于莉莉 張磊 王哲

摘要：室內(nèi)智能綠植微環(huán)境系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、反饋控制、遠(yuǎn)程訪問等功能為一體的軟件和硬件的系統(tǒng)，主要是利用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)，由特定的底盆和個(gè)性化的綠植結(jié)合霧化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綠植凈化空氣、霧化加濕及美觀于一體的功能，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控周邊和花盆內(nèi)環(huán)境，根據(jù)數(shù)據(jù)分析及時(shí)做出決策，是從傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)養(yǎng)殖到科學(xué)精準(zhǔn)養(yǎng)殖的一次革新，大大提高植物的成活率。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng)；智能花盆；單片機(jī)；傳感器

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）20-0196-04

Design of Indoor Intelligent Green Plant Microenvironment System

YU Li-li， ZHANG Lei， WANG Zhe

（Information and Electronic Technology Institute，Jiamusi University， Jiamusi 154007，China）

Abstract： Indoor Intelligent Green planting micro environment system is a system of software and hardware which integrates data collection， data processing， feedback control， remote access and other functions. It mainly uses single chip technology， sensor technology and wireless communication technology， and combines the specific bottom basin and the individualized green plant and atomization system to realize green planting. The function of purifying air， atomizing and humidifying and beautiful in one， and monitoring the environment of the surrounding and flowerpots in real time， making the decision in time according to the data analysis， is a innovation from the traditional cultivation to the scientific precision cultivation， and greatly improves the survival rate of the plants.

Key words： Internet of things；Intelligent flower；Single Chip Microcomputer；Sensor

1 引言

隨著生活水平的提高，人們?cè)絹碓疥P(guān)注健康，綠色環(huán)保節(jié)能，對(duì)空氣質(zhì)量、濕度的要求越來越高，各種裝修材料對(duì)室內(nèi)環(huán)境的污染，讓人們充滿恐懼和無奈，北方干燥的大氣環(huán)境及空調(diào)的大量運(yùn)用，室內(nèi)空氣的濕度很難保證，人們常常感覺到干燥，加濕器、空氣凈化器大量地運(yùn)用到生活中。然而這些枯燥的電子產(chǎn)品設(shè)備雖然一定程度的解決的問題，但是依然無法滿足人們的需求，人們需要更加綠色、健康、自然的產(chǎn)品。我們研究的室內(nèi)智能綠植微環(huán)境系統(tǒng)帶來良好的解決方案，具有綠色、環(huán)保、智能理念，高效解決了室內(nèi)空間多種空氣污染問題。本系統(tǒng)是集成化與智能化、功能化與裝飾化、標(biāo)準(zhǔn)化與個(gè)性化、藝術(shù)化與互動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合，顛覆了傳統(tǒng)花卉園藝產(chǎn)品的表現(xiàn)與養(yǎng)護(hù)形態(tài)，也將革新我們花卉園藝消費(fèi)的結(jié)構(gòu)與習(xí)慣[1]。

2 系統(tǒng)市場(chǎng)調(diào)研分析

根據(jù)客戶使用群體及空間的不同分為三大系列，本項(xiàng)目研究初期主要針對(duì)第一系列，待經(jīng)驗(yàn)成熟可向第二、第三系列延伸。

第一系列，小空間的個(gè)體使用者，人們?cè)诩依锖娃k公室種點(diǎn)花，或者使用加濕器實(shí)現(xiàn)對(duì)小環(huán)境的改善，有一款相近的產(chǎn)品微景觀，水盆里面種上假山，蕨類植物，苔蘚植物，但是缺點(diǎn)是占用空間較大，沒有針對(duì)可以放在辦公桌、小空間使用的產(chǎn)品，而且對(duì)種植技術(shù)要求較高。我們研究室內(nèi)智能綠植微環(huán)境系統(tǒng)是由特定的底盆和個(gè)性化的綠植結(jié)合霧化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綠植凈化空氣、霧化加濕及美觀于一體的功能，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控周邊和花盆內(nèi)環(huán)境，根據(jù)數(shù)據(jù)分析及時(shí)做出決策，是從傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)養(yǎng)殖到科學(xué)精準(zhǔn)養(yǎng)殖的一次革新，大大提高植物的成活率。

