CN103163188B - 雨水检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测装置，特别涉及一种雨水检测装置及其检测方法。它包括电路板和装置外壳，所述电路板上设有感应芯片、感知触头和外围电路；所述感应芯片是指带有电容式数字转换器功能的单片机；所述感知触头是指印制在电路板上的覆铜电路；所述外围电路包括芯片仿真电路、供电电源线和数据通信线接口、电源滤波电路和电源指示电路。本设计检测精度好、准确率高，可应用于不同场合，由于雨水非直接接触式，稳定性高、寿命长。

Description

雨水检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测装置，特别涉及一种雨水检测装置及其检测方法。

背景技术

在高档汽车、智能小车、太阳能、割草机等户外电子产品领域中，有些需要对下雨状况进行感知检测，从而使产品更加智能化，避免由雨水对电子产品造成的损害，提高产品寿命。

目前可检索到的雨水检测的方法有：

1、光电式。公开号CN 2901297公开了一种用于汽车挡风玻璃的非接触式雨水感知装置，包括发射透镜，接收透镜，发光管和接收管，其特征在于：发射透镜和接收透镜为分体式结构，分别安装于挡风玻璃上，发光管发出的光、通过发射透镜在挡风玻璃上经过反射后被接收透镜传送给接收管，反射的次数在2次和6次之间，形成反射点的个数为2个至6个，在接收管处根据信号强弱感知雨水。其缺点是结构复杂，成本高，当透镜受灰尘附着后，透镜变的模糊，反射能力变差，接收管的信号必然减弱，时间一长，可能会失去雨水感知能力。

2、电极法。公开号CN 1719242公开了一种雨水感知器及其用途，由附着在绝缘材质底板面上的两组金属泊条及附着在两组金属泊条表面的绝缘防水层构成，这两组金属泊条构成电容器的两极，雨水落在雨水感知器上，雨水感知器将雨量的大小转换为对应的电信号，该电信号可通过控制电路实现对雨量的监测，进而用于需要对是否有雨或雨量变化而采取控制措施的控制调节。

公开号CN 101392584公开了一种电动阳篷及雨水检测传感器，基本原理与公开号CN 1719242公开了一种雨水感知器及其用途相同，主要利用雨水的弱导电性，在两片电极板（线）间产生电势，从而感知雨水。

其共同缺点是： 1、凹槽处容易积灰尘，积到一定量时导致金属间电导率的改变，影响电信号量造成误判；2、金属泊条裸露在外面，也可能会被异物短接，造成误判。

发明内容

基于现有技术的缺陷，本发明提出了一种雨水检测装置及其检测方法。

本发明的目的是寻求一种能结构简单、成本低、非雨水接触式、不受灰尘等异物干扰的雨水感知装置。

本发明的基本原理是：当正常无雨时，雨水检测装置外壳上的介质为同一物体，内置的感知触头上的电容量就为一定量值，感应芯片将电容量按正比例转化为数字量，因采集误差关系，数字量有稍许偏差，但前后两次之间数字量差量都几乎很小，因此判定为无雨状态；当雨水打落在雨水检测装置外壳上时，雨水就随机附着在装置外壳上，时而多，时而少，感知触头工作区域的介质随雨水多少就会发生变化，从而引起内置感知触头上电容量的变化。感应芯片将感知触头上的电容量转换成一个数字量，该量会随着雨水多少发生较大变化，从而产生前后两次差值。感应芯片根据程序算法滤掉异物干扰对差值进行计算、判断，最终输出雨水检测信号。

