智能化技術在家庭園藝景觀養護中的設計探索與應用研究

徐 達 邱浩杰 金 慧

（1.浙江農林大學風景園林與建筑學院，杭州 311300；2.杭州市蕭山區市政綠化養護保障中心，杭州 311200；3.杭州市余杭區人民政府，杭州 311300）

當今社會逐漸步入數字化社會，物聯網智能技術的不斷發展，使得產品設計逐漸趨于智能化。在信息化技術促進產業變革的時代背景下，家庭園藝作為景觀設計下的分支，也逐漸呈現出智能化的發展趨勢：家庭智能園藝作為物聯網技術與景觀的切入點存在潛在的市場需求；物聯網技術與景觀的結合得益于多種復合技術層面的支持；物聯網技術在未來景觀綠化管理上存在很大應用前景。以浙江省大學生職業生涯規劃與創業大賽一等獎《“智園”--基于IoT技術的家庭智能養護系統》為案例，分析基于物聯網技術的智能家庭園藝產品的設計研究，并總結智能景觀產品的設計策略：以人為本原則、系統化原則、低耗能原則、生態性原則、原真性原則，進一步拓展依托物聯網技術的家庭智能園藝輻射范圍，以期為家庭園藝設備在園藝領域乃至城市景觀領域的應用開拓新路徑。

物聯網；家庭園藝；智能設備；園藝養護；園藝系統

黨的十八大報告深化了各項生態文明建設戰略，隨后針對垂直綠化、屋頂綠化、立體綠化等各類城市綠化建設與指導文件紛紛出臺；黨的十九大以來，人們對于美好精神生活的期待進一步提高，集中表現在對優質的生活環境與質量追求上。園藝植物的美觀形式、空氣凈化與食用保健功能進一步催化了居民對家庭園藝的青睞，同時從事家庭園藝活動也能促進人勞逸結合，逐漸使家庭園藝成為一種日漸風靡的綠化新形式與新生活方式，家庭園藝作為一種能充分利用城市建筑物再生空間進行綠植栽培和管理的活動形式[1]，近年來在園藝市場中持續升溫。而在當今物聯網技術（Internet of things，IoT）蓬勃發展的時期，家庭智能園藝技術應運而生，其是園林與物聯網技術的結合體，通過智能技術融合生活空間與人工栽培來提高城市綠化量，進一步豐富了“私家園林”與農耕園藝的結合形式，并以其強大的智能化功能，彌補了戶主時間、精力以及養護技術上的不足。

在家庭園藝管理中，高精度智能化的實時檢測分析遠遠高于人的主觀判斷，能有效提高植物養護水平。《“智園”--基于IoT技術的家庭智能養護系統》（以下簡稱“智園”）這項科技作品采用“一平臺、五系統”的工作模式，運用IoT中智能識別技術、PLC微型電腦技術、植物信息分析技術、GPRS網絡傳輸技術、近紅外光譜無損數據挖掘技術、CCD感光傳感技術等將硬件與軟件設計有機結合，實現對種植區塊的光照條件、土壤濕度等參數實時監測與測量，最后達到遠程操控養護的目的。

文章以“智園”項目為例，通過分析物聯網技術在家庭園藝管理中的應用方式，細數物聯網技術下的智能景觀現有產品類別、存在問題、優劣特性等基礎信息，引出“智園”家庭智能園藝系統的特質優勢與針對現存問題的解決方式，以期借助“智園”家庭智能園藝系統來拓寬物聯網技術與園林結合的研究領域。

1 家庭園藝與物聯網技術

1.1 家庭園藝

園藝一詞包括“園”和“藝”[2]，《辭源》中稱“植蔬果花木之地，而有藩者為園”，《論語》中稱“學問技術皆謂之藝”[3]，因此園藝約是指種植蔬菜、果樹或觀賞植物等的生產技藝，相應地可分為果樹園藝、蔬菜園藝和觀賞園藝。傳統的家庭園藝，是指在庭院中進行的園藝活動及園林景觀建設，包括養花、插花及盆景等。

