陳楷暉，尹 令，吳正豪，王永福，陳振旭，林穎詩

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣東 廣州 510642）

隨著人們生活水平和文化素養(yǎng)的提高，人們追求更加精致高雅的生活環(huán)境，常常在家居擺設(shè)上花費(fèi)心思。盆栽作為一種綠色天然的家居裝飾，既能吸收空氣中的苯和甲醛等空氣污染［1-2］，營造清新干凈的空氣環(huán)境，又為都市人親近自然提供最好的選擇，能夠有效緩解工作的壓力，是現(xiàn)代家居中必不可少的一部分。養(yǎng)植的樂趣，在于看到盆栽能朝氣蓬勃的生長，然而人們疏忽管理或過度照理等行為很容易對(duì)盆栽生長狀況造成不良影響。因此，開發(fā)一套智能盆栽系統(tǒng)，滿足用戶的個(gè)性化需求，具有突出的市場價(jià)值。

目前大多數(shù)自動(dòng)澆水系統(tǒng)主要以滲透或虹吸原理主動(dòng)定時(shí)澆水，自動(dòng)完成室內(nèi)盆栽植物的灌溉任務(wù)［3-4］，多數(shù)采用的是適用于大多數(shù)植物的溫濕度數(shù)據(jù)，沒有考慮不同植物對(duì)溫濕度、光照程度的喜好特性［5-6］，這樣的澆灌方式無法控制不同植物的澆水量，降低了盆栽的土壤質(zhì)量，不利于植物的生長。本文提出智能盆栽設(shè)計(jì)方案，在精確采集空氣溫濕度，土壤溫濕度，光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，能依據(jù)植物不同生長特性通過決策樹算法做出準(zhǔn)確適宜的澆水方案，避免出現(xiàn)只為了滿足“干透澆透”而出現(xiàn)的只澆表面的“腰截水”的現(xiàn)象［7］。Arduino UNO控制器通過獲取各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算分析，識(shí)別植物基本狀態(tài)，判斷植物是否需要進(jìn)行澆灌。同時(shí)，為了滿足用戶對(duì)盆栽的個(gè)性化需求，本系統(tǒng)硬件端使用藍(lán)牙作為數(shù)據(jù)和控制接口。用戶可以通過Android端通過藍(lán)牙設(shè)備［8］，遠(yuǎn)程查看了解盆栽，實(shí)現(xiàn)種植交互。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1 智能盆栽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能盆栽系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、決策分析、控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊5個(gè)模塊構(gòu)成，各個(gè)模塊完成不同功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，數(shù)據(jù)采集模塊由SHT11空氣溫濕度傳感器、YL-69土壤濕度傳感器、DS18B20土壤溫度傳感器、BH1750環(huán)境光傳感器組成實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的土壤溫濕度、環(huán)境溫濕度和環(huán)境光照強(qiáng)度的自動(dòng)采集；數(shù)據(jù)傳輸模塊包括兩部分，一部分是采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)經(jīng)Q策分析模塊，另一部分是移動(dòng)端和硬件端進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸；決策分析模塊由Arduino UNO控制器組成，可以根據(jù)植物生長喜干濕等特性，運(yùn)用模糊決策樹算法判斷植物澆水是否需要澆水；控制模塊由決策分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出是否澆水和需要的澆水量，并且自動(dòng)控制水泵送水完成澆水操作；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由Arduino的SD卡或者云服務(wù)器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)表的存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成模塊及原理

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

智能盆栽系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊由1個(gè)ArduinoUNO控制器、1個(gè)SHT11溫濕度傳感器、3個(gè)YL-69土壤濕度傳感器、1個(gè)防水DS18B20土壤溫度傳感器和1個(gè)BH1750環(huán)境光傳感器組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。

