赤外線で通信する 出入り検知器（その１）

 PICを使った 赤外線の送受信及びタイマーと割込みの扱いが理解出来たので、これを応用して人の移動を検知してアクションを起こす簡易なセンサー（入退出検出器）を作ってみる。

【概要】

　人の出入りを検知するには焦電素子を使った人感センサーを先ず思いつくが、これは指向性や反応速度が緩いうえに焦電センサーは赤外線輻射量の変化を検知するので前を通る車や風にも反応し条件が整わないと上手く反応できない。超音波やマイクロ波を使ったレーダー式は周囲に物を置いた状態では検知しずらい。カメラの画像解析は良さそうだが高価になりそうという事で、光電管式ネズミ捕りと同様な仕組みをこれまで試した赤外線を使って作ってみる事とした。

　基本的なアイデアは次の通り。

　送信部では赤外線をある短い間隔で水平に発信する。受信部では水平に離れた2点で赤外線を受信し、人が赤外線を横切った場合の赤外線の断を検知して人の移動を判断し何らかのアクションを行う。

【検討】

　赤外線の遮蔽を的確に検知するには短いパルス状の信号を連続的に送る事が好ましいがリモコン受光部の特性から100msの周期中に25msの休止も必要。ノイズの影響を排除するためには偽信号をチェックするカラクリも欲しい。一般にUARTの信号にはパリティを付加できるがPICのEUSARTにパリティの機能は無い。但しデータに9ビット目を付加できるのでソフト的にパリティビットを実現することは可能であるが面倒、という事でビット反転させた2つのデータを連続して送る事で到達チェックすることにした。これで最短34ms毎の検出が可能となる（実際には約40msに設定した）。ちなみに本装置の受光部はTV等のリモコンの赤外線にも反応するが、このやり方で誤検知を防ぐことができる。

　人の移動速度はせいぜい時速4Km（秒速1.1m）とし、人の前後の厚みを25cmと仮定すると1つのセンサーの前を人が通過するのに必要な時間は227msとなるので送信部で40ms毎に信号を出すと受光部で最低5回のパルスの欠落が発生し探知が可能である。

　では2つのセンサーの間隔はどれくらい必要だろうか。出来れば1回でも人が両方のセンサーを同時に遮蔽することが望ましいので20cmでトライしてみよう。20cmの間隔を秒速1.1mで進むと1つ目のセンサーを通過した後2つ目のセンサーに到達するのに180msかかり、その間40ms毎のパルスを4回は遮る事になる。これで検知区間の単独の通過とその進行方向を検知できる。

　さて2つのセンサーで人の出入りを監視するロジックであるが、単に出入りのチェックだけやるのであれば簡単であるが、途中で引き返したり、真ん中に長時間留まって多少左右に動いて作業したり、TV等のリモコンの赤外線に干渉されたり、実用に使うには様々な問題がある。それらを含めてどれだけだけ正確に検知できるか、がソフト作りの腕の見せ所である。

 とりあえずこれまでの経験をもとに次のようなハードウェアを作成した。

【送信部】 

　送信部は次の回路とした。回路で新しく追加したのはA/D変換器を使ってバッテリー電圧を監視できるようにしたところ。バッテリー電圧が概ね2.7Vまで下がると電圧低下の警告が出るようにし、また送信信号にもその情報を入れるようにして受信側で警告が出せるようにした。PICを使うとバラで組むより配線をかなり簡略化できるのが嬉しい。

　次の写真が実際に秋月の汎用基板に組み立てたところ。黄色LEDは割込み処理中に点灯し、赤色LEDはバッテリー電圧低下(2.7V位)で点灯させる。LEDごとにシリーズ抵抗が違うが、黄色はデューティ比が低い一方赤色は連続点灯なので、LEDの明るさを見て暗めの適当な明るさに調整した結果である。この回路全体の消費電流は2.5mA。単2電池二本で数ヶ月持つ事を想定してる。電池3本（4.5Vでも問題なく使える）。

　その後PICを同じペリフェラルを持つ16F18313（8ピン）に替えたがピンの接続変更、及びソフトでのピンマッピング(PPS）の変更以外は何もせずそのまま動いた。

【受信部】

　受信部は次の回路とし、新しく音声合成ICとスピーカを鳴らすためのオーディオアンプを追加した。PICと音声合成ICのインターフェイスはUARTも使えるがPICの2組のEUSARTを赤外線入力に使って余裕が無かったためI2Cを使った。音声合成ICのUARTインターフェイスはPCと繋ぎPCから音声データの発声テストを出来るようにしている。JP3は人の入退室方向を反転させるためのジャンパー、JP4はPICのUSART2をデバッグ用インターフェイスとして使う場合にショートする予定だったがこれまでの所出番はなかった。

 　この回路の消費電流は定常時で10mA程度であるが音声発声時に大きく増えるためUSBで電源供給するようにした。また電池駆動も考え、電源電圧が約4.5Vまで低下すると警告を出すようにした。

　次の写真が実際にこの回路を秋月の汎用基板に組み立てたところ。28ピンの音声合成ICが大きな面積を占有している。

なお、PICから制御信号を出す事で音声合成ICやオーディオアンプをスタンバイ状態において更に消費電力を減らす事も可能なようなので後で検証したい。

 
（その2）へ続く