中國園藝營建歷史可追溯到商周時期的園囿，當時人們將在籬笆保護區內開展植物栽培的形式稱為園藝[4]。現代家庭園藝作為方興未艾的產業，最早成形于20世紀70年代，隨著經濟發展、城市化進程和人們對居住水平要求的提高而應運而生[5]。其以緩解城市化進程中人、自然、社會的矛盾為核心，將園藝園林技藝與現代家居生活的有機結合，是“園藝療法”向家庭的貼近、延伸與實踐，作為一種觀賞、康養、優質的家庭應用生態產品，是未來開拓中國“生態文明”建設的園藝產業新領域的重要指向[6]。

已有研究表明，植物能夠起到調節濕度、凈化空氣等作用[7]。李樹華、吳志雄等證實了植物能給人積極的心理暗示[8-10]。家庭園藝活動也由傳統食用、觀賞功能拓展到裝飾審美和植物療愈功效追求，如Ambrose等[11]從衛生健康角度分析證明家庭園藝活動有助于提高居民的情緒幸福感，探析其與生理健康之間的關系。但由于城市化進程的推進，城市中實際擁有庭園的市民少之又少[12]，國內家庭園藝逐漸演變為“家居園藝”，主要利用居室內、陽臺、屋頂和露臺等空間種植各類植物。傳統植物配置多以花卉組合樹木造景，現代的庭院植物配置包括常綠小喬木、灌木、藤本、花卉、觀賞蔬菜及地被植物等，并適當的配置裝飾類的小品[13]，以實現既能塑造家居風格，又能綠化美化環境，還能輔助修身養性的目標。繼而在當前追求生活品質的當下，家庭園藝的興起和普及程度可作為衡量區域園藝產業發展的重要指標，更是國民生活水平和幸福指數的體現。

1.2 物聯網技術與智慧園藝

社會經濟的發展推動了生活水平的提高，綠色健康的生活方式愈發得到普羅大眾的青睞。通過栽培花草可以陶冶情操，舒緩壓力、裝飾環境，以增加家居場所的自然氣息，調節生活情趣。當前，傳統的家庭園藝方式存在以下幾項不足：（1）園藝活動的建設與養護需要用戶投入大量額外的時間和精力；（2）在養護管理過程中大部分用戶缺乏植物基本養護知識；（3）缺乏專業養護管理的植物的生長往往達不到用戶的預期狀態。這容易導致用戶浪費大量時間、精力和金錢[14]。通過調研訪談發現：有超57%的用戶缺乏對特定植物的生長習性與養護管理知識。即使是目前常見的家庭養植植物，如景天（屬肉質干性花卉需少澆水）、風鈴草（屬喜濕花卉需多澆水）、薄荷（屬葉面生毛花卉不宜葉面澆水）等，用戶對其也僅是略知皮毛。同時63%的受訪者表示平時不會關注周圍環境（如空氣濕度、溫度、光照等）對植物產生的影響。

物聯網技術作為新一代信息技術演進與發展的載體，是當今信息時代的重要成果，是將各類信息傳感與互聯網連接起來的新型網絡。首先以互聯網為基礎進行延伸和擴展；其次物聯網的用戶端能聯系任何物品與物品之間，即物物相息。鑒于互聯網并沒有考慮到用戶端任何物品的連接問題，因此使用能延伸和聯系任何物品的物聯網技術開展進行信息交換和通信，以實現對智慧園藝的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理[15]。同時，運用物聯網技術可以實現智能園藝與大尺度的室外園林相結合，構建起室內外融合的現代生態園林，并借以智慧園林大數據庫優勢，實現人與自然用有機連接起來，達到人、自然、社會間的互感、互知與互動[16]。