Arduino主控板原理如圖2所示。Arduino能通過溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器等各種傳感器來感知環(huán)境［9-10］，并通過控制水泵、藍(lán)牙模塊和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。本盆栽系統(tǒng)采用Arduino是因其具有廉價(jià)、跨平臺(tái)及簡單清晰等特點(diǎn)。Arduino開發(fā)板的價(jià)格低于其他開發(fā)板的價(jià)格，且Arduino IDE可以運(yùn)行于Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)，同時(shí)由于Arduino的編程語言是建立在C/C++語言基礎(chǔ)上，又能夠?qū)VR單片機(jī)相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置模塊化［11］，不需要開發(fā)人員處理底層系統(tǒng)，能夠提高程序的開發(fā)效率，更有利于在智能盆栽的開發(fā)和應(yīng)用，使智能盆栽得到更好的普及。

SHT11溫濕度傳感模塊將溫度、濕度感測、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換等功能集成到一個(gè)芯片上，能感應(yīng)到智能盆栽周圍環(huán)境的濕度溫度，并將所得溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)輸出，傳送到Arduino主控板上；YL-69土壤濕度傳感器模塊可用于檢測盆栽土壤中的水分含量，工作時(shí)直接將傳感器探頭埋入盆栽土壤中，探頭電阻隨土壤濕度變化，傳感器預(yù)先設(shè)定閥值，當(dāng)盆栽中土壤水分含量低于閥值時(shí)傳感器輸出高電平，反之輸出低電平［12］；DS18B20溫度傳感器具有超小的體積、超低的硬件開銷、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、附加功能強(qiáng)等特點(diǎn)，用于采集盆栽中土壤溫度，是本盆栽系統(tǒng)土壤溫度傳感器的最佳選擇；BH1750環(huán)境光傳感器通過光度計(jì)來測量盆栽周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度，通過計(jì)算電壓來獲取有效數(shù)字，直接輸出數(shù)字信號(hào)；Arduino UNO主控板配有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可將采集到的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過適當(dāng)處理后，直接存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集［13］。

圖2 Arduino主控板原理

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸主要由HC-06藍(lán)牙模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和Android移動(dòng)設(shè)備構(gòu)成。手機(jī)端通過搜索硬件藍(lán)牙進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通路的搭建［8］。在連接之后手機(jī)可以通過發(fā)送命令給盆栽系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件端對(duì)命名進(jìn)行解析返回需要的信息給移動(dòng)端；盆栽系統(tǒng)固定一段時(shí)間將所獲取的植物基本信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸給移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信。

為設(shè)計(jì)信息傳輸?shù)母袷?，要求時(shí)間跨度有相應(yīng)的最大跨度——定義為MAX-SPAN，包括：命令信息格式，在需要數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行發(fā)送，請求數(shù)據(jù)的類型即表中request-type，如表1所示；實(shí)時(shí)信息格式，盆栽固定一段時(shí)間需要傳送給移動(dòng)端的數(shù)據(jù)信息，如表2所示；歷史信息格式，當(dāng)命令信息的request-type= “history”時(shí)返回歷史信息，如表3所示；空氣溫度信息格式，當(dāng)命令信息的request-type= “atop”時(shí)返回空氣溫度信息如表4所示；空氣濕度信息格式，當(dāng)命令信息的request-type= “ahop”時(shí)返回空氣濕度信息；土壤溫度信息格式，當(dāng)命令信息的request-type= “stop”時(shí)返回土壤溫度信息；土壤濕度信息格式，當(dāng)命令信息的requesttype= “shop”時(shí)返回土壤濕度信息。其中空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度的信息格式與空氣溫度信息格式相似。

表1 信息格式

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

2.3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) （1）植物數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)化地存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)不同植物的種類信息、采集的溫濕度信息、澆灌用水量數(shù)據(jù)等。

（2）主要數(shù)據(jù)表。包含植物種類信息數(shù)據(jù)表、植物基本狀態(tài)信息表、算法訓(xùn)練數(shù)據(jù)表、澆灌用水量數(shù)據(jù)表及決策樹表。

植物種類信息數(shù)據(jù)表［14］：用于存儲(chǔ)植物種類信息主要有植物種分類群信息 （種所在的門、綱、目、科、屬的信息，包括相應(yīng)的名稱和特征）、種名信息 （包括種的拉丁名、中文名和異名）、形態(tài)特征、生活環(huán)境或生態(tài)習(xí)性、地理分布。該表首先是在用戶在APP端將植物的名稱輸入之后，系統(tǒng)自動(dòng)查詢該植物的所屬的界、門、綱、目、科、屬和種的信息，并生成一個(gè)ID號(hào)唯一標(biāo)識(shí)該植物，然后將這些植物基本信息保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫中，以實(shí)現(xiàn)不同植物的個(gè)性化澆灌（表2）。

