可穿戴设备和使用可穿戴设备测量风速和风向的方法与流程

本申请涉及可穿戴设备技术，特别是涉及一种可穿戴设备和使用所述可穿戴设备测量风速和风向的方法。

背景技术：

可穿戴设备即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能，可穿戴设备将会对我们的生活、感知带来很大的转变。

可穿戴设备越来越多地出现在人们生活中。在一些户外活动中，例如高尔夫球、无人机航拍、帆船、冲浪，风速和风向是影响运动者行为的重要参考。现有的便携式测风设备以旋转式风速计和热线风速计为主，旋转式风速计容易受到机械摩擦的影响，而且体积一般较大不方便使用，而热线风速计只能测量风速，而不能测量风向，即目前的这些设备大部分都是单一产品，即仅仅是得出风速结果即可。

技术实现要素：

本申请提供了一种可穿戴设备和使用所述可穿戴设备测量风速和风向的方法，以解决现有技术中无法同时测量风速和风向的问题。

为了解决上述问题，本申请公开了一种可穿戴设备，包括：环状腕带、控制器和热膜风速传感器，其中，所述控制器设置在所述环状腕带内；

所述环状腕带围成的圆柱形外表面上均匀设置至少六个热膜风速传感器，所述热膜风速传感器，用于测量所述环状腕带外表面的空气流速；

所述控制器，用于根据所述热膜风速传感器测量的空气流速计算风速和风向。

可选的，所述控制器包括：三轴加速度传感器、三轴磁传感器和微控制器；

所述三轴加速度传感器，用于测量所述可穿戴设备的重力方向；

所述三轴磁传感器，用于测量可穿戴设备的地磁方向；

所述微控制器，用于根据所述重力方向判断所述可穿戴设备在测量空气流速时是否处于水平状态，以及根据所述地磁方向计算所述环可穿戴设备相对于大地坐标系的风向；并根据所述热膜风速传感器测量的空气流速、所述水平状态和可穿戴设备相对于大地坐标系的风向计算风速和风向。

可选的，所述控制器还包括：显示模块，所述显示模块用于显示所述微控制器计算的风速和风向结果。

可选的，所述控制器还包括：通信模块，所述通信模块用于与终端设备连接，将风速和风向结果发送至所述终端设备。

可选的，在所述环状腕带上设置有指示灯，所述指示灯与所述微控制器连接；

所述微控制器，还用于控制所述指示灯根据所述三轴加速度传感器测得的重力方向，显示对应的颜色。

可选的，所述热膜风速传感器有六个，且互成60度设置。

可选的，所述可穿戴设备还包括：软垫，所述软垫设置在所述环状腕带的内表面，以支撑所述手环腕带的外表面围成圆柱表面。

可选的，所述软垫采用弹性材料制成。

为了解决上述问题，本申请还公开了一种可穿戴设备测量风速和风向的方法，包括：

控制器获得由所述环状腕带的圆柱形外表面上均匀设置的至少六个热膜风速传感器测量的所述环状腕带外表面空气流速；

控制器根据所述空气流速计算风速和风向。

可选的，所述控制器包括：三轴加速度传感器、三轴磁传感器和微控制器；

所述控制器根据所述空气流速计算风速和风向的步骤包括：

所述微控制器根据三轴加速度传感器测量的重力方向判断所述可穿戴设备在测量空气流速时是否处于水平状态；

当所述微控制器测得所述可穿戴设备在测量空气流速时处于水平状态时，根据所述热膜风速传感器测量的最小的空气流速确定风向所属的风向区域；

将所述风向区域内的热膜风速传感器输出的空气流速作为平坦值，根据所述平坦值查找二维表，确定所述平坦值对应的风速作为近似风速，所述二维表中存储有标定的空气流速、风速和风向的对应关系；

