室内智能绿植微环境系统设计

于莉莉 张磊 王哲

摘要：室内智能绿植微环境系统是集数据采集、数据处理、反馈控制、远程访问等功能为一体的软件和硬件的系统，主要是利用单片机技术、传感器技术和无线通信技术，由特定的底盆和个性化的绿植结合雾化系统，实现绿植净化空气、雾化加湿及美观于一体的功能，同时还可以实时监控周边和花盆内环境，根据数据分析及时做出决策，是从传统的凭经验养殖到科学精准养殖的一次革新，大大提高植物的成活率。

关键字：物联网；智能花盆；单片机；传感器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）20-0196-04

Design of Indoor Intelligent Green Plant Microenvironment System

YU Li-li， ZHANG Lei， WANG Zhe

（Information and Electronic Technology Institute，Jiamusi University， Jiamusi 154007，China）

Abstract： Indoor Intelligent Green planting micro environment system is a system of software and hardware which integrates data collection， data processing， feedback control， remote access and other functions. It mainly uses single chip technology， sensor technology and wireless communication technology， and combines the specific bottom basin and the individualized green plant and atomization system to realize green planting. The function of purifying air， atomizing and humidifying and beautiful in one， and monitoring the environment of the surrounding and flowerpots in real time， making the decision in time according to the data analysis， is a innovation from the traditional cultivation to the scientific precision cultivation， and greatly improves the survival rate of the plants.

Key words： Internet of things；Intelligent flower；Single Chip Microcomputer；Sensor

1 引言

随着生活水平的提高，人们越来越关注健康，绿色环保节能，对空气质量、湿度的要求越来越高，各种装修材料对室内环境的污染，让人们充满恐惧和无奈，北方干燥的大气环境及空调的大量运用，室内空气的湿度很难保证，人们常常感觉到干燥，加湿器、空气净化器大量地运用到生活中。然而这些枯燥的电子产品设备虽然一定程度的解决的问题，但是依然无法满足人们的需求，人们需要更加绿色、健康、自然的产品。我们研究的室内智能绿植微环境系统带来良好的解决方案，具有绿色、环保、智能理念，高效解决了室内空间多种空气污染问题。本系统是集成化与智能化、功能化与装饰化、标准化与个性化、艺术化与互动化的有机结合，颠覆了传统花卉园艺产品的表现与养护形态，也将革新我们花卉园艺消费的结构与习惯[1]。

2 系统市场调研分析

根据客户使用群体及空间的不同分为三大系列，本项目研究初期主要針对第一系列，待经验成熟可向第二、第三系列延伸。

第一系列，小空间的个体使用者，人们在家里和办公室种点花，或者使用加湿器实现对小环境的改善，有一款相近的产品微景观，水盆里面种上假山，蕨类植物，苔藓植物，但是缺点是占用空间较大，没有针对可以放在办公桌、小空间使用的产品，而且对种植技术要求较高。我们研究室内智能绿植微环境系统是由特定的底盆和个性化的绿植结合雾化系统，实现绿植净化空气、雾化加湿及美观于一体的功能，同时还可以实时监控周边和花盆内环境，根据数据分析及时做出决策，是从传统的凭经验养殖到科学精准养殖的一次革新，大大提高植物的成活率。

可以利用网络资源，开启网店模式，统一开发特定规格的产品进行销售，客户资源为个体消费者，渠道为电商。

第二系列，对于特定的商业空间开发产品，根据不同植物的搭配，实现物种养护，美观，自动加湿，客户资源为特定商业空间，销售渠道为网页宣传，及室内设计公司合作，利益共享进行推广。

第三系列，对于特定的大空间公共建筑如中庭，结合水系背景墙设计，融入绿植控制系统，实现自动浇灌，自动养护，客户资源为企事业单位，老建筑改造，通过图片设计提升企业面貌改善使用空间环境；新建筑通过与设计单位合作，在前期设计理念融入，设备条件预留，后期设计效果展示，最后实现项目落成。必将发展一种新的模式，并可以在后期持续运行中得到固定的维护收益。

现在全世界都推广绿色经济政策，主要体现在绿色能源、绿色生活方式、绿色制造方面，可持续利用生物智能等方面。我国国务院会议讨论通过《十二五国家战略性新兴产业发展规划》，其中将节能环保产业置于七大重点产业之首。本研究不仅是对我国即将到来的绿色产品的热潮的技术储备，同时也是物联网在智能家居中的一次探索。

20世纪60年代，国外很多发达国家就开始相继建造各类规模的屋顶花园、屋顶绿化等垂直绿化工程，如今在美国、英国、德国、日本、法国等发达国家的大城市中，城市垂直绿化发展非常成熟，此外，国外也出台了很多相关文件，文件中指出：城市不准建砖墙、水泥墙，必须营造生态墙。如今世界各国都十分重视建筑墙体的垂直绿化，实现可持续的友好发展[2]。

城市智能垂直绿化的概念，在我国还是个新鲜事物，2010年在上海世博会首次亮相。近年来在国内普遍应用于城市大规模绿化，高档别墅公寓户外绿化，室内目前也仅限于城市公共建筑、博物馆、酒店餐厅、休闲会所、艺术展馆和纪念馆、商业大厦、私人会所等区域（如图1、图2所示），是高大上的标志，过高的安装成本以及复杂的后期维护是传统垂直植物系统推广的不利因素[3]。

