太阳能智能无土栽培花盆的设计与试验研究

赵立军，颜珊珊，王宇杰，张玉鑫，徐 鹏，杨 帆，杨清宇，胡 旭

(1.重庆文理学院 机电工程学院，重庆 402160；2.东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)

0 引言

绿色植物能够有效净化空气、释放负离子，还能形成绿色视野，促进人类身心健康。如今，随着生活节奏的加快和生活压力的增加，人们并没有足够的时间和精力来照看家庭室内养殖的植物，大型办公场所的植物更是需要聘用专业人士种植，智能花盆[1-2]的思想应运而生。智能化控制花盆能够降低能耗、节约资源，实现健康、环保及低碳节能的智能生活。

目前，智能花盆与物联网的有效结合使得智能花盆相比于传统花盆特点更加鲜明、优势更加明显，主要体现在如下几个方面：

1)科学性。将“智能花盆”的设计与营养液水培技术结合，并将太阳能供电技术应用其中，具有节能环保的特点，实现了自动补水、向光旋转及整体基本无人看管。

2)先进性。智能花盆将传统种植业与电子产品业等现代科技结合，形成具有强大功能的技术架构，同时为众多消费者及企业提供了巨大的市场和无限机会。

3)创新性。物联网下的智能家居带来的是一次颠覆性、创新性的革命，新的生活方式必然会带来技术的创新及各方面产品的创新。

智能家居产品[3-4]在人们生活发展中越来越得到广泛的应用与认可，具有良好的发展前景。

1 国内外发展现状

智能花盆在我国的发展时间尚短，但种类繁多。2015年，通达绿景科技发布了JUST GROW智能花盆，主打“省事、省心的植物养成”。其栽培基质经反复试验免除了铲土、施肥的步骤，同时加入了浇水提醒。2017年，小米众筹智能花盆发布，小米“米家”杂货铺上架种花神器—花花草草智能花盆。该花盆设计简约，具有易懂的灯光指示，通过读取花盆上不同的指示灯颜色判断花盆电量、肥力失衡及水分失衡，且能够在手机等移动设备安装客户端观察。

近年来，布鲁内尔大学工业设计系的女大学生娜塔莉 ·金设计的“Tulipe”[5]，旨在让人们和其种植的盆栽之间拥有更多的交流，使得人们在种植盆栽前了解所种植植物的生活特性。2015年，CES国际消费电子展美国某公司展出的Parrot Pot智能花盆加入了自动浇水功能，使得智能花盆领域的研究向全自动化更进一步。

2 太阳能智能无土栽培花盆系统的研制

2.1 核心系统

核心系统主要由光照强度检测与补光灯控制系统、自动补水系统、太阳能储电系统及自动旋转系统4个部分构成，技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

光照强度的检测以光照传感器BH1750FVI为感应部件，设定最小光照度为1 000Lux的正常太阳光照强度，将检测到的光照强度值送入AT89C51单片机，再由其输出继电器控制LED灯的亮灭及盆体是否旋转，最大限度地节约能源和成本。

太阳能储电系统基于自动旋转系统的向光性，由太阳能电池板转换电能用于提供整个系统的部分电能。太阳能储电不足时利用外接USB接口进行充电，采用USB充电的好处在于其通用性和实用性强[6]。

自动补水系统和自动旋转系统是从时钟芯片DS1302读入月份与每天的实时时刻，通过软件程序设定定时喷营养液以及向光旋转。

以人工智能、自动控制及机械优化设计等现代化技术手段为根本，基于光、温、水、气、肥的检测与调控系统，创建了一个具备初等小型生态系统的概念花盆，通过各平台系统统一协调各个独立执行系统动作，实现光照、水分环境自发适应调控，即各环境因子(光照、温度、湿度、CO2浓度等)的耦合调控、自适应LED补光、太阳能补光及智能补充营养液等功能。

