整體花盆的模塊化設(shè)計

錢慧慧， 黃 輝， 王英琪， 馬小平， 李曉雪

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

目前， 工業(yè)化所帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重并且隨著綠色生態(tài)不斷地深入人心，越來越多的人愿意在窗臺上養(yǎng)殖植物，想要自己居住的環(huán)境增添一份綠色與環(huán)保。 然而目前市場中的花盆質(zhì)量與形狀參差不齊， 窗臺上盆栽位置擺放比較隨機(jī)，沒有形成錯落有序的形態(tài)以及達(dá)到真正美化窗臺的目的。 而且一些大型盆栽， 窗臺上沒有空間進(jìn)行擺放。

在西方國家相繼進(jìn)行工業(yè)革命之后，法國、荷蘭等歐洲國家種植業(yè)經(jīng)濟(jì)也開始發(fā)展， 一些歐洲國家紛紛開展家庭綠棚植物培育，建立起了花園玻璃房。 在國內(nèi)，與歐美國家的花園相比，我國的窗臺養(yǎng)殖綠植的空間有限。

目前市場上有很多為忙碌的上班族設(shè)計的智能花盆,主要是通過電子智能控制系統(tǒng)，進(jìn)行噴灑，但各有利弊，還需要繼續(xù)改進(jìn)。

1 市場調(diào)研

目前市場上的盆栽有以下幾個方面：①造型一般。 花卉市場的盆景的質(zhì)量都較一般，缺乏高質(zhì)量盆景。 目前人們對市場上花盆也基本上不滿意；②修剪技術(shù)不夠；③缺乏完善的養(yǎng)護(hù)管理；④材料不夠好。

通過查找淘寶以及咨詢一些店家， 了解到現(xiàn)在智能花盆的價格在幾十塊錢到幾百元不等， 得知年輕人群并且收入中等偏上的是購買智能花盆的重點人群。 通過問卷調(diào)查回收與數(shù)據(jù)整理， 對市場上的花盆有少部分人是基本上滿意的，大部分人對大部分花盆滿意，少部分人對少部分花盆不滿意。

2 實驗思路及創(chuàng)新點

由于本項目以窗臺花盆為解決對象， 所以本項目提出整體花盆的模塊化設(shè)計， 讓花盆在窗體能夠錯落有致的擺放。

2.1 模塊化設(shè)計

所謂的模塊化，在產(chǎn)品設(shè)計方面，模塊化設(shè)計以一種低成本，高質(zhì)量的方式快速滿足客戶的個性化需求，以少量的模塊訂制出多的產(chǎn)品。

模塊化設(shè)計應(yīng)用于眾多場合， 而在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域方面，出現(xiàn)了許多關(guān)于模塊化設(shè)計的優(yōu)秀案例，例如模塊化音響，將音響分為三部分，用戶可以只聽伴奏或者只聽歌詞，再或者通過磁體拼成整體即可聽完整音樂。簡單來說這些模塊就像小朋友玩的積木一樣， 由許多簡單的立方體，椎體，圓柱體等等，組成小朋友心目中的房子，動物等各種形態(tài)。

2.1.1 功能上的模塊化設(shè)計

產(chǎn)品的功能決定結(jié)構(gòu)，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)先確定這個產(chǎn)品需要哪些功能， 這個功能需要哪些部件進(jìn)行組合，每個功能形成不同的模塊。因此結(jié)合現(xiàn)有智能花盆所能達(dá)到功能，應(yīng)具有主控制系統(tǒng)，土壤濕度檢測系統(tǒng)，土壤濕度顯示系統(tǒng)，控制進(jìn)水系統(tǒng)。

2.1.2 結(jié)構(gòu)上的模塊化設(shè)計

一個基于功能上的模塊化設(shè)計，在造型結(jié)構(gòu)方面，受積木玩具的啟發(fā)，改變原有的花盆栽培模式與樣式，讓用戶對花盆能夠自由搭接和組裝。

2.2 毛細(xì)現(xiàn)象

根可以從土壤中吸收水和溶于水中的無機(jī)鹽等物質(zhì)，將那些物質(zhì)運輸?shù)交ǎ~等植物其他部位，并且貯存和合成有機(jī)物質(zhì)，并能向外分泌代謝物質(zhì)。以上是植物根的作用，這是自然界中的毛細(xì)現(xiàn)象。簡單來說毛細(xì)現(xiàn)象類似于滲透作用， 盡管按照常識來說， 水是從高處流向低處，但是在附著層處還會存在一個表面張力，一旦張力大于引力，水就會吸上去。

