基于物联网技术下可无人照料的智能花盆

摘要：在如今社会背景下在社交、工作环境、兴趣爱好等众多因素的综合之下，个人花卉的养殖率也在不断上升。由于对所养殖花卉的习性不了解、对花卉照顾的疏忽等因素，导致花卉的死亡率极高。研究一款集智能与人工两种操作模式的花盆能够满足在无暇顾及花卉的忙碌时期又确保花卉的正常生长。由传感技术支持，根据种植土壤的变化按花卉实际需求实施供给的一套现代化种植管理系统。主要通过传感器对种植物的各个生长环境参数进行监测，对采集数据进行分析、处理、与预设值进行比较，最后通过外围设备的控制对植物的生长参数进行调控。智能花盆的控制由一套完整的控制系统。智能花盆的出现从消费者的需求上对花卉的养殖进行优化。

关键词：物联网；智能花盆；植物养植

中图分类号：TG156

前言

目前国外已经开发有智能花盆相关的产品，它们相对于国内智能花盆的产品技术而言较为成熟。

从2010年布鲁内尔大学工业设计系的大四学生娜塔莉·金（Natalie King）设计的智能花盆 “Tulipe”[1]开始，智能花盆设计领域便开始逐步发展，2013年东京水内郁夫发明自动光合太阳能的胡奥恩机器人Plantroid”[2]，这种智能花盆的创新之处在于它由六块晶体硅太阳能电池板组成，在花盆的底座安装了驱动系统，让花盆能够在地上随便移动。2016年法国无人机开发商parrot公司推出智能花盆parrot pot[3]，花盆上搭载多个传感器来实时掌握植物的状态。花盆内部与云服务器相连接，系统会将花盆内土壤数据发送信息通知。花盆依靠电池来供能维系运行。2019年4月上市的自动浇灌系统Bloomingdale[4]，是一个智慧温室。顶部设计为带有水孔，可为植物提供模拟下雨的场景。

从技术层面看，智能花盆构建所需要的硬件能在当前市场有能力加工，同时也有大部分属于已有零件。即在当前市场能够对于智能花盆硬件的技术要求完全可以满足。

1 智能花盆的模型

在“踏花行”[5]（花卉爱好者交流网站。www.tahua.net）网上调研中，得出结果是大部分人接受的花盆尺寸直径D100-180（mm）、高H100-180（mm）。

在智能花盆的模型设计中，我们主要结合花盆的传感器、电机、水箱、电池、等零件的机械结构整合出三维模型。

2 智能花盆功能分析

智能花盆采用有土壤湿度传感器、光照强度检测器、红外感应器等多个感应器，检测植物生长环境并将环境数据传递给系统处理器进行数据比对等方式处理。单片机处理后的数据通过信息显示屏显示植株环境，单片机通过控制微水泵及喷嘴、电机等执行硬件满足植株水分，光照需求，并且设计一套算法并利用WiFi模块将软件系统与硬件系统连接，设计四大模式，分别适应不同情景，花盆具体功能实现原理如下：

1、花盆三大功能：

（1）自动浇水功能：花盆中含有土壤湿度传感器与单片机配合，检测到土壤过干时会及时反馈给用户移动端，并触发水泵为植株和土壤补充水分。（2）信息显示功能：利用多个传感器，加装wifi模块，将土壤水分、光照信息等数据反馈给移动端。（3）补偿光照功能：花盆周围拥有感光器数个与单片机配合，当某一侧感光器长时间未检测到光照时，促使伺服电机旋转花盆，如果在规定时间内仍未检测到光照，花盆将停止寻光。

2、实现花盆的四种模式：

（1）普通家居模式：即和传统花盆无差异。方便在特定时间无需求产品功能的用户使用。（2）提醒模式：即通过花盆显示器和声音提醒用户是否进行浇水、是否需要挪移位子避免光线过强/过弱。（3）自动模式：即花盆的功能全部开启，全自动式种植。（4）外出模式：花盆通过降低检测频率。只运行其中一部分必要功能，确保植株存活，低功耗。

3、实现花盆与网络的连接：

软件上为植株设置好各种条件范围，配合硬件实现照料功能，软件上供用户连接花盆，选择模式，开启相应功能，查阅植物资料。

3 智能花盆的实现

花盆自动浇水系统由土壤湿度状态检测仪开始，实时监测土壤湿度条件之后传递土壤信息进入高性能的STC12C5A60S2单片机（具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点）进行处理。通过单片机的对比等处理反馈到浇水系统的输出端，灌溉方式以细长水流和水珠喷雾浇灌两种形式为主。

