吳歡龍 韓璐遙 余林軍 劉偉銳

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

人們期待從現(xiàn)在快節(jié)奏的工作中尋求慢生活，盆栽植物不僅為人們提供一種慢節(jié)奏的種植體驗(yàn)，還能改善居家和辦公環(huán)境，助益人們身心健康。但目前市場(chǎng)上的智能花盆多為半自動(dòng)化式種植，常需要人對(duì)其進(jìn)行輔助種植，在消耗人們大量精力的同時(shí)培育結(jié)果也具有不確定性?，F(xiàn)有智能花盆功能較為單一，大多數(shù)智能花盆設(shè)計(jì)者往往通過改變?cè)煨秃筒牧蟻碇圃焓袌?chǎng)差異性，其結(jié)構(gòu)與功能仍有待于優(yōu)化。

智能花盆的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。江南大學(xué)的王瑩瑩基于Arduino平臺(tái)利用傳感器、單片機(jī)、交互系統(tǒng)等與花盆的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了植物的全天候托管[1]。南京航空航天大學(xué)的王新燕通過KANO模型發(fā)掘了人們對(duì)于桌面盆栽植物養(yǎng)護(hù)需求，設(shè)計(jì)了智能化花盆產(chǎn)品以及產(chǎn)品需求相關(guān)的移動(dòng)終端程序界面，為產(chǎn)品創(chuàng)新提供了設(shè)計(jì)思路和參考[2]。國(guó)外已投入市場(chǎng)的家居綠植養(yǎng)護(hù)平臺(tái)名為Click and Grow，其植物依靠科技生長(zhǎng)，給用戶帶來便利的同時(shí)降低了用戶參與感，且性價(jià)比低。鄭英珠等人也提出并開發(fā)了具有自主移動(dòng)性的智能花盆系統(tǒng)，其程序基于照度傳感器等自動(dòng)追蹤陽(yáng)光，并通過直觀的情感化界面提升用戶使用過程中的便利性和可用性[3]。

本文旨在設(shè)計(jì)一款具有市場(chǎng)差異性的智能花盆，通過TRIZ理論分解智能花盆系統(tǒng)，根據(jù)通用參數(shù)建立矛盾矩陣，利用發(fā)明原理得到設(shè)計(jì)方案理想解。智能花盆外觀與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化將更滿足用戶需求體驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有成熟技術(shù)在降低成本和提高資源利用率的同時(shí)增加智能花盆的可實(shí)踐性，實(shí)現(xiàn)智能花盆的可持續(xù)性工作。

1 TRIZ理論應(yīng)用

TRIZ解題的思路是將一般問題抽象化，用特定的參數(shù)描述問題，通過沖突的參數(shù)尋找背后的解題原理[4]。通過TRIZ理論對(duì)智能花盆領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計(jì)問題分析，挖掘主要矛盾，選取適用于本領(lǐng)域研究的主要方法進(jìn)行分析求解，對(duì)得到的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估篩選，求得最終理想解。

1.1 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析是對(duì)產(chǎn)品從整體到局部再到整體的剖析過程，系統(tǒng)分析模型的建立將直觀體現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)因素的相互作用關(guān)系及影響。系統(tǒng)化方法提供了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的路徑，通過系統(tǒng)分層，可以使各個(gè)部分的矛盾更加明顯，從子系統(tǒng)出發(fā)尋求矛盾及其理想解，讓設(shè)計(jì)更加具體化、精細(xì)化。本研究中智能花盆的設(shè)計(jì)即是一個(gè)整體系統(tǒng)，參照系統(tǒng)分層原理以及常見智能花盆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]可以將該研究模型分解成圖1所示。

圖1 智能花盆功能系統(tǒng)分解

動(dòng)力系統(tǒng)：作為智能花盆產(chǎn)品的主要?jiǎng)恿碓?，為?shí)現(xiàn)智能花盆的工作需求，本文選擇無線電磁充電作為主要?jiǎng)恿碓础?/p>

澆灌系統(tǒng)：智能花盆的澆灌系統(tǒng)可分為半自動(dòng)式澆灌和全自動(dòng)式澆灌，市面上的智能花盆大多為半自動(dòng)式澆灌，如何在降本增效的同時(shí)滿足智能澆灌的需求，是需要著重思考解決的問題。

