李先 張培 趙淵 王帥 甘偉寧 劉琪 邵衙淋

0.引言

隨著我國(guó)城市化程度越來(lái)越高，曾經(jīng)小路邊的野生植物變成了柏油路兩旁的綠化帶，城市的綠地面積縮小使人們對(duì)大自然越來(lái)越向往，室內(nèi)種植盆栽依勢(shì)而興。盆栽可以觀賞給人以美的享受，頓養(yǎng)身心，陶冶情操，也可以構(gòu)建、引導(dǎo)空間環(huán)境【1】;但因其本身光合作用的特性所以在空氣凈化方面表現(xiàn)優(yōu)異，例如在充有一定濃度甲醛的空間內(nèi)放入經(jīng)過(guò)熏蒸處理過(guò)的綠蘿后甲醛去除率高達(dá)91.8 %，同樣方法測(cè)得吊蘭、綠油油和蘆薈等植物的甲醛去除率都在80 %以上【2，3】;除此之外，有些科研工作者在研究植物生理時(shí)也需要大量的盆栽樣本和控制變量，例如馬英等人在研究低溫脅迫對(duì)五種景天科多肉植物生理指標(biāo)的影響時(shí)每種都需要20株盆栽在不同的溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)【4】。但是如今城市的快節(jié)奏生活或者出差旅行導(dǎo)致很多人沒(méi)有足夠的時(shí)間和精力照顧盆栽植物，而科研人員也苦于其他無(wú)關(guān)變量的影響導(dǎo)致測(cè)的數(shù)據(jù)誤差較大【2，5】 ，智能花盆的思想由此而來(lái)。智能化的控制花盆可以自動(dòng)測(cè)試土壤溫濕度，PH值，自動(dòng)澆水，為植物播放音樂(lè)【6】，凈化空氣，自動(dòng)補(bǔ)光，降低能耗，節(jié)約資源【7】。本文對(duì)智能花盆近幾年的研究進(jìn)行了匯總，分別介紹了研究現(xiàn)狀和現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)個(gè)主要功能。

1.研究現(xiàn)狀

早期的智能花盆智能化程度較低，實(shí)現(xiàn)的功能單一，多以自動(dòng)澆水為主【8-11】。隨著科技的發(fā)展與研究的深入，研究者在前人的基礎(chǔ)上又填加了更多的傳感器，增加與植物相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)【12，13】，以對(duì)植物的生長(zhǎng)要素進(jìn)行更加全面的檢測(cè)【14，15】，從而為更加科學(xué)的養(yǎng) 護(hù)植物提供數(shù)據(jù)支持，達(dá)到保證植物存活和節(jié)約資源的目的。除了在技術(shù)上的進(jìn)步，研究人員也注意到人性化的需求【16，17】。智能花盆的發(fā)展由關(guān)注植物的需求轉(zhuǎn)變?yōu)楦幼⒅厝说母惺堋，F(xiàn)如今大多數(shù)智能花盆都可以被智能手機(jī)訪問(wèn)【18-21】，人機(jī)交互更加的方便及時(shí)。 其中有些智能花盆不僅允許用戶通過(guò)手機(jī)訪問(wèn)智能花盆獲取植物的有關(guān)信息，并且能用手機(jī)查看植物圖像【22】控制智能花盆進(jìn)行澆水、補(bǔ)光、施肥【23】等相關(guān)操作。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，智能花盆的功能日趨完善，下面按照功能分類介紹。

2.1自動(dòng)澆水

水乃生命之源，它關(guān)乎著我們?nèi)祟惿来嫱?，植物更是如此，隨著技術(shù)的發(fā)展，在2000年吳曉梅通過(guò)PLC控制水泵和步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)了噴水澆花的功能，該系統(tǒng)完成了各種邏輯控制，簡(jiǎn)單靈活，控制全面，運(yùn)行穩(wěn)定【8】。這個(gè)發(fā)明雖然能減少養(yǎng)殖者的勞動(dòng)，但是并不能根據(jù)植物是否缺乏水分來(lái)澆水，有研究稱82 %家庭種植植物的死亡原因是澆水不當(dāng)【24】。緊接著李強(qiáng)利用土壤加水電阻會(huì)改變的規(guī)律制作出一款智能花盆，此款花盆可以判斷植物是否缺乏水分，使用繼電器控制水泵進(jìn)行澆水【25】。眾所周知，植物種類不同，需要的澆水量和澆水次數(shù)都不盡相同，他的設(shè)計(jì)方法僅適用于部分的植物。而李玲則是先使用土壤濕度傳感器和空氣溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集再利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、時(shí)間序列預(yù)測(cè)技術(shù)并結(jié)合規(guī)則庫(kù)確定適宜的澆水時(shí)間并精準(zhǔn)的控制澆水量，從而達(dá)到節(jié)約用水，促進(jìn)植物生長(zhǎng)的目的【26】。她的方案更加符合植物的生長(zhǎng)需求，并且節(jié)約資源。

