許國柱，曾祥蘋，栗 江，吳天明，陳海鋒

(廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925)

0 引言

研究表明：在綠色環(huán)境中脈搏平均減少4次/min～8次/min，呼吸慢而均勻，心臟負(fù)擔(dān)減輕，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)起鎮(zhèn)定作用。所以除室內(nèi)“硬裝修”之外，越來越多的人開始重視居室的“軟裝修”?！凹彝@藝”在城市人們的生活中不斷流行起來。例如：在辦公區(qū)域擺上幾盆綠植，足以緩解上班族工作的疲倦；在地鐵、火車站等人流密集場所種植一些花草，既可清新空氣還可放慢人們忙碌的腳步；在家里的陽臺(tái)或樓頂?shù)人饺祟I(lǐng)地種種蔬菜和花草，既可陶冶情操還可吃上新鮮健康的蔬菜。

然而，因植物受外界環(huán)境氣候的影響，傳統(tǒng)的室內(nèi)種植方式較難打理且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，已無法滿足現(xiàn)代都市人的基本要求。伴隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”信息化時(shí)代的到來，家庭園藝則被插上了科技的翅膀，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于家庭園藝養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，使得室內(nèi)種植變得更加便捷化和智能化，各種現(xiàn)代家庭園藝產(chǎn)品也應(yīng)運(yùn)而生，如：種植柜設(shè)備、家庭農(nóng)場、植物墻和紫外線植保儀等。然而，市面上現(xiàn)有的種植柜產(chǎn)品普遍存在體積大、占地面積大和外形單一的問題。本文設(shè)計(jì)的種植柜采用蜂窩型、模塊化設(shè)計(jì)理念，種植柜形狀大小可自由調(diào)節(jié)、外形美觀，且易打理、使用便捷，在家庭園藝產(chǎn)品的微型化、便捷化和智能化發(fā)展方面具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 種植裝置外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能種植柜產(chǎn)品早在2018年世界制造業(yè)大會(huì)上就已出現(xiàn)，然而，通過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)：目前市面上已有的種植柜產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上普遍采用方形柜體結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，適合大面積種植，價(jià)格昂貴，且占地面積大，不適合于“家庭園藝”。對(duì)此，本文中的種植柜裝置則在外形結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新性地采用“蜂窩型”設(shè)計(jì)，其亮點(diǎn)在于：應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)理念，利用正六邊形具有無縫隙穩(wěn)固重合的特性，選用輕便環(huán)保材料，將若干個(gè)正六邊形種植框通過卡扣自由組合疊加并掛墻放置(如圖2所示)，因形狀類似于“蜂窩”，故“蜂窩型”種植柜由此得名[1]。該創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于用戶可根據(jù)個(gè)人喜好自由組合疊加種植柜的形狀和大小，既可多個(gè)組合掛墻放置，也可單個(gè)使用類似于盆栽隨處攜帶和擺放，種植面積靈活可調(diào)，外形美觀，垂直種植不占地。

圖1 方形柜體結(jié)構(gòu)種植柜 圖2 蜂窩型柜體結(jié)構(gòu)種植柜

2 種植裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單個(gè)種植框功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。以STM32單片機(jī)為主控制器，應(yīng)用種植海綿作為栽培基質(zhì)進(jìn)行無土栽培，水箱中儲(chǔ)存配制好的營養(yǎng)液，一定的營養(yǎng)液儲(chǔ)存可免去每日進(jìn)行澆灌的麻煩；利用水泵和種植框內(nèi)壁附著的管道可將營養(yǎng)液運(yùn)送到種植區(qū)向海綿自動(dòng)噴灑營養(yǎng)液；濕度傳感器可實(shí)時(shí)檢測海綿濕度，當(dāng)海綿濕度不足時(shí)，由單片機(jī)控制水泵向海綿種植區(qū)自動(dòng)噴灑營養(yǎng)液，保證植物生長營養(yǎng)所需；海綿種植區(qū)底面設(shè)有小孔，可將多余營養(yǎng)液流回水箱，形成供水循環(huán)，不易滋生蚊蟲。由LED植物生長燈對(duì)植物進(jìn)行定時(shí)照射，可在觸摸屏上自由設(shè)置光照強(qiáng)度、光照時(shí)間及光照時(shí)長，保證植物每日光照需求；溫度傳感器和光照傳感器則負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集柜內(nèi)溫度及CO2濃度，當(dāng)柜內(nèi)溫度及CO2濃度較高時(shí)風(fēng)扇自動(dòng)啟動(dòng)，加速柜內(nèi)外空氣流通，使柜內(nèi)溫度及CO2濃度保持在植物最適宜生長狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)控制可在觸摸屏上進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)模式切換。