光照系統(tǒng)：充足的光照將促進(jìn)植物的良性生長(zhǎng)，智能花盆的按需供給光照將促進(jìn)植物光合作用，改善居家辦公環(huán)境。若結(jié)合紫外線光照可起到引誘蚊蟲的作用，例如培育捕蠅草類植物與其結(jié)合將更好地誘捕周圍空間蚊蟲，凈化居家生活環(huán)境。

顯示系統(tǒng)：電源開關(guān)顯示狀態(tài)，具體濕度、溫度等都直觀反映了植物生長(zhǎng)狀態(tài)以及室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，人們可以根據(jù)動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)反饋調(diào)控智能花盆狀態(tài)，達(dá)到具體問題具體調(diào)控，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

控制系統(tǒng)：電源控制智能花盆的啟動(dòng)、關(guān)閉，期望針對(duì)不同植物切換不同的個(gè)性化養(yǎng)護(hù)模式，通過手機(jī)App遠(yuǎn)程跟蹤控制調(diào)節(jié)。

1.2 建立矛盾矩陣

（1）通用參數(shù)選擇：通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)現(xiàn)有智能花盆不能保證低成本高效益，且不能夠完全自動(dòng)化培育，經(jīng)常需要人工干涉。將智能花盆涉及到的技術(shù)矛盾抽象成TRIZ創(chuàng)新理論中的通用參數(shù)，通過表1所示內(nèi)容以及上述分析來篩選涉及到的理論參數(shù)。

表1 TRIZ通用參數(shù)表

通過參考同類智能花盆的結(jié)構(gòu)樣式和生產(chǎn)制造方式，對(duì)智能花盆的常用工作環(huán)境進(jìn)行考量，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)化程度高且生產(chǎn)成本低，同時(shí)可實(shí)踐性強(qiáng)的產(chǎn)品。從表1中選出適用于本研究的通用參數(shù)包括：32-可制造性，33-可操作性，35-適用性及多用性，36-裝置的復(fù)雜性，38-自動(dòng)化程度。

（2）建立矛盾矩陣：根據(jù)TRIZ理論參數(shù)的選擇，構(gòu)建TRIZ矛盾矩陣[6]，如表2所示。

表2 智能花盆TRIZ矛盾矩陣分析

表2中的序號(hào)對(duì)應(yīng)TRIZ理論中的40個(gè)發(fā)明原理，根據(jù)本文研究?jī)?nèi)容在原理可行性分析詳情表中適用于本研究的發(fā)明原理后面打?qū)μ?hào)，在不適用于本研究的發(fā)明原理后打叉。以此對(duì)表格內(nèi)涉及到的發(fā)明原理依次進(jìn)行適用性排除，最終選出適用的發(fā)明原理有：1-分割，3-局部質(zhì)量，5-組合合并，15-動(dòng)態(tài)特性，24-借助中介物，25-自服務(wù)，26-復(fù)制，28-機(jī)械系統(tǒng)替代。

2 智能花盆設(shè)計(jì)

2.1 智能花盆初選方案設(shè)計(jì)

根據(jù)篩選后所適用的發(fā)明原理建立方案解決表，如表3所示。

表3 智能花盆設(shè)計(jì)方案分析解決表

根據(jù)設(shè)想方案選取一種基于半導(dǎo)體裝置的冷凝模塊作為智能花盆設(shè)計(jì)中的主要供水來源，其中利用半導(dǎo)體制冷片體積小、無運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)從空氣中提取水資源[7]。通過對(duì)相同原理的產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研和對(duì)比分析，例如小型半導(dǎo)體除濕機(jī)等具備集水功能的家用電器。最終選擇型號(hào)為TEC1-12703的半導(dǎo)體作為本研究中所使用的元件，滿足了對(duì)智能花盆設(shè)計(jì)成本低的期待，實(shí)現(xiàn)了取之于自然用之于自然的高資源利用率。

