基于3D打印技术实现自动汲水防蚊的花盆系统

吴笛　李湘南　朱恒强　傅洪波

摘要：随着生活水平的提高，许多居民喜欢在家中种植花草，但一些人时常因出差而担心家中的植物没人管理而枯死。如果一次性浇水过多，则花盆中的积水容易引来蚊子。众所周知，蚊子是登革热的传播媒介。为了解决这些问题，基于毛细现象和水位差原理，设计了一种由花盆、自动续水装置和蓄水装置组成的自动汲水防蚊的花盆系统，并使用3D打印技术形成实物。该模具不仅可以实现一盆花的自动续水，也可以通过并联或串联的方式同时对几十盆花浇水，既解决了上述问题，又具有成本低、应用价值高的特点，模具的设计实用而且便宜，适合在家庭中推广使用。

关键词：防蚊花盆;毛细现象;水位差;自动续水

中图分类号：S688

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.016

随着社会的发展，室内花草种植越來越受到人们的喜爱。许多的城乡居民为了美化环境、净化空气，喜欢在家中种植一些花草。而植物是离不开水的，需要常常浇灌。而人们出差或有事不在家时，植物的供水就会中断，面临缺水问题，进而影响到植物的正常生长。尤其是夏季外出度假时，家中花草极易死亡，导致很多人爱花但不想养、不敢养。此外，浇水若不适量，容易积水，在花盆中极易引来蚊子，有传播登革热的隐患。针对上述问题，一些花盆采用智能设计来完成浇水控制[1-3]，但又因价格太高而让很多居民望而却步，也有其他发明设计，基于简单的机械原理，但其稍显复杂，系统性较差[4]。本文的设计采用最简单的力学原理和最少的部件，并利用3D打印技术实现了一种新型的自动汲水防蚊花盆系统，经试用效果良好。该花盆系统不需要人工浇水，也不会造成积水，可靠、实用且几乎为全塑料制品，价格实惠，具有较好的市场推广前景。

1 装置需求分析

栽花种草，浇水是一个实际问题，特别是居家的盆栽。普通花盆需要人工浇水，一般只在一个时段，比如早上给其浇水，很难做到适时适量。另外，要想防蚊，花盆也不能蓄水。遇到酷热天气，一些植物得不到充足的水，易面临枯死的问题。如何应对上述问题，是本发明设计的初衷。

2 装置的设计与实现

根据需求分析，利用Solidworks软件画出需要的模具图样，其展示了本系统工作原理。花盆及其供水系统如图1所示，右边上盆是平常的花盆，花盆下是自配的蓄水箱。图1左边是公用储水箱，为了产生水位差，图示储水箱处于较高位置。水位差把水输送到右边的花盆下蓄水箱，该箱中的水用毛细现象把水输送到上方花盆的土壤中。整个装置蓄水部分封闭，因此，可以防止引来蚊虫。另外，引入了3D打印来完成样品制作。3D打印技术作为一种快速成型技术，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。由于本样品几乎采用塑料材质，而相应的配件无法实现市场购买，因此借助3D打印技术来实现样品制作。值得一提的是，3D技术还可以按照个人审美品味、植物需求，甚至结合专业外观设计来打印花盆和装置的外观模型，实现个性化定制。3D打印的简易花盆和底座结构如图2所示。

其中，花盆底部有若干小孔，孔径足够让棉线伸进来即可，孔数可根据不同植物需水量来设计，但不可过多或者过大，否则会产生下漏现象。花盆和底座的蓄水箱通过棉线连接，利用棉线的毛细现象可将水自动输送到花盆中。棉线的吸水能力很强，可通过改变棉线的材质、粗细、长短和数量来适应不同植物对水的需求，也可使用其他材质的材料来控制毛细吸水速率，以控制花盆土壤湿度。

花盆底座由蓄水箱、固定罩和浮标组成。其中，固定罩和浮标组成水位控制关键部件，在设计上区别于已有的发明。在固定罩固定蓄水箱的底部之前，将环状浮标套进固定罩，再用防水胶粘结固定住固定罩。浮标内部几乎贴合固定罩，且只能沿着固定罩开的槽孔运动，这样浮标在不移位且浮力足够（可扩大其外径，增大体积，从而极大浮力）的情况下在固定罩内任意直线上下移动，从而顺利上浮顶住出水口。3D打印的实物如图3所示。

该浮阀的作用原理图如图4所示，当水箱缺水或水位降低至一定高度时，浮球向下移动，使得入水口打开，旁边蓄水装置由于水位差使得水从导管流入续水装置。随着下盆内的水位上升，浮球逐渐上浮，抵住入水口。为了加强入水口的密封性，在浮标顶部套上一个橡胶圈。

本花盆的系统性还体现在公用储水箱，其可以对多个花盆供水，比如还可以通过三通管将软管一分为二的方式进行扩展，3D打印的三通如图5所示，3D打印三通管有三个通水孔，每串联多一个三通管即可多供应一个花盆，并且可以根据花盆的数量灵活打印出二通管或四通管，由此可以构成由一个公开水箱供水的多花盆系统，从而多个花卉都可以自动供水和控水，无需浇灌。

最后指出一点是系统可以全封闭，这样蚊虫无法进入，对登革热等疫情起到管控作用。

3 结束语

本发明基于毛细现象和水位差原理，设计了一种由花盆、自动供水装置和蓄水装置组成的塑料花盆系统。该系统利用纯机械原理实现自动控水、汲水、防蚊。与此同时，充分利用3D打印技术，建模形成一套实物，实测工作正常。相对于其他类似发明，系统考虑了供水装置与花盆衔接、工艺的复杂度、经济可行性。因此，该花盆系统不仅可以实现一盆花的自动续水，也可以通过并联或串联的方式同时实现为多盆花浇水，既解决了上述问题，又具有成本低、应用价值高的特点，模具的设计简单、实用，且成本低廉，适合在家庭中推广使用。

参考文献：

[1]刘洪涛，邓二伟.基于STM32的智能自动浇水花盆的设计[J].自动化与仪器仪表，2016（ 8）： 232-233.

[2]聂明旺，孙旭飞，刘杰.基于STM32的智能盆栽浇水系统设计[J].南阳理工学院学报，2016（ 6）： 23-26.

[3]高伟，董彦辰，马庆磊.基于STM32F103C8的智能浇花系统[J].中国新技术新产品，2018 （3）： 30-31.

[4]郭思栋.一种自动续水的“懒人”花盆设计[J]科技与创新，2017（ 22）：108-109.