SmartPot—科學(xué)精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

解一博，宋超田

（湖南科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖南湘潭，411201）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們的生活水平越來越高，物質(zhì)生活越來越富足，絕大多數(shù)的人都開始追求精神的富裕，而家庭園藝作為一個(gè)朝陽產(chǎn)業(yè)，發(fā)展趨勢(shì)極為良好，所以我們不難發(fā)現(xiàn)日常生活中越來越多的人都開始嘗試在家中擺放盆栽的綠植或者花卉來裝飾自己的居所，來滿足自己的精神需求。但是人們?cè)谏钪锌倳?huì)遇到一些無暇顧照料盆栽的情況，并且對(duì)于盆栽的相關(guān)養(yǎng)護(hù)知識(shí)的了解也不多，據(jù)調(diào)查有且僅有1.49%的受訪者表示對(duì)盆栽養(yǎng)護(hù)知識(shí)非常了解，由與此些因素而導(dǎo)致盆栽的實(shí)際養(yǎng)護(hù)情況并不良好。故而出于對(duì)盆栽養(yǎng)護(hù)問題的考慮，首先要解決的就是對(duì)于人們?cè)趯?duì)相關(guān)盆栽養(yǎng)護(hù)知識(shí)和時(shí)間缺乏的情況下如何養(yǎng)護(hù)好盆栽。

1 背景技術(shù)

基于對(duì)近些年園藝市場(chǎng)的調(diào)研可知，樂于進(jìn)行盆栽養(yǎng)護(hù)的人群呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，但隨著人們生活節(jié)奏的逐漸加快，人們對(duì)于盆栽的養(yǎng)護(hù)和管理時(shí)間出現(xiàn)短缺，且很少有人能靜下心來去了解盆栽養(yǎng)護(hù)的相關(guān)知識(shí)，所以人們對(duì)便捷式智能養(yǎng)護(hù)產(chǎn)品的需求日漸增長(zhǎng)。市場(chǎng)上也存在類似產(chǎn)品，但其功能并不完善，且價(jià)格也普遍偏高。在此背景下，急需一種新型物聯(lián)網(wǎng)云智能盆栽養(yǎng)護(hù)設(shè)備被提出來解決當(dāng)下問題。

以自動(dòng)養(yǎng)護(hù)和遠(yuǎn)程調(diào)控養(yǎng)護(hù)為例。當(dāng)前設(shè)備會(huì)通過眾多傳感器收集與盆栽養(yǎng)護(hù)情況相關(guān)的信息，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的相應(yīng)植物匹配的適宜生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，然后做出自我調(diào)控，用戶也可通過本設(shè)備佩備的APP對(duì)當(dāng)前盆栽的生長(zhǎng)情況進(jìn)行視頻查看以及相關(guān)的遠(yuǎn)程澆水或施肥以及調(diào)控生長(zhǎng)溫度等操作，同時(shí)也可在APP上看到盆栽養(yǎng)護(hù)情況的相關(guān)信息。工作原理如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目工作原理

2 硬件設(shè)計(jì)

本裝置的硬件模塊設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 硬件模塊設(shè)計(jì)圖

盆栽養(yǎng)護(hù)裝置中包含鋰電池、電源管理模塊、MCU控制模塊、溫濕度傳感器、氮磷鉀傳感器、光照傳感器、WIFI模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭模塊、加熱模塊、電磁閥、繼電器、塑膠軟管、營(yíng)養(yǎng)液存儲(chǔ)倉(cāng)和儲(chǔ)水倉(cāng)。

①鋰電池采用通用性鋰電池組，為盆栽養(yǎng)護(hù)裝置的自行運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量，并且配合MCU模塊中的電源管理模塊進(jìn)行能量的運(yùn)轉(zhuǎn)和顯示。

②MCU控制模塊與溫濕度傳感器、氮磷鉀傳感器、繼電器、攝像頭模塊、LCD模塊、電源管理模塊相互連接，通過MCU控制模塊的芯片完成盆栽養(yǎng)護(hù)裝置的所有功能，進(jìn)而達(dá)成裝置的智能化及自動(dòng)化目的。

③溫濕度傳感器、氮磷鉀傳感器和光照傳感器可采集到當(dāng)前植物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫濕度、氮磷鉀的值以及當(dāng)前光照強(qiáng)度的值，并且將采集到的相關(guān)信息發(fā)送給MCU控制模塊，MUC控制模塊根據(jù)這些信息進(jìn)行分析處理，對(duì)下一步要進(jìn)行的操作進(jìn)行判斷。

④WIFI模塊可與連接Internet網(wǎng)絡(luò)，使MCU模塊與云服務(wù)器以及智能終端三者進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸以及智能終端的控制操作。