补偿光照系统运作模式通过花盆内置的APDS-9900光照传感器感光元件判断所处位置光照是否适合植株生长，将传感器数据信号传递给单片机，决定是否调整位置使植株接受更好的光照。移动算法通过之字形走位配合避障系统，沿途选择光照合适的地区停留，且该移动系统可通过线上人为开启或者关闭。通过伺服电机运转使花盆实现自转或者移动花盆位置的效果通过调整接受光照的为之进行背光侧的光线补偿。花盆的移动转弯通过两后轮转速差配合前万向轮轮进行转弯。

此外在单个 8 引脚封装内提供数字环境亮度和近接式传感器（ALS）、红外 LED 和完整的近接式检测系统。此外，内部状态机具有能将设备放置于 ALS 和近接测量之间的低功率模式的能力，提供极低的平均功耗。ALS 能在极低的光线条件或深色的面板后对亮度做出适光反应。

花盆的储能电池选择了3.7V方形锂电池[6]，既能满足传感器的低能耗元件的运行，还能兼顾水泵电机的长久运行。

2.技术路线（软件）

由土壤状态检测仪和感光元件进行数据采集，然后汇总之后通过数据传输在电子屏幕上显示出数据，同时电子屏幕还会显示时间，温度等影响植株生长信息。

之所以选择蓝牙传输也是因为在这款产品的定位上是比较小巧且便于观察的基础上，在不与手机连接的时候也可以通过指示好来报告信息。并且在之后的产品线规划上会増加WiFi模块的产品，具有WiFi模块的产品可作为智能网关，连接所有蓝牙设备，从而使所有的蓝牙设备都可以变成远可监测的设备，这也对到时候产品的电量是一个要求[7]。利用小程序将智能终端设备和智能花盆通过无线路由器进行网络配置，以连接到家庭服务器，家庭服务器分别对智能花盆进行产品认证，和对智能终端设备的身份与权限进行识别和确认，小程序收到家庭服务器发出的认证成功与身份和权限确认的响应后，更新显示小程序的状态列表，用户可以操作小程序将相应的指令发送至家庭服务器，家庭服务器将指令发送给智能花盆，花盆解析并响应指令，实现模式的切换等一系列操作。

1.扫一扫：点击主页的扫一扫，会调用手机的后置摄像头，用户可以对准扫描花盆上的二维码，或选择相应的二维码图片，将相应的智能花盆设备通过无线路由器进行网络配置，以连接到家庭服务器，家庭服务器分别对智能花盆进行产品认证，和对智能终端设备的身份与权限进行识别和确认，小程序收到家庭服务器发出的认证成功与身份和权限确认的响应后，实现花盆与小程序的连接。

2情景模式：点击情景模式，可以对花盆的模式进行选择切换，更新显示小程序的状态列表，用户可以操作小程序将相应的指令发送至家庭服务器，家庭服务器将指令发送给智能花盆，花盆解析并响应指令，实现模式的切换等一系列操作。

3查阅资料：点击查阅资料可以查询各类植物的资料，以及其关于光照、水分、土壤、肥料等的养殖技巧，为用户提供植物介绍和养殖帮助。

花盆采用多种传感器对植株、土壤、光线等进行实时测量，判断植株的生长是否健康、环境是否合适。对于自动浇水系统，水箱满水的情况下，能维持植物10天内的浇水需求。抛开间断式检测浇水智能花盆能确保植株在一个月内不死亡。在电量蓄满的情况下，抛开可移动插件，花盆能持续运转12天。

参考文献：

[1]赵刚，李小红，吕向风，基于物联网的智能花盆系统的设计与实现[J].计算机产品与流通，2018

[2]徐栋梁 基于物联网技术的智能花盆的设计与实现.400052.

[3]Jesse Tidwell. Desiging Interfaces：Patterns for Effective Interaction Design for the Web and Beyond，Second Edition [M]. 机械工业出版社，2011

[4]张娜，吴文福，杜 吉 山，等．智能花盆的研究现状与发展前 景[Ｊ]．农业与技术，２０１６，３６（１）：１７４－１７６

[5]李卉卉互联网智能产品研究-以智能花盆研究为例 [D].中央美术学院，2017

[6]陆西. 基于互联网思维的产品创新设计方法研究 [D]. 武汉理工大学，2014

[7]陶云霞，崔忠伟，朱德孙，基于物联网的智能浇花系统的设计与实现[J]. 电脑知识与技术，2018，014（16）：174-176