趙立軍，顏珊珊，王宇杰，張玉鑫，徐 鵬，楊 帆，楊清宇，胡 旭

(1.重慶文理學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，重慶 402160；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

綠色植物能夠有效凈化空氣、釋放負(fù)離子，還能形成綠色視野，促進(jìn)人類身心健康。如今，隨著生活節(jié)奏的加快和生活壓力的增加，人們并沒有足夠的時間和精力來照看家庭室內(nèi)養(yǎng)殖的植物，大型辦公場所的植物更是需要聘用專業(yè)人士種植，智能花盆[1-2]的思想應(yīng)運(yùn)而生。智能化控制花盆能夠降低能耗、節(jié)約資源，實現(xiàn)健康、環(huán)保及低碳節(jié)能的智能生活。

目前，智能花盆與物聯(lián)網(wǎng)的有效結(jié)合使得智能花盆相比于傳統(tǒng)花盆特點更加鮮明、優(yōu)勢更加明顯，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1)科學(xué)性。將“智能花盆”的設(shè)計與營養(yǎng)液水培技術(shù)結(jié)合，并將太陽能供電技術(shù)應(yīng)用其中，具有節(jié)能環(huán)保的特點，實現(xiàn)了自動補(bǔ)水、向光旋轉(zhuǎn)及整體基本無人看管。

2)先進(jìn)性。智能花盆將傳統(tǒng)種植業(yè)與電子產(chǎn)品業(yè)等現(xiàn)代科技結(jié)合，形成具有強(qiáng)大功能的技術(shù)架構(gòu)，同時為眾多消費(fèi)者及企業(yè)提供了巨大的市場和無限機(jī)會。

3)創(chuàng)新性。物聯(lián)網(wǎng)下的智能家居帶來的是一次顛覆性、創(chuàng)新性的革命，新的生活方式必然會帶來技術(shù)的創(chuàng)新及各方面產(chǎn)品的創(chuàng)新。

智能家居產(chǎn)品[3-4]在人們生活發(fā)展中越來越得到廣泛的應(yīng)用與認(rèn)可，具有良好的發(fā)展前景。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

智能花盆在我國的發(fā)展時間尚短，但種類繁多。2015年，通達(dá)綠景科技發(fā)布了JUST GROW智能花盆，主打“省事、省心的植物養(yǎng)成”。其栽培基質(zhì)經(jīng)反復(fù)試驗免除了鏟土、施肥的步驟，同時加入了澆水提醒。2017年，小米眾籌智能花盆發(fā)布，小米“米家”雜貨鋪上架種花神器—花花草草智能花盆。該花盆設(shè)計簡約，具有易懂的燈光指示，通過讀取花盆上不同的指示燈顏色判斷花盆電量、肥力失衡及水分失衡，且能夠在手機(jī)等移動設(shè)備安裝客戶端觀察。

近年來，布魯內(nèi)爾大學(xué)工業(yè)設(shè)計系的女大學(xué)生娜塔莉 ·金設(shè)計的“Tulipe”[5]，旨在讓人們和其種植的盆栽之間擁有更多的交流，使得人們在種植盆栽前了解所種植植物的生活特性。2015年，CES國際消費(fèi)電子展美國某公司展出的Parrot Pot智能花盆加入了自動澆水功能，使得智能花盆領(lǐng)域的研究向全自動化更進(jìn)一步。

2 太陽能智能無土栽培花盆系統(tǒng)的研制

2.1 核心系統(tǒng)

核心系統(tǒng)主要由光照強(qiáng)度檢測與補(bǔ)光燈控制系統(tǒng)、自動補(bǔ)水系統(tǒng)、太陽能儲電系統(tǒng)及自動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)4個部分構(gòu)成，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

光照強(qiáng)度的檢測以光照傳感器BH1750FVI為感應(yīng)部件，設(shè)定最小光照度為1 000Lux的正常太陽光照強(qiáng)度，將檢測到的光照強(qiáng)度值送入AT89C51單片機(jī)，再由其輸出繼電器控制LED燈的亮滅及盆體是否旋轉(zhuǎn)，最大限度地節(jié)約能源和成本。