圖3 單個(gè)種植框功能結(jié)構(gòu)

2.1 種植裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 主控制器

主控器選用STM32L052R8T6單片機(jī)，超低功耗Arm Cortex-M0+ MCU，具有64 kB Flash存儲(chǔ)器、32 MHz CPU和USB，是一種集高效、強(qiáng)兼容性和價(jià)格低廉于一體的微控制器[2-4]。主控制器芯片引腳圖如圖4所示。

圖4 主控制器芯片引腳圖

2.1.2 觸摸屏

觸摸屏作為人機(jī)交互界面，可對(duì)種植柜內(nèi)植物生長環(huán)境因素(如溫濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可自由設(shè)置參數(shù)及切換控制模式，使種植柜操作簡單、便捷。此處選用7寸安卓工控一體機(jī)RK3288高性能觸摸屏，配有4核1.8 GHz主頻，具有高穩(wěn)定性、高集成度、高擴(kuò)展性和高流暢度；支持4G/WIFI聯(lián)網(wǎng)和APP定制開發(fā)，可按需求定制不同功能的APP應(yīng)用，使用戶在手機(jī)APP上即可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)種植柜的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

在觸摸屏上可顯示當(dāng)前柜內(nèi)植物生長溫濕度、光照強(qiáng)度及種植海綿濕度等參數(shù)；對(duì)于水泵和風(fēng)扇等執(zhí)行機(jī)構(gòu)可手動(dòng)/自動(dòng)模式切換；光照強(qiáng)度、光照時(shí)間及光照時(shí)長可根據(jù)種植植物種類自由設(shè)置，觸摸屏監(jiān)控畫面如圖5所示。

圖5 種植柜觸摸屏監(jiān)控畫面

2.1.3 傳感器檢測模塊

種植柜要達(dá)到自動(dòng)控制柜內(nèi)植物生長環(huán)境因素的目的，需要對(duì)柜內(nèi)植物生長環(huán)境因素信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，作為輸入給主控制器單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理從而做出決策。此處環(huán)境因素采集分別使用了光照強(qiáng)度檢測傳感器、溫濕度檢測傳感器、CO2濃度傳感器和土壤濕度檢測傳感器。

(1) 光照傳感器負(fù)責(zé)檢測柜內(nèi)植物光照強(qiáng)度，選用B-LUX-V22型光照傳感器，該傳感器采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，光照度范圍0 Lx～65 535 Lx,采用標(biāo)準(zhǔn)I2C通信協(xié)議，工作電壓為3.3 V，不區(qū)分環(huán)境光源，具有接近于視覺靈敏度的分光特性，可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1 Lx的高精度測定。

(2) 溫濕度傳感器負(fù)責(zé)檢測柜內(nèi)植物生長環(huán)境溫濕度，選用SHT30防水傳感器，該款傳感器采用高分子PE材料濾芯，保證測量濕度同時(shí)濾除灰塵，對(duì)高速流動(dòng)的氣體起到緩沖作用，溫濕度測量結(jié)果更準(zhǔn)確；此外，這款防水傳感器具有高精度、防水和防塵的特點(diǎn)，可滿足種植柜內(nèi)溫濕度檢測特殊環(huán)境需求，工作電壓為3.3 V。

(3) CO2濃度傳感器負(fù)責(zé)采集柜內(nèi)植物生長環(huán)境的CO2濃度，選用CJ-102型紅外CO2傳感器，利用非分散紅外吸收原理，內(nèi)置自動(dòng)校準(zhǔn)算法，高靈敏度、低功耗，提供串口(UART)、PWM等輸出方式，工作電壓為3.3 V；其設(shè)計(jì)小巧、性能優(yōu)越、易于安裝，可廣泛適用于空氣凈化器、新風(fēng)系統(tǒng)、帶凈化功能的空調(diào)、空氣品質(zhì)檢測儀器、汽車以及消費(fèi)類電子的配套。