自動吸水原理：花盆用于儲水，根據(jù)煤油燈繩吸油助燃的原理， 植物通過定植籃中的棉繩可自動吸取儲水盆中的水分和養(yǎng)分。但只適合不怕爛根的植物。因此本裝置將自吸水模塊升級為控制進(jìn)給水模塊。

2.3 創(chuàng)新點

本裝置材料將采用傳統(tǒng)的陶瓷材料， 與現(xiàn)在自動控制技術(shù)相結(jié)合。

以現(xiàn)在的樂高玩具為靈感， 改變原有的花盆栽培模式與樣式，采用模塊化設(shè)計，讓用戶對花盆能夠自由搭接和組裝。

采用模塊化組裝，讓土壤濕度檢測系統(tǒng)，控制進(jìn)水系統(tǒng)，土壤濕度顯示系統(tǒng)各自形成一個模塊，與花盆相結(jié)合。

利用植物根部毛細(xì)原理，改變原有的澆灌方式，讓水從花盆下方運輸?shù)酵寥喇?dāng)中。

3 實驗的理論依據(jù)

3.1 毛細(xì)現(xiàn)象原理

液體在附著層處（固-液界面處）的液體分子受到兩種力， 而附著層中液體分子受到重力與固體分子對它的一個力，即表面張力，如果表面張力大于自身重力，則會發(fā)生毛細(xì)現(xiàn)象。

毛細(xì)現(xiàn)象中液體上升下降的高度由以下公式確定：

其中，r—細(xì)管半徑；ρ—液體密度；θ—液面與管壁的交角，θ 受到液、氣種類和管壁材料等因素影響，水和潔凈的玻璃θ=0°，水銀和玻璃θ=140° 。

考慮到一些植物的根直接浸泡在水中會爛根， 應(yīng)當(dāng)避免將植物根部直接伸入水中，因此根據(jù)毛細(xì)現(xiàn)象原理，應(yīng)當(dāng)自制一根毛細(xì)管，因此對毛細(xì)管內(nèi)部材料還需要進(jìn)行選擇。

3.2 毛細(xì)管材料的選擇

據(jù)調(diào)查，對能產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的材料進(jìn)行分析研究，一些細(xì)孔的物質(zhì)，孔越細(xì)越多，毛細(xì)現(xiàn)象越強(qiáng)。 能產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的材料有很多。例如脫脂棉、海綿、紗布等。據(jù)查找資料得知，以脫脂棉、海綿、紗布這幾種材料作為實驗對象，發(fā)現(xiàn)脫脂棉的吸水能力比海綿和紗布要高。

在對這幾個材質(zhì)進(jìn)行實驗過程中，剛開始，毛細(xì)介質(zhì)的吸水能力很強(qiáng)，表面張力較大，因此在試驗開始時毛細(xì)管內(nèi)水的上升的速度很快，但隨著實驗時間的流逝，毛細(xì)管里介質(zhì)的含水率逐漸增大，吸水能力逐漸減小，并且毛細(xì)管內(nèi)的水增多，受到的重力變大，表面張力與重力的差值逐漸變小，因此水面高度增長速度不斷變小，同時水又受到重力的作用，當(dāng)表面張力與重力相等時，水的上升高度也最終停止，達(dá)到平衡狀態(tài)。

4 功能模塊介紹

4.1 土壤濕溫度檢測系統(tǒng)模塊

4.1.1 土壤濕度傳感器

濕度傳感器有電阻式和電容式兩大類。 本裝置采用一種濕敏電阻式傳感器。 濕敏電阻式傳感器主要由感濕層、電極和具有一定機(jī)械強(qiáng)度的絕緣基片組成。濕敏電阻主要有氯化鋰濕敏電阻和有機(jī)高分子膜濕敏電阻兩類。一般來說，土壤濕度越大，電阻越小。

4.1.2 土壤溫度傳感器

土壤溫度傳感器內(nèi)部電阻的阻值隨溫度的變化而變化。溫度越高，阻值越大。常見有熱電偶傳感器，電阻溫度檢測器，熱敏檢測器和IC 溫度傳感器四類。 本裝置采用的是一種熱敏電阻器。

4.1.3 土壤濕溫度傳感器的應(yīng)用

本裝置土壤溫濕度傳感器采用stm32 51 驅(qū)動mearduino DHT11 型傳感器，是一種溫濕度復(fù)合傳感器，內(nèi)部有一個8 位單片機(jī)，控制一個NTC 測溫元件和一個電阻式感濕元件。 濕度測量范圍：20%-95%（0～50℃范圍），濕度測量誤差高于（或低于）5%，溫度測量范圍為0～50℃，溫度測量誤差為高于（或低于）2℃，輸出形式為數(shù)字輸出。