本装置正是基于这些理念面设计的，将雨水感应芯片封装在塑料外壳内，受灰尘、树叶等外界异物影响小，通过程序算法控制滤除干扰并检测雨量大小的雨水检测装置。

为解决上述问题，本发明提出的雨水检测装置如下：

一种雨水检测装置，其结构特点是包括电路板和装置外壳，所述电路板上设有感应芯片、感知触头和外围电路；所述感应芯片是指带有电容式数字转换器功能的单片机； 所述感知触头是指印制在电路板上的覆铜电路；所述外围电路包括芯片仿真电路、供电电源线和数据通信线接口、电源滤波电路和电源指示电路。当雨水打落在雨水检测装置外壳上时，可改变感知触头工作区域的介电常数，引起内置感知触头上的电容量变化，再用感应芯片转换成相应的数字量，对数据进行滤波后，通过一定算法滤除掉树叶、沙石带来的干扰，并获知下雨状态。

作为优选，所述感应芯片与感知触头分置于电路板的两端，之间通过电路板上的数据通信线接口收发信息；所述感知触头为3~8个，触头平均分布在电路板上；所述外围电路中供电电源线和数据通信线接口与电源线和数据线电连接，其供电电源为2.7~5.5V，通信方式为RS232方式。感应芯片一般不会影响感知触头的判断，但是为了进一步避免诸如感应芯片散热等因素导致的潜在的影响因素存在，将感应芯片和感知触头分置于电路板的两端。感知触头为3~8个，平均分布在电路板上，利于数据的采集，提高判断的准确率。通信方式采用RS232，结构简单，传输线少，三线就可以实现全双工通信，传送距离也相对较远。

作为优选，所述电路板通过绝缘胶 内嵌在装置外壳内，电路板不与外界空气直接接触；所述装置外壳一侧为平面或曲面并成10~45度倾斜安装在设备外壳上。除电源线和数据线外，感应芯片和电路是通过绝缘胶水完全密封在装置外壳内，杜绝线路板被雨淋湿的可能性。由于使用了非接触式雨水检测传感器，雨水不会与感应芯片直接接触，延长了雨水检测装置的寿命。另外感应芯片是密封在装置外壳内，受灰尘、树叶、沙石等异物干扰小，且通过程序算法可滤除，防止出现误检测。倾斜安装在设备外壳上有利于树叶、沙石等异物的滑落，减小干扰。

本发明的一种实施方式，一种所述的雨水检测装置的检测方法，其包括如下步骤：

初运算，感应芯片设定初始阈值并接收感知触头上的电容量，并将其转化为数字量，备份该数字量；感应芯片第二次接收感知触头上的电容量，并将其转化为数字量；后次数字量减去前次数字量产生差值，将差值与预先设定的阈值进行对比分析，得到是否下雨的初步判断；

首检测，感应芯片设定第一基准数并依据初运算得到是否下雨的初步判断进行相应的加减赋值得到检测值，将计算后的检测值与预先设定的第二基准数进行对比，超出第二基准数则判断为下雨状态；

二次检测，感应芯片设定再检测时间间隔，当首检测结果为下雨，则重复上述初运算与首检测，结论一致则确定为下雨状态。

作为优选，所述初运算具体方法为 ：感应芯片每隔自设时段T1对感知触头上的电容量进行一次轮流采集，每个感知触头采集自设次数N次后，对每个感知触头上的所采集的电容量数据进行排序，去掉最大的2个和最小的2个，对剩下N-4个数据做平均计算，此值为当前采集数据；差值等于当前采集数据减去前次备份数据，对所有的感知触头中的差值进行排序，去掉最大值和最小值，累加其余差值为最终差值；若最终差值小于等于初始阈值，则认为初运算检测失败，将当前采集数据赋于前次备份数据；若最终差值大于初始阈值，则认为初运算检测成功，备份数据不变。一般情况下，阈值是需要进行初始设定的，该值依据不同的降雨状况灵活设定。通过多通道、多次采集，并过滤最大最小值，有效提高数据的准确性，确保计算判断结果的准确性。