根据所述近似风速查找标定表，确定近似风速对应的标定的空气流速，所述标定表中保存有近似风速与标定的空气流速的对应关系；将所述标定的空气流速与所述热膜风速传感器测量的空气流速进行比较，若一致，则根据热膜风速传感器测量的空气流速查找所述热膜风速传感器的输出曲线，获得热膜风速传感器测量的空气流速对应的风向；

所述微控制器根据所述风向查找二维表，确定出所述风速；

微控制器根据三轴磁传感器测得地磁方向，将所述修正风向转换到大地坐标系的风向，作为所述风向。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

本申请提供的可穿戴设备，通过在所述环状腕带的外表面围成的圆柱形外表面上均匀设置的至少六个热膜风速传感器，所述热膜风速传感器用于测量所述环状腕带外表面的空气流速；所述控制器用于根据所述热膜风速传感器测量的空气流速计算风速和风向，从而实现了同时测量风速和方向。

当然，实施本申请的任一产品不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1是本申请实施例一所述一种可穿戴设备的结构框图；

图2是本申请实施二所述一种可穿戴设备的结构框图；

图3-a是本申请所述热膜风速传感器输出曲线示意图；

图3-b是本申请所述热膜风速传感器输出曲线示意图；

图3-c是本申请所述热膜风速传感器输出曲线示意图；

图4是本申请控制器的结构框图；

图5是本申请所述一种可穿戴设备的结构框图；

图6是本申请使用所述可穿戴设备测量风速和风向的方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

实施例一

参照图1，其示出了本申请实施例一所述一种可穿戴设备的结构框图，具体包括：环状腕带1、控制器2和热膜风速传感器4，其中，控制器2设置在所述环状腕带1内。

所述环状腕带1围成的圆柱形外表面上均匀设置的至少六个热膜风速传感器4，所述热膜风速传感器4，用于测量所述环状腕带外表面的空气流速。

所述控制器2，用于根据所述热膜风速传感器4测量的空气流速计算风速和风向。

所述控制器2根据所述热膜风速传感器4测量的空气流速分布与风速和风向的关系，计算出风速和风向。

环状腕带呈圆环形，由所述环状腕带的外表面围成一个圆柱，这样当地面风垂直于圆柱时，圆柱表面各处的流速分布由风速和风向决定，因此由所述环状腕带围成的圆柱形外表面上均匀设置的至少六个热膜风速传感器测量所述环状腕带外表面的空气流速。

一般地面风可以认为是平行于地面，在平地上测量地面风时，圆柱垂直于地面风。

需要说明的是，由所述环状腕带的外表面围成一个圆柱可以是空心圆柱，也可以是曲面形状，该曲面形状为圆柱即可，对此本申请不做具体限制。

在优选实施例中，该可穿戴设备可为可穿戴智能手环，当然，在其他的实施例中，也可为可穿戴眼镜、可穿戴戒指或可穿戴手镯或可穿戴智能手表等，并不局限于本案中的可穿戴智能手环。

例如：以可穿戴设备为可穿戴智能手环为例，说明测量风速和风向的过程，将可穿戴智能手环水平放置，可穿戴智能手环为固态圆形，可以近似看作圆柱，在手环腕带的外表面围成的圆柱形外表面上均匀设置的至少六个热膜风速传感器上或更多热膜风速传感器。当地面风吹过手环时，使用热膜风速传感器测量出手环腕带外表面各点的空气流速，控制器根据所述热膜风速传感器测量的空气流速计算风速和风向。

需要说明的是，热膜风速传感器可以为微机电系统mems热膜风速传感器，也可以为其他传感器，对此本申请不做具体限制。

本实施例，首先，通过在所述环状腕带的外表面围成的圆柱形外表面上均匀设置的至少六个热膜风速传感器，所述热膜风速传感器用于测量所述环状腕带外表面的空气流速；所述控制器根据所述热膜风速传感器测量的空气流速计算风速和风向，从而实现了同时测量风速和方向。

其次，由所述环状腕带围成的圆柱形外表面上均匀设置至少六个热膜风速传感器，由于热膜风速传感器占用体积小，不会使可穿戴设备体积显著增大，便于携带，不受机械摩擦的影响。