(4) 土壤濕度檢測傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測種植海綿濕度，此處選用電容式土壤濕度傳感器。該傳感器區(qū)別于市面上絕大部分的電阻式傳感器，采用電容感應(yīng)原理檢測土壤濕度，避免了電阻式傳感器極易被腐蝕的問題，極大地延長了其工作壽命，工作電壓為3.3 V。

2.1.4 電源供電電路

種植柜控制系統(tǒng)以3.3 V和5 V供電為主，此處采用TPS5430電壓轉(zhuǎn)換器和AMS1117電源穩(wěn)壓芯片獲得所需電壓，電源供電電路如圖6所示。

圖6 電源供電電路

2.2 種植裝置控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

種植柜應(yīng)用智能控制技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)柜內(nèi)植物生長環(huán)境至最適宜狀態(tài)，即以單片機(jī)為主控制器，通過傳感器實(shí)時(shí)采集柜內(nèi)生長環(huán)境信息(溫濕度、CO2濃度及光照等)并傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)控制能夠改變柜內(nèi)生長環(huán)境因素的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(風(fēng)扇、LED植物生長燈、水泵等)產(chǎn)生動(dòng)作，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)植物生長環(huán)境至最適宜狀態(tài)的目的。在觸摸屏上可進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)控制模式切換，可根據(jù)植物種類設(shè)置植物生長環(huán)境因素的參考值。種植柜控制系統(tǒng)控制流程如圖7所示。

圖7 種植柜控制系統(tǒng)控制流程

3 種植柜防蚊蟲滋生解決方案

因?yàn)榉N植柜內(nèi)的營養(yǎng)液長期放置在箱內(nèi)，當(dāng)植物處于干旱時(shí)抽水機(jī)必須抽取相應(yīng)的液體灌溉柜內(nèi)的植物，箱內(nèi)的液體都處在相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，也就是說箱內(nèi)的營養(yǎng)液是一潭死水，時(shí)間久了不但容易發(fā)臭，同時(shí)還容易滋生蚊蟲。為了解決這一問題，我們采用了液體循環(huán)裝置，使其箱內(nèi)液體在單片機(jī)控制設(shè)定的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)水泵，配合種植區(qū)底面的小孔將多余營養(yǎng)液流回到營養(yǎng)液儲(chǔ)存箱，形成供水循環(huán)；循環(huán)過程中，其抽取的液體不會(huì)經(jīng)過柜內(nèi)，也不會(huì)因?yàn)楣駜?nèi)的水分過量而影響植物的生長，其特點(diǎn)如下：①使液體流動(dòng)起來，達(dá)到給植物創(chuàng)造更加舒適生長環(huán)境的目的；②通過循環(huán)，可以在一定程度上增加箱內(nèi)的水汽；③使得營養(yǎng)液的養(yǎng)分能夠被植物更好地吸收；④種植棉與營養(yǎng)液循環(huán)裝置，雙重防護(hù)讓蚊蟲無處滋生，營造更好的室內(nèi)綠植種植環(huán)境。

其次，專門為營養(yǎng)液儲(chǔ)存箱增添了防蚊蟲滋生內(nèi)盒設(shè)計(jì)(如圖8所示)，該內(nèi)盒可將植物與營養(yǎng)液隔離，使得蚊子無法接觸到水面，防止蚊蟲滋生。

圖8 防蚊蟲滋生內(nèi)盒

4 實(shí)物模型

在上述研究的基礎(chǔ)上，建立了種植柜實(shí)物模型，如圖9所示。

圖9 種植柜實(shí)物模型

5 結(jié)束語

當(dāng)今社會(huì)，隨著“家庭園藝”在人們生活中的不斷流行，研發(fā)更加智能化、小巧化、便捷化的室內(nèi)種植裝置將成為未來熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的智能室內(nèi)種植裝置在外形上采用模塊化、蜂窩型可拼裝設(shè)計(jì)，種植面積和形狀大小可調(diào)，方便收納、不占地；且可在手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控，易打理、使用便捷，符合普通家庭用戶對(duì)室內(nèi)種植的期望。相信在不久的將來，本產(chǎn)品的問世將會(huì)受到人們的青睞。