⑤電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可通過釋放控制相關(guān)執(zhí)行器的電信號(hào)對(duì)盆栽養(yǎng)護(hù)設(shè)備中的繼電器、電磁閥等執(zhí)行器對(duì)盆栽中的植物進(jìn)行澆水、施肥等操作。

⑥攝像頭模塊可采集到相關(guān)當(dāng)前植物的圖片以及視頻信息，然后傳輸給MCU控制模塊，然后再由MCU控制模塊傳輸給云端服務(wù)器，在云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)以及視頻傳輸?shù)墓δ?，從而允許用戶在連接了云端服務(wù)器的APP上實(shí)時(shí)看到自己的植物生長(zhǎng)以及養(yǎng)護(hù)情況，實(shí)現(xiàn)云監(jiān)控以及云操縱的功能。

⑦加熱模塊可用于調(diào)控盆栽養(yǎng)護(hù)裝置中植物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度值，對(duì)當(dāng)前植物生長(zhǎng)所需要的環(huán)境溫度做出補(bǔ)償，使其生活在適宜溫度下。

⑧繼電器可接收MCU控制模塊的電信號(hào)，通過對(duì)電信號(hào)的處理使其可以作用在電磁閥上使電磁閥可以通過塑膠軟管對(duì)營(yíng)養(yǎng)液存儲(chǔ)倉(cāng)和儲(chǔ)水倉(cāng)中的營(yíng)養(yǎng)液和水進(jìn)行抽取，進(jìn)行自動(dòng)澆水和施肥的操作，從而使盆栽的養(yǎng)護(hù)自動(dòng)化得以實(shí)現(xiàn)。

⑨塑膠軟管可用于將營(yíng)養(yǎng)液存儲(chǔ)倉(cāng)和儲(chǔ)水倉(cāng)中的營(yíng)養(yǎng)液和水分運(yùn)輸?shù)脚柙责B(yǎng)護(hù)裝置的土壤里，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水和施肥提供運(yùn)輸管道。

⑩營(yíng)養(yǎng)液存儲(chǔ)倉(cāng)和儲(chǔ)水倉(cāng)分別用于存儲(chǔ)營(yíng)養(yǎng)液和水，并且將其內(nèi)置到盆栽養(yǎng)護(hù)裝置中，使用時(shí)可進(jìn)行拆卸與不拆卸裝填。

?盆栽養(yǎng)護(hù)裝置中PCB電路板上涂覆納米防水涂層，使其更耐用，且同時(shí)具備防水、防潮、耐腐蝕等防護(hù)能力，提升盆栽養(yǎng)護(hù)裝置的品質(zhì)，降低售后成本。

3 軟件設(shè)計(jì)

本裝置的軟件設(shè)計(jì)模塊圖如下所示。

軟件部分由硬件內(nèi)部所嵌入的嵌入式系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器端以及手機(jī)app共同組成，其相互之間的通信架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件通信架構(gòu)圖

①嵌入式系統(tǒng)采用正點(diǎn)原子的STM32F103系列開發(fā)板進(jìn)行開發(fā)，作為嵌入式的核心進(jìn)行著盆栽養(yǎng)護(hù)裝置中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集以及處理，通過對(duì)攝像頭模塊的開發(fā)完成視覺信息的采集，然后通過對(duì)開發(fā)板自身的WIFI模塊的開發(fā)并配合自身的其他模塊可以完成云端數(shù)據(jù)傳輸以及云操控等功能功能。例如，在人工養(yǎng)護(hù)模式下，當(dāng)裝置中的傳感器檢測(cè)到目前植物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境中水分缺失時(shí)，會(huì)通過WIFI模塊向云服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，然后再由云服務(wù)器將此信息傳遞給手機(jī)APP，用戶可通過手機(jī)APP查看到此信息后點(diǎn)擊澆水，然后將澆水的控制信息按上述流程反向發(fā)送給裝置，由裝置執(zhí)行澆水操作。除此之外，此嵌入式系統(tǒng)是獨(dú)立的，并且具有良好的可移植性，與項(xiàng)目其他部分連接即可形成一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

②本裝置所配備的數(shù)據(jù)庫(kù)中，包含了數(shù)十種植株所需要的營(yíng)養(yǎng)物數(shù)據(jù)，如氮磷鉀等，除此之外，還包括光照條件，PH此類數(shù)據(jù)。以及用戶自己所養(yǎng)盆栽的數(shù)據(jù)也存于此。用戶在APP上創(chuàng)建自己的賬戶后，即可實(shí)時(shí)查看自己所養(yǎng)盆栽的數(shù)據(jù)。不僅如此，用戶還可以根據(jù)自己所養(yǎng)殖的盆栽種類在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用出其對(duì)應(yīng)的最適生長(zhǎng)條件范圍，與傳感器傳回的盆栽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比，做出對(duì)應(yīng)的調(diào)整。例如，當(dāng)我們想要養(yǎng)護(hù)一盆牡丹花時(shí)，裝置會(huì)通過自身的攝像頭模塊采集到牡丹花的圖片信息，然后在服務(wù)器端進(jìn)行識(shí)別，然后將對(duì)應(yīng)植物的信息從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出，發(fā)送到手機(jī)APP端以及嵌入式系統(tǒng)端，從而使用戶和MCU控制模塊了解到植物的相關(guān)養(yǎng)護(hù)信息。很好地解決了用戶在養(yǎng)護(hù)植物時(shí)對(duì)植物養(yǎng)護(hù)知識(shí)不了解這一問題，可以極大地方便用戶對(duì)植物進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的UML類圖則如圖4所示。

