SmartPot—科学精准养护系统

解一博，宋超田

（湖南科技大学 计算机科学与工程学院，湖南湘潭，411201）

0 引言

随着社会的不断进步，人们的生活水平越来越高，物质生活越来越富足，绝大多数的人都开始追求精神的富裕，而家庭园艺作为一个朝阳产业，发展趋势极为良好，所以我们不难发现日常生活中越来越多的人都开始尝试在家中摆放盆栽的绿植或者花卉来装饰自己的居所，来满足自己的精神需求。但是人们在生活中总会遇到一些无暇顾照料盆栽的情况，并且对于盆栽的相关养护知识的了解也不多，据调查有且仅有1.49%的受访者表示对盆栽养护知识非常了解，由与此些因素而导致盆栽的实际养护情况并不良好。故而出于对盆栽养护问题的考虑，首先要解决的就是对于人们在对相关盆栽养护知识和时间缺乏的情况下如何养护好盆栽。

1 背景技术

基于对近些年园艺市场的调研可知，乐于进行盆栽养护的人群呈显著增长趋势，但随着人们生活节奏的逐渐加快，人们对于盆栽的养护和管理时间出现短缺，且很少有人能静下心来去了解盆栽养护的相关知识，所以人们对便捷式智能养护产品的需求日渐增长。市场上也存在类似产品，但其功能并不完善，且价格也普遍偏高。在此背景下，急需一种新型物联网云智能盆栽养护设备被提出来解决当下问题。

以自动养护和远程调控养护为例。当前设备会通过众多传感器收集与盆栽养护情况相关的信息，与数据库中的相应植物匹配的适宜生长环境数据进行比对，然后做出自我调控，用户也可通过本设备佩备的APP对当前盆栽的生长情况进行视频查看以及相关的远程浇水或施肥以及调控生长温度等操作，同时也可在APP上看到盆栽养护情况的相关信息。工作原理如图1所示。

图1 项目工作原理

2 硬件设计

本装置的硬件模块设计图如图2所示。

图2 硬件模块设计图

盆栽养护装置中包含锂电池、电源管理模块、MCU控制模块、温湿度传感器、氮磷钾传感器、光照传感器、WIFI模块、电机驱动模块、摄像头模块、加热模块、电磁阀、继电器、塑胶软管、营养液存储仓和储水仓。

①锂电池采用通用性锂电池组，为盆栽养护装置的自行运转提供能量，并且配合MCU模块中的电源管理模块进行能量的运转和显示。

②MCU控制模块与温湿度传感器、氮磷钾传感器、继电器、摄像头模块、LCD模块、电源管理模块相互连接，通过MCU控制模块的芯片完成盆栽养护装置的所有功能，进而达成装置的智能化及自动化目的。

③温湿度传感器、氮磷钾传感器和光照传感器可采集到当前植物生长环境中的温湿度、氮磷钾的值以及当前光照强度的值，并且将采集到的相关信息发送给MCU控制模块，MUC控制模块根据这些信息进行分析处理，对下一步要进行的操作进行判断。

④WIFI模块可与连接Internet网络，使MCU模块与云服务器以及智能终端三者进行连接，实现数据的传输以及智能终端的控制操作。

⑤电机驱动模块可通过释放控制相关执行器的电信号对盆栽养护设备中的继电器、电磁阀等执行器对盆栽中的植物进行浇水、施肥等操作。

⑥摄像头模块可采集到相关当前植物的图片以及视频信息，然后传输给MCU控制模块，然后再由MCU控制模块传输给云端服务器，在云端服务器进行数据比对以及视频传输的功能，从而允许用户在连接了云端服务器的APP上实时看到自己的植物生长以及养护情况，实现云监控以及云操纵的功能。

⑦加热模块可用于调控盆栽养护装置中植物生长环境的温度值，对当前植物生长所需要的环境温度做出补偿，使其生活在适宜温度下。

⑧继电器可接收MCU控制模块的电信号，通过对电信号的处理使其可以作用在电磁阀上使电磁阀可以通过塑胶软管对营养液存储仓和储水仓中的营养液和水进行抽取，进行自动浇水和施肥的操作，从而使盆栽的养护自动化得以实现。

