820.15.4即為ZigBee傳輸協定，目前暫無中文名稱)、一控制單元112及一通訊控制晶片113，該冷氣機1尚包括有一電源供應器12，其係包括有：一電源，其係為一電源供應器25所構成；一紅外線感測器，23用以偵測人體的位置，並輸出一數值，此數值為人體位置資料，該紅外線感測器23係為一焦電型紅外線感測器(PIR)；一微控制單元22，用以接收紅外線感測器23所輸出人體位置資料，並可依據人體位置資料計算一活動量，再根據活動量輸出一控制指令，該微控制單元22更係包括有一中央處理器222、一通用型之輸入輸出埠(General Purpose I/O，GPIO)221、一通用非同步收發傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)224、一類比/數位轉換器(ADC)223。該通用型之輸入輸出埠221更係連接有一顯示單元26，該顯示單元26可用以顯示紅外線感測器23所傳輸的數值；而類比/數位轉換器223係可接收一靈敏度調整單元27所傳來調整控制數值，因該靈敏度調整單元27包含一可變電阻VR，該可變電阻VR的電阻值變大，即代表類比/數位轉換器223的感測電壓變小；該可變電阻VR的電阻值變小，即代表類比/數位轉換器223的感測電壓變大，如此便可控制紅外線感測器23的靈敏度；一無線傳輸單元21，接收微控制單元33所傳輸之控制指令，將該控制指令傳輸至該冷氣機1之控制電路11，該無線傳輸單元21亦使用電機電子工程師學會IEEE 820.15.4之通訊協定；一記憶單元24，用以暫存該微控制單元22之人體位置資料及活動量數據。

本發明之一種紅外線人體活動感測器偵測人體活動量的方法包括下列步驟：配置至少二個紅外線感測器，其中此些紅外線的感測器之掃瞄區域具有重疊區域及非重疊區域；利用此些紅外線感測器分別偵測一段時間內重疊區域及非重疊區域之人體位置資料，人體位置資料可為電壓信號變化資料；根據重疊區域及非重疊區域之人體位置資料分別建構重疊區域及非重疊區域之動能變化模型；以及計算重疊區域與非重疊區域之動能變化模型的總量，以獲得人體活動量的數值。

其中，該紅外線感測器係可為一焦電型紅外線感測器， 設置於一T型圓弧機構，紅外線感測器前端更係設置有一菲涅耳透鏡。

其中，該人體活動量的數值係藉由一無線通訊單元利用一ZigBee通信協定進行傳送。

其中，重疊區域與非重疊區域用以辨識人體活動位置。

其中，於根據重疊區域及非重疊區域之人體位置資料分別建構重疊區域及非重疊區域之動能變化模型之步驟後，更包括一分別對重疊區域及非重疊區域之動能變化模型進行權數處理之步驟。

請參閱圖三所示，係為本發明紅外線人體活動感測器之一實施例之結構示意圖，本實施採用多顆紅外線感測器，分別設置於一T型圓弧機構，且紅外線感測器前端更係設置有一菲涅耳透鏡(Fresnel LENS)(圖中未示)，調整各個具有菲涅耳透鏡至紅外線感測器最佳感測角度並以機構固定，而不同透鏡設計會有不同感測區域範圍。採用這樣的結構設計，優點有下列二點：

1.紅外線感測器在T型圓弧機構所擺放之最佳角度，以獲取紅外線感測器在空間中所能感測之最大與最佳涵蓋立體區域。

2.有了最大與最佳涵蓋感測立體區域之後，紅外線感測器與感測區域就固定，並可藉以映射(Mapping)回微控制器的韌體，配合紅外線感測器的相對訊號關係，推導出人體所在位置。

請參閱圖四所示，係為本發明利用三顆紅外線感測器產生重疊及非重疊之實施示意圖。紅外線感測器所感測之區 域具有部分重疊，重疊與非重疊區域所建構的動能變化模型需以不同權數加上計算，以獲得均勻的空間感測效果，重疊與非重疊區域因造成不同感測器具有相對輸出訊號亦可作為判斷人體活動位置所在的依據。

請參閱圖五A所示，係為本發明利用紅外線感測器所偵測之人體活動量之曲線圖，其中x軸座標為時間(t)；y軸座標為能量。由個人電腦實際擷取紅外線感測器信號，並經由動能變化模型與人體活動狀態判斷法程式模擬結果表現，請參閱圖五B所示，係為本發明紅外線感測器之信號圖，為人體位置資料，其中x軸座標為時間(t)；y軸座標為電壓(v)。確認可利用焦電型人體紅外線感測器判斷出區域內之人體活動狀態。

利用焦電型人體紅外線感測器根據人體位置資料以建構建構之動能變化模型之推論如下：

(1)動能變化功率p (t )=i (t )*v (t )

