基于3D打印技術實現自動汲水防蚊的花盆系統

吳笛　李湘南　朱恒強　傅洪波

摘要：隨著生活水平的提高，許多居民喜歡在家中種植花草，但一些人時常因出差而擔心家中的植物沒人管理而枯死。如果一次性澆水過多，則花盆中的積水容易引來蚊子。眾所周知，蚊子是登革熱的傳播媒介。為了解決這些問題，基于毛細現象和水位差原理，設計了一種由花盆、自動續水裝置和蓄水裝置組成的自動汲水防蚊的花盆系統，并使用3D打印技術形成實物。該模具不僅可以實現一盆花的自動續水，也可以通過并聯或串聯的方式同時對幾十盆花澆水，既解決了上述問題，又具有成本低、應用價值高的特點，模具的設計實用而且便宜，適合在家庭中推廣使用。

關鍵詞：防蚊花盆;毛細現象;水位差;自動續水

中圖分類號：S688

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.016

隨著社會的發展，室內花草種植越來越受到人們的喜愛。許多的城鄉居民為了美化環境、凈化空氣，喜歡在家中種植一些花草。而植物是離不開水的，需要常常澆灌。而人們出差或有事不在家時，植物的供水就會中斷，面臨缺水問題，進而影響到植物的正常生長。尤其是夏季外出度假時，家中花草極易死亡，導致很多人愛花但不想養、不敢養。此外，澆水若不適量，容易積水，在花盆中極易引來蚊子，有傳播登革熱的隱患。針對上述問題，一些花盆采用智能設計來完成澆水控制[1-3]，但又因價格太高而讓很多居民望而卻步，也有其他發明設計，基于簡單的機械原理，但其稍顯復雜，系統性較差[4]。本文的設計采用最簡單的力學原理和最少的部件，并利用3D打印技術實現了一種新型的自動汲水防蚊花盆系統，經試用效果良好。該花盆系統不需要人工澆水，也不會造成積水，可靠、實用且幾乎為全塑料制品，價格實惠，具有較好的市場推廣前景。

1 裝置需求分析

栽花種草，澆水是一個實際問題，特別是居家的盆栽。普通花盆需要人工澆水，一般只在一個時段，比如早上給其澆水，很難做到適時適量。另外，要想防蚊，花盆也不能蓄水。遇到酷熱天氣，一些植物得不到充足的水，易面臨枯死的問題。如何應對上述問題，是本發明設計的初衷。

2 裝置的設計與實現

根據需求分析，利用Solidworks軟件畫出需要的模具圖樣，其展示了本系統工作原理。花盆及其供水系統如圖1所示，右邊上盆是平常的花盆，花盆下是自配的蓄水箱。圖1左邊是公用儲水箱，為了產生水位差，圖示儲水箱處于較高位置。水位差把水輸送到右邊的花盆下蓄水箱，該箱中的水用毛細現象把水輸送到上方花盆的土壤中。整個裝置蓄水部分封閉，因此，可以防止引來蚊蟲。另外，引入了3D打印來完成樣品制作。3D打印技術作為一種快速成型技術，以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體。由于本樣品幾乎采用塑料材質，而相應的配件無法實現市場購買，因此借助3D打印技術來實現樣品制作。值得一提的是，3D技術還可以按照個人審美品味、植物需求，甚至結合專業外觀設計來打印花盆和裝置的外觀模型，實現個性化定制。3D打印的簡易花盆和底座結構如圖2所示。

其中，花盆底部有若干小孔，孔徑足夠讓棉線伸進來即可，孔數可根據不同植物需水量來設計，但不可過多或者過大，否則會產生下漏現象。花盆和底座的蓄水箱通過棉線連接，利用棉線的毛細現象可將水自動輸送到花盆中。棉線的吸水能力很強，可通過改變棉線的材質、粗細、長短和數量來適應不同植物對水的需求，也可使用其他材質的材料來控制毛細吸水速率，以控制花盆土壤濕度。

花盆底座由蓄水箱、固定罩和浮標組成。其中，固定罩和浮標組成水位控制關鍵部件，在設計上區別于已有的發明。在固定罩固定蓄水箱的底部之前，將環狀浮標套進固定罩，再用防水膠粘結固定住固定罩。浮標內部幾乎貼合固定罩，且只能沿著固定罩開的槽孔運動，這樣浮標在不移位且浮力足夠（可擴大其外徑，增大體積，從而極大浮力）的情況下在固定罩內任意直線上下移動，從而順利上浮頂住出水口。3D打印的實物如圖3所示。

該浮閥的作用原理圖如圖4所示，當水箱缺水或水位降低至一定高度時，浮球向下移動，使得入水口打開，旁邊蓄水裝置由于水位差使得水從導管流入續水裝置。隨著下盆內的水位上升，浮球逐漸上浮，抵住入水口。為了加強入水口的密封性，在浮標頂部套上一個橡膠圈。

本花盆的系統性還體現在公用儲水箱，其可以對多個花盆供水，比如還可以通過三通管將軟管一分為二的方式進行擴展，3D打印的三通如圖5所示，3D打印三通管有三個通水孔，每串聯多一個三通管即可多供應一個花盆，并且可以根據花盆的數量靈活打印出二通管或四通管，由此可以構成由一個公開水箱供水的多花盆系統，從而多個花卉都可以自動供水和控水，無需澆灌。

最后指出一點是系統可以全封閉，這樣蚊蟲無法進入，對登革熱等疫情起到管控作用。

3 結束語

本發明基于毛細現象和水位差原理，設計了一種由花盆、自動供水裝置和蓄水裝置組成的塑料花盆系統。該系統利用純機械原理實現自動控水、汲水、防蚊。與此同時，充分利用3D打印技術，建模形成一套實物，實測工作正常。相對于其他類似發明，系統考慮了供水裝置與花盆銜接、工藝的復雜度、經濟可行性。因此，該花盆系統不僅可以實現一盆花的自動續水，也可以通過并聯或串聯的方式同時實現為多盆花澆水，既解決了上述問題，又具有成本低、應用價值高的特點，模具的設計簡單、實用，且成本低廉，適合在家庭中推廣使用。

參考文獻：

[1]劉洪濤，鄧二偉.基于STM32的智能自動澆水花盆的設計[J].自動化與儀器儀表，2016（ 8）： 232-233.

[2]聶明旺，孫旭飛，劉杰.基于STM32的智能盆栽澆水系統設計[J].南陽理工學院學報，2016（ 6）： 23-26.

[3]高偉，董彥辰，馬慶磊.基于STM32F103C8的智能澆花系統[J].中國新技術新產品，2018 （3）： 30-31.

[4]郭思棟.一種自動續水的“懶人”花盆設計[J]科技與創新，2017（ 22）：108-109.