太陽能儲電系統(tǒng)基于自動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的向光性，由太陽能電池板轉(zhuǎn)換電能用于提供整個系統(tǒng)的部分電能。太陽能儲電不足時利用外接USB接口進(jìn)行充電，采用USB充電的好處在于其通用性和實用性強(qiáng)[6]。

自動補(bǔ)水系統(tǒng)和自動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是從時鐘芯片DS1302讀入月份與每天的實時時刻，通過軟件程序設(shè)定定時噴營養(yǎng)液以及向光旋轉(zhuǎn)。

以人工智能、自動控制及機(jī)械優(yōu)化設(shè)計等現(xiàn)代化技術(shù)手段為根本，基于光、溫、水、氣、肥的檢測與調(diào)控系統(tǒng)，創(chuàng)建了一個具備初等小型生態(tài)系統(tǒng)的概念花盆，通過各平臺系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個獨(dú)立執(zhí)行系統(tǒng)動作，實現(xiàn)光照、水分環(huán)境自發(fā)適應(yīng)調(diào)控，即各環(huán)境因子(光照、溫度、濕度、CO2濃度等)的耦合調(diào)控、自適應(yīng)LED補(bǔ)光、太陽能補(bǔ)光及智能補(bǔ)充營養(yǎng)液等功能。

2.2 智能花盆結(jié)構(gòu)與設(shè)計

2.2.1 盆體選材

盆體采用PVC為隔離材料，其主要性能如表1所示。其優(yōu)異的防水能力及抗老化能力適合作為與水接觸的材料。隔板采用粘接式燙接形式，從而形成一個新的防水層，既有排水功能又有二次防水功能，并可以采用機(jī)械燙接形式。 PVC材料卷材抗壓強(qiáng)度大，其抗壓強(qiáng)度是同等厚度PS卷材的1.5倍、HDPE材料的2.5倍。采用防塌陷設(shè)計，在四周用三角支撐板支撐，增大了花盆的承載量，防止盛水過多導(dǎo)致隔板塌陷。

表1 PVC隔離材料性能表

2.2.2 盆底選材

從環(huán)保、力學(xué)性能、有無毒害等多方面考慮，采用原生改性聚丙烯材料(PP)。其為半透明無色固體，無臭無毒，由于結(jié)構(gòu)規(guī)整而高度結(jié)晶化，故熔點可高達(dá)167℃，耐熱、耐腐蝕，制品可用蒸汽消毒是其突出優(yōu)點，且密度小，是最輕的通用塑料。這種材料的力學(xué)性能良好，表面剛度和抗劃痕特性尤為出眾，不存在環(huán)境應(yīng)力開裂問題[7-10]。聚丙烯具有優(yōu)異的抗彎曲疲勞性，其制品在常溫下可彎折106次而不損壞；化學(xué)穩(wěn)定性也十分良好，除能被濃硫酸、濃硝酸侵蝕外，對其它各種化學(xué)試劑都比較穩(wěn)定。所以，選擇其作為花盆底座。在底座下安裝4個萬向輪，用于其整體在軌道上旋轉(zhuǎn)，并且外徑大于花盆最大外徑，防止向花盆內(nèi)注水時濺射而發(fā)生電源或其他電路短路的情況。

2.2.3 密封方式

花盆外形選擇近似漏斗形的結(jié)構(gòu)，隔板位于中間部分。由于PVC材料具有良好的耐腐蝕性，密封采用黏著力較強(qiáng)、密封性最好的耐候性酸性硅酮膠密封膠密封。

在盆體注水的情況下，外殼和隔板同時受水施加的壓力，但漏斗形狀會分擔(dān)其向下的壓力，在水壓下不會導(dǎo)致粘接處出現(xiàn)開膠的現(xiàn)象，保證了花盆的密封效果。

