触觉雨水传感器的制作方法

本申请要求2016年5月13日提交的名称为hapticrainsensor的美国临时专利申请no.62/335,945的优先权，该美国临时专利申请出于所有目的通过引用并入本文。

背景技术：

天气感测和预报设备对于为天气改变和自然灾害作准备而言是有用的。随着天气感测和预报设备变得对消费者来说更加紧致和可访问，这些设备在家和小企业（诸如，农场）中找到应用。天气感测设备在家和小企业中的部署允许收集和确定与特定位置的天气和环境有关的信息。然而，典型地，传统天气感测设备是功率密集型的。附加地，传统天气感测设备可能不准确。

附图说明

在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。

图1是图示了用于对雨进行感测的系统的实施例的框图。

图2是图示了用于对雨进行感测的系统的实施例的框图。

图3是图示了用于对雨进行感测的过程的实施例的流程图。

图4是图示了用于对雨进行感测的过程的实施例的流程图。

图5是图示了用于对雨进行感测的过程的实施例的流程图。

图6是图示了用于对雨进行感测的设备的实施例的框图。

图7是图示了用于对雨进行感测的设备的实施例的框图。

具体实施方式

本发明可以以许多方式实现，这些方式包括被实现为：过程；装置；系统；物质组成；体现在计算机可读储存介质上的计算机程序产品；和/或处理器，诸如被配置成执行指令的处理器，该指令被存储在耦合到该处理器的存储器上和/或由该存储器提供。在本说明书中，这些实现方式或本发明可采取的任何其他形式可以被称作技术。一般地，可以在本发明的范围内更改所公开的过程的步骤的次序。除非以其他方式声明，被描述为被配置成执行任务的部件（诸如处理器或存储器）可以被实现为：一般部件，其暂时被配置成在给定时间处执行该任务；或者具体部件，其被制造成执行该任务。如本文所使用，术语“处理器”指代被配置成处理数据（诸如，计算机程序指令）的一个或多个设备、电路和/或处理核。

下面连同图示了本发明原理的附图一起提供本发明的一个或多个实施例的详细描述。结合这样的实施例描述本发明，但本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限制，并且本发明涵盖了许多可替换方案、修改和等同物。在以下描述中阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。这些细节是出于示例的目的而提供的，并且，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下根据权利要求来实践本发明。出于清楚的目的，未详细描述本发明相关技术领域中已知的技术材料，使得不会不必要地使本发明模糊。

公开了一种用于检测降水的触觉雨水传感器和方法。在一个方面中，该触觉雨水传感器可以测量降雨特性，在各种实施例中，该降雨特性包括降雨开始、速率、量（例如，累积和/或强度）、液滴大小分布和幅度中的一个或多个。与传统降雨测量设备相比，本文描述的系统更准确、具有更少误报（falsepositive）读数、且更有功率效率。

在各种实施例中，一种触觉雨水传感器包括压电传感器和处理器。处理器可以经由通信接口从压电传感器接收信号。处理器可以被配置成：以采样率对信号进行采样；确定经采样的信号的频域表示；确定与经采样的信号相关联的谐振频率的幅度满足阈值；以及至少部分地基于谐振频率的幅度满足阈值的确定来确定有效降水事件。

在各种实施例中，一种触觉雨水传感器包括电容式传感器、压电传感器和处理器。电容式传感器可以被配置成检测降水的存在。处理器可以被配置成至少部分地基于压电传感器的输出来检测降水的特性（例如，雨开始、强度和累积）。例如，压电传感器可以测量降雨速率。可以将来自压电传感器和电容式传感器中的每一个的数据进行组合，以提供准确读数并减少误报读数。在各种实施例中，压电传感器可以被配置成响应于由电容式传感器检测到降水的存在而被通电。例如，电容式传感器允许当检测到降水事件时唤醒压电传感器。在其他时间处，压电传感器可以被断电以降低系统功率使用率。

图1是图示了用于对雨进行感测的系统的实施例的框图。在该示例中，该系统包括压电传感器110和处理器100。

压电传感器110被配置成通过将所测量的压力（例如，触觉效应）转换成电荷来测量降雨的特性。压电传感器的示例是图2的压电传感器202。

处理器100包括采样器104、信号变换器106和确定逻辑108。采样器204可以以预定义采样率对从压电传感器接收到的信号进行采样。信号变换器10可以确定经采样的信号的频域表示（例如，应用傅里叶变换）。确定逻辑可以被配置成执行体现为在处理器上运行的代码的指令。确定逻辑可以检测降水事件和/或验证压电或其他触觉传感器读数与降水相关联。处理器100可以被配置成执行图3中所示的过程。

