TRIZ理论在智能花盆设计的应用研究

吴欢龙 韩璐遥 余林军 刘伟锐

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

0 引言

人们期待从现在快节奏的工作中寻求慢生活，盆栽植物不仅为人们提供一种慢节奏的种植体验，还能改善居家和办公环境，助益人们身心健康。但目前市场上的智能花盆多为半自动化式种植，常需要人对其进行辅助种植，在消耗人们大量精力的同时培育结果也具有不确定性。现有智能花盆功能较为单一，大多数智能花盆设计者往往通过改变造型和材料来制造市场差异性，其结构与功能仍有待于优化。

智能花盆的设计应用研究已得到国内外学者的广泛关注。江南大学的王莹莹基于Arduino平台利用传感器、单片机、交互系统等与花盆的结合实现了植物的全天候托管[1]。南京航空航天大学的王新燕通过KANO模型发掘了人们对于桌面盆栽植物养护需求，设计了智能化花盆产品以及产品需求相关的移动终端程序界面，为产品创新提供了设计思路和参考[2]。国外已投入市场的家居绿植养护平台名为Click and Grow，其植物依靠科技生长，给用户带来便利的同时降低了用户参与感，且性价比低。郑英珠等人也提出并开发了具有自主移动性的智能花盆系统，其程序基于照度传感器等自动追踪阳光，并通过直观的情感化界面提升用户使用过程中的便利性和可用性[3]。

本文旨在设计一款具有市场差异性的智能花盆，通过TRIZ理论分解智能花盆系统，根据通用参数建立矛盾矩阵，利用发明原理得到设计方案理想解。智能花盆外观与结构的优化将更满足用户需求体验，结合现有成熟技术在降低成本和提高资源利用率的同时增加智能花盆的可实践性，实现智能花盆的可持续性工作。

1 TRIZ理论应用

TRIZ解题的思路是将一般问题抽象化，用特定的参数描述问题，通过冲突的参数寻找背后的解题原理[4]。通过TRIZ理论对智能花盆领域进行设计问题分析，挖掘主要矛盾，选取适用于本领域研究的主要方法进行分析求解，对得到的设计方案进行评估筛选，求得最终理想解。

1.1 系统分析

系统分析是对产品从整体到局部再到整体的剖析过程，系统分析模型的建立将直观体现整个系统因素的相互作用关系及影响。系统化方法提供了发现问题、解决问题的路径，通过系统分层，可以使各个部分的矛盾更加明显，从子系统出发寻求矛盾及其理想解，让设计更加具体化、精细化。本研究中智能花盆的设计即是一个整体系统，参照系统分层原理以及常见智能花盆结构设计[5]可以将该研究模型分解成图1所示。

图1 智能花盆功能系统分解

动力系统：作为智能花盆产品的主要动力来源，为实现智能花盆的工作需求，本文选择无线电磁充电作为主要动力来源。

浇灌系统：智能花盆的浇灌系统可分为半自动式浇灌和全自动式浇灌，市面上的智能花盆大多为半自动式浇灌，如何在降本增效的同时满足智能浇灌的需求，是需要着重思考解决的问题。

光照系统：充足的光照将促进植物的良性生长，智能花盆的按需供给光照将促进植物光合作用，改善居家办公环境。若结合紫外线光照可起到引诱蚊虫的作用，例如培育捕蝇草类植物与其结合将更好地诱捕周围空间蚊虫，净化居家生活环境。

显示系统：电源开关显示状态，具体湿度、温度等都直观反映了植物生长状态以及室内环境质量，人们可以根据动态变化数据反馈调控智能花盆状态，达到具体问题具体调控，实现动态化精准养护。

控制系统：电源控制智能花盆的启动、关闭，期望针对不同植物切换不同的个性化养护模式，通过手机App远程跟踪控制调节。

1.2 建立矛盾矩阵

（1）通用参数选择：通过调研发现，目前市场现有智能花盆不能保证低成本高效益，且不能够完全自动化培育，经常需要人工干涉。将智能花盆涉及到的技术矛盾抽象成TRIZ创新理论中的通用参数，通过表1所示内容以及上述分析来筛选涉及到的理论参数。

表1 TRIZ通用参数表

通过参考同类智能花盆的结构样式和生产制造方式，对智能花盆的常用工作环境进行考量，设计一款自动化程度高且生产成本低，同时可实践性强的产品。从表1中选出适用于本研究的通用参数包括：32-可制造性，33-可操作性，35-适用性及多用性，36-装置的复杂性，38-自动化程度。