现有的产品存在的不足：

1） 普遍是大规模的户外绿化系统，安装成本以及复杂的后期维护不适宜推广；

2） 室内绿化系统没有完善的体系，产品参差不齐，产品质量很难保证；

3） 家庭和办公小空间的开发还处于起步阶段，而且智能化程度较低；

4） 通过市场调研及网络问卷调查，集绿植盆栽和加湿器一体的智能产品现处于市场空白（网络问卷调查二维码和分析结论如图3、图4所示）。

2010年上海世博会垂直绿化以及新加坡“空中花园城市”的启发下并结合我国国情而设计的，我们发现垂直绿化技术目前在国内的还不成熟，体制也不完善，并且成本高，投资巨大，很难走进寻常百姓家。如何中小型化，降低成本，让绿色平民化，无忧精准智能栽培，是本项目的研究方向，经过我们详细的市场调研，发现本项目具有深厚的发展潜力和广阔的市场前景，同时也能推动绿色产业发展，倡导绿色环保理念。

3 系统设计

本系统是集数据采集、数据处理、反馈控制、远程访问等功能为一体的软件和硬件的系统，主要是利用单片机技术、传感器技术和无线通信技术，从五个方面内容进行研究来达到预期目标。本项目三个系列的核心设计只是在规模大小、安装方案等外围设施有所差别。本项目的研究说明均以系列一为例，其设计初期的透视草图和各部件分解图如图5、图6所示。

1） 实时监控：实时显示环境和植物的各个主要参数，包括实时环境温湿度、实时土壤湿度、实时光强等参数；

2） 实时报警：当植物的某个生长参数超出系统的预设值时，系统能够提示报警，并给出合理建议；

3） 植物生长模型：满足植物多样性要求，建立一套满足大多数室内植物生长习性的参数数据库；

4） 自动化控制：系统能自动维护环境空气湿度在一个合理的范围（用户可预设），当湿度低于或高于此阈值时，系统启动或关闭加湿模块；系统还能自动维护土壤含水量在一个合理适宜的范围（不同植物根据植物数据库中数据设定），当土壤含水量出现超限报警时，系统能自行饶水；

5） 远程访问功能：用户能够通过移动终端对系统进行访问，了解当前植物生长状态，并可以进行人工干预。

本系统研究通过环境温湿度传感器、光传感器、土壤湿度传感器，把实时获取环境温湿度、光照强度、花土中的植物的生长环境因素的数据，通过LED显示屏和手机App界面显示相关数据。同时建立专家植物数据库，内含多种常见观叶植物和观花植物培育信息，并可以不断对数据库数据进行更新（当我们团队有专修农学的学生专门负责）。通过专家数据库对特定植物设定其生长适宜的温湿度，用采集到的数据与设定好的相应的生长环境的数据进行比对，若与设定值不同，就会做出相应的提醒或执行相应的预设操作，如定时定量地对花卉进行浇水。

4 基于物联网的绿植微环境系统设计

4.1 下位机数据采集显示软件设计

本系统中对参数的采集和处理是由传感器和单片机共同完成的。传感器采集到的环境参数经单片机处理后，在花盆自身的显示屏显示出来。同时，单片机会将处理过的环境参数通过WIFI的无线传输方式发送至上位机和手机App。下位机软件流程图如图7所示。上位机在绿植微环境系统中起到了数据接收、设置各项参数阈值和显示的作用，其软件流程图如图8所示[4]。

4.2 上位机数据采集显示及服务器界面软件设计

绿植微环境系统的上位机监控软件是由 JAVA语言开发的基于Windows系统的应用程序。本次设计的服务器的开发环境是由NetSarang公司推出的Xshell软件，可以在Windows界面下用来访问远端不同系统下的服务器，从而比较好的达到远程控制终端的目的。根据Xshell软件开发的服务器如图9所示。

4.3 基于物联网的绿植微环境系统测试

针对系统的研究目标，本项目通過硬件的搭建和软件的编程，构建了一个基于物联网平台的绿植微环境系统。完成本系统的设计， 需要先对软硬件进行分步骤的安装和测试， 确认每步测试成功后才进行了系统的集成组装调试和模拟试验。

系统的正常启动顺序为：首先保证服务器处于开启状态，然后为花盆接通电源，等待下位机初始化完成后，开启电脑上位机选择需要种植的植物，然后通过数据库调取植物生长数据，点击“开始监控”按钮，进行监控。从数据库调取植物生长信息的界面如图10所示，未开始监控时的界面如图11所示

点击“开始监控”按钮文字不会发生变化；若接收到的环境参数没有超过设定值的情况下，看到的界面如图12所示。

如果采集的环境参数超过或低于专家数据库的数据，下位机能够通过蜂鸣器进行提示报警，相对应的指示灯会亮起，并且显示屏上相关参数的字体会由绿色变为红色，并执行相关预设操作。同时若接收到的环境温度小于给定的温度下限，提示温度过低； 若接收到的环境湿度大于给定的湿度上限， 提示湿度过高； 若接收到的光照强度小于给定光照强度下限， 提示光照过低等报警提示。具体情况请看图13下位机报警显示界面，图14上位机报警显示界面。

5 结束语

本研究是物联网家居的一个小的领域应用尝试，符合2017年政府工作报告中，李克强总理谈及环保部署中大力提倡的绿色环保和智能的理念，同时还与生活密切相关，具有一定的实用价值。同时还可以推广到智能农业、智能家居等物联网应用领域。

参考文献：

[1] 聂鹏程.植物信息感知与自组织农业物联网系统研究[D].浙江：浙江大学，2012.

[2] 徐高松.基于物联网技术的智慧花盆的设计与实现[D].北京：中国科学院大学，2013.

[3] 赵珊.基于GIS的智能喷灌控制系统上位机的设计与实现[D].黑龙江：东北农业大学，2014.

[4] 王哲，于莉莉.基于物联网的室内绿植微环境系统研究与实现[J].电脑知识与技术，2018（2）.