图2是图示了用于对雨进行感测的系统的实施例的框图。在该示例中，该系统包括压电传感器202、电容式传感器204、模数转换器（adc）212和处理器200。

压电传感器202被配置成通过将所测量的压力（例如，触觉效应）转换成电荷来测量降雨的特性。在各种实施例中，压电传感器测量压力、加速度、温度、应力或力的改变。压力、加速度、温度、应力或力的改变可能由降雨导致。因此，降雨的特性可以通过压电（例如，触觉）效应而测量。压电传感器可以由包括压电传感器、压电检测器和压电换能器的多种压电元件实现。压电传感器的示例是图1的压电传感器110。

电容式传感器204被配置成检测降水的存在或开始。例如，电容式传感器可以检测正在下雨或者已经开始下雨。在各种实施例中，可以使用由电容式传感器作出的传感器读数以消除误报。在各种实施例中，在压电传感器对液滴的力进行采样的同时，电容式传感器输出也被记录。将压电元件和电容式传感器的值进行比较。如果值不对应于有效雨滴，则值被丢弃。也就是说，值可能已经由除降水外的事物（诸如，经过的鸟）导致。如果值不对应于有效雨滴，则这可以被视为无效降水事件。关于图3进一步描述用于确定和消除误报的过程的示例。尽管在本文公开的各种实施例中使用电容式传感器以检测和/或验证降水事件，但在各种实施例中可以使用一种或多种其他类型的传感器以检测降水事件和/或验证压电或其他触觉传感器读数与降水相关联。例如，图1和3图示了用于基于体现在非瞬变计算机可读介质中的指令集检测和/或验证触觉传感器读数的系统和过程。

处理器200被配置成响应于由电容式传感器204作出的电容式读数而被通电，且基于由压电传感器202作出的压电读数来确定降雨特性。在缺省状态中，处理器200可以休眠以节约功率。例如，响应于由电容式传感器检测到的有效降水事件而唤醒处理器。如果在预定义采样时段期间电容式传感器未检测到降水，则处理器可以对其自身断电和/或对压电传感器202断电。在图4中示出了用于唤醒处理器的过程的示例。

在各种实施例中，当降水事件被电容式传感器204检测到时，对处理器200通电。处理器然后可以对压电检测器通电并将来自全部两个传感器的信号进行组合，以确定降水的特性，诸如液滴大小和液滴计数。在采样时段的结尾处，液滴的数目和大小可以用于计算降雨速率和/或液滴大小分布。

在一些实施例中，系统包括放大器206。该放大器被配置成处理压电传感器读数。例如，该放大器可以放大由压电传感器检测到的信号。这可以改进准确度。

在一些实施例中，系统包括峰值检测器208。该峰值检测器被配置成处理压电传感器读数以识别雨滴的大小。

在操作中，压电传感器202测量雨滴特性，诸如液滴大小或质量。例如，压电元件通过将雨滴的力转换成电信号来检测液滴的大小。在一些实施例中，信号被传递到放大器206和峰值检测器208。当电压下降回到零时，处理器200被唤醒并使用adc212将电信号转换成电压。在转换之后，处理器200重置峰值检测器。

图3是图示了用于对雨进行感测的过程的实施例的流程图。图3的过程可以至少部分地被实现在图1中所示的系统的一个或多个部件上。例如，处理器100可以被配置成执行图3的过程。

在302处，从压电传感器接收信号。该信号可以由可能的降水事件（例如，雨滴或雨滴集合）导致，并且图3的过程可以基于从压电传感器接收到的信号来确定降水事件是有效的还是无效的。压电传感器的示例是图1的110和图2的202。

在304处，以采样率对信号进行采样。该采样率可以是预定义的。例如，该采样率可以是基于预期降水的特性或类型来选择的。在各种实施例中，该采样率是与经采样的信号相关联的谐振频率的两倍。

在306处，确定经采样的信号的频域表示。在各种实施例中，将傅里叶变换应用于经采样的信号，以获得经采样的信号的频域表示。

在308处，确定谐振频率的幅度是否满足阈值。在各种实施例中，该谐振频率是与经采样的信号相关联的谐振频率。该阈值可以是基于预期谐振频率而选择的预定义阈值。在一些实施例中，该阈值是经采样的信号的平均幅度的10倍。至少部分地基于谐振频率超过阈值来确定降水事件是否有效。