植物基本狀態(tài)信息表（Basic Plant State Information Table, BPSIT）：用于存儲(chǔ)由傳感器采集到的盆栽在某一時(shí)刻的環(huán)境溫濕度信息、土壤溫濕度信息和光照強(qiáng)度信息。該表中ID號(hào)是識(shí)別植物的標(biāo)識(shí)，在一定時(shí)間間隔Arduino主板將會(huì)獲取各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)盆栽狀態(tài)信息，包括環(huán)境溫度（ATOP），環(huán)境濕度（AHOP）、土壤溫度（STOP）、土壤濕度（SHOP）和光照強(qiáng)度（ALIOP）等基本狀態(tài)信息，并將其保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫，可供數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)盆栽的自動(dòng)化澆灌（表3）。

表2 植物種類信息數(shù)據(jù)

表3 植物基本狀態(tài)信息

算法訓(xùn)練數(shù)據(jù)表（Algorithm Training Data Table, ATDT）：記錄多種植物在不同生命狀態(tài)下的是否需要澆水（Watering）。該表主要存儲(chǔ)不同類別植物（數(shù)據(jù)表中以pot_id區(qū)分）在不同環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度和光照強(qiáng)度，其對(duì)應(yīng)判斷，植物是否需要澆水的樣本數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)表中某一類別植物的充分的數(shù)據(jù)信息，利用模糊分類模型進(jìn)行模型構(gòu)建，即能獲得特定植物模型結(jié)果，該結(jié)果能夠用以判斷植物在特定環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度和光照強(qiáng)度下是否需要澆水（表4）。

表4 算法訓(xùn)練數(shù)據(jù)

澆灌用水量數(shù)據(jù)表（Water Consumption Table, WCT）：用于存放澆灌用水量歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用水量預(yù)測模型的修正。該表中ID號(hào)作為識(shí)別植物的標(biāo)識(shí)，Arduino主板對(duì)每一次澆灌的時(shí)間和時(shí)長進(jìn)行記錄，根據(jù)澆水時(shí)長可以計(jì)算得到植物的澆水量（表5），并將這些記錄用于數(shù)據(jù)分析。

表5 澆灌用水量數(shù)據(jù)

決策樹表（Decision Tree Table）：用于存放算法訓(xùn)練后得到各種植物對(duì)應(yīng)決策樹表。決策樹表是某一類別植物利用ATDT數(shù)據(jù)表進(jìn)行分類模型構(gòu)建后得到的模型結(jié)果。由于算法訓(xùn)練數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)的改動(dòng)較小，因此盆栽硬件端模型構(gòu)建后得到的決策樹結(jié)果，在一段時(shí)間內(nèi)都具有有效性，并且規(guī)定一次訓(xùn)練得到的決策樹有效時(shí)間為30 d（表6）。

表6 決策樹表

2.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體 數(shù)據(jù)表以文件形式存儲(chǔ)于Arduino的SD卡，由于Arduino UNO自身的硬件架構(gòu)特性，其內(nèi)存僅為32KB，數(shù)據(jù)庫軟件無法在平臺(tái)上運(yùn)行。因此數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)以文件形式存儲(chǔ)在SD卡中，主控板通過讀寫SD卡中的文件操作數(shù)據(jù)表。

2.4 模糊決策樹算法

2.4.1 狀態(tài)分類回歸決策樹 智能盆栽硬件端從各個(gè)傳感器獲取的數(shù)據(jù)，如土壤溫濕度、環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度等盆栽的基本生命狀態(tài)信息集合（記為infos）。根據(jù)infos查找ATDT表，判斷植物的干渴程度，既而判斷植物是否需要澆灌。