1.3 現有植物智能養護存在的癥結

梳理國內研究智能植物養護工作的現狀：（1）多聚焦于運用在地植物改善家居園藝環境上，例如劉洋[17]在考察邯鄲家庭園藝發展與北方特有的種植現狀后，梳理了居民在家庭園藝養護中的遇到的困難，家居空間局限性對于家庭園藝產業的掣肘等問題，并依據居民消費、政府支持和市場引導三大方面提出了相應的可行性建議。（2）周穎[18]針對社會性的家庭園藝種養模式，開展系統性的問題梳理與總結，探討國內城市家庭園藝在不同建筑空間內的模式發展概況，并綜合歸納國內家庭園藝空間布置及植物栽培的模式后提出改進對策。（3）從智能景觀改造與植物結合的角度論述家庭園藝的觀賞與呈現效益，通過對家庭園藝景觀產品中的概念類型、選擇設計上、總結提出設計主題創意、運用不同植物色彩間相互搭配的觀賞效果及家居植物種植設計模式，為人們打造家居園藝提供設計主題創意和種植設計參考模式[19]。綜合而言，目前研究趨向于大類的種養模式的結論探討與合理性論證，較多忽略了植物養護本身的冗雜繁復過程，也忽略了養護者對植物的品類習性及生長狀態有充分了解的前提。現代都市人群工作繁忙，無法很好地照料花草。物聯網技術的勃興恰好使之逐漸走進并高度參與人們的生活，可從各方面輔助人們參與家庭園藝的建設與養護。智能園藝系統能夠幫助用戶自動采集環境信息，通過監測室內溫度、濕度、PM2.5、光照度等各項環境數據，并運用移動端控制智能設備來實現噴霧、澆水、除蟲等家庭植物養護活動，同時運用尋跡技術、自平衡技術等克服傳統養護工作中效率低、效果差、人力資源和水資源等能耗大的問題，提供更多家居智能產品的交互體驗。

1.4 現有同類相關產品競品分析

考量現有的在家庭植物養護方面的現狀發現產品的研究聚焦于家居植物的養護、植物生長環境的改善、適配家居的養護環境改造等（表1），例如PARROT出品的全球首個無線智能植物檢測設備FlowerPower01，研究人員在設備上裝載了4枚傳感器來測量周邊5～10 cm內的土壤，用于監測土壤濕度、肥料水平、環境溫度以及光照強度等參數。并以此來統計分析、記錄，最終向用戶提供后續建議。FlowerPower02H2O仍需外接蓄水設備（如塑料瓶或其他盛水容器），通過滴灌、噴灌、噴霧等方式為植物澆水。FlowerPower03Pot將水隱藏在盆里，造成了設備體積較大[20]。RPE家庭園藝灌溉系統是專門為室內外的陽臺、露臺、花盆和小花園設計的滴灌系統，可根據家庭的實際情況任意添加或減少配件；調整植物需水量；在使用中可節省70%的水。小米的“智能花盆”產品內置非接觸式水肥高精度監測儀，能夠識別植物本身與環境數據，內置3 200多種植物，通過與手機APP中的花卉數據庫匹配比對，提示用戶科學地細節養護植物。

綜上，考察目前已面向市場的相關產品中，FlowerPower02H2O主要針對植物供水，單一的功能對用戶吸引力較小，在養護層面，針對植物的種類識別與細節化梳理及后續生長建議與預測上較為薄弱；FlowerPower01功能較前者齊全，忽視了個性化的植物智能數據庫建設，產品與使用者的互動方面較薄弱；小米的智能花盆集合了目前最新的技術，一定程度上可滿足智能化家居養護的需求，但仍是針對單一植物養護而構建的智能設備，未形成完整的微型生態系統。而本文所探討的“智園”項目，參考了目前市場上已出現的智能化園藝產品與技術，依托于IoT的智能識別技術、PLC微型電腦技術、植物信息分析技術等技術，可接續此前的智能園藝設施優點，創造性地結合物聯網技術打造家庭智能園藝系統平臺，連通智能家居的各項設施，拓展家庭的物聯網植物養護方式，以期在滿足全方位自動養護植物生長的同時，最大程度地實現人與植物的良性互動。