數位化之後可得，where

(2)考慮均方根值(rms)，whereT =nk

(3)考慮工作週期(duty cycle)之平均值 令，則可以e (T )=IS (T )，，三指標作為動能變化模型建構與人體活動量判斷之參考依據。

請同時參閱圖三至圖七所示，焦電型人體紅外線感測器設置於T型圓弧機構的感測角度之估算公式如下：

(1)令焦電型人體紅外線感測器感測角度圓錐角為，展開弧長為S(即如圖六所示)

則r=R tan，S=Rθ =2πr or

(2)三顆焦電型人體紅外線感測器2D重疊部分分析以=50° 3個(S₁ 、S₂ 、S₃ )例

令法線S₁ 、S₂ 、S₃ 定位於40⁰ 、90⁰ 、160⁰ (如圖四所示)

(3)3D空間分佈

以單個紅外線感測器(Sensor)為例，請同時參閱圖七所揭露圖式：投影長，

橫向投影半徑：，

(4)以三個紅外線感測器(Sensor)配置，請同時參閱圖三的T 型圓弧機構設計：若以左右60°、俯角30°及60°安排為實例。利用單位向量旋轉可知三個紅外線感測器之指向如下：

藉由上述圖一至圖七的揭露，即可瞭解本發明一種紅外線人體活動感測器架構及偵測人體活動量的方法，主要目的為利用焦電型人體紅外線(PIR)感測器透過電路、機構與動能變化檢測法設計，分析判斷出所在區域內之人體活動狀態，並將人體活動狀態資訊轉換成控制命令，透過家庭無線通訊標準介面，來設定冷氣或其他家電設備之運轉模式，以達減少區域內非必要耗能之功效。且於一空間中人體活動狀態，相對於焦電型人體紅外線感測器的輸出電壓信號變化程度是成正比的，人體活動狀態的高低程度，就 好比在空間中動能變化的增減趨勢，基於這種物理性質，將不同的人體活動狀態，依照焦電型人體紅外線感測訊號，所顯現出來的電壓信號變化程度建構出動能變化模型，並以監測演算方式分析判斷此模型之人體活動狀態，如此便可突破低成本焦電型人體紅外線感測器，僅能判斷人”在與不在”的二元判斷功能，進而提昇至具備檢知多元人體活動狀態的能力。本發明應用於冷氣機時，可不需增加太多成本來控制冷氣機的功率，具有極大的成效，故提出專利申請以尋求專利權之保護。

綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深富實施之進步性，極具產業之利用價值，且為目前市面上前所未見之運用，依專利法之精神所述，本發明案完全符合發明專利之要件。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

1‧‧‧冷氣機

11‧‧‧控制電路

111‧‧‧無線傳輸單元

112‧‧‧控制單元

113‧‧‧通訊控制晶片

12‧‧‧電源供應器

2‧‧‧紅外線人體活動感測器

21‧‧‧無線傳輸單元

211‧‧‧天線

22‧‧‧微控制單元

221‧‧‧通用型之輸入輸出埠

222‧‧‧中央處理器

223‧‧‧類比/數位轉換器

224‧‧‧通用非同步收發傳輸器

23‧‧‧紅外線感測器

24‧‧‧記憶單元

25‧‧‧電源供應器

26‧‧‧顯示單元

27‧‧‧靈敏度調整單元

3‧‧‧T型圓弧機構

圖一係為本發明紅外線人體活動感測器之一實施例之架構方塊圖；圖二係為圖一之較為詳細電路方塊圖；圖三係為本發明紅外線人體活動感測器之一實施例之結構示意圖；圖四係為本發明利用三顆紅外線感測器產生重疊及非重疊之實施示意圖；圖五A係為本發明利用紅外線感測器所偵測人體活動量之曲線圖；圖五B係為本發明紅外線感測器之信號圖；圖六係為本發明紅外線感測器之感測角度示意圖；圖七係為本發明單一紅外線感測器3D感測區域及其側視圖。

1‧‧‧冷氣機

11‧‧‧控制電路

111‧‧‧無線傳輸單元

112‧‧‧控制單元

113‧‧‧通訊控制晶片

12‧‧‧電源供應器

2‧‧‧紅外線人體活動感測器

21‧‧‧無線傳輸單元

22‧‧‧微控制單元

23‧‧‧紅外線感測器

24‧‧‧記憶單元

25‧‧‧電源供應器

Claims (22)