实施例二

参照图2，其示出了本申请实施例二所述一种可穿戴设备的结构框图，具体包括：环状腕带1、控制器2、软垫3和热膜风速传感器4，其中，控制器2设置在所述环状腕带1内。

为了保证可穿戴设备的圆柱外形，所述环状腕带呈圆环形，同时为了使可穿戴设备与使用者更好的贴合，在所述环状腕带1的内表面设置软垫3，以支撑所述环状腕带1围成的圆柱形外表面，环状腕带1内部设有控制器2，环状腕带围成的圆柱形外表面上设置有六个热膜风速传感器4，六个热膜风速传感器4均匀分布，且互成60度设置，从而使热膜风速传感器4能够测量360°方向范围内的地面风。

环状腕带1还可以设置七个热膜风速传感器4，或者八个热膜风速传感器4，或者更多热膜风速传感器4，且均匀分布在环状腕带1的外表面围成的圆柱表面上。

热膜风速传感器的数量之所以至少为6个或6个以上的原因是与环状腕带围成的圆柱形外表面空气流速的分布规律有关。图3-a、图3-b、图3-c中列出了该环状腕带设置的6个热膜风速传感器，且互成60度设置，并且雷诺数不同时，该六个点(a,b,c,d,e,f)处表面空气流速与风速和风向的关系。其中re指雷诺数，其定义为：

其中，ρ是流体密度，v是流体速度，d是特征尺寸，μ是流体动力黏度。对于地面风吹过圆柱的情况，流体是空气，特征尺寸是圆柱直径。假设可穿戴设备直径80mm，标准空气条件下，1m/s风速对应re＝5.3×10³，10m/s风速对应re＝5.3×10⁴。从图3-a可以看出，圆柱表面一点的表面空气流速随风向的分布曲线具有长度超过180°、接近240°的平坦区，这一分布曲线也是圆柱表面一个热膜风速传感器的输出曲线。如果只放置5个热膜风速传感器,根据所述每个传感器输出有接近240度的平坦区，于是会有5个区域出现4条输出曲线都在平坦区(以a传感器为0度，这5个区域分布是-12～12、60～84、132～156、204～228、276～300度，即每个传感器的左右各12度)，无法计算风向。举例来说就是，风向在a传感器左右12度范围内时，bcde的输出都差不多，a传感器的输出曲线却是一个v型，不单调，不能确定唯一的解。如果有6个传感器，根据所述每个传感器输出有接近240度的平坦区，恰好能保证不会有任何区域上有5个传感器输出都在平坦区，即，恰好能保证在任何角度区域上都有至少两个传感器的输出不在平坦区，进而可进行风向的计算。

需要说明的是，软垫可以采用非弹性材料或者弹性材料制成，优选的，所述软垫采用弹性材料制成，对此本申请不做具体限制。

参见图4，其示出了本申请控制器的结构框图，该控制器2具体包括：微控制器5、三轴加速度传感器6和三轴磁传感7器。

三轴加速度传感器6用于测量所述可穿戴设备的重力方向，微控制器5根据所述重力方向，判断可穿戴设备在测量风速时是否基本处于水平，从而提高测量风速的精度。

三轴磁传感器7用于对测量可穿戴设备的地磁方向，微控制器5根据地磁方向计算可穿戴设备的空气流速相对大地坐标系的风向。

微控制器5根据从热膜风速传感器4测量的空气流速、三轴加速度传感器6根据测得水平状态和三轴磁传感器7根据测得的可穿戴设备的空气流速相对于大地坐标系的风向，计算风速和风向。

进一步的，为了将微控制器5计算的风速和风向结果进行输出，控制器2还包括显示模块8，所述显示模块8用于显示所述微控制器5计算的风速和风向结果。

进一步的，所述控制器2还包括：所述通信模块9用于与终端设备连接，将风速和风向结果发送至所述终端设备。

通信模块9与终端设备连接，将显示模块8的显示所述微控制器5计算的风速和风向结果发送至终端设备。

终端设备可以为智能手机、pda、掌上电脑(ppc)和游戏机(psp)等。本领域技术人员应能理解上述移动终端仅为举例，其他现有的或者今后出现的移动终端也可适用本申请，也应包含在本申请保护范围以内