2.2.4 燈架的選擇

外部燈架選用鋁合金材料，主干結(jié)構(gòu)采用弧形可伸縮式燈架，可根據(jù)植株的大小調(diào)整燈與植株間的距離，以適應(yīng)不同植株對光照點的要求[11]。弧形結(jié)構(gòu)使之與花盆外壁緊密貼合，加強(qiáng)了燈架主干抗彎強(qiáng)度。

2.3 帶傳動的設(shè)計

考慮到花盆工作條件，盆底傳動裝置處于一個相對良好的工作環(huán)境，且要把不便于更換零件的損害降到最低，故選用所示帶傳動作為花盆的主傳動裝置。

其優(yōu)勢在于：緩和載荷沖擊，運(yùn)行平穩(wěn)無噪聲，制造和安裝精度不像嚙合傳動那樣嚴(yán)格，防止過載時引起打滑及其他零件損壞，且可增加帶長以適應(yīng)中心距較大的工作條件。

大帶輪直徑為120mm，小帶輪直徑為10mm，傳動比n=12:1，帶輪寬為3mm，材料為聚丙烯。此設(shè)計的主要目的是為了在傳送帶損壞時可在家隨時用橡膠帶更換。

動力的轉(zhuǎn)換采用5號線4相28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、質(zhì)量輕，且性價比高。28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)直徑為28mm，電壓為5V，步進(jìn)角度為5.64*1/64，減速比為1/64，啟動轉(zhuǎn)矩大于300g·cm，定位轉(zhuǎn)矩大于300g·cm。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

軟件設(shè)計部分以 AT89C51單片機(jī)為核心，利用軟件編寫 C語言程序。軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化、時鐘時序、端口控制等，從而實現(xiàn)由步進(jìn)電機(jī)利用單片機(jī)對外圍電路的自動控制。

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計是在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。軟件設(shè)計主要分為幾大部分：

1)光強(qiáng)檢測部分是通過照度傳感器BH1750FVI檢測光照強(qiáng)度，與程序固化的下限值進(jìn)行比較，然后做出判斷；當(dāng)光照強(qiáng)度和光照時間低于固化的下限值時，反饋給單片機(jī)斷開LED燈的電能供給。

2)定時電路部分。本系統(tǒng)用于家居生活中，通常其工作時間為幾個小時到十幾個小時。由于單片機(jī)自帶的定時器內(nèi)部定時，指令的執(zhí)行時間不確定而具有一定的誤差[12-15]，時間的積累會產(chǎn)生很大的誤差。因此，對于定時電路使用外部的外接時鐘芯片，通過讀取該定時芯片數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行定時，從而保證定時時間的準(zhǔn)確。所以，定時電路使用外部時間芯片DS1302。DS1302采用同步串行的方式與單片機(jī)進(jìn)行通信，通過RES復(fù)位線、I/O數(shù)據(jù)線、SCLK串行時鐘口線和單片機(jī)進(jìn)行信息交換。

通過對智能花盆的研究，團(tuán)隊研制了一款可以正常工作的樣機(jī)，如圖2～圖5所示。

圖2 三維模型 圖3 實物圖

圖4 剖視圖

圖5 三視圖

3 綠植無土栽培試驗研究

無土栽培技術(shù)(soilless culture) 用人工配制的培養(yǎng)液，供給植物礦物營養(yǎng)的需要。無土栽培是一種不用天然土壤而采用含有植物生長發(fā)育必需元素的營養(yǎng)液來提供營養(yǎng)，使植物正常完成整個生命周期的技術(shù)。

3.1 試驗材料

試驗綠植品類富貴樹，采購于哈爾濱花卉大市場同一批花苗，如圖6所示。營養(yǎng)液根據(jù)改良配方自制配得，基質(zhì)由草炭、椰糠、蛭石、有機(jī)質(zhì)等按比例配得，土壤為普通花土。