作为优选，所述首检测具体方法为：若初运算检测成功，检测值加预设数值K，检测值大于等于预设数值Q时，初定为首检测成功，输出有雨预警信号，并且备份阈值数据等于当前采集数据加补偿值；若初运算检测失败，检测值减1，等于0时不往下减，检测值小于预设数值Q时，输出无雨信号。一般情况下预设数值Q，该值适应全球绝大部分天气状况，对于少数气候极端的地区，可以另行设定预设数值Q。这同样有利于产品在全球各个地区应用，并提高检测的准确率。

作为优选，所述二次检测具体方法为：若首检测成功，延迟预设时段T2后重新进行初运算与首检测，若自设时段T3内再次首检测成功，则确定为下雨状态；若自设时段T3内无再次首检测成功，则认为首检测为误检测。二次检测过程中一次完整的检测过程成功至少需要 2s。二次检测是为了进一步避免检测错误的重要程序，当下雨时，雨水是持续打落在雨水检测装置的外壳上，当前采集数据是一个离散分布的持续量，差值和双倍差值比较大，连续存在，根据双倍差值的大小可进一步判断雨水的大小。而灰尘掉落或露珠附着，是一个缓慢的过程，差值和双倍差值几乎无变化。沙石掉落在雨水检测装置上时，由于有一定斜度，会滑落，维持不了两秒，因而树叶或沙石不会触发雨水检测成功。因此，该检测通过延时再检的方式能够大大提高检测准确率，防止误报。

本发明的有益效果是：

1、检测精度好、准确率高，可应用于不同场合。本发明中内置单片机，通过程序算法分辨雨量大小，并区分出雨水和树叶等外界杂物干扰，即在树叶掉落的情况下不会出现误检测；

2、雨水非直接接触式，稳定性高、寿命长。雨水感应电路板通过绝缘胶水密封在装置外壳内，不怕灰尘积累，不怕被风吹雨打太阳晒，因此产品寿命长；

3、结构简单，成本低。本发明中所用材料都是常用电子器件，设计简约、采购方便，使得其制造成本大大降低，有利于后期大规模的生产，有助于市场占有率的提高。

附图说明

图1为本发明的雨水检测装置原理框图。

图2为本发明的雨水检测装置的结构图。

图3为本发明的实施例原理图。

其中：1、电路板；2、装置外壳； 

11、感应芯片；12、感知触头；13、外围电路。

 具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种雨水检测装置，如图1、图3所示，包括电路板1和装置外壳2，所述电路板1上设有感应芯片11、感知触头12和外围电路13。

感应芯片11是指带有电容式数字转换器功能的单片机；感知触头12是指印制在电路板上的覆铜电路；外围电路13包括芯片仿真电路、供电电源线和数据通信线接口、电源滤波电路和电源指示电路。外围电路13为普通的电阻、电容、二极管、三极管和连接插件等，是组成单片机最小系统不可或缺的电子元器件。

单片机可采用Silicon Labs公司的C8051F800单片机，该款芯片自带16位数字转换器电容，24.5M内置振荡器，512字节的内部数据RAM。价格不贵且正好能满足需求，经济实用。

一种雨水检测装置的检测方法，包括如下步骤：

初运算，感应芯片11设定初始阈值并接收感知触头12上的电容量，并将其转化为数字量，备份该数字量；感应芯片11第二次接收感知触头12上的电容量，并将其转化为数字量；后次数字量减去前次数字量产生差值，将差值与预先设定的阈值进行对比分析，得到是否下雨的初步判断；

首检测，感应芯片设定第一基准数并依据初运算得到是否下雨的初步判断进行相应的加减赋值得到检测值，将计算后的检测值与预先设定的第二基准数进行对比，超出第二基准数则判断为下雨状态；

二次检测，感应芯片11设定再检测时间间隔，当首检测结果为下雨，则重复上述初运算与首检测，结论一致则确定为下雨状态。

经实验表明，该实施例的使用寿命较长，在配合上述检测方法的情况下，判断下雨为85%。

实施例2

与实施例1不同的是，感应芯片11与感知触头12分置于电路板的两端，之间通过电路板1上的数据通信线接口收发信息；感知触头12为3~8个，触头平均分布在电路板上；外围电路13中供电电源线和数据通信线接口与电源线和数据线电连接，其供电电源为2.7~5.5V，通信方式为RS232方式。