式中，f表示查表，表示infos條件下的植物是否需要澆水。

由于盆栽infos的數(shù)據(jù)屬性的數(shù)值型和變化性，ATDT無法包含植物所有狀態(tài)下的干渴程度信息。因此，結(jié)合ATDT中數(shù)據(jù)特征，系統(tǒng)采用適合機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法［15］，充分有效的利用ATDT，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的健全性。分類方法的選擇決定著植物狀態(tài)識(shí)別的正確性高低。決策樹模型具有高效性、易構(gòu)建性、計(jì)算復(fù)雜度不高等特性，針對(duì)本系統(tǒng)信息集合infos的特點(diǎn)，選擇決策樹模型進(jìn)行澆灌決策。

決策樹有分類樹和回歸樹兩種［16］，分類樹對(duì)離散變量做決策樹，回歸樹對(duì)連續(xù)變量做決策樹［17］。infos數(shù)據(jù)的數(shù)值型特性，系統(tǒng)進(jìn)一步選擇決策樹模型中以Gini指數(shù)來選擇劃分屬性的分類回歸樹（ClassificationAndRegression Tree，CART）模型。其中Gini指數(shù)反映從數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇兩個(gè)樣本，其類別標(biāo)記不一致的概率，即盆栽樣本數(shù)據(jù)集中類別標(biāo)記Watering不一致的概率。因此，Gini指數(shù)越小，則數(shù)據(jù)集純度越高［18］，即劃分后的數(shù)據(jù)集中類別標(biāo)記Watering一致性更高。所以，在進(jìn)行算法訓(xùn)練時(shí)，選擇Gini指數(shù)最小的分類方案的分類效果更好。在運(yùn)用決策樹算法模型后，式（1）修正為：

式中，CART（ATDT）表示使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)ATDT訓(xùn)練CART；f表示利用CART的結(jié)果，計(jì)算得出infos狀態(tài)下植物的。

2.4.2 系統(tǒng)應(yīng)用 以 “盆栽綠蘿訓(xùn)練數(shù)據(jù)表”（表7）為例，對(duì)盆栽是否需要澆水進(jìn)行分析。該表數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)及其他數(shù)據(jù)庫等［19］由實(shí)驗(yàn)所得，取多盆綠蘿盆栽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別于每天的8：00、14：00、20：00由盆栽傳感器獲得數(shù)據(jù)后求平均值，通過模糊決策樹對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。選用綠蘿作為實(shí)驗(yàn)物種，是因其具有廣大的市場，在盆栽植物中具有代表性。

ATDT數(shù)據(jù)庫中植物物種ID號(hào)為盆栽綠蘿（001）的共有100條記錄，其中正例50個(gè)，即Watering為1的數(shù)據(jù)，表示植物需要補(bǔ)水；反例50個(gè)，即Watering為0的數(shù)據(jù)，表示不需要澆水。表7顯示了其中一部分記錄。將ATDT表中該類別植物的所有數(shù)據(jù)作為輸入，應(yīng)用CART算法處理數(shù)據(jù)后得到?jīng)Q策樹（圖3）。根據(jù)得到的決策樹，再結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊返回的傳感器數(shù)據(jù)信息，Arduino UNO便能進(jìn)行決策，判斷出植物是否需要澆水。

表7 盆栽綠蘿植物訓(xùn)練部分?jǐn)?shù)據(jù)表（數(shù)據(jù)庫中植物物種ID號(hào)—001）

以數(shù)據(jù)采集模塊采集到的陽臺(tái)盆栽綠蘿下午14:00傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)ATOP 35.50℃、AHOP 67%、STOP28.65℃、SHOP 76%、ALIOP 780為例，系統(tǒng)的決策過程如下。按照圖3決策樹逐屬性進(jìn)行決策判斷，首先，獲得決策數(shù)根節(jié)點(diǎn)的屬性為SHOP，比較實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表中土壤濕度SHOP數(shù)值76小于根節(jié)點(diǎn)分支條件87，因此，需要進(jìn)入分支節(jié)點(diǎn)STOP繼續(xù)比較，按照同樣的方法繼續(xù)判斷，所經(jīng)過的樹節(jié)點(diǎn)依次為SHOPSTOP-ATOP-SHOP-AHOP，最終可以到達(dá)葉節(jié)點(diǎn)Watering為1，判斷得到植物需要澆水，決策模塊發(fā)出澆水信號(hào)，Arduino UNO控制器控制水泵對(duì)盆栽植物澆水。