可以利用網(wǎng)絡(luò)資源，開啟網(wǎng)店模式，統(tǒng)一開發(fā)特定規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行銷售，客戶資源為個(gè)體消費(fèi)者，渠道為電商。

第二系列，對(duì)于特定的商業(yè)空間開發(fā)產(chǎn)品，根據(jù)不同植物的搭配，實(shí)現(xiàn)物種養(yǎng)護(hù)，美觀，自動(dòng)加濕，客戶資源為特定商業(yè)空間，銷售渠道為網(wǎng)頁宣傳，及室內(nèi)設(shè)計(jì)公司合作，利益共享進(jìn)行推廣。

第三系列，對(duì)于特定的大空間公共建筑如中庭，結(jié)合水系背景墻設(shè)計(jì)，融入綠植控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌，自動(dòng)養(yǎng)護(hù)，客戶資源為企事業(yè)單位，老建筑改造，通過圖片設(shè)計(jì)提升企業(yè)面貌改善使用空間環(huán)境；新建筑通過與設(shè)計(jì)單位合作，在前期設(shè)計(jì)理念融入，設(shè)備條件預(yù)留，后期設(shè)計(jì)效果展示，最后實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目落成。必將發(fā)展一種新的模式，并可以在后期持續(xù)運(yùn)行中得到固定的維護(hù)收益。

現(xiàn)在全世界都推廣綠色經(jīng)濟(jì)政策，主要體現(xiàn)在綠色能源、綠色生活方式、綠色制造方面，可持續(xù)利用生物智能等方面。我國國務(wù)院會(huì)議討論通過《十二五國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，其中將節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)置于七大重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)之首。本研究不僅是對(duì)我國即將到來的綠色產(chǎn)品的熱潮的技術(shù)儲(chǔ)備，同時(shí)也是物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的一次探索。

20世紀(jì)60年代，國外很多發(fā)達(dá)國家就開始相繼建造各類規(guī)模的屋頂花園、屋頂綠化等垂直綠化工程，如今在美國、英國、德國、日本、法國等發(fā)達(dá)國家的大城市中，城市垂直綠化發(fā)展非常成熟，此外，國外也出臺(tái)了很多相關(guān)文件，文件中指出：城市不準(zhǔn)建磚墻、水泥墻，必須營造生態(tài)墻。如今世界各國都十分重視建筑墻體的垂直綠化，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的友好發(fā)展[2]。

城市智能垂直綠化的概念，在我國還是個(gè)新鮮事物，2010年在上海世博會(huì)首次亮相。近年來在國內(nèi)普遍應(yīng)用于城市大規(guī)模綠化，高檔別墅公寓戶外綠化，室內(nèi)目前也僅限于城市公共建筑、博物館、酒店餐廳、休閑會(huì)所、藝術(shù)展館和紀(jì)念館、商業(yè)大廈、私人會(huì)所等區(qū)域（如圖1、圖2所示），是高大上的標(biāo)志，過高的安裝成本以及復(fù)雜的后期維護(hù)是傳統(tǒng)垂直植物系統(tǒng)推廣的不利因素[3]。

現(xiàn)有的產(chǎn)品存在的不足：

1） 普遍是大規(guī)模的戶外綠化系統(tǒng)，安裝成本以及復(fù)雜的后期維護(hù)不適宜推廣；

2） 室內(nèi)綠化系統(tǒng)沒有完善的體系，產(chǎn)品參差不齊，產(chǎn)品質(zhì)量很難保證；

3） 家庭和辦公小空間的開發(fā)還處于起步階段，而且智能化程度較低；

4） 通過市場(chǎng)調(diào)研及網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查，集綠植盆栽和加濕器一體的智能產(chǎn)品現(xiàn)處于市場(chǎng)空白（網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查二維碼和分析結(jié)論如圖3、圖4所示）。