经实验表明，该实施例的在实施例1使用寿命不变的情况下，判断下雨为89%。

实施例3

与实施例1不同的是，本方案如图2所示，电路板1通过绝缘胶内嵌在装置外壳2内，电路板1不与外界空气直接接触。将电路板嵌入在装置外壳内时，再灌以绝缘胶全部密封，保证不被雨水淋湿，延长了雨水检测装置的寿命。装置外壳2采用塑料制成，一侧为平面或曲面，两边有耳朵，耳朵上有螺丝孔并成并成45度倾斜安装在设备外壳上，用螺丝固定住。除电源线和数据线外，电路板1通过绝缘胶水完全密封在装置外壳内，并通过该数据线与外界收发信息，本身并不与外界直接接触。绝缘胶可以是绝缘AB胶或其它绝缘胶。

经实验表明，该实施例的的使用寿命最长，判断下雨为89%。

实施例4

在实施例2的基础上采用实施例3中的装置外壳2，并做相同设置可以极大提高实施例2的使用寿命，同时提高其判断下雨的准确率。

经实验表明，该实施例的的使用寿命最长，判断下雨为93%。

实施例5

与实施例1不同的是，本方案中一种雨水检测装置的检测方法，初运算具体方法为：感应芯片11每隔自设时段T1对感知触头12上的电容量进行一次轮流采集，每个感知触头12采集自设次数N次后，对每个感知触头12上的所采集的电容量数据进行排序，去掉最大的2个和最小的2个，对剩下N-4个数据做平均计算，此值为当前采集数据；差值等于当前采集数据减去前次备份数据，对所有的感知触头12中的差值进行排序，去掉最大值和最小值，累加其余差值为最终差值；若最终差值小于等于初始阈值，则认为初运算检测失败，将当前采集数据赋于前次备份数据；若最终差值大于初始阈值，则认为初运算检测成功，备份数据不变。

首检测，感应芯片11设定第一基准数并依据初运算得到是否下雨的初步判断进行相应的加减赋值，将计算后的检测值与预先设定的第二基准数进行对比，超出第二基准数则判断为下雨状态。首检测具体方法为：若初运算检测成功，检测值加预设数值K，检测值大于等于预设数值Q时，初定为首检测成功，输出有雨预警信号，并且备份阈值数据等于当前采集数据加补偿值；若初运算检测失败，检测值减1，等于0时不往下减，检测值小于预设数值Q时，输出无雨信号。通过多通道、多次采集，并过滤最大最小值，有效提高数据的准确性，确保计算判断结果的准确性。

二次检测，感应芯片11设定再检测时间间隔，当首检测结果为下雨，则重复上述初运算与首检测，结论一致则判定为下雨状态。其具体方法为：若首检测成功，延迟预设时段T2后重新进行初运算与首检测，若自设时段T3内再次首检测成功，则确定为下雨状态；若自设时段T3内无再次首检测成功，则认为首检测为误检测；所述二次检测过程中一次完整的检测过程成功至少需要2s。一般情况下，自设时段T3适应全球绝大部分天气状况，对于少数气候极端的地区，可以另行设定。这同样有利于产品在全球各个地区应用，并提高检测的准确率。

其中T1推荐为10~20ms；T2推荐为0~1000ms；T3推荐为3~9S；N推荐为8~12；Q为基准数，推荐为5~10；K推荐为2~5。取值理由及实验方法如下：