2.4.3 算法改進(jìn) 為滿足用戶的個(gè)性化需求，算法提供了多種模式。其中：

模式0（Automatic）：系統(tǒng)根據(jù)自帶數(shù)據(jù)庫中的信息（ATDT），使用CART算法得到的構(gòu)建決策樹，應(yīng)用于盆栽決策過程。

模式1（Semi-Automatic）：系統(tǒng)根據(jù)自帶數(shù)據(jù)庫的信息（ATDT），同時(shí)結(jié)合本地?cái)?shù)據(jù)庫記錄的用戶澆水時(shí)的盆栽信息（BPSIT和WCT），再構(gòu)建決策樹。

圖3 數(shù)據(jù)處理后得到的決策樹

模式2（Customize）：系統(tǒng)根據(jù)本地?cái)?shù)據(jù)庫記錄的用戶澆水信息（WCT），再構(gòu)建決策樹。

以上3種模式適用于不同需求和背景的用戶，提供了個(gè)性化的方案，具有一定的實(shí)用性。

2.5 控制模塊

通過Arduino控制板自動(dòng)澆灌或通過用戶Android端手動(dòng)控制水泵對(duì)盆栽進(jìn)行個(gè)性化澆灌；通過傳感器將盆栽實(shí)時(shí)生長環(huán)境信息傳送到Arduino主板中［20］，利用數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)分析模塊中模糊決策樹算法對(duì)數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是否需要澆水和澆水量，而后反饋回Arduino控制板，再根據(jù)所得反饋信息控制水泵進(jìn)行自動(dòng)澆水；同時(shí)也會(huì)將盆栽實(shí)時(shí)生長環(huán)境信息傳送到用戶Android端中，用戶可以通過移動(dòng)設(shè)備視頻遠(yuǎn)程了解到盆栽實(shí)時(shí)情況，也可以在移動(dòng)端進(jìn)行操控，將信息傳送到Arduino控制板控制水泵進(jìn)行手動(dòng)澆水，同時(shí)提醒用戶澆水是否澆水不足或過量，讓用戶體驗(yàn)到養(yǎng)殖盆栽的樂趣，也能讓盆栽更好地生長。

3 結(jié)語

本智能盆栽模型采用Arduino UNO主板，配置SHT11溫濕度傳感器、YL-69土壤濕度傳感器以及BH1750環(huán)境光傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過藍(lán)牙通信模塊將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶端，用戶通過應(yīng)用程序?qū)ε柙赃M(jìn)行遠(yuǎn)程操作。在硬件方面獲取數(shù)據(jù)方便，及時(shí)，有效，且操作簡單，實(shí)用性強(qiáng)，成本低廉；使用決策樹算法，透析植物特性，對(duì)不同植物做出不同選擇，實(shí)現(xiàn)因植物而異的差異化照看。設(shè)想改進(jìn)數(shù)據(jù)采集小車和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量上稍加擴(kuò)張，采用更精確的傳感器，系統(tǒng)還可拓展到溫室大棚蔬菜澆水等，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植場和實(shí)驗(yàn)基地。

隨著人們的購買力日益提升，盆栽市場具有廣闊的前景。個(gè)性化智能盆栽系統(tǒng)迎合大眾需求，根據(jù)不同植物的生活習(xí)性，實(shí)現(xiàn)智能操作，使植物的種植變得更加現(xiàn)代化，專業(yè)化?，F(xiàn)代人不用再像傳統(tǒng)花農(nóng)一樣常規(guī)常矩，按時(shí)按點(diǎn)打理，便可輕輕松松坐擁綠色生活。未來人工智能技術(shù)不斷完善，逐步滲透生活，智能家居將得到進(jìn)一步推廣，相信智能綠化設(shè)計(jì)會(huì)更加深入人心，為人們所接受。