绿墙

张涵冰　杨若琪　安梓睿

【摘 要】本系统通过物联网、移动互联、AI等技术的应用，对植物进行自动化的灌溉、补光，使用者可以在手机APP上进行远程的控制，实现了模块化、远程化、智能化的运行及升级，可将“绿墙”打造成为经济又环保的城市绿色风景线。

【关键词】绿化;智能盆栽;垂直绿化;物联网;移动APP;远程控制;环保

【中图分类号】G434  【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2019）011-065-04

设计思路

1.背景介绍

城市绿地发挥着改善生态、美化环境、为人民群众提供休息及娱乐场所的作用，同时还是吸引投资、发展旅游事业的基础设施。然而，当前的城市绿化及家庭绿化存在着以下困境：（1）家庭绿化场所及公共绿化用地不足，且没有利用垂直空间进行垂直绿化;（2）重建设轻管理，日益加快的生活节奏使很多人买来植物后难以有固定时间养护;（3）绿化改造成本较高，在既有场所进行绿化改造升级时需要大量的时间及费用。

为解决以上问题，笔者创造性地以“绿墙”物联网平台建设为基础，以大数据与人工智能技术为核心，探索出一条标准化、大规模、低成本、精细化、智能化的“墙面栽植”新模式。

2.价值意义

基于物联网技术的立体化种植模式创新，把墙变绿。以物联网技术为基础，以大数据的收集和分析为依据，以人工智能的方式进行绿色植物的种植，解决了城市种植空间少和绿化需求大之间的矛盾，可在市政、厂区等公共场所应用。

基于云平台的共享型社交化种植模式创新。每家的植物种植数据都会上传至数据云平台共享。用户既可以在线上交流种植经验，同时也可以使有开放协助权限的用户进行灌溉、补光，让种植变得简单又充满社交趣味。

基于人工智能的标准化智慧种植模式创新。通过统一结构、统一接口、统一标准，使得这种种植方式更加通用化，通过设定相关参数，系统可以自动养护，使种植更加便捷。

3.实现方式

“绿墙”的墙体种植结构是由轻便环保的有机玻璃制作而成，贯彻了绿色可持续发展的理念。墙体种植结构以免安装的方式挂在墙上，对墻体的伤害降到了最低。种植结构采用模块化设计，安装养护更为方便快捷。通过云平台设计了一个可以远程进行控制的APP，人们不仅可以实时观察到植物的健康状况，更可以随时随地对植物进行补光、灌溉等养护操作，实现真正的智能养护。

“绿墙”系统架构及流程：“绿墙”系统架构包括接入层、控制层和应用层三层架构。使用者可以在应用层的APP设定植物养护的温度、湿度、光照度等各种环境参数预设值，通过接入层的物联网传感器，获取植物当前环境参数的实时监控数值，与预设值进行相关逻辑判断，由控制层控制LED灯及水泵进行补光、灌溉的操作，实现自动养护，同时将数据上传至云平台。

系统构建过程

1.感知层设计与制作

首先，将光电耦合继电器和水泵、LED灯管以及面包板连接在一起。其次，将光敏传感器连接到Arduino开发板。最后，将搭建好的硬件模块烧录代码后，放入我们的绿墙底部框架，完成感知层搭建。

2.墙体种植架体

墙体种植架体采用绿色环保的有机玻璃制作而成。种植架体总共分为4层，从上到下分别为植物营养液储存层、植物种植上层、植物种植下层、防渗漏层，整体采用了模块化设计，所有的结构可以任意数量自由搭配。种植架体底板由高强度有机玻璃构成，可以承受较大的水平方向的伸张力，架体的底板有粘贴结构，可以以免安装的方式挂在墙上，将设备对墙体的伤害降到了最低，也方便了以后的拆卸升级。

种植架体的外部通过防水胶和高强度筋固定在底板上。其中，防渗漏层比种植层和营养液储存层都要大，防止特殊情况下的液体渗漏。

3.控制单元设计与实现

本系统的控制单元分为硬件控制部分和软件控制部分。首先，将Arduino开发板和机智云顶板通过面包板和连接线连接到一起，然后再将感知层的设备通过面包板和开发板进行连接，这样就基本完成了硬件部分的连接。其次，进行软件部分的编写，本系统使用Arduino官方提供的软件进行编程，主要功能：一是植物环境实时监测，包括对“绿墙”植物的温度、湿度、光照度等各种环境参数进行实时监测;二是智能灯光控制，当光照强度变暗时，对植物进行补光;三是智能远程浇灌，当土壤干燥时，远程控制对植物进行滴灌。据此，我们在程序中定义端口并编写循环判断函数。