2.2 智能花盆结构与设计

2.2.1 盆体选材

盆体采用PVC为隔离材料，其主要性能如表1所示。其优异的防水能力及抗老化能力适合作为与水接触的材料。隔板采用粘接式烫接形式，从而形成一个新的防水层，既有排水功能又有二次防水功能，并可以采用机械烫接形式。 PVC材料卷材抗压强度大，其抗压强度是同等厚度PS卷材的1.5倍、HDPE材料的2.5倍。采用防塌陷设计，在四周用三角支撑板支撑，增大了花盆的承载量，防止盛水过多导致隔板塌陷。

表1 PVC隔离材料性能表

2.2.2 盆底选材

从环保、力学性能、有无毒害等多方面考虑，采用原生改性聚丙烯材料(PP)。其为半透明无色固体，无臭无毒，由于结构规整而高度结晶化，故熔点可高达167℃，耐热、耐腐蚀，制品可用蒸汽消毒是其突出优点，且密度小，是最轻的通用塑料。这种材料的力学性能良好，表面刚度和抗划痕特性尤为出众，不存在环境应力开裂问题[7-10]。聚丙烯具有优异的抗弯曲疲劳性，其制品在常温下可弯折106次而不损坏；化学稳定性也十分良好，除能被浓硫酸、浓硝酸侵蚀外，对其它各种化学试剂都比较稳定。所以，选择其作为花盆底座。在底座下安装4个万向轮，用于其整体在轨道上旋转，并且外径大于花盆最大外径，防止向花盆内注水时溅射而发生电源或其他电路短路的情况。

2.2.3 密封方式

花盆外形选择近似漏斗形的结构，隔板位于中间部分。由于PVC材料具有良好的耐腐蚀性，密封采用黏着力较强、密封性最好的耐候性酸性硅酮胶密封胶密封。

在盆体注水的情况下，外壳和隔板同时受水施加的压力，但漏斗形状会分担其向下的压力，在水压下不会导致粘接处出现开胶的现象，保证了花盆的密封效果。

2.2.4 灯架的选择

外部灯架选用铝合金材料，主干结构采用弧形可伸缩式灯架，可根据植株的大小调整灯与植株间的距离，以适应不同植株对光照点的要求[11]。弧形结构使之与花盆外壁紧密贴合，加强了灯架主干抗弯强度。

2.3 带传动的设计

考虑到花盆工作条件，盆底传动装置处于一个相对良好的工作环境，且要把不便于更换零件的损害降到最低，故选用所示带传动作为花盆的主传动装置。

其优势在于：缓和载荷冲击，运行平稳无噪声，制造和安装精度不像啮合传动那样严格，防止过载时引起打滑及其他零件损坏，且可增加带长以适应中心距较大的工作条件。

大带轮直径为120mm，小带轮直径为10mm，传动比n=12:1，带轮宽为3mm，材料为聚丙烯。此设计的主要目的是为了在传送带损坏时可在家随时用橡胶带更换。

动力的转换采用5号线4相28BYJ-48型步进电机。该产品结构紧凑，体积小、质量轻，且性价比高。28BYJ-48型步进电机直径为28mm，电压为5V，步进角度为5.64*1/64，减速比为1/64，启动转矩大于300g·cm，定位转矩大于300g·cm。

2.4 控制系统设计

软件设计部分以 AT89C51单片机为核心，利用软件编写 C语言程序。软件系统主要包括系统初始化、时钟时序、端口控制等，从而实现由步进电机利用单片机对外围电路的自动控制。

本系统的软件设计是在硬件设计的基础上实现的。软件设计主要分为几大部分：

1)光强检测部分是通过照度传感器BH1750FVI检测光照强度，与程序固化的下限值进行比较，然后做出判断；当光照强度和光照时间低于固化的下限值时，反馈给单片机断开LED灯的电能供给。