綜上所述，得到具體設(shè)計(jì)方案，如圖2所示：該智能花盆設(shè)計(jì)包括光照系統(tǒng)1；提手2；固定螺栓3；可替換花盆模塊4；水箱頂蓋5；水箱6；冷凝器外殼7；底部燈圈8。如圖2 a) 所示，提手2頂部開有安裝槽，槽內(nèi)可安裝光照系統(tǒng)1，兩者構(gòu)成帶光照功能的提手，通過固定螺栓3固定于冷凝器外殼7上。同時(shí)，冷凝器外殼7底部設(shè)置安裝槽，槽內(nèi)可安裝燈圈8。該設(shè)計(jì)便于用戶隨時(shí)隨地移動(dòng)智能花盆，解決了移動(dòng)普通花盆時(shí)必須接觸底部外殼的問題。頂部LED智能光照系統(tǒng)能為植物的生長(zhǎng)提供光照，在有滅蚊需求時(shí)可切換成紫外燈模式，結(jié)合培育的植物對(duì)蚊蟲進(jìn)行吸引誘捕。底部燈圈8能在智能花盆吊起狀態(tài)時(shí)提供吊燈式樣的光照功能，增強(qiáng)室內(nèi)氛圍感。組裝好的智能花盆放在無線充電器9上時(shí)將為其充電，這種方式避免了裸露充電口觸水短路的危險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)水電分離保證用戶安全。

圖2 智能花盆結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2 b) 所示，水箱頂蓋5安裝于水箱6頂部，水箱6安裝于冷凝器外殼7頂部，三者構(gòu)成智能花盆的主要部分。冷凝器外殼7內(nèi)部開設(shè)有安裝槽，安裝槽內(nèi)設(shè)置可替換花盆模塊4。可替換花盆模塊4可隨時(shí)取出進(jìn)行植物替換，方便用戶更換不同植物并切換不同植物養(yǎng)護(hù)模式。冷凝器外殼7與水箱6、可替換花盆模塊4相接處的面上開設(shè)有孔，該設(shè)計(jì)能使水箱6中的水交換到可替換花盆模塊4中。同時(shí)，冷凝器外殼7內(nèi)部安裝有用于冷凝功能的半導(dǎo)體，底部開設(shè)有進(jìn)氣格柵。通過進(jìn)氣格柵吸氣將空氣中的水分冷凝，內(nèi)置水泵將水從水孔輸入水箱6中，在兩者間設(shè)置單向閥門使得水箱6中的水不會(huì)回流進(jìn)冷凝器外殼7中。

根據(jù)圖2 c) 所示，當(dāng)提手2處于展開狀態(tài)時(shí)（如左圖），其頂部?jī)?nèi)嵌的智能光照系統(tǒng)1可以為綠色植物提供光照，滿足植物在弱光或無光環(huán)境下的光照需求。當(dāng)用戶將智能花盆放置在有光照的環(huán)境下時(shí)，可以將提手2進(jìn)行折疊（如右圖），避免提手遮擋自然環(huán)境下的光照。該折疊狀態(tài)還方便用戶更換可替換花盆模塊4，一種簡(jiǎn)單的操作步驟大幅度提高用戶更換植物效率，提升用戶培育體驗(yàn)。

2.2 智能花盆效果圖呈現(xiàn)

如圖3 a) 所示，智能花盆的設(shè)計(jì)整體形線簡(jiǎn)潔自然，提起狀態(tài)的把手輪廓線順勢(shì)與底座流暢相接。應(yīng)用半導(dǎo)體材料利用其帕爾貼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱電制冷，可以快速冷凝游離在空氣中的水，集成植物所需水分，成本更低，耗電量更小。如圖3 b) 所示，在智能花盆需要充電時(shí)進(jìn)行水電分離式充電，底部托盤樣式的無線充電座避免花盆內(nèi)多余水分流入帶電插口。花盆不需要充電時(shí)，無線充電托盤作為收納盤也可以為其他支持無線充電的電子產(chǎn)品充電。如圖3 c) 所示，光照系統(tǒng)為植物生長(zhǎng)提供了所需光照，溫度、濕度及植物狀態(tài)清晰直觀顯示于主體。由于把手相對(duì)于使用者對(duì)光源有一定的遮擋作用使得智能花盆的光照系統(tǒng)在工作狀態(tài)時(shí)明亮又不晃眼。掛起時(shí)，底部環(huán)形光照可以輔助起到氛圍燈的作用。如圖3 d) 所示，切換到紫外燈模式時(shí)，將植物模塊同步更換成帶有誘捕蚊蟲屬性的植物，在凈化屋內(nèi)環(huán)境的同時(shí)加強(qiáng)了人與植物及環(huán)境的互動(dòng)。

圖3 不同模式效果圖