綠墻

張涵冰　楊若琪　安梓睿

【摘 要】本系統通過物聯網、移動互聯、AI等技術的應用，對植物進行自動化的灌溉、補光，使用者可以在手機APP上進行遠程的控制，實現了模塊化、遠程化、智能化的運行及升級，可將“綠墻”打造成為經濟又環保的城市綠色風景線。

【關鍵詞】綠化;智能盆栽;垂直綠化;物聯網;移動APP;遠程控制;環保

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2019）011-065-04

設計思路

1.背景介紹

城市綠地發揮著改善生態、美化環境、為人民群眾提供休息及娛樂場所的作用，同時還是吸引投資、發展旅游事業的基礎設施。然而，當前的城市綠化及家庭綠化存在著以下困境：（1）家庭綠化場所及公共綠化用地不足，且沒有利用垂直空間進行垂直綠化;（2）重建設輕管理，日益加快的生活節奏使很多人買來植物后難以有固定時間養護;（3）綠化改造成本較高，在既有場所進行綠化改造升級時需要大量的時間及費用。

為解決以上問題，筆者創造性地以“綠墻”物聯網平臺建設為基礎，以大數據與人工智能技術為核心，探索出一條標準化、大規模、低成本、精細化、智能化的“墻面栽植”新模式。

2.價值意義

基于物聯網技術的立體化種植模式創新，把墻變綠。以物聯網技術為基礎，以大數據的收集和分析為依據，以人工智能的方式進行綠色植物的種植，解決了城市種植空間少和綠化需求大之間的矛盾，可在市政、廠區等公共場所應用。

基于云平臺的共享型社交化種植模式創新。每家的植物種植數據都會上傳至數據云平臺共享。用戶既可以在線上交流種植經驗，同時也可以使有開放協助權限的用戶進行灌溉、補光，讓種植變得簡單又充滿社交趣味。

基于人工智能的標準化智慧種植模式創新。通過統一結構、統一接口、統一標準，使得這種種植方式更加通用化，通過設定相關參數，系統可以自動養護，使種植更加便捷。

3.實現方式

“綠墻”的墻體種植結構是由輕便環保的有機玻璃制作而成，貫徹了綠色可持續發展的理念。墻體種植結構以免安裝的方式掛在墻上，對墻體的傷害降到了最低。種植結構采用模塊化設計，安裝養護更為方便快捷。通過云平臺設計了一個可以遠程進行控制的APP，人們不僅可以實時觀察到植物的健康狀況，更可以隨時隨地對植物進行補光、灌溉等養護操作，實現真正的智能養護。

“綠墻”系統架構及流程：“綠墻”系統架構包括接入層、控制層和應用層三層架構。使用者可以在應用層的APP設定植物養護的溫度、濕度、光照度等各種環境參數預設值，通過接入層的物聯網傳感器，獲取植物當前環境參數的實時監控數值，與預設值進行相關邏輯判斷，由控制層控制LED燈及水泵進行補光、灌溉的操作，實現自動養護，同時將數據上傳至云平臺。

系統構建過程

1.感知層設計與制作

首先，將光電耦合繼電器和水泵、LED燈管以及面包板連接在一起。其次，將光敏傳感器連接到Arduino開發板。最后，將搭建好的硬件模塊燒錄代碼后，放入我們的綠墻底部框架，完成感知層搭建。

2.墻體種植架體

墻體種植架體采用綠色環保的有機玻璃制作而成。種植架體總共分為4層，從上到下分別為植物營養液儲存層、植物種植上層、植物種植下層、防滲漏層，整體采用了模塊化設計，所有的結構可以任意數量自由搭配。種植架體底板由高強度有機玻璃構成，可以承受較大的水平方向的伸張力，架體的底板有粘貼結構，可以以免安裝的方式掛在墻上，將設備對墻體的傷害降到了最低，也方便了以后的拆卸升級。

種植架體的外部通過防水膠和高強度筋固定在底板上。其中，防滲漏層比種植層和營養液儲存層都要大，防止特殊情況下的液體滲漏。

3.控制單元設計與實現

本系統的控制單元分為硬件控制部分和軟件控制部分。首先，將Arduino開發板和機智云頂板通過面包板和連接線連接到一起，然后再將感知層的設備通過面包板和開發板進行連接，這樣就基本完成了硬件部分的連接。其次，進行軟件部分的編寫，本系統使用Arduino官方提供的軟件進行編程，主要功能：一是植物環境實時監測，包括對“綠墻”植物的溫度、濕度、光照度等各種環境參數進行實時監測;二是智能燈光控制，當光照強度變暗時，對植物進行補光;三是智能遠程澆灌，當土壤干燥時，遠程控制對植物進行滴灌。據此，我們在程序中定義端口并編寫循環判斷函數。