1. 一種紅外線人體活動感測器偵測人體活動量的方法，係包括下列步驟：配置至少二個紅外線感測器，其中該些紅外線的感測器之掃瞄區域具有重疊區域及非重疊區域；利用該些紅外線感測器分別偵測一段時間內該重疊區域及該非重疊區域之人體位置資料；根據該重疊區域及該非重疊區域之人體位置資料分別建構該重疊區域及該非重疊區域之動能變化模型；以及計算該重疊區域與該非重疊區域之動能變化模型的總量，以獲得人體活動量的數值，其中該計算該重疊區域與該非重疊區域之動能變化模型的總量，以獲得人體活動量的數值，其計算公式如下：(1)動能變化功率p (t )=i (t )*v (t ) 數位化之後可得，其中(2)考慮均方根值(rms)，其中T =nk (3)考慮工作週期(duty cycle)之平均值 令，則可以e (T )=IS (T )，，三指標作為動能變化模型建構與人體活動量判斷之參考依據。
2. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線人體活動感測器偵測人體活動量的方法，其中該些紅外線感測器係為一焦電型紅外線感測器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線人體活動感測器偵測人體活動量的方法，其中該些紅外線感測器係設置於一T型圓弧機構。
4. 如申請專利範圍第3項所述之紅外線人體活動感測器偵測人體活動量的方法，其中該些紅外線感測器若為三個時，設置於T型圓弧機構的感測角度之估算公式如下：(1)令該些紅外線感測器感測角度圓錐角為，展開弧長為S則r=R tan，S=Rθ =2πr or；(2)該些紅外線感測器2D重疊部分，當=50°，該些紅外線感測器之法線S₁ 、S₂ 、S₃ 分別定位於40⁰ 、90⁰ 、160⁰ ；(3)該些紅外線感測器之分別配置於左右60°、俯角30°及60°，利用單位向量旋轉可知三個紅外線感測器之指向如下：
5. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線人體活動感測器偵測人體活動量的方法，其中該紅外線感測器前端更係設置有一菲涅耳透鏡。
6. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線人體活動感測器偵測人體活動量的方法，其中該人體活動量的數值係藉由一無線通訊單元進行傳送。
7. 如申請專利範圍第6項所述之紅外線人體活動感測器偵測人體活動量的方法，其中該無線通訊單元係為利用一ZigBee通信協定進行傳輸。
8. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線人體活動感測器偵測人體活動量的方法，其中該重疊與非重疊區域用以辨識人體活動位置。
9. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線人體活動感測器偵測人體活動量的方法，其中該人體位置資料為電壓信號變化資料。
10. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線人體活動感測器偵測人體活動量的方法，其中於根據該重疊區域及該非重疊區域之人體位置資料分別建構該重疊區域及該非重疊 區域之動能變化模型之步驟後，更包括：分別對該重疊區域及該非重疊區域之動能變化模型進行權數處理。
11. 一種紅外線人體活動感測器架構，其係包括有：一紅外線感測器，用以偵測人體的位置，並輸出一人體位置資料；一微控制單元，用以接收紅外線感測器所輸出之該人體位置資料，並可依據該人體位置資料計算一活動量，該微控制單元根據該人體位置資料建構一動能變化模型，以計算一重疊區域與一非重疊區域之動能變化模型的總量，以獲得人體活動量的數值，該計算該重疊區域與該非重疊區域之動能變化模型的總量，以獲得人體活動量的數值，其計算公式如下：(1)動能變化功率p (t )=i (t )*v (t ) 數位化之後可得，其中(2)考慮均方根值(rms)，其中T =nk (3)考慮工作週期(duty cycle)之平均值 令，則可以e (T )=IS (T )，，三指標作為動能變化模型建構與人體活動量判斷之參考依據；以及一記憶單元，用以暫存該微控制單元之人體位置及活動量數據。
12. 如申請專利範圍第11項所述之紅外線人體活動感測器架構，其中該微控制單元更根據該活動量輸出一控制指令，且該紅外線人體活動感測器架構更係包括有：一傳輸單元，接收微控制單元所傳輸之控制指令，可與一電子產品之控制電路進行傳輸，並將該控制指令傳輸至該電子產品之該控制電路。
13. 如申請專利範圍第12項所述之紅外線人體活動感測器架構，其中該微控制單元更係包括有一中央處理器、一通用型之輸入輸出埠、一通用非同步收發傳輸器、一類比/數位轉換器。
14. 如申請專利範圍第13項所述之紅外線人體活動感測器架構，其中該通用型之輸入輸出埠更係連接有一顯示單元。
15. 如申請專利範圍第13項所述之紅外線人體活動感測器架構，其中該類比/數位轉換器更係連接一靈敏度調整單元，且該靈敏度調整單元至少包含一可變電阻。
16. 如申請專利範圍第12項所述之紅外線人體活動感測器 架構，其中該傳輸單元係為無線傳輸單元。
17. 如申請專利範圍第16項所述之紅外線人體活動感測器架構，其中該無線傳輸單元係為利用一ZigBee通信協定進行傳輸。
18. 如申請專利範圍第16項所述之紅外線人體活動感測器架構，其中該無線傳輸單元更係包括有一天線。
19. 如申請專利範圍第11項所述之紅外線人體活動感測器架構，其中該紅外線感測器係為一焦電型紅外線感測器。
20. 如申請專利範圍第11項所述之紅外線人體活動感測器架構，其中該紅外線感測器係設置於一T型圓弧機構。
21. 如申請專利範圍第11項所述之紅外線人體活動感測器架構，其中該紅外線感測器前端更係設置有一菲涅耳透鏡。
22. 如申請專利範圍第11項所述之紅外線人體活動感測器架構，其中更包括一電源，且該電源係指一電源供應器。