2010年上海世博會(huì)垂直綠化以及新加坡“空中花園城市”的啟發(fā)下并結(jié)合我國國情而設(shè)計(jì)的，我們發(fā)現(xiàn)垂直綠化技術(shù)目前在國內(nèi)的還不成熟，體制也不完善，并且成本高，投資巨大，很難走進(jìn)尋常百姓家。如何中小型化，降低成本，讓綠色平民化，無憂精準(zhǔn)智能栽培，是本項(xiàng)目的研究方向，經(jīng)過我們?cè)敿?xì)的市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)本項(xiàng)目具有深厚的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場(chǎng)前景，同時(shí)也能推動(dòng)綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展，倡導(dǎo)綠色環(huán)保理念。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、反饋控制、遠(yuǎn)程訪問等功能為一體的軟件和硬件的系統(tǒng)，主要是利用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)，從五個(gè)方面內(nèi)容進(jìn)行研究來達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。本項(xiàng)目三個(gè)系列的核心設(shè)計(jì)只是在規(guī)模大小、安裝方案等外圍設(shè)施有所差別。本項(xiàng)目的研究說明均以系列一為例，其設(shè)計(jì)初期的透視草圖和各部件分解圖如圖5、圖6所示。

1） 實(shí)時(shí)監(jiān)控：實(shí)時(shí)顯示環(huán)境和植物的各個(gè)主要參數(shù)，包括實(shí)時(shí)環(huán)境溫濕度、實(shí)時(shí)土壤濕度、實(shí)時(shí)光強(qiáng)等參數(shù)；

2） 實(shí)時(shí)報(bào)警：當(dāng)植物的某個(gè)生長參數(shù)超出系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)能夠提示報(bào)警，并給出合理建議；

3） 植物生長模型：滿足植物多樣性要求，建立一套滿足大多數(shù)室內(nèi)植物生長習(xí)性的參數(shù)數(shù)據(jù)庫；

4） 自動(dòng)化控制：系統(tǒng)能自動(dòng)維護(hù)環(huán)境空氣濕度在一個(gè)合理的范圍（用戶可預(yù)設(shè)），當(dāng)濕度低于或高于此閾值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)或關(guān)閉加濕模塊；系統(tǒng)還能自動(dòng)維護(hù)土壤含水量在一個(gè)合理適宜的范圍（不同植物根據(jù)植物數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)設(shè)定），當(dāng)土壤含水量出現(xiàn)超限報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)能自行饒水；

5） 遠(yuǎn)程訪問功能：用戶能夠通過移動(dòng)終端對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問，了解當(dāng)前植物生長狀態(tài)，并可以進(jìn)行人工干預(yù)。

本系統(tǒng)研究通過環(huán)境溫濕度傳感器、光傳感器、土壤濕度傳感器，把實(shí)時(shí)獲取環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、花土中的植物的生長環(huán)境因素的數(shù)據(jù)，通過LED顯示屏和手機(jī)App界面顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)建立專家植物數(shù)據(jù)庫，內(nèi)含多種常見觀葉植物和觀花植物培育信息，并可以不斷對(duì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行更新（當(dāng)我們團(tuán)隊(duì)有專修農(nóng)學(xué)的學(xué)生專門負(fù)責(zé)）。通過專家數(shù)據(jù)庫對(duì)特定植物設(shè)定其生長適宜的溫濕度，用采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定好的相應(yīng)的生長環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，若與設(shè)定值不同，就會(huì)做出相應(yīng)的提醒或執(zhí)行相應(yīng)的預(yù)設(shè)操作，如定時(shí)定量地對(duì)花卉進(jìn)行澆水。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的綠植微環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集顯示軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中對(duì)參數(shù)的采集和處理是由傳感器和單片機(jī)共同完成的。傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)經(jīng)單片機(jī)處理后，在花盆自身的顯示屏顯示出來。同時(shí)，單片機(jī)會(huì)將處理過的環(huán)境參數(shù)通過WIFI的無線傳輸方式發(fā)送至上位機(jī)和手機(jī)App。下位機(jī)軟件流程圖如圖7所示。上位機(jī)在綠植微環(huán)境系統(tǒng)中起到了數(shù)據(jù)接收、設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)閾值和顯示的作用，其軟件流程圖如圖8所示[4]。