以上都是基于傳統(tǒng)土培而設(shè)計(jì)的自動(dòng)澆水功能的智能花盆，趙立軍等人研發(fā)的智能花盆應(yīng)用了較為新穎的無(wú)土栽培【27】，這樣就不用在澆水的問(wèn)題上糾結(jié)，只需要確保營(yíng)養(yǎng)液的供給就能夠保證植物的存活，而且更加的干凈整潔。

植物養(yǎng)殖者的需求難道就是這些嗎？顯然不是，他們除了需要可以幫助養(yǎng)殖植物的花盆，還有跟植物互動(dòng)的要求。人機(jī)交互的功能不容忽視。

2.2人機(jī)交互

對(duì)于養(yǎng)殖者而言，不同的李晨杰等人用溫濕度傳感器、光照傳感器采集數(shù)據(jù)，當(dāng)土壤的濕度過(guò)低時(shí)通過(guò)GSM模塊將數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送到特定的手機(jī)進(jìn)行提醒【28】。同年徐高松先對(duì)用戶需求進(jìn)行了調(diào)研，并結(jié)合現(xiàn)有的同類產(chǎn)品所實(shí)現(xiàn)的功能確定了自己需要做的功能，然后運(yùn)用溫度傳感器、光照傳感器、水分傳感器和PH值傳感器通過(guò)STM32軟件采集溫度、光強(qiáng)、水分和PH值，最后將數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI發(fā)送到用戶端，用戶可以在電腦或者手機(jī)上登錄網(wǎng)頁(yè)來(lái)訪問(wèn)智能花盆來(lái)獲取實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，設(shè)置自動(dòng)澆水或者手動(dòng)澆水，加強(qiáng)了人與植物的互動(dòng)【29】。

紀(jì)秀等人用AT89C52單片機(jī)作為核心，使用DHT11溫濕度傳感器、土壤傳感器和光照傳感器采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)可以根據(jù)濕度和光照數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷從而決定是否控制水泵澆水和使花盆自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并且采集到的數(shù)據(jù)可以在LCD顯示屏上顯示出來(lái)使養(yǎng)殖者可以更直接的觀察【30】。

王安娜等人利用土壤濕度傳感器采集土壤濕度數(shù)據(jù)，該花盆上裝有攝像頭，用戶可以隨時(shí)利用手機(jī)查看植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，也可以設(shè)置自動(dòng)澆水或者遠(yuǎn)程控制澆水【31】。

2.3土壤溫度調(diào)節(jié)

胡欣宇和王宇星用STM32處理器處理溫度傳感器，濕度傳感器、光照傳感器和土壤呼吸傳感器采集的數(shù)據(jù)，將其通過(guò)串口傳遞給S5PV210處理器，S5PV210處理器智能判斷并控制水箱、LED燈、加熱器或冷凝器來(lái)調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)。此裝置也可以通過(guò)WIFI與給手機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，使用者可以設(shè)置相應(yīng)的生長(zhǎng)參數(shù)，該裝置長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定可靠【32】。

秦冬使用溫濕度傳感器采集土壤溫濕度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)控制風(fēng)扇和多孔調(diào)濕材料來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)溫度和濕度。此設(shè)計(jì)節(jié)約了用戶的時(shí)間，為植物提供了更好的生長(zhǎng)環(huán)境【33】。

2.4光照調(diào)節(jié)

張俊朋和盛象飛設(shè)計(jì)了一款可以實(shí)時(shí)顯示溫濕度，并且光照強(qiáng)度過(guò)高會(huì)提醒用戶的智能花盆，該設(shè)計(jì)使用溫濕度傳感器、光照傳感器、單片機(jī)和LCD顯示屏等，運(yùn)行可靠穩(wěn)定【34】。

李涵茜進(jìn)行了基于Arduino嵌入式平臺(tái)的智能花盆的研究，利用Arduino 嵌入式平臺(tái)的藍(lán)牙功能將溫濕度傳感器和光照傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP上，用戶可以使用手機(jī)遠(yuǎn)程控制澆水和光照 。

3.總結(jié)與展望

現(xiàn)在的智能花盆研究的比較深入，成果很多，功能多樣，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水、人機(jī)交互、土壤溫度調(diào)節(jié)和光照調(diào)節(jié)等功能，從技術(shù)上來(lái)劃分，智能花盆是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一個(gè)分支，所以設(shè)計(jì)者可以參考精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一些功能和使用的研究方法，在現(xiàn)實(shí)生活中，空氣的溫濕度也會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，用戶更希望花盆可以自動(dòng)補(bǔ)水，現(xiàn)在智能花盆還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)空氣的溫濕度控制，自動(dòng)補(bǔ)水，希望研究人員可以設(shè)計(jì)出更加完善的作品。

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作者簡(jiǎn)介：

李先（1997/04/10），性別：男，民族：漢，籍貫：內(nèi)蒙古自治區(qū) 烏蘭察布市，學(xué)歷：本科，研究方向：智能花盆.