2 基于物聯網技術的智能景觀產品設計考量與策略

“智園”項目通過物聯網技術實現一體化智能平臺，滿足家庭園藝所需的各項功能。物聯網所賦予智能產品的可識別化、智慧化、系統化的特點使得景觀智能化成為可能。而“智園”項目的智能識別系統、智能灌溉系統、智能遮陽系統、遠程視頻監控系統等對于更大尺度智能化景觀以及情景式體驗景觀具有一定的參考價值。因此，當面對這類智能景觀的設計時，需充分考慮物聯網技術的特點以及在智能景觀產品設計中的應用策略[21]。

2.1 人性化

智能化景觀在設計時也應以人為本，設計首先應圍繞為使用者解決問題、滿足使用者的需求，滿足使用者的功能要求[22]。其次設計的包容性要考慮到不同年齡層、社會背景、認知程度的使用對象情況，尤其要關注社會中的弱勢群體的使用問題，充分考慮這類人群的認知和行為特征，智能景觀的使用應該簡易便捷，減少此類人群的使用障礙，體現設計者對人的尊重與關切。最后，由于景觀智能化，不免會融入機械裝置，如何保證此類裝置的安全性也是設計者需要關注的問題。

2.2 系統化

物聯網將景觀與人、人與網絡、網絡與景觀有機組合成了一個整體。同樣，如果將景觀中的各項單體也通過物聯網有機組合，形成一個龐大統一的智能景觀系統，實現管理者對景觀的實時監控，從而使日常管理水平上升，確保景觀的美觀、安全，植物的健康生長以及對突發事件進行及時響應；對使用者來說，完整的景觀智能化系統，可以使其獲得更完整、便捷、豐富的游覽體驗[23]。

2.3 低耗能

“智園”家庭智能園藝系統以循環利用為原則，在實際運行過程中搭載的監控設備可最大程度地減少各種廢棄物對環境的影響，在建設過程中做到了既充分利用環境友好型材料和先進低碳工藝，并得以在降低整體的系統造價的同時改善小規模的生態環境，突出家庭園藝綠化的特色。

2.4 生態性

運用物聯網技術的“智園”家庭智能園藝系統可完整地還原小規模生態系統的“生物圈”層次與內容，在追求生態化的家庭園藝與居民家庭園藝衍生上推廣智能家庭園藝種植模式，在關注生態產品的同時，促進家庭園藝系統本身內部的生態環境中的各類植物與智能設備和諧共生，從而在家庭生活空間中造就了微型的生態園藝呈現模范。

2.5 原真性

對于園林的定義，周維權在《中國古典園林史》中這樣記述：“園林乃是為了補償人們與自然環境相對隔離而創造的‘第二自然’”[24]。園林景觀作為人為營造的“第二自然”，首先還是得保留其自然的特征，滿足人對于自然環境的向往。因此景觀中智能化的裝置，如燈光、鋪裝、水池等不能喧賓奪主，不能破壞原有的生態環境[25]。

3 “智園”系統優勢特性

基于物聯網技術的“智園”家庭智能園藝系統，集植物科普知識與通信傳感技術為一體，通過手機APP便捷、清晰的控制界面實現家庭園藝植物的智能化管理，既美化了家庭環境，優化、解決了用戶對植物的管理養護問題，并嘗試將家庭園藝融入智能化家居管理整體系統，實現舒適、便捷、智能化的家居生活[26]。

3.1 智能化、自動化程度高

本系統采用嵌入式網絡技術來構建精準灌溉遮陽硬件平臺和軟件系統，基于32位微處理器STM32F103ZET6，設計用于水肥EC值、pH值等參數信息監測及灌溉施肥的一體式控制器。控制器融合了ZigBee無線短距離通信技術，聯通基于MSP430F149處理器設計的無線監測節點，組建針對陽臺環境無線傳感網絡來實現陽臺灌溉環境在線信息監測。