2)定时电路部分。本系统用于家居生活中，通常其工作时间为几个小时到十几个小时。由于单片机自带的定时器内部定时，指令的执行时间不确定而具有一定的误差[12-15]，时间的积累会产生很大的误差。因此，对于定时电路使用外部的外接时钟芯片，通过读取该定时芯片数据的变化进行定时，从而保证定时时间的准确。所以，定时电路使用外部时间芯片DS1302。DS1302采用同步串行的方式与单片机进行通信，通过RES复位线、I/O数据线、SCLK串行时钟口线和单片机进行信息交换。

通过对智能花盆的研究，团队研制了一款可以正常工作的样机，如图2～图5所示。

图2 三维模型 图3 实物图

图4 剖视图

图5 三视图

3 绿植无土栽培试验研究

无土栽培技术(soilless culture) 用人工配制的培养液，供给植物矿物营养的需要。无土栽培是一种不用天然土壤而采用含有植物生长发育必需元素的营养液来提供营养，使植物正常完成整个生命周期的技术。

3.1 试验材料

试验绿植品类富贵树，采购于哈尔滨花卉大市场同一批花苗，如图6所示。营养液根据改良配方自制配得，基质由草炭、椰糠、蛭石、有机质等按比例配得，土壤为普通花土。

图6 植株对照试验实物图

3.2 试验设计

试验于2018年2月25号在实验室内进行。植株采购后统一培育3天，将其移植至各花盆；移植后每天采集1次空气温湿度、CO2浓度等环境参数，如表2所示。试验对植株进行基质和营养液培植，每种培养方式各种植10株富贵树，单杆整枝。设置对照组为普通土壤种植，栽植后隔天采集植株数据，进行指标测定。由于绿植材料为喜水性植物，所以土壤和基质种植花盆每两天一次人工水分供给。

3.3 测定项目和分析方法

对每组植株分别进行1～10标号，计算每株叶片数量；用直尺测定株高、最高叶叶长、叶宽，游标卡尺测定茎粗。通过测定上述项目了解植株形态。

3.4 结果与分析

不同养植方式对植株形态指标的影响程度不同，如表3～表5所示。由表3～表5中可以看出：太阳能智能无土栽培花盆养植的植株株高、茎粗等显著高于传统土培和基质养植，植株长势明显优于传统土培和基质养植。试验期间，土培和基质养植需要定时定量的人工水供给，而智能花盆每隔5min进行1次营养液喷洒供给，根茎不会浸泡在营养液中，省去许多人力和时间。种植期间土培绿植出现了叶片发黄现象，采用人工对其施肥补救使得后期绿植正常生长。

传统土培水分存在难以及时供给、光照强度达不到植株的理想光强及土壤中营养物质不足等问题，都不适宜植株的生长，所以植株生长缓慢、细弱。太阳能智能无土栽培花盆能够对植株定量均匀补给水分，向光旋转性使得植株长势均匀，养植过程简单、方便，更适宜植物生长。

表2 植株的生长环境参数

表3 太阳能智能无土栽培花盆栽培植株形态

续表3

表4 基质花盆栽培植株形态

表5 传统土壤花盆栽培植株形态

4 结论

1)科学的思路：根据专业的知识，计算植物生长所需的光照强度及时间；坚持有效节约能源的理念，利用机械结构自动化设计，将太阳能板安装在花盆上方，解决传统智能花盆浪费能源等问题。

2)实用的设计：采用营养液无土裁培技术，去除了土壤栽培带来的诸多不便，且打理的时间大大缩短，不需要花太多的时间去浇水、施肥、翻土等，有效地解决了爱花与爱干净之间的矛盾。

3)有效的优化：利用太阳能供光，并添加向光旋转的功能，去除了土培花盆的土壤部分，采用新材料水培土，不溶解但是能储存水分，以植物和照明两用灯代替了传统植物补光灯，减少了资源的浪费，大大提升了材料利用率与花盆工作效率。

4)通过试验研究，智能花盆在正常室内环境下运行时可以实现：①绿植生长环境光照强度、水分以及营养的自适应调控；②能够及时补充光照保证绿植正常生长；③能够对绿植定量、均匀地进行水分补施；④营养液栽培缩短了植物生长周期。