李先 張培 趙淵 王帥 甘偉寧 劉琪 邵衙淋

0.引言

隨著我國城市化程度越來越高，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大自然越來越向往，室內(nèi)種植盆栽依勢而興。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)過熏蒸處理過的綠蘿后甲醛去除率高達(dá)91.8 %，同樣方法測得吊蘭、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五種景天科多肉植物生理指標(biāo)的影響時每種都需要20株盆栽在不同的溫度下進(jìn)行實驗【4】。但是如今城市的快節(jié)奏生活或者出差旅行導(dǎo)致很多人沒有足夠的時間和精力照顧盆栽植物，而科研人員也苦于其他無關(guān)變量的影響導(dǎo)致測的數(shù)據(jù)誤差較大【2，5】 ，智能花盆的思想由此而來。智能化的控制花盆可以自動測試土壤溫濕度，PH值，自動澆水，為植物播放音樂【6】，凈化空氣，自動補(bǔ)光，降低能耗，節(jié)約資源【7】。本文對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)實現(xiàn)的數(shù)個主要功能。

1.研究現(xiàn)狀

早期的智能花盆智能化程度較低，實現(xiàn)的功能單一，多以自動澆水為主【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【12，13】，以對植物的生長要素進(jìn)行更加全面的檢測【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【18-21】，人機(jī)交互更加的方便及時。 其中有些智能花盆不僅允許用戶通過手機(jī)訪問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PLC控制水泵和步進(jìn)電機(jī)帶動的機(jī)械臂實現(xiàn)了噴水澆花的功能，該系統(tǒng)完成了各種邏輯控制，簡單靈活，控制全面，運行穩(wěn)定【8】。這個發(fā)明雖然能減少養(yǎng)殖者的勞動，但是并不能根據(jù)植物是否缺乏水分來澆水，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)、時間序列預(yù)測技術(shù)并結(jié)合規(guī)則庫確定適宜的澆水時間并精準(zhǔn)的控制澆水量，從而達(dá)到節(jié)約用水，促進(jìn)植物生長的目的【26】。她的方案更加符合植物的生長需求，并且節(jié)約資源。

以上都是基于傳統(tǒng)土培而設(shè)計的自動澆水功能的智能花盆，趙立軍等人研發(fā)的智能花盆應(yīng)用了較為新穎的無土栽培【27】，這樣就不用在澆水的問題上糾結(jié)，只需要確保營養(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，還有跟植物互動的要求。人機(jī)交互的功能不容忽視。

2.2人機(jī)交互

對于養(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)土壤的濕度過低時通過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)品所實現(xiàn)的功能確定了自己需要做的功能，然后運用溫度傳感器、光照傳感器、水分傳感器和PH值傳感器通過STM32軟件采集溫度、光強(qiáng)、水分和PH值，最后將數(shù)據(jù)通過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)頁來訪問智能花盆來獲取實時的數(shù)據(jù)，設(shè)置自動澆水或者手動澆水，加強(qiáng)了人與植物的互動【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，用戶可以隨時利用手機(jī)查看植物的生長狀態(tài)，也可以設(shè)置自動澆水或者遠(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、加熱器或冷凝器來調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)。此裝置也可以通過WIFI與給手機(jī)發(fā)送實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)，使用者可以設(shè)置相應(yīng)的生長參數(shù)，該裝置長期運行穩(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)，通過單片機(jī)控制風(fēng)扇和多孔調(diào)濕材料來實現(xiàn)調(diào)節(jié)溫度和濕度。此設(shè)計節(jié)約了用戶的時間，為植物提供了更好的生長環(huán)境【33】。

2.4光照調(diào)節(jié)

張俊朋和盛象飛設(shè)計了一款可以實時顯示溫濕度，并且光照強(qiáng)度過高會提醒用戶的智能花盆，該設(shè)計使用溫濕度傳感器、光照傳感器、單片機(jī)和LCD顯示屏等，運行可靠穩(wěn)定【34】。

李涵茜進(jìn)行了基于Arduino嵌入式平臺的智能花盆的研究，利用Arduino 嵌入式平臺的藍(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)可以實現(xiàn)自動澆水、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)上來劃分，智能花盆是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一個分支，所以設(shè)計者可以參考精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)的一些功能和使用的研究方法，在現(xiàn)實生活中，空氣的溫濕度也會影響植物的生長發(fā)育，用戶更希望花盆可以自動補(bǔ)水，現(xiàn)在智能花盆還沒有實現(xiàn)空氣的溫濕度控制，自動補(bǔ)水，希望研究人員可以設(shè)計出更加完善的作品。

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作者簡介：

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.