依托手機APP、傳感器與感應器，實現用戶與植物的雙向互動。并且在集合目前已有的單一智能園藝產品的優點基礎上，基于結構化設計理念，對系統內的硬件和軟件進行升級。依托ASP.NET及WEB服務開發了遠程網絡監控平臺，借助網絡通信實現異地信息監測與設備監控等功能，實現了陽臺灌溉網絡化、智能化控制與管理，為陽臺精準灌溉提供了智能的解決方案。在智能遮陽系統上結合家庭智能窗簾，將遮擋面料換成可透光的百葉窗形式以達到調節光照的目的，通過靈活調整百葉窗角度（0°、22.5°、67.5°、90°），極大程度上滿足了植物所需的光照強度。

3.2 系統擴展性廣

本系統較目前已有的智能園藝產品，除了基礎的智能植物養護與監控外，開創性地加入了“植物云數據庫”“智能植物識別”的功能。智能植物識別功能的實現基于葉片與花型圖像特征融合的家庭園藝植物自動識別算法，現已有常見的60種家庭園藝植物（以杭州地區為例）成功輸入植物圖片庫中。并且依托植物云數據庫，當智能識別系統準確識別植物種類之后，便會進入植物云數據庫進行信息比對，植物云管家系統進行智能決策，生成適合該種植物生長的一系列光照、水分數據，并輸出至各個終端模塊，如灌溉系統、遮陽系統，實現植物的科學化管理。

3.3 生態效果顯著

目前已推出的智能園藝產品有的聚焦于專類的植物養護，有的運用于園藝智慧管理，但對于微型生物圈的生態養護層面的設施則較為稀缺。“智園”系統將追求全系統的生態效益作為重要的實現目標，在生態營造過程中協調各類云數據庫與識別功能，同時在智能養護過程中創設各項量化的生態效益指標，將生態環境高質量營造作為養護質量的重要指標，以此開展對“智園”家庭智能園藝系統中植物群落的維護。

3.4 系統運轉良好

“智園”系統可持續穩定地運轉植物養護、土壤保肥、監控生長等各項功能，在智能化、高效化地處理各項數據的同時，通過應用各類現代植物技術保障植物生長質量的提升，簡單、科學、有效率地維護整體微型生物圈的穩定運轉，從而減少植物資源浪費和對家居環境影響，推動智慧園藝的可持續的發展。

4 基于物聯網技術的“智園”家庭智能園藝系統構建

4.1 家庭智能園藝系統構架

“智園”家庭智能園藝系統的主要功能有智能植物養護管理與智能識別（圖1）。智能植物養護的主要功能包括灌溉、遮陽補光、土壤監測等功能；智能識別主要指基于植物葉型、花型等特征的線上植物識別庫，以及具有植物養護參考價格的植物習性庫。“智園”采用“一平臺、五系統”的工作模式，其中“一平臺”指集成了多設備信息交互處理的家庭園藝一體化智能平臺；“五系統”指智能識別系統、智能灌溉系統、智能遮陽系統、遠程視頻監控系統、安全系統。使用者可通過對應App實現線上數據傳遞，實時把握家庭園藝狀況，從而滿足用戶遠程、高效、專業化的家庭園藝養護（圖2）。

圖1 技術原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of technical principle

圖2 APP邏輯示意圖Fig.2 APP logic diagram

4.2 家庭智能園藝一體化智能平臺

智能化平臺為一款命名為“PLC”（Plant Care+）的手機APP，通過信息集成、自動監測、智能管理等手段，實現對種植區塊的光照條件、土壤濕度等參數實時監測；通過數據庫與監測數據的對比分析，實現智能遮補光，精準噴灌等功能；通過平臺視頻拍攝、剪輯、美化等功能，滿足用戶社交分享的需求。

傳感器會將數據實時反饋至程序，程序通過WAN交互機傳輸協議進一步反饋給智園云服務器，服務器將數據發送至智能手機客戶端，用戶便可實時了解植物的生長信息。用戶通過智能移動端將實時發送處理指令，系統通過信息處理及特征提取模塊進入解碼器，根據聲學、語言模型及詞典，將分析出的詞串數據通過云服務器將指令傳給內置SDK工具包嵌入智能模塊組，從而實現程序發出信號對智能養護設備的終端控制。

