基于Arduino平臺的互動式智能盆栽設計

王瑩瑩 許悅 金戈 黃港生 劉依琳

摘 ? 要：為實現植物的智能培育，文章設計了一個基于Arduino平臺的智能花盆系統。該系統利用傳感器、單片機、交互系統等與花盆的結合，對植物的生長狀況進行實時監測，并經傳輸與分析，實行相應反饋措施，實現植物的全天候托管，同時結合智能交互，增加培育過程的趣味性。

關鍵詞：Arduino UNO;語音交互;智能花盆

隨著社會日新月異的發展、生活水平的提升，人們越來越重視生活質量和生活情趣。花卉養殖因具有豐富的觀賞價值，能夠陶冶情操、給人們的生活增添樂趣，還能凈化空氣、減少污染，成了許多人的不二選擇。

目前，室內盆栽養殖主要仍是依靠人工經驗，且人們常因工作強度大而無暇照顧這些盆栽，因此，智能盆栽應運而生。但現有的智能盆栽功能單一，大多僅具備自動補水功能。

本文設計了一種基于Arduino平臺的智能盆栽，可對植物的生長狀況實時監測，并經傳輸與分析實行相應反饋措施，實現植物的全天候托管。除此之外，還加入了用戶與花盆的交互設計，能夠讓人和植物進行互動，增加了養殖過程的趣味性。

1 ? ?系統結構及功能設計

該智能盆栽由花盆體、多種傳感器（溫濕度傳感器、光照傳感器等）、驅動模塊、藍牙及WiFi通信模塊等組成，系統設計如圖1所示。光照傳感器置于8處，控制模塊根據光照情況數據，控制補光燈是否開啟對植物進行補光。土壤溫度傳感器及土壤濕度傳感器置于花盆存放土壤的空間內壁上，當土壤濕度小于設定值時，控制模塊將控制信號傳達給繼電器，使繼電器閉合，啟動水泵進行澆水。

藍牙模塊作為中介，實現了花盆體與WiFi無線網絡的連接，并以此實現與手機APP的通信，從而將傳感器上檢測到的光照強度、溫度、土壤濕度等數據發送到手機APP，便于用戶實時掌握植物的生長狀態。另外，手機APP還會分析接收到的數據并給出植物的照料方案，適時對用戶進行提醒。花盆體還具有語音交互的功能，通過置于4處的音響，用戶可以與其進行簡單的對話交流，使得種植過程更加生動、有趣。控制方案結構如圖2所示。

2 ? ?硬件模塊設計

（1）控制模塊：主控板采用Arduino UNO，Arduino UNO開發板是一個開源的并具有多個I/O接口的物理開發平臺，支持多個操作系統，可作為項目開發的控制核心[1]。

（2）溫濕度檢測模塊：采用DS18B20溫度傳感器采集環境中的溫度數據，傳感器輸出數字信號。采用YL-69濕度傳感器采集土壤中的濕度，通過編程設置濕度閾值，若土壤濕度大于閾值，則D0引腳輸出0，否則輸出1，該輸出量作為是否需要澆水的評判依據。

（3）光照檢測模塊：采用BH1750傳感器，通過光度計來測量盆栽周圍環境的光照強度，通過計算電壓來獲取有效數字，直接輸出數字信號到Arduino UNO。

（4）驅動模塊：采用L9110S驅動直流5 V水泵，驅動電路利用繼電器控制水泵的啟停，根據不同的植物種類確定不同閾值，當土壤濕度小于閾值時，控制板控制繼電器使水泵啟動，對植物進行澆灌，當土壤濕度達到一定程度時，水泵關閉。同時，根據不同植物的需求設定每日所需光照，當光照強度小于閾值時，控制板控制補光燈打開，給植物補充光照，光強足夠時，補光燈關閉。

（5）通信模塊：采用HC05藍牙模塊和ESP8266WiFi串口模塊。先通過藍牙模塊將手機與盆栽進行連接，并通過藍牙將所需連接的WiFi無線網絡（如家庭WiFi或手機熱點等）的用戶名和密碼發送給主控板，主控板再利用ESP8266WiFi模塊將盆栽連接到指定WiFi無線網絡上，服務器將通過無線局域網與花盆進行數據傳輸。

（6）交互模塊：采用LED顯示屏和音響，顯示屏上顯示實時的光照強度、溫度、濕度、水槽水量等信息，通過音響實現人與植物的語音互動。

3 ? ?軟件模塊設計

3.1 ?反饋設計

在整個花盆的設計過程中，需要在兩個方面進行反饋，一個是APP的顯示，一個是花盆本身及其顯示屏。

花盆反饋中，用戶通過APP選擇自己要種植的植物，此時APP將從數據庫中找出該植物所需的最佳光照、濕度等數據。采用IEEE 802.11無線局域網與花盆設備的模塊進行通信將數據反饋至花盆，以之為閾值，將傳感器模塊實時監測的數據與相應閾值進行比較，從而控制水泵及補光設施的開斷。

3.2 ?APP顯示

智慧花盆的配套APP顯示基于Android軟件開發平臺。Android是一套移動設備設計綜合平臺，且具有開放的體系架構，它豐富的圖形系統與多媒體支持為APP的開發提供了很好的拓展性需求[2]。目前的主要功能是查看花盆的傳感器檢測到的數據信息（環境溫度和濕度、土壤濕度以及光照強度）。

3.3 ?交互設計

本團隊采用語音識別進行交互設計，語音交互的過程包括：喚醒-輸入-理解-回答/執行。首先，用戶通過指定口令對語音識別系統進行喚醒，讓系統知道用戶是在和它說話。其次，對用戶的具體需求進行識別并執行。在這個過程中的關鍵在于語音識別、邏輯理解以及反饋輸出。語音識別就是機器將用戶輸入的語音轉化為文字的過程，邏輯理解就是機器對于已識別的語音要求進行理解，在這個過程中機器需要一個訓練庫，通過已知信息與訓練庫中進行比對確定用戶的真實需求。最后，通過不同需求進行反饋，包括生成語音輸出或指定操作的執行等[3]。

4 ? ?結語

該智能花盆面向生活忙碌的上班族人群，運用單片機控制花卉生長所需的水分、光照等，用戶可以通過APP在任何地方查看花卉盆栽的實時情況，防止因用戶出差或者粗心大意導致的植物受損甚至死亡，實現植物的全天候托管，符合現代快速的生活節奏以及家庭智能化普及的趨勢。語音交互實現盆栽的“智能化”，通過與植物（花盆）的交互增加培育過程的趣味性。

[參考文獻]

[1]朱鵬.Arduinio開發板與Android手機藍牙通信的設計與實現[J].電腦知識與技術，2016（21）：65-66.

[2]公磊，周聰.基于Android的移動終端應用程序開發與研究[J].計算機與現代化，2008（8）：85-89.

[3]李瑋，朱巖.AI語音交互技術及測評研究[J].信息通信技術與政策，2019（12）：83-87.

Abstract：According to the design of Arduino platform， the intelligent culture of plants is explained. In addition， the president uses the combination of photosensitive device， single chip microcomputer， alternating system and flowerpot to observe and analyze the implementation， it also implements the all-weather trusteeship of plants， and at the same time combines intelligent interaction to increase the interest in the process of cultivation.

Key words：Arduino UNO; voice interaction; intelligent flowerpot