需要说明的是，控制器中的显示模块可以设置一个或者多个，控制器中的通信模块也可以设置一个或多个，对此本申请不做具体限制。

进一步的，所述控制器2还包括：电池10，所述电池10用于向所述控制器2提供电源，即电池用于为控制器中的所有设备以及热膜风速传感器提供电源。

进一步地，如图5所示，为了方便使用者获知可穿戴设备是否处于水平，可以在所述环状腕带上设置有指示灯11，所述指示灯11与所述微控制器5连接，所述微控制器5，还用于控制所述指示灯根据所述三轴加速度传感器6测得的重力方向显示对应的颜色。

在手环腕带的侧面均匀放置了若干led指示灯，可以双色显示。当手环腕带内部有电路连接led指示灯和微控制器时。微控制器根据三轴加速度传感器测得的重力方向，控制led指示灯11亮起，以不同颜色指示手环哪个方位过高、哪个方位过低，从而保持可穿戴设备水平放置。

本实施例，首先，通过在控制器中设置三轴加速度传感器、三轴磁传感器和微控制器，该微控制器利用三轴加速度传感器和三轴磁传感器的测量结果以及热膜风速传感器测量的空气流速计算风速和风向。

其次，通过在环状腕带设置指示灯，使微控制根据三轴加速度传感器测得的重力方向，控制所述指示灯根据所述测得的重力方向发出不同的颜色，从而确定可穿戴设备的高低，以便于进行调整，保持可穿戴设备水平放置。

再次，通过设置软垫，可以保证环腕带的外表面围成圆柱表面，并且该软垫采用弹性材料，从而使可穿戴设备能很好与使用者。

为了本领域技术人员更好的理解本申请限定的技术方案，以可穿戴设备为手环为例，说明一下手环测量风速和风向的过程。

以在手环上设置6个mems热膜风速传感器4的情况为例进行说明，在手环测量风速和风向时，尽量抬高伸直手臂，避免身体部位对风的干扰，然后校正手环基本水平，三轴加速度传感器用于测量所述可穿戴设备的重力方向，微控制根据所述重力方向，判断可穿戴设备在测量风速时是否基本处于水平。三轴磁传感器用于对测量可穿戴设备的地磁方向，微控制器根据地磁方向计算可穿戴设备的空气流速相对大地坐标系的风向。微控制器根据从热膜风速传感器测量的空气流速、三轴加速度传感器的重力方向的数据和三轴磁传感器的地磁方向的数据，计算风速和风向。

实施例三

参照图6，其示出了本发明实施例三所述的可穿戴设备测量风速和风向的方法的流程图。

步骤601：控制器获得由所述环状腕带的圆柱形外表面上均匀设置至少六个热膜风速传感器测量的所述环状腕带外表面的空气流速；

步骤602：控制器根据所述空气流速计算风速和风向。

优选的，所述控制器包括：三轴加速度传感器、三轴磁传感器和微控制器。

所述控制器根据所述空气流速计算风速和风向的步骤包括：

步骤6021：所述控制器中的微控制器根据三轴加速度传感器测量的重力方向判断所述可穿戴设备在测量空气流速时是否处于水平状态，当可穿戴设备在测量空气流速时处于水平状态时，执行步骤6022。