4.3 家庭智能園藝五大系統

智能識別系統，革新了傳統手動輸入信息的環節，利用智能植物識別技術以達到簡化信息輸入的作用（圖3）。為此，團隊利用專業知識，基于專業老師的耐心指導以及大量文獻閱讀，建立了常見的家庭園藝植物圖片庫，提出了基于葉片與花型圖像特征融合的家庭園藝植物自動識別算法。

圖3 智能植物識別系統工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the working principle of the intelligent plant recognition system

智能噴灌系統，將集自動控制技術、傳感器技術、通訊技術、計算機技術等集中于一體，運行時通過土質檢測儀實時采集土壤的情況，分析植物水分需求，通過內置的通訊模塊，將情況實時傳送到服務器，并顯示在APP中，保證灌溉的準確性。系統還采用多種流量模式，對植物進行更為精確的噴灌（圖4）。

智能遮陽系統，支持一鍵開關、定時開合，并支持對有不同光照需求植物進行個性化設計。通過不同厚度、寬度的葉片與不同的開孔率的組合保證不同的遮陽效果，智能遮陽系統實現了戶主不在家的情況下也能遠程操控，達到在炎熱的夏天為特殊植物遮陽的作用，極大程度地避免了植物曬傷，根部燒傷（圖5）。

圖5 智能遮陽窗簾工作示意圖Fig.5 Working diagram of smart shade curtain

智能視頻監控系統通過庭院中的攝像頭和輔助設備進行24 h全天候不間斷的監控，并以等時間間隔拍攝圖像、視頻錄制的方式記錄園藝過程。圖像畫面清晰、穩定，擁有紅外夜視功能，實時了解植物生長情況，手動、自動監控噴灌等園藝活動。

考慮到用戶無法24 h查看視頻監測系統，因此引入第5個系統--智能安全系統（圖6），從而解決使用過程中可能出現的安全事故。智能安全系統分為“植物養護安全”和“園藝設備安全”兩部分。其中“植物養護安全”系統，解決諸如植物旱澇危害、光照過強等問題；“園藝設備安全”系統，解決諸如用電安全、設備自檢等問題。此外，該模塊增加安全鎖功能，保護家中兒童、老人免于操作意外。

圖6 安全系統結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of security system structure

5 結語

“智園”項目依托物聯網技術，搭建科學化、集成化的家庭園藝智能管理系統，依據家庭空間大小、功能、結構等建設方面，結合不同居住空間的實際應用，實現人與植物的互動交流。從“智園”項目反映出：物聯網技術可在景觀照明、景觀噴灌、景觀植物形態識別、景觀遠程監控管理等領域發揮巨大作用，通過對區域園林環境精準化監測，依據不同綠化植物的生長習性等屬性來制定灌溉策略、監控養護周期、實施病蟲害預防和改善區域小環境，以此節約家庭園藝的各項成本、提升家庭園藝綠化養護效率、實現高效園藝管理目標。

通過本文的研究，進一步表明物聯網在未來園藝領域乃至城市景觀領域具有良好的應用前景，當前基于物聯網的智能景觀技術也有技術層面的支持，未來利用“智園”家庭智能園藝系統結合在家庭園藝環境，在智能監控系統中引入智能聯網通訊技術、多參數環境檢測與采集更加便捷，可進一步簡化了家庭園藝養護與管理系統，設計出適合各地市居民開展園藝活動的種植和裝飾模式，推動進一步的園藝業監測智能化與便捷化成為家庭智能園藝發展的大勢所趨，由此，推廣進行實際案例建設與建設說明則順理成章。為此，本研究將進一步深化，將物聯網技術與其他信息技術融合進城市園林綠化管理，構建情景體驗式景觀，同時有效提高園林管理者的工作效率、管理水平。

注：文中圖表均由作者繪制。