智能花盆研究進展

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，室內種植盆栽依勢而興。盆栽可以觀賞給人以美的享受，頓養身心，陶冶情操，也可以構建、引導空間環境【1】;但因其本身光合作用的特性所以在空氣凈化方面表現優異，例如在充有一定濃度甲醛的空間內放入經過熏蒸處理過的綠蘿后甲醛去除率高達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的影響時每種都需要20株盆栽在不同的溫度下進行實驗【4】。但是如今城市的快節奏生活或者出差旅行導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變量的影響導致測的數據誤差較大【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，自動補光，降低能耗，節約資源【7】。本文對智能花盆近幾年的研究進行了匯總，分別介紹了研究現狀和現在已經實現的數個主要功能。

1.研究現狀

早期的智能花盆智能化程度較低，實現的功能單一，多以自動澆水為主【8-11】。隨著科技的發展與研究的深入，研究者在前人的基礎上又填加了更多的傳感器，增加與植物相關的數據庫【12，13】，以對植物的生長要素進行更加全面的檢測【14，15】，從而為更加科學的養 護植物提供數據支持，達到保證植物存活和節約資源的目的。除了在技術上的進步，研究人員也注意到人性化的需求【16，17】。智能花盆的發展由關注植物的需求轉變為更加注重人的感受?，F如今大多數智能花盆都可以被智能手機訪問【18-21】，人機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訪問智能花盆獲取植物的有關信息，并且能用手機查看植物圖像【22】控制智能花盆進行澆水、補光、施肥【23】等相關操作。經過十幾年的發展，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，它關乎著我們人類生死存亡，植物更是如此，隨著技術的發展，在2000年吳曉梅通過PLC控制水泵和步進電機帶動的機械臂實現了噴水澆花的功能，該系統完成了各種邏輯控制，簡單靈活，控制全面，運行穩定【8】。這個發明雖然能減少養殖者的勞動，但是并不能根據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【24】。緊接著李強利用土壤加水電阻會改變的規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都不盡相同，他的設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行數據的采集再利用數據挖掘技術、時間序列預測技術并結合規則庫確定適宜的澆水時間并精準的控制澆水量，從而達到節約用水，促進植物生長的目的【26】。她的方案更加符合植物的生長需求，并且節約資源。

以上都是基于傳統土培而設計的自動澆水功能的智能花盆，趙立軍等人研發的智能花盆應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，只需要確保營養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殖植物的花盆，還有跟植物互動的要求。人機交互的功能不容忽視。

2.2人機交互

對于養殖者而言，不同的李晨杰等人用溫濕度傳感器、光照傳感器采集數據，當土壤的濕度過低時通過GSM模塊將數據以短信的形式發送到特定的手機進行提醒【28】。同年徐高松先對用戶需求進行了調研，并結合現有的同類產品所實現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、水分和PH值，最后將數據通過WIFI發送到用戶端，用戶可以在電腦或者手機上登錄網頁來訪問智能花盆來獲取實時的數據，設置自動澆水或者手動澆水，加強了人與植物的互動【29】。

紀秀等人用AT89C52單片機作為核心，使用DHT11溫濕度傳感器、土壤傳感器和光照傳感器采集數據，單片機可以根據濕度和光照數據進行判斷從而決定是否控制水泵澆水和使花盆自動旋轉，并且采集到的數據可以在LCD顯示屏上顯示出來使養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據，該花盆上裝有攝像頭，用戶可以隨時利用手機查看植物的生長狀態，也可以設置自動澆水或者遠程控制澆水【31】。

2.3土壤溫度調節

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據，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節相應的參數。此裝置也可以通過WIFI與給手機發送實時監測的數據，使用者可以設置相應的生長參數，該裝置長期運行穩定可靠【32】。

秦冬使用溫濕度傳感器采集土壤溫濕度數據，將數據傳送給單片機，通過單片機控制風扇和多孔調濕材料來實現調節溫度和濕度。此設計節約了用戶的時間，為植物提供了更好的生長環境【33】。

2.4光照調節

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

李涵茜進行了基于Arduino嵌入式平臺的智能花盆的研究，利用Arduino 嵌入式平臺的藍牙功能將溫濕度傳感器和光照傳感器采集到的數據發送到手機APP上，用戶可以使用手機遠程控制澆水和光照 。

3.總結與展望

現在的智能花盆研究的比較深入，成果很多，功能多樣，已經可以實現自動澆水、人機交互、土壤溫度調節和光照調節等功能，從技術上來劃分，智能花盆是精準農業的一個分支，所以設計者可以參考精準農業領域已經實現的一些功能和使用的研究方法，在現實生活中，空氣的溫濕度也會影響植物的生長發育，用戶更希望花盆可以自動補水，現在智能花盆還沒有實現空氣的溫濕度控制，自動補水，希望研究人員可以設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：內蒙古自治區 烏蘭察布市，學歷：本科，研究方向：智能花盆.