4.2 系統(tǒng)（微處理器）模塊

4.2.1 stm32 單片機(jī)簡要介紹

主控制系統(tǒng)采用stm32F103 ZET6 單片機(jī)， 由ST 公司開發(fā)。 是一種嵌入式-微控制器的集成電路（IC）。 芯片尺寸為32 位，速度是72MHz，儲存器類型是FLASH，程序儲存器容量為256KB。

4.2.2 stm32 單片機(jī)的應(yīng)用

在本裝置中，通過仿真器，將電腦上編好的程序，下載并調(diào)試到開發(fā)板中。 溫濕度傳感器通過電壓，通信口，地，任何一個IO 口都可以與開發(fā)板相連，對好傳感器+號和-號的方向與開發(fā)板上的方向一致插入即可。 再通過IO 口連接LED 數(shù)碼管，即土壤濕度顯示模塊，將土壤濕溫度傳感器的數(shù)字輸出。并且與開發(fā)板與電磁水閥相連，控制花盆下方的進(jìn)水，并且配置一個抽水泵，假如供水的地方在花盆下邊的話可以將水抽上來。

4.3 土壤濕溫度顯示模塊

4.3.1 數(shù)碼管的原理介紹

LED 數(shù)碼管由8 個發(fā)光二極管構(gòu)成， 數(shù)碼管位數(shù)有半位，1 到10 位整數(shù)位等等，顏色也是有紅色，黃色，綠色等。LED 數(shù)碼管有兩大類，分別是共陰極接法與共陽極接法，例如共陰極接法，共用一個電源的負(fù)極，使高電平點亮， 它的發(fā)光原理為VT 端接上地段，8 個發(fā)光二極管各自的電路還需串聯(lián)合適的電阻，起到限流作用，二極管與電阻組成8 個串聯(lián)電路， 而這8 個電路又組成一個大的并聯(lián)電路，而8 個端口分別為a，b，c，d，e，f，g，dp 端，例如連在單片機(jī)的引腳口上， 對應(yīng)的單片機(jī)引腳口輸出高電平，即可點亮LED。

4.3.2 數(shù)碼管的應(yīng)用

本裝置中是采用了兩個共陰3 位紅色數(shù)碼管， 通過stm32F103 ZET6 的IO 口， 將兩個共陰LED 數(shù)碼管幾個引腳接至另一塊開發(fā)板上， 然后再通過社邦線將開發(fā)板與單片機(jī)上的IO 口相連。

以上的功能模塊用以下思維導(dǎo)圖進(jìn)行簡要說明，見圖1。

圖1 系統(tǒng)運行流程圖Fig.1 System operation flow chart

5 控制供水模塊

5.1 電磁水閥的原理介紹

電磁水閥是電磁繼電器中的其中一種， 是一種電子控制器件。 通常，繼電器纏繞著線圈，線圈上有電流通過會產(chǎn)生磁場，使銜鐵吸附觸點，閉上時為“常閉觸點”，未通電時斷開，成為“常開觸點”。 電磁繼電器在實際應(yīng)用中，通常都會使用三極管或MOS 管代替開關(guān)，以達(dá)到用電器負(fù)載的自動化控制（例如通過單片機(jī)）。 繼電器簡單來說就是一個開關(guān)，Vcc 接電源正極，Gnd 接電源負(fù)極，In接STM32 上的輸出腳。

5.2 電磁水閥的應(yīng)用

由于本裝置中，土壤濕度較低時，濕敏電阻值變大，如果串聯(lián)的話，此時電磁水閥電路中電流較小，繼電器開關(guān)不會開啟， 因此溫濕度傳感器與電磁水閥處于并聯(lián)狀態(tài)，則此時電磁水閥電流變大，閥門開啟，水流進(jìn)入。同時繼電器還控制著水泵將水抽上來， 完成電信號到機(jī)械信號的轉(zhuǎn)變。

6 結(jié)束語

盡管這些電子元器件可以解決自動澆水，土壤濕度顯示問題，但是我們發(fā)現(xiàn)了目前的一些自動化控制系統(tǒng)仍存在體型較大，笨重不方面操作的情況，并且花盆緊靠卡槽自由搭接可能會存在不牢固的情況，因此如果此產(chǎn)品要投放到市場， 應(yīng)當(dāng)開發(fā)出更小的自動化控制系統(tǒng)，并且由工廠批量化生產(chǎn)，可以大大的減少成本，讓此模塊化花盆被更多的人接受，實現(xiàn)它真正的市場價值和應(yīng)用前景。