4.物聯網云平臺設計與實現

如果想要通過云平臺對控制核心進行控制，須要在云平臺上定義本系統的數據點。數據點是數據的唯一標識，數據只有通過數據點才能成功上傳到云平臺。在機智云網站http：//www.gizwits.com/上注冊登錄后，創建新產品，選擇產品分類并輸入產品名稱，選擇Wi-Fi/移動網絡方案，通信方式選擇Wi-Fi，數據傳輸方式選擇定長。設置完數據點后，在左側菜單欄選擇“MCU開發”，選擇獨立MCU方案，硬件平臺選擇Arduino UNO R3，將創建產品時產生的Product Secret正確輸入后生成代碼包。有了代碼包之后，就進入了開發階段。

5.終端應用的設計與實現

本系統終端的APP開發主要基于JAVA，主要內容有：（1）定義按鈕的類型、數量以及在屏幕中顯示的位置;（2）定義按鈕的內部邏輯以及按鈕的標識名;（3）定義溫濕度以及光照信息的顯示位數與獲取方式。其具體操作是：首先在網站上生成基礎代碼框架。其次對其按鈕數量、功能以及內部邏輯進行設計，經模擬測試完成后正式在手機端進行測試。經多個手機測試所有功能均正常運行后，正式上線APP。

操作說明及場景演示

1.設備接入互聯網

Arduino主板下載了配網程序（networkConfig.ino）后，將Gokit3.0通信板與Arduino UNO R3板進行連接，長按key2，觸發進入Airlink模式。填寫要連接的Wi-Fi賬號和密碼后進行模組選擇。選擇正確的模組類型，本系統選擇樂鑫，點擊確定。等待Wi-Fi模塊接入網絡即可。

2.智能燈光控制功能

上層、下層種植槽補光。打開”LampUp”和”LampDown”開關時，補光燈亮，關閉時補光燈滅。

3.智能植物澆灌功能

打開”Pump”開關時，潛水泵開始工作，關閉開關時，潛水泵停止工作。

4.實時信息監控功能

點擊”Huoqu”按鈕，能夠通過溫濕度傳感器獲取環境溫度（攝氏度）和濕度（百分比）。點擊”Photosensitive”按鈕，能夠通過光敏傳感器獲取光敏電阻當前的阻值（歐姆）。對于上述兩個按鈕，單次點擊只能獲取單次的數值。

后續功能規劃

1.水位預警通知功能

針對植物長期無人養護的情況，加入營養液儲存層低水位預警功能，在水槽內安裝液位傳感器，當水槽水位低于預設的預警水位時，系統會在APP推送通知，提醒使用者及時添加營養液。在防滲透層安裝液位傳感器，當防滲透層水位高于預設的預警高度時，在APP通知使用者及時清理多余的液體。

2.智能天氣調節功能

若本系統在室外使用，通過智能獲取天氣數據進行節水。系統調用第三方氣象服務API ，獲取本地的未來天氣數據，若短期內有降雨，則系統會延時灌溉，進行合理節水。

3.無線自組網功能

在市政綠化、園區綠化等大范圍的植物養護場景時，應用LoRa協議將眾多的“綠墻”進行無線自組網，實現低成本、低功耗的統一監控與統一管理，實現物聯網的深度應用。

教師點評

1.優點

（1）該產品創造性地提出了垂直綠化的概念，是解決綠化土地不足困境的良好方法，有較大的環境效益和經濟效益;（2）緊扣時代科技熱點，將物聯網、移動互聯、AI等技術與傳統控制工程結合起來;（3）通過“機智云”物聯網模塊的應用，可以快速、穩定地進行產品優化及功能升級;（4）有較好的經濟效益，“綠墻”系統制造成本較低，在大規模的應用時可以極大地節約人力成本。

2.缺點

（1）系統設計方案不夠詳細，沒有講解各部件的參數及功能;（2）在方案中缺少本系統整體的電路圖或實物連接圖。

3.改進建議

（1）建議在文章中增加系統各元器件的防水措施及用電規范的描述;（2）考慮本系統的墻體種植架體是基于有機玻璃制作且重心較高，建議增加墻體種植架體的固定措施，如在營養液儲存層、植物種植的下部增加斜撐結構，增強系統整體的穩定性。

4.實用性

（1）“綠墻”系統的硬件設計及制造使用了市場上主流的傳感器、繼電器及其他機電控制設備;物聯網云平臺和移動終端的搭建均基于可復用的開放式平臺，保證了本系統的建設具有可重復性，因此本系統符合相關的產業制造要求。（2）通過“綠墻”系統的應用，能夠解決城市綠化用地不足的問題，且能夠節約人力資源成本。

綜上，“綠墻”系統通過垂直綠化理念，結合物聯網及移動互聯等先進技術，具有較高的可推廣性和實用性。

本文作者系北京市第八中學學生;指導教師：北京郵電大學任維政，北京市第八中學安久山