T1为感应芯片11对感知触头12上的数据进行采样的时间间隔，采样时间间隔的长短与以下几个因素有关：感应芯片11运算速度，感知触头12上的反映真实雨水数据的时间，N个T1时长内感知触头12上数据之间的相关性，突发噪声的持续时间。感应芯片11运算速度越快，T1可以越短。感知触头12上的数据反映真实雨水量的时间越短，T1也可以越短。N个T1时间段内感知触头12上数据之间的相关性应该越高越好，而感知触头12上的数据在越短的时间间隔内的相关性越高，所以T1应该越短越好。一次突发噪声最好不被采样2次或2次以上，所以T1应该的值应该比绝大多数突发噪音的持续时间长。综合以上因素，确定T1为10~20ms。N除了与N个T1时间段内感知触头12上的N个数据的相关性有关以外，也与单片机运算速度有关。综合衡量各种N值，N在8~12比较恰当。

第一滴雨落在感知触头12上，紧接着第二滴雨也落至感知触头12上，这两滴雨之间的时间间隔就是T2。雨量大，T2一般比较小，雨量小，T2一般比较大，如果是干扰物落在感知触头12上，T2一般特别大。因为感知触头12在安装的呈一定的倾斜角，如果已经落在感知触头12上的雨在T2时间内已经流走了，后面增加的雨还没落到感知触头12上，则二次确认检测是否有雨也会失败。所以，T2与雨量大小、感知触头12安装倾斜角有关。T2时间内，感知触头12上积累的雨水量如果确实增加了，而且增加的量达到可检测的要求，二次确认检测才可靠。综合以上因素，T2的可行值定在0~1000ms。

T3的选择与下雨持续多久认定为真实的下雨直接相关联。T3越大，判断是否下雨的结论越可靠，但从开始下雨到输出检测到了下雨的结果所需要延迟时间也越长。据此以上要求，可综合衡量T3为3~9S。

K和Q之间的关系描述如下：

假设连续M次的是否下雨的检测结果为d(0)，d(1)，….,d(M-1)。如果d(i)输出为下雨，则d(i)的值赋为K，否则赋为-1。

设定一个累加值P。在开始的时候，P值赋为0。

完成第i（i=0，1，….，M-1）次检测后，P值更新为P+ d(i)；如果P小于0，则P值赋为0。

在第i次检测的时候，将P和Q进行比较，如果P大于等于Q，则初步判断第i次检测为下雨；如果P等于0，则初步判断为不下雨；如果P在0到Q之间，返回并继续进行初运算。

从以上过程可以看出，K和Q的取值是一个对判断结果进行滤波的过程。K值越小，Q值越大，判断为下雨的几率越小；K值越大，Q值越小，判断为下雨的几率越大。综合误判（下雨判断为不下雨，不下雨判断为下雨均为误判）几率最小的原则，取K为2~5，Q为5~10。

举例如下： 

如果K取2，Q取5，最少需要连续3次检测才能判断为下雨。

如果K取3，Q取5，最少需要连续2次检测才能判断为下雨。

如果K取2，Q取8，最少需要连续5次检测才能判断为下雨。

如果K取4，Q取10，最少需要连续3次检测才能判断为下雨。

在理论设计的基础上，以上参数还需要通过实验进行验证。

实验方法是：固定所有其它参数不变，只选择调整其中的一个参数，确保检测精度达到最高后固定在此参数；重新选择调整另外一个未调整过的参数；此过程反复进行，直到所有参数调整都调整了一遍；将此参数调整过程称为一个参数调整周期。此参数调整周期反复进行，直到相邻两个周期获得的参数不发生变化或变化范围很小为止。如果参数调整周期反复进行的次数超过一个上限值，则说明参数调整不能收敛，终止本次参数调整过程，从头开始重复进行试验。