⑨塑胶软管可用于将营养液存储仓和储水仓中的营养液和水分运输到盆栽养护装置的土壤里，为实现自动浇水和施肥提供运输管道。

⑩营养液存储仓和储水仓分别用于存储营养液和水，并且将其内置到盆栽养护装置中，使用时可进行拆卸与不拆卸装填。

⑪盆栽养护装置中PCB电路板上涂覆纳米防水涂层，使其更耐用，且同时具备防水、防潮、耐腐蚀等防护能力，提升盆栽养护装置的品质，降低售后成本。

3 软件设计

本装置的软件设计模块图如下所示。

软件部分由硬件内部所嵌入的嵌入式系统以及数据库和服务器端以及手机app共同组成，其相互之间的通信架构如图3所示。

图3 软件通信架构图

①嵌入式系统采用正点原子的STM32F103系列开发板进行开发，作为嵌入式的核心进行着盆栽养护装置中各项数据的收集以及处理，通过对摄像头模块的开发完成视觉信息的采集，然后通过对开发板自身的WIFI模块的开发并配合自身的其他模块可以完成云端数据传输以及云操控等功能功能。例如，在人工养护模式下，当装置中的传感器检测到目前植物生长的土壤环境中水分缺失时，会通过WIFI模块向云服务器传输数据，然后再由云服务器将此信息传递给手机APP，用户可通过手机APP查看到此信息后点击浇水，然后将浇水的控制信息按上述流程反向发送给装置，由装置执行浇水操作。除此之外，此嵌入式系统是独立的，并且具有良好的可移植性，与项目其他部分连接即可形成一个完整的物联网系统。

②本装置所配备的数据库中，包含了数十种植株所需要的营养物数据，如氮磷钾等，除此之外，还包括光照条件，PH此类数据。以及用户自己所养盆栽的数据也存于此。用户在APP上创建自己的账户后，即可实时查看自己所养盆栽的数据。不仅如此，用户还可以根据自己所养殖的盆栽种类在数据库中调用出其对应的最适生长条件范围，与传感器传回的盆栽实时数据对比，做出对应的调整。例如，当我们想要养护一盆牡丹花时，装置会通过自身的摄像头模块采集到牡丹花的图片信息，然后在服务器端进行识别，然后将对应植物的信息从数据库中取出，发送到手机APP端以及嵌入式系统端，从而使用户和MCU控制模块了解到植物的相关养护信息。很好地解决了用户在养护植物时对植物养护知识不了解这一问题，可以极大地方便用户对植物进行养护。数据库的UML类图则如图4所示。

图4 UML类图

③服务器端可对嵌入式系统所获得并处理过的数据信息传输到手机APP端，并且也可识别嵌入式系统的控制信息，并对相应的控制信息进行相应的操作，例如，当嵌入式系统传输到服务器端植物的视觉信息，服务器端可以将其与自身数据库所拥有的数据进行比对，从而实现植物的分类养护。服务器端图像识别以及目标检测所用算法为YOLOV5，可以迅速并且精准地检测到植物目标，确保了装置良好的反应速度以及检测精度，相较以往的设备的流畅性以及灵敏性都有较大的提高。

④本装置所配套的的手机APP可以通过输入植株名来得知植株的习性以及养殖需注意的事项等，并在养殖后，即可在APP上查取植株当前生长环境数据和理想状态数据，据此数据即可立即做出对应的调整，并且手机APP中带有云监控功能，可以远程视频查看植物的生长情况。此外本项目将植株卡通化，拟人化，采取了可爱的语气从植株的角度来养殖者对话，更能激起养殖者的呵护欲。例如，当装置中的传感器检测到植物所处的土壤环境中缺乏营养时，会通过MCU控制模块向服务器端发送相应的可识别信息，服务器端经过分析向手机APP发送相对应的可操控信息，控制手机APP中的智能交互模块发出“主人，主人，我饿了！”的语音消息，提醒用户对植物进行营养液的灌溉。并且手机APP可选择装置的自动养护或者人工养护功能，当用户处于忙碌状态时，可以选择自动养护，当用户休闲下来时，可以通过人工养护来体验培养植物的快乐。

4 结语

当今时代将人们的生活节奏催化加快，在繁忙的城市工作生活中，越来越多的人们希望回到家里能过得到舒心放松，享受一下慢节奏的生活，平静一下自己的心灵。基于这一目的，越来越多的人们重视家庭园艺和盆栽种植。因为在家庭装饰以及健康生活中，盆栽养殖和家庭园艺是不可忽视的。但是大多数人对于盆栽养护知识基本是空白的。基于此背景下，我们设计出SmartPot-科学精准养护系统。本系统各部分紧密结合，形成了完整的物联网体系，可以实现云监控养护，云智能识别，人工智能交互等功能。并且设备使用便捷，安全可靠，结合了“互联网+”思想，使用了最新技术，改善了当前设备的功能单一，价格偏高的缺点。为人们在日常生活中养护盆栽提供了一种物美价廉的产品。