如果确定谐振频率的幅度满足阈值，则确定降水事件是有效的（310）。有效降水事件是与降水相对应的事件（例如降雨、雪、冰雹等）。否则，如果确定谐振频率的幅度不满足阈值，则确定降水事件是无效的（314）。无效降水事件是不与降水相对应的事件。例如，可能由于某人在传感器附近修剪草坪、对安装构造的撞击、或者经过的鸟在传感器上留下纪念而已经拾取到信号。

如果降水事件是有效的，则该过程继续至312，在312中，确定一个或多个降水特性。可确定的降水特性包括液滴大小、降水速率、降水大小的分布等等。液滴大小可以是降水单位（诸如雨滴、雪片等）的大小或质量。降水速率可以是在给定时间段期间的降水速率，诸如降雨速率或强度。例如，处理器可以将降雨强度确定和分类在小雨、中雨和暴雨之间。采样准确度可以基本上是瞬时的且准确到±0.2mm/hr。降水大小的分布可以是液滴大小的范围内的液滴大小的量。处理器还可以确定一时间段（诸如，1小时时间段或24小时时间段）内的雨累积。

图4是图示了用于对雨进行感测的过程的实施例的流程图。图4的过程可以至少部分地被实现在图2中所示的系统的一个或多个部件上。例如，处理器200可以被配置成关于从压电传感器202和电容式传感器204接收到的输出执行该过程。

在402处，接收电容式传感器读数。电容式传感器读数可以指示是否存在降水（例如，正在下雨）或指示雨的开始。电容式传感器的示例是图2的204。

在404处，确定电容式传感器读数是否指示降水的存在。当降水单位的幅度或方向满足分布图或阈值时、当降水的速率满足模式时等等，传感器读数可以指示存在降水。由电容式传感器拾取到的模拟信号可以被转换成数字信号，以分析信号并与基线信号作出比较，以便确定是否指示存在降水。

如果未指示存在降水，则该过程结束。在一些实施例中，电容式传感器可以继续观察读数，且当可能指示降水的传感器读数被捕获时报告信号。

否则，如果指示了存在降水，则该过程继续到406，在406中，对压电传感器通电。

在408处，接收压电传感器读数。该读数可以由可能的降水事件（例如，雨滴）导致，并且图4的过程可以基于从压电传感器接收到的信号并且在各种实施例中结合从电容式传感器接收到的信号来确定降水事件是有效的还是无效的。压电传感器的示例是图1的110和图2的202。

在410处，确定电容式传感器读数和压电传感器读数是否指示有效降水事件。如果电容式传感器读数和压电传感器读数指示有效降水事件，则确定降水事件是有效的（412）。有效降水事件是与降水相对应的事件（例如降雨、雪、冰雹等）。否则，如果电容式传感器读数和压电传感器读数不指示有效降水事件，则确定降水事件是无效的（416）。无效降水事件是不与降水相对应的事件。例如，可能由于某人在传感器附近灌溉草坪或者经过的鸟在传感器上留下纪念而已经拾取到信号。

在414处，确定一个或多个降水特性。可确定的降水特性包括液滴大小、降水速率、降水大小的分布等等。液滴大小可以是降水单位（诸如雨滴、雪片等）的大小或质量。降水速率可以是在给定时间段期间的降水速率，诸如降雨速率。降水大小的分布可以是液滴大小的范围内的液滴大小的量。

图5是图示了用于对雨进行感测的过程的实施例的流程图。图5的过程可以至少部分地被实现在图1中所示的系统的一个或多个部件上。在一些实施例中，图5的过程的至少部分是在图3的312或图4的414之前执行的。

在该示例中，压电传感器被配置成检测压力（502）并将所检测到的压力转换成电信号（504）。压电传感器的示例是图1的压电传感器110和图2的压电传感器202。

峰值检测器被配置成唤醒adc（506）。例如，如果所检测到的峰值满足阈值，则adc被唤醒。这允许adc在缺省状态中保持被断电，这可以提供功率节约。峰值检测器的示例是图2的峰值检测器208。

adc被配置成将与所检测到的压力相对应的数字电信号转换成电压（508）。adc的示例是图2的adc212。

处理器被配置成检测降水的特性（510）。可确定的降水特性包括液滴大小、降水速率、降水大小的分布等等。液滴大小可以是降水单位（诸如雨滴、雪片等）的大小或质量。降水速率可以是在给定时间段期间的降水速率，诸如降雨速率。降水大小的分布可以是液滴大小的范围内的液滴大小的量。处理器的示例是图2的处理器100和图2的处理器200。