圖4 UML類圖

③服務(wù)器端可對(duì)嵌入式系統(tǒng)所獲得并處理過的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)绞謾C(jī)APP端，并且也可識(shí)別嵌入式系統(tǒng)的控制信息，并對(duì)相應(yīng)的控制信息進(jìn)行相應(yīng)的操作，例如，當(dāng)嵌入式系統(tǒng)傳輸?shù)椒?wù)器端植物的視覺信息，服務(wù)器端可以將其與自身數(shù)據(jù)庫(kù)所擁有的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)植物的分類養(yǎng)護(hù)。服務(wù)器端圖像識(shí)別以及目標(biāo)檢測(cè)所用算法為YOLOV5，可以迅速并且精準(zhǔn)地檢測(cè)到植物目標(biāo)，確保了裝置良好的反應(yīng)速度以及檢測(cè)精度，相較以往的設(shè)備的流暢性以及靈敏性都有較大的提高。

④本裝置所配套的的手機(jī)APP可以通過輸入植株名來得知植株的習(xí)性以及養(yǎng)殖需注意的事項(xiàng)等，并在養(yǎng)殖后，即可在APP上查取植株當(dāng)前生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)和理想狀態(tài)數(shù)據(jù)，據(jù)此數(shù)據(jù)即可立即做出對(duì)應(yīng)的調(diào)整，并且手機(jī)APP中帶有云監(jiān)控功能，可以遠(yuǎn)程視頻查看植物的生長(zhǎng)情況。此外本項(xiàng)目將植株卡通化，擬人化，采取了可愛的語氣從植株的角度來養(yǎng)殖者對(duì)話，更能激起養(yǎng)殖者的呵護(hù)欲。例如，當(dāng)裝置中的傳感器檢測(cè)到植物所處的土壤環(huán)境中缺乏營(yíng)養(yǎng)時(shí)，會(huì)通過MCU控制模塊向服務(wù)器端發(fā)送相應(yīng)的可識(shí)別信息，服務(wù)器端經(jīng)過分析向手機(jī)APP發(fā)送相對(duì)應(yīng)的可操控信息，控制手機(jī)APP中的智能交互模塊發(fā)出“主人，主人，我餓了！”的語音消息，提醒用戶對(duì)植物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液的灌溉。并且手機(jī)APP可選擇裝置的自動(dòng)養(yǎng)護(hù)或者人工養(yǎng)護(hù)功能，當(dāng)用戶處于忙碌狀態(tài)時(shí)，可以選擇自動(dòng)養(yǎng)護(hù)，當(dāng)用戶休閑下來時(shí)，可以通過人工養(yǎng)護(hù)來體驗(yàn)培養(yǎng)植物的快樂。

4 結(jié)語

當(dāng)今時(shí)代將人們的生活節(jié)奏催化加快，在繁忙的城市工作生活中，越來越多的人們希望回到家里能過得到舒心放松，享受一下慢節(jié)奏的生活，平靜一下自己的心靈?；谶@一目的，越來越多的人們重視家庭園藝和盆栽種植。因?yàn)樵诩彝パb飾以及健康生活中，盆栽養(yǎng)殖和家庭園藝是不可忽視的。但是大多數(shù)人對(duì)于盆栽養(yǎng)護(hù)知識(shí)基本是空白的?；诖吮尘跋拢覀?cè)O(shè)計(jì)出SmartPot-科學(xué)精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。本系統(tǒng)各部分緊密結(jié)合，形成了完整的物聯(lián)網(wǎng)體系，可以實(shí)現(xiàn)云監(jiān)控養(yǎng)護(hù)，云智能識(shí)別，人工智能交互等功能。并且設(shè)備使用便捷，安全可靠，結(jié)合了“互聯(lián)網(wǎng)+”思想，使用了最新技術(shù)，改善了當(dāng)前設(shè)備的功能單一，價(jià)格偏高的缺點(diǎn)。為人們?cè)谌粘Ｉ钪叙B(yǎng)護(hù)盆栽提供了一種物美價(jià)廉的產(chǎn)品。