4.2 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集顯示及服務(wù)器界面軟件設(shè)計(jì)

綠植微環(huán)境系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件是由 JAVA語言開發(fā)的基于Windows系統(tǒng)的應(yīng)用程序。本次設(shè)計(jì)的服務(wù)器的開發(fā)環(huán)境是由NetSarang公司推出的Xshell軟件，可以在Windows界面下用來訪問遠(yuǎn)端不同系統(tǒng)下的服務(wù)器，從而比較好的達(dá)到遠(yuǎn)程控制終端的目的。根據(jù)Xshell軟件開發(fā)的服務(wù)器如圖9所示。

4.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的綠植微環(huán)境系統(tǒng)測(cè)試

針對(duì)系統(tǒng)的研究目標(biāo)，本項(xiàng)目通過硬件的搭建和軟件的編程，構(gòu)建了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的綠植微環(huán)境系統(tǒng)。完成本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 需要先對(duì)軟硬件進(jìn)行分步驟的安裝和測(cè)試， 確認(rèn)每步測(cè)試成功后才進(jìn)行了系統(tǒng)的集成組裝調(diào)試和模擬試驗(yàn)。

系統(tǒng)的正常啟動(dòng)順序?yàn)椋菏紫缺ＷC服務(wù)器處于開啟狀態(tài)，然后為花盆接通電源，等待下位機(jī)初始化完成后，開啟電腦上位機(jī)選擇需要種植的植物，然后通過數(shù)據(jù)庫調(diào)取植物生長數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“開始監(jiān)控”按鈕，進(jìn)行監(jiān)控。從數(shù)據(jù)庫調(diào)取植物生長信息的界面如圖10所示，未開始監(jiān)控時(shí)的界面如圖11所示

點(diǎn)擊“開始監(jiān)控”按鈕文字不會(huì)發(fā)生變化；若接收到的環(huán)境參數(shù)沒有超過設(shè)定值的情況下，看到的界面如圖12所示。

如果采集的環(huán)境參數(shù)超過或低于專家數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，下位機(jī)能夠通過蜂鳴器進(jìn)行提示報(bào)警，相對(duì)應(yīng)的指示燈會(huì)亮起，并且顯示屏上相關(guān)參數(shù)的字體會(huì)由綠色變?yōu)榧t色，并執(zhí)行相關(guān)預(yù)設(shè)操作。同時(shí)若接收到的環(huán)境溫度小于給定的溫度下限，提示溫度過低； 若接收到的環(huán)境濕度大于給定的濕度上限， 提示濕度過高； 若接收到的光照強(qiáng)度小于給定光照強(qiáng)度下限， 提示光照過低等報(bào)警提示。具體情況請(qǐng)看圖13下位機(jī)報(bào)警顯示界面，圖14上位機(jī)報(bào)警顯示界面。

5 結(jié)束語

本研究是物聯(lián)網(wǎng)家居的一個(gè)小的領(lǐng)域應(yīng)用嘗試，符合2017年政府工作報(bào)告中，李克強(qiáng)總理談及環(huán)保部署中大力提倡的綠色環(huán)保和智能的理念，同時(shí)還與生活密切相關(guān)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)還可以推廣到智能農(nóng)業(yè)、智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1] 聶鵬程.植物信息感知與自組織農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2012.

[2] 徐高松.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧花盆的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2013.

[3] 趙珊.基于GIS的智能噴灌控制系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].黑龍江：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[4] 王哲，于莉莉.基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)綠植微環(huán)境系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2018（2）.