图6是图示了用于对雨进行感测的设备600的实施例的框图。在各种实施例中，图1-5中图示的触觉雨水检测部件、过程和技术体现在触觉雨水检测设备（诸如，图6中所示的设备）中。该设备包括盖子602、下部传感器壳体604和外部壳体608。

盖子602（在一些实施例中也被称为“帽”）可以如所示的那样被结构化成保护盖子的容纳物和盖子下面的空间。例如，由盖子的顶和盖子的底表面限定的空间可以保持传感器和其他部件。在一些实施例中，降水落在盖子的顶上且在不与盖子容纳物接触的情况下从盖子滚下来。在图7中示出了盖子和容纳物的示例。

下部传感器壳体604可以机械耦合到盖子602，到设备600的主体。下部传感器壳体604可以被结构化成支撑传感器和/或支撑盖子602。在各种实施例中，下部传感器壳体可以被适配成降低和升高盖子602。可以经由下部传感器壳体将盖子定位到由用户指定的高度，或者可以将盖子自动调整到适于在特定设置中检测降水的位置。

外部壳体608可以是如所示的那样结构化的。例如，壳体可以逐渐变窄以允许设备被容易地保持或定位。设备可以具有凹陷以在外部壳体的基底上接收桩（未示出），以便允许设备被置于地中或被置于诸如顶部之类的结构上。例如，设备可以具有由钥匙孔槽、标准螺纹（例如，1/4-20）或杆安装物（例如，1英寸）实现的灵活安装。设备可以被置于具有天空的清晰视野且在一些实例中具有清晰的风吹程的任何位置中。

图7是图示了用于对雨进行感测的设备的实施例的框图。在各种实施例中，图1-5中图示的触觉雨水检测部件、过程和技术的至少部分体现在触觉雨水检测设备（诸如，图7中所示的设备）中。这里，盖子704是图6的盖子602的示例。

图7中所示的示例是盖子和关联容纳物的分解视图。例如，所示的部件中的每一个可以嵌套在盖子内部。这里，盖子704包括窗口702。该窗口可以是孔或具有网格的孔，以允许到达盖子内部的传感器。例如，光传感器可以根据通过窗口702观察到的光确定环境光、uv指数或太阳辐射。在各种实施例中，盖子将脉冲传达给压电传感器。在一些实施例中，在盖子中不存在窗口。

可以在盖子内部提供电容式传感器（未示出）。例如，电容式传感器可以被安装到盖子的顶表面或顶。电容式传感器支撑部720可以被结构化成在其相对于盖子的位置中支撑电容式传感器。例如，电容式传感器支撑部可以将电容式传感器保持就位。

可以在电容式传感器支撑部720与pcb板740之间提供压电传感器730。压电传感器的示例是图1的110和图2的202。压电传感器730是盘形的且被充分调整大小以检测降雨的压力。

pcb740可以包括电气部件，该电气部件被配置成实施与图1的处理器100、图2的处理器200相对应的工序以及本文描述的其他过程。为了简明，pcb740由简单的板表示。pcb可以是图案化的，并且迹线可以被铺设下来在pcb上，以实现本文描述的处理器。

本文描述的系统和过程在多种设置中找到应用。尽管主要使用检测降雨存在和特性的示例加以描述，但这里的系统和过程还可以被配置成检测其他类型的降水和其他天气状况，诸如风、阳光和uv指数。设备可以具有包括wi-fi^®和bluetooth^®（蓝牙）的网络连接。设备可以将数据报告给远程服务器。

本文描述的设备可以是作为智能家庭网络的一部分而提供的或连接到物联网且由移动设备或其他计算机上的app控制。设备可以是设备的模块化网络的一部分，以形成天气站。由本文描述的系统和过程收集和确定的数据可以节约时间和金钱，提高安全性，并改进家庭健康。图1的处理器100和图2的处理器200可以是设备本地的或远程提供的。在各种实施例中，图6和7中所示的设备经由远程遥测连接到室内接收中枢。该中枢可以被配置成经由诸如无线网络之类的网络将数据发布给云或远程服务器，或者经由诸如bluetooth^®lowenergy（蓝牙低能量）之类的网络协议将数据本地发布给移动设备或其他计算机。

尽管已经出于清楚理解的目的稍为详细地描述了前述实施例，但本发明不限于所提供的细节。存在实现本发明的许多可替换方式。所公开的实施例是说明性的而非限制性的。