经实验表明，该实施例的在实施例1使用寿命不变的情况下，判断下雨为91%。

实施例4

在实施例2的基础上采用实施例5中具体的雨水检测装置的检测方法，可以有效提高实施例2的判断下雨的准确率。

经实验表明，该实施例的在实施例2使用寿命不变的情况下，判断下雨为95%。

实施例5

在实施例3的基础上采用实施例5中具体的雨水检测装置的检测方法，可以有效提高设备的使用寿命并成功增加实施例3的判断下雨的准确率。

当下雨时，雨水是持续打落在雨水检测装置的外壳上，当前采集数据是一个离散分布的持续量，差值和最终差值比较大，连续存在，根据最终差值的大小可进一步判断雨水的大小。而灰尘掉落或露珠附着，是一个缓慢的过程，差值和最终差值几乎无变化。沙石掉落在雨水检测装置上时，由于有一定斜度，会滑落，维持不了两秒，因而树叶或沙石不会触发雨水检测成功。

经实验表明，该实施例的在实施例3使用寿命不变的情况下，判断下雨为95%。

实施例6

在实施例4的基础上采用实施例5中具体的雨水检测装置的检测方法，可以有效提高设备的使用寿命并成功增加实施例4的判断下雨的准确率。

经实验表明，该实施例的在实施例4使用寿命不变的情况下，判断下雨为99%。

实施例7

在实施例3和实施例6的基础上调整装置外壳2在设备外壳上的安装角度为30度，能够进一步提高其判断下雨的准确率

经实验表明，该实施例的在实施例6使用寿命不变的情况下，判断下雨为99.2%。

实施例8

在实施例3和实施例6的基础上调整装置外壳2在设备外壳上的安装角度为10度，能够进一步提高其判断下雨的准确率。

经实验表明，该实施例的在实施例6使用寿命不变的情况下，判断下雨为99.5%。

该实施例的使用寿命最长，在配合上述检测方法的情况下，判断下雨准确率最高，为本发明最佳实施例。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (2)

1.一种雨水检测装置的检测方法，其特征在于：其包括如下步骤：

初运算，感应芯片设定初始阈值并接收感知触头上的电容量，并将其转化为数字量，备份该 数字量；感应芯片第二次接收感知触头上的电容量，并将其转化为数字量；后次数字量减去 前次数字量产生差值，将差值与预先设定的阈值进行对比分析，得到是否下雨的初步判断；

首检测，若初运算检测成功，检测值加预设数值K，检测值大于等于预设数值Q时，初定为首检测成功，输出有雨预警信号，并且备份阈值数据等于当前采集数据加补偿值；若初运算检测失败，检测值减1，等于0时不往下减，输出无雨信号；如进行加减赋值后，检测值在0与K之间，返回并继续进行初运算；

二次检测，感应芯片设定再检测时间间隔，当首检测结果为下雨，则重复上述初运算与首检测，结论一致则确定为下雨状态；

所述初运算具体方法为：感应芯片每隔自设时段 T1 对感知触头上的电容量进行一次轮流采集，每个感知触头采集自设次数 N 次后，对每个感知触头上的所采集的电容量数据进行排序，去掉最大的 2 个和最小的 2 个，对剩下 N-4 个数据做平均计算，此值为当前采集数据；差值等于当前采集数据减去前次备份数据，对所有的感知触头中的差值进行排序，去掉最大值和最小值，累加其余差值为最终差值；若最终差值小于等于初始阈值，则认为初运算检测失败，将当前采集数据赋于前次备份数据；若最终差值大于初始阈值，则认为初运算检测成功，备份数据不变；

所述首检测具体方法为：若初运算检测成功，检测值加预设数值K，检测值大于等于预设数值 Q  时，初定为首检测 成功，输出有雨预警信号，并且备份阈值数据等于当前采集数据加补偿值；若初运算检测失败，检测值减 1，等于 0 时不往下减，检测值小于预设数值Q时，输出无雨信号。

2.根据权利要求 1  所述的雨水检测装置的检测方法，其特征在于：所述二次检测具体方法 为：

若首检测成功，延迟预设时段 T2 后重新进行初运算与首检测，

若自设时段 T3 内再次首检测成功，则确定为下雨状态；

若自设时段 T3 内无再次首检测成功，则认为首检测为误检测；

所述二次检测过程中一次完整的检测过程成功至少需要 2s。