4.物联网云平台设计与实现

如果想要通过云平台对控制核心进行控制，须要在云平台上定义本系统的数据点。数据点是数据的唯一标识，数据只有通过数据点才能成功上传到云平台。在机智云网站http：//www.gizwits.com/上注册登录后，创建新产品，选择产品分类并输入产品名称，选择Wi-Fi/移动网络方案，通信方式选择Wi-Fi，数据传输方式选择定长。设置完数据点后，在左侧菜单栏选择“MCU开发”，选择独立MCU方案，硬件平台选择Arduino UNO R3，将创建产品时产生的Product Secret正确输入后生成代码包。有了代码包之后，就进入了开发阶段。

5.终端应用的设计与实现

本系统终端的APP开发主要基于JAVA，主要内容有：（1）定义按钮的类型、数量以及在屏幕中显示的位置;（2）定义按钮的内部逻辑以及按钮的标识名;（3）定义温湿度以及光照信息的显示位数与获取方式。其具体操作是：首先在网站上生成基础代码框架。其次对其按钮数量、功能以及内部逻辑进行设计，经模拟测试完成后正式在手机端进行测试。经多个手机测试所有功能均正常运行后，正式上线APP。

操作说明及场景演示

1.设备接入互联网

Arduino主板下载了配网程序（networkConfig.ino）后，将Gokit3.0通信板与Arduino UNO R3板进行连接，长按key2，触发进入Airlink模式。填写要连接的Wi-Fi账号和密码后进行模组选择。选择正确的模组类型，本系统选择乐鑫，点击确定。等待Wi-Fi模块接入网络即可。

2.智能灯光控制功能

上层、下层种植槽补光。打开”LampUp”和”LampDown”开关时，补光灯亮，关闭时补光灯灭。

3.智能植物浇灌功能

打开”Pump”开关时，潜水泵开始工作，关闭开关时，潜水泵停止工作。

4.实时信息监控功能

点击”Huoqu”按钮，能够通过温湿度传感器获取环境温度（摄氏度）和湿度（百分比）。点击”Photosensitive”按钮，能够通过光敏传感器获取光敏电阻当前的阻值（欧姆）。对于上述两个按钮，单次点击只能获取单次的数值。

后续功能规划

1.水位预警通知功能

针对植物长期无人养护的情况，加入营养液储存层低水位预警功能，在水槽内安装液位传感器，当水槽水位低于预设的预警水位时，系统会在APP推送通知，提醒使用者及时添加营养液。在防渗透层安装液位传感器，当防渗透层水位高于预设的预警高度时，在APP通知使用者及时清理多余的液体。

2.智能天气调节功能

若本系统在室外使用，通过智能获取天气数据进行节水。系统调用第三方气象服务API ，获取本地的未来天气数据，若短期内有降雨，则系统会延时灌溉，进行合理节水。

3.无线自组网功能

在市政绿化、园区绿化等大范围的植物养护场景时，应用LoRa协议将众多的“绿墙”进行无线自组网，实现低成本、低功耗的统一监控与统一管理，实现物联网的深度应用。

教师点评

1.优点

（1）该产品创造性地提出了垂直绿化的概念，是解决绿化土地不足困境的良好方法，有较大的环境效益和经济效益;（2）紧扣时代科技热点，将物联网、移动互联、AI等技术与传统控制工程结合起来;（3）通过“机智云”物联网模块的应用，可以快速、稳定地进行产品优化及功能升级;（4）有较好的经济效益，“绿墙”系统制造成本较低，在大规模的应用时可以极大地节约人力成本。

2.缺点

（1）系统设计方案不够详细，没有讲解各部件的参数及功能;（2）在方案中缺少本系统整体的电路图或实物连接图。

3.改进建议

（1）建议在文章中增加系統各元器件的防水措施及用电规范的描述;（2）考虑本系统的墙体种植架体是基于有机玻璃制作且重心较高，建议增加墙体种植架体的固定措施，如在营养液储存层、植物种植的下部增加斜撑结构，增强系统整体的稳定性。

4.实用性

（1）“绿墙”系统的硬件设计及制造使用了市场上主流的传感器、继电器及其他机电控制设备;物联网云平台和移动终端的搭建均基于可复用的开放式平台，保证了本系统的建设具有可重复性，因此本系统符合相关的产业制造要求。（2）通过“绿墙”系统的应用，能够解决城市绿化用地不足的问题，且能够节约人力资源成本。

综上，“绿墙”系统通过垂直绿化理念，结合物联网及移动互联等先进技术，具有较高的可推广性和实用性。

本文作者系北京市第八中学学生;指导教师：北京邮电大学任维政，北京市第八中学安久山