步骤6022：根据所述热膜风速传感器输出的最小的空气流速确定风向的所属的风向区域。

风向区域可以在0-360度的范围内变化，以图3-a为例，可以看出风向分为0～30和330～360度区域共同构成了一个区域，即-30度-30度区域、30～90度区域、90～150度区域、150～210度区域、210～270度区域、270～330度区域，然后热膜风速传感器a、b、c、d、e、f分别在各个区域内测量空气流速，具有最小的输出。测量时，从6个热膜风速传感器测量的空气流速中选择出最小的空气流速，从而根据选择出最小的空气流速所对应的传感器确定风向的所属的风向区域，例如：最小的空气流速是由a传感器所输出的，而a传感器在0～30和330～360度区域内具有最小的输出，则将0-30度和330～360度区域作为风向的所属区域，然后基于此进行后续运算。

步骤6023：将所述风向区域内的热膜风速传感器输出的空气流速作为平坦值，例如：在0～30度和330～360度区域，传感器c、d、e的输出的空气流速在平坦区，可将这三个热膜风速传感器输出的空气流速进行平均计算获得平均值，将平均值作为平坦值或任意一个热膜风速传感器输出作为平坦值。因此根据所述平坦值查找二维表，确定所述平坦值对应的风速作为近似风速，所述二维表中存储有标定的空气流速、风速和风向的对应关系，也就是说二维表中存储的是可穿戴设备的标定的空气流速、可穿戴设备的风速和可穿戴设备的风向的对应关系。

二维表中预先存储有标定的空气流速、风速风向的对应关系，根据二维表中标定的空气流速、风速和风向，可以绘制出传感器在某个风速情况下的输出与风向的关系曲线，或在某个风向情况下的输出与风速的关系曲线。由于传感器输出曲线的平坦值总是和传感器在风向180度时的输出近似，所以根据二维表绘制传感器在180度风向情况下的输出与风速的关系曲线，可由已确定的平坦值查找出近似风速。

步骤6024：根据所述近似风速查找标定表，确定近似风速对应的标定的空气流速，所述标定表中保存有近似风速与标定的空气流速的对应关系；将所述标定的空气流速与所述热膜风速传感器测量的空气流速进行比较，若一致，则根据热膜风速传感器测量的空气流速查找所述热膜风速传感器的输出曲线，获得所述热膜风速传感器测量的空气流速对应的风向。

需要说明的是，可以将标定表中的数据插入到二维表中，也可以单独放置，对此本申请不做具体限制。

根据热膜风速传感器测量的空气流速绘制出所述热膜风速传感器的在此近似风速情况下的输出与风向的关系曲线，并通过平移扩展成与图3-a中所示相似的曲线图(6个传感器的输出在此近似风速情况下的输出与风向的关系曲线绘制在一起)。根据若干个传感器输出结果，在这幅曲线图中的已确定的风向区域内搜索一个风向角度，使得图上此风向下的各热膜风速传感器输出的与测得的热膜风速传感器输出的最接近，将此风向角度作为所述可穿戴设备的风向。

步骤6025：所述微控制器根据所述风向查找二维表，确定出所述风速，将所述修正风速作为所述热膜风速传感器输出的空气流速对应的风速。

步骤6026：微控制器根据三轴磁传感器测得地磁方向，将所述风向转换到大地坐标系的风向。

步骤6027：显示模块显示所述风速和风向。

本实施例，首先，通过在由所述环状腕带的外表面围成的圆柱表面上均匀设置至少六个热膜风速传感器，所述热膜风速传感器用于测量所述环状腕带外表面的空气流速；所述微控制器根据所述热膜风速传感器测量的空气流速计算风速和风向，从而实现了同时测量风速和方向。

其次，由所述环状腕带的外表面围成的圆柱表面上均匀设置至少六个热膜风速传感器，由于热膜风速传感器占用体积小，不会使可穿戴设备体积显著增大，便于携带，不受机械摩擦的影响。

需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本申请所必需的。

对于上述方法实施例而言，由于其与装置实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见所示装置实施例的部分说明即可。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域技术人员易于想到的是：上述各个实施例的任意组合应用都是可行的，故上述各个实施例之间的任意组合都是本申请的实施方案，但是由于篇幅限制，本说明书在此就不一一详述了。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

以上对本申请所提供的一种可穿戴设备和使用所述可穿戴设备测量风速和风向的方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。