圖6 植株對照試驗實物圖

3.2 試驗設(shè)計

試驗于2018年2月25號在實驗室內(nèi)進(jìn)行。植株采購后統(tǒng)一培育3天，將其移植至各花盆；移植后每天采集1次空氣溫濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，如表2所示。試驗對植株進(jìn)行基質(zhì)和營養(yǎng)液培植，每種培養(yǎng)方式各種植10株富貴樹，單桿整枝。設(shè)置對照組為普通土壤種植，栽植后隔天采集植株數(shù)據(jù)，進(jìn)行指標(biāo)測定。由于綠植材料為喜水性植物，所以土壤和基質(zhì)種植花盆每兩天一次人工水分供給。

3.3 測定項目和分析方法

對每組植株分別進(jìn)行1～10標(biāo)號，計算每株葉片數(shù)量；用直尺測定株高、最高葉葉長、葉寬，游標(biāo)卡尺測定莖粗。通過測定上述項目了解植株形態(tài)。

3.4 結(jié)果與分析

不同養(yǎng)植方式對植株形態(tài)指標(biāo)的影響程度不同，如表3～表5所示。由表3～表5中可以看出：太陽能智能無土栽培花盆養(yǎng)植的植株株高、莖粗等顯著高于傳統(tǒng)土培和基質(zhì)養(yǎng)植，植株長勢明顯優(yōu)于傳統(tǒng)土培和基質(zhì)養(yǎng)植。試驗期間，土培和基質(zhì)養(yǎng)植需要定時定量的人工水供給，而智能花盆每隔5min進(jìn)行1次營養(yǎng)液噴灑供給，根莖不會浸泡在營養(yǎng)液中，省去許多人力和時間。種植期間土培綠植出現(xiàn)了葉片發(fā)黃現(xiàn)象，采用人工對其施肥補(bǔ)救使得后期綠植正常生長。

傳統(tǒng)土培水分存在難以及時供給、光照強(qiáng)度達(dá)不到植株的理想光強(qiáng)及土壤中營養(yǎng)物質(zhì)不足等問題，都不適宜植株的生長，所以植株生長緩慢、細(xì)弱。太陽能智能無土栽培花盆能夠?qū)χ仓甓烤鶆蜓a(bǔ)給水分，向光旋轉(zhuǎn)性使得植株長勢均勻，養(yǎng)植過程簡單、方便，更適宜植物生長。

表2 植株的生長環(huán)境參數(shù)

表3 太陽能智能無土栽培花盆栽培植株形態(tài)

續(xù)表3

表4 基質(zhì)花盆栽培植株形態(tài)

表5 傳統(tǒng)土壤花盆栽培植株形態(tài)

4 結(jié)論

1)科學(xué)的思路：根據(jù)專業(yè)的知識，計算植物生長所需的光照強(qiáng)度及時間；堅持有效節(jié)約能源的理念，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)自動化設(shè)計，將太陽能板安裝在花盆上方，解決傳統(tǒng)智能花盆浪費(fèi)能源等問題。

2)實用的設(shè)計：采用營養(yǎng)液無土裁培技術(shù)，去除了土壤栽培帶來的諸多不便，且打理的時間大大縮短，不需要花太多的時間去澆水、施肥、翻土等，有效地解決了愛花與愛干凈之間的矛盾。

3)有效的優(yōu)化：利用太陽能供光，并添加向光旋轉(zhuǎn)的功能，去除了土培花盆的土壤部分，采用新材料水培土，不溶解但是能儲存水分，以植物和照明兩用燈代替了傳統(tǒng)植物補(bǔ)光燈，減少了資源的浪費(fèi)，大大提升了材料利用率與花盆工作效率。

4)通過試驗研究，智能花盆在正常室內(nèi)環(huán)境下運(yùn)行時可以實現(xiàn)：①綠植生長環(huán)境光照強(qiáng)度、水分以及營養(yǎng)的自適應(yīng)調(diào)控；②能夠及時補(bǔ)充光照保證綠植正常生長；③能夠?qū)G植定量、均勻地進(jìn)行水分補(bǔ)施；④營養(yǎng)液栽培縮短了植物生長周期。