（2）建立矛盾矩阵：根据TRIZ理论参数的选择，构建TRIZ矛盾矩阵[6]，如表2所示。

表2 智能花盆TRIZ矛盾矩阵分析

表2中的序号对应TRIZ理论中的40个发明原理，根据本文研究内容在原理可行性分析详情表中适用于本研究的发明原理后面打对号，在不适用于本研究的发明原理后打叉。以此对表格内涉及到的发明原理依次进行适用性排除，最终选出适用的发明原理有：1-分割，3-局部质量，5-组合合并，15-动态特性，24-借助中介物，25-自服务，26-复制，28-机械系统替代。

2 智能花盆设计

2.1 智能花盆初选方案设计

根据筛选后所适用的发明原理建立方案解决表，如表3所示。

表3 智能花盆设计方案分析解决表

根据设想方案选取一种基于半导体装置的冷凝模块作为智能花盆设计中的主要供水来源，其中利用半导体制冷片体积小、无运动部件、运行稳定等优点从空气中提取水资源[7]。通过对相同原理的产品进行调研和对比分析，例如小型半导体除湿机等具备集水功能的家用电器。最终选择型号为TEC1-12703的半导体作为本研究中所使用的元件，满足了对智能花盆设计成本低的期待，实现了取之于自然用之于自然的高资源利用率。

综上所述，得到具体设计方案，如图2所示：该智能花盆设计包括光照系统1；提手2；固定螺栓3；可替换花盆模块4；水箱顶盖5；水箱6；冷凝器外壳7；底部灯圈8。如图2 a) 所示，提手2顶部开有安装槽，槽内可安装光照系统1，两者构成带光照功能的提手，通过固定螺栓3固定于冷凝器外壳7上。同时，冷凝器外壳7底部设置安装槽，槽内可安装灯圈8。该设计便于用户随时随地移动智能花盆，解决了移动普通花盆时必须接触底部外壳的问题。顶部LED智能光照系统能为植物的生长提供光照，在有灭蚊需求时可切换成紫外灯模式，结合培育的植物对蚊虫进行吸引诱捕。底部灯圈8能在智能花盆吊起状态时提供吊灯式样的光照功能，增强室内氛围感。组装好的智能花盆放在无线充电器9上时将为其充电，这种方式避免了裸露充电口触水短路的危险，实现水电分离保证用户安全。

图2 智能花盆结构图

根据图2 b) 所示，水箱顶盖5安装于水箱6顶部，水箱6安装于冷凝器外壳7顶部，三者构成智能花盆的主要部分。冷凝器外壳7内部开设有安装槽，安装槽内设置可替换花盆模块4。可替换花盆模块4可随时取出进行植物替换，方便用户更换不同植物并切换不同植物养护模式。冷凝器外壳7与水箱6、可替换花盆模块4相接处的面上开设有孔，该设计能使水箱6中的水交换到可替换花盆模块4中。同时，冷凝器外壳7内部安装有用于冷凝功能的半导体，底部开设有进气格栅。通过进气格栅吸气将空气中的水分冷凝，内置水泵将水从水孔输入水箱6中，在两者间设置单向阀门使得水箱6中的水不会回流进冷凝器外壳7中。

根据图2 c) 所示，当提手2处于展开状态时（如左图），其顶部内嵌的智能光照系统1可以为绿色植物提供光照，满足植物在弱光或无光环境下的光照需求。当用户将智能花盆放置在有光照的环境下时，可以将提手2进行折叠（如右图），避免提手遮挡自然环境下的光照。该折叠状态还方便用户更换可替换花盆模块4，一种简单的操作步骤大幅度提高用户更换植物效率，提升用户培育体验。

2.2 智能花盆效果图呈现

如图3 a) 所示，智能花盆的设计整体形线简洁自然，提起状态的把手轮廓线顺势与底座流畅相接。应用半导体材料利用其帕尔贴效应实现热电制冷，可以快速冷凝游离在空气中的水，集成植物所需水分，成本更低，耗电量更小。如图3 b) 所示，在智能花盆需要充电时进行水电分离式充电，底部托盘样式的无线充电座避免花盆内多余水分流入带电插口。花盆不需要充电时，无线充电托盘作为收纳盘也可以为其他支持无线充电的电子产品充电。如图3 c) 所示，光照系统为植物生长提供了所需光照，温度、湿度及植物状态清晰直观显示于主体。由于把手相对于使用者对光源有一定的遮挡作用使得智能花盆的光照系统在工作状态时明亮又不晃眼。挂起时，底部环形光照可以辅助起到氛围灯的作用。如图3 d) 所示，切换到紫外灯模式时，将植物模块同步更换成带有诱捕蚊虫属性的植物，在净化屋内环境的同时加强了人与植物及环境的互动。

图3 不同模式效果图