智能花盆研究进展

李先 张培 赵渊 王帅 甘伟宁 刘琪 邵衙淋

0.引言

随着我国城市化程度越来越高，曾经小路边的野生植物变成了柏油路两旁的绿化带，城市的绿地面积缩小使人们对大自然越来越向往，室内种植盆栽依势而兴。盆栽可以观赏给人以美的享受，顿养身心，陶冶情操，也可以构建、引导空间环境【1】;但因其本身光合作用的特性所以在空气净化方面表现优异，例如在充有一定浓度甲醛的空间内放入经过熏蒸处理过的绿萝后甲醛去除率高达91.8 %，同样方法测得吊兰、绿油油和芦荟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时也需要大量的盆栽样本和控制变量，例如马英等人在研究低温胁迫对五种景天科多肉植物生理指标的影响时每种都需要20株盆栽在不同的温度下进行实验【4】。但是如今城市的快节奏生活或者出差旅行导致很多人没有足够的时间和精力照顾盆栽植物，而科研人员也苦于其他无关变量的影响导致测的数据误差较大【2，5】 ，智能花盆的思想由此而来。智能化的控制花盆可以自动测试土壤温湿度，PH值，自动浇水，为植物播放音乐【6】，净化空气，自动补光，降低能耗，节约资源【7】。本文对智能花盆近几年的研究进行了汇总，分别介绍了研究现状和现在已经实现的数个主要功能。

1.研究现状

早期的智能花盆智能化程度较低，实现的功能单一，多以自动浇水为主【8-11】。随着科技的发展与研究的深入，研究者在前人的基础上又填加了更多的传感器，增加与植物相关的数据库【12，13】，以对植物的生长要素进行更加全面的检测【14，15】，从而为更加科学的养 护植物提供数据支持，达到保证植物存活和节约资源的目的。除了在技术上的进步，研究人员也注意到人性化的需求【16，17】。智能花盆的发展由关注植物的需求转变为更加注重人的感受。现如今大多数智能花盆都可以被智能手机访问【18-21】，人机交互更加的方便及时。 其中有些智能花盆不仅允许用户通过手机访问智能花盆获取植物的有关信息，并且能用手机查看植物图像【22】控制智能花盆进行浇水、补光、施肥【23】等相关操作。经过十几年的发展，智能花盆的功能日趋完善，下面按照功能分类介绍。

2.1自动浇水

水乃生命之源，它关乎着我们人类生死存亡，植物更是如此，随着技术的发展，在2000年吴晓梅通过PLC控制水泵和步进电机带动的机械臂实现了喷水浇花的功能，该系统完成了各种逻辑控制，简单灵活，控制全面，运行稳定【8】。这个发明虽然能减少养殖者的劳动，但是并不能根据植物是否缺乏水分来浇水，有研究称82 %家庭种植植物的死亡原因是浇水不当【24】。紧接着李强利用土壤加水电阻会改变的规律制作出一款智能花盆，此款花盆可以判断植物是否缺乏水分，使用继电器控制水泵进行浇水【25】。众所周知，植物种类不同，需要的浇水量和浇水次数都不尽相同，他的设计方法仅适用于部分的植物。而李玲则是先使用土壤湿度传感器和空气温湿度传感器进行数据的采集再利用数据挖掘技术、时间序列预测技术并结合规则库确定适宜的浇水时间并精准的控制浇水量，从而达到节约用水，促进植物生长的目的【26】。她的方案更加符合植物的生长需求，并且节约资源。

以上都是基于传统土培而设计的自动浇水功能的智能花盆，赵立军等人研发的智能花盆应用了较为新颖的无土栽培【27】，这样就不用在浇水的问题上纠结，只需要确保营养液的供给就能够保证植物的存活，而且更加的干净整洁。

植物养殖者的需求难道就是这些吗？显然不是，他们除了需要可以帮助养殖植物的花盆，还有跟植物互动的要求。人机交互的功能不容忽视。

2.2人机交互

对于养殖者而言，不同的李晨杰等人用温湿度传感器、光照传感器采集数据，当土壤的湿度过低时通过GSM模块将数据以短信的形式发送到特定的手机进行提醒【28】。同年徐高松先对用户需求进行了调研，并结合现有的同类产品所实现的功能确定了自己需要做的功能，然后运用温度传感器、光照传感器、水分传感器和PH值传感器通过STM32软件采集温度、光强、水分和PH值，最后将数据通过WIFI发送到用户端，用户可以在电脑或者手机上登录网页来访问智能花盆来获取实时的数据，设置自动浇水或者手动浇水，加强了人与植物的互动【29】。

纪秀等人用AT89C52单片机作为核心，使用DHT11温湿度传感器、土壤传感器和光照传感器采集数据，单片机可以根据湿度和光照数据进行判断从而决定是否控制水泵浇水和使花盆自动旋转，并且采集到的数据可以在LCD显示屏上显示出来使养殖者可以更直接的观察【30】。

王安娜等人利用土壤湿度传感器采集土壤湿度数据，该花盆上装有摄像头，用户可以随时利用手机查看植物的生长状态，也可以设置自动浇水或者远程控制浇水【31】。

2.3土壤温度调节

胡欣宇和王宇星用STM32處理器处理温度传感器，湿度传感器、光照传感器和土壤呼吸传感器采集的数据，将其通过串口传递给S5PV210处理器，S5PV210处理器智能判断并控制水箱、LED灯、加热器或冷凝器来调节相应的参数。此装置也可以通过WIFI与给手机发送实时监测的数据，使用者可以设置相应的生长参数，该装置长期运行稳定可靠【32】。

秦冬使用温湿度传感器采集土壤温湿度数据，将数据传送给单片机，通过单片机控制风扇和多孔调湿材料来实现调节温度和湿度。此设计节约了用户的时间，为植物提供了更好的生长环境【33】。

2.4光照调节

张俊朋和盛象飞设计了一款可以实时显示温湿度，并且光照强度过高会提醒用户的智能花盆，该设计使用温湿度传感器、光照传感器、单片机和LCD显示屏等，运行可靠稳定【34】。

李涵茜进行了基于Arduino嵌入式平台的智能花盆的研究，利用Arduino 嵌入式平台的蓝牙功能将温湿度传感器和光照传感器采集到的数据发送到手机APP上，用户可以使用手机远程控制浇水和光照 。

3.总结与展望

现在的智能花盆研究的比较深入，成果很多，功能多样，已经可以实现自动浇水、人机交互、土壤温度调节和光照调节等功能，从技术上来划分，智能花盆是精准农业的一个分支，所以设计者可以参考精准农业领域已经实现的一些功能和使用的研究方法，在现实生活中，空气的温湿度也会影响植物的生长发育，用户更希望花盆可以自动补水，现在智能花盆还没有实现空气的温湿度控制，自动补水，希望研究人员可以设计出更加完善的作品。

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作者简介：

李先（1997/04/10），性别：男，民族：汉，籍贯：内蒙古自治区 乌兰察布市，学历：本科，研究方向：智能花盆.