SmartPot—科學精準養護系統

解一博，宋超田

（湖南科技大學 計算機科學與工程學院，湖南湘潭，411201）

0 引言

隨著社會的不斷進步，人們的生活水平越來越高，物質生活越來越富足，絕大多數的人都開始追求精神的富裕，而家庭園藝作為一個朝陽產業，發展趨勢極為良好，所以我們不難發現日常生活中越來越多的人都開始嘗試在家中擺放盆栽的綠植或者花卉來裝飾自己的居所，來滿足自己的精神需求。但是人們在生活中總會遇到一些無暇顧照料盆栽的情況，并且對于盆栽的相關養護知識的了解也不多，據調查有且僅有1.49%的受訪者表示對盆栽養護知識非常了解，由與此些因素而導致盆栽的實際養護情況并不良好。故而出于對盆栽養護問題的考慮，首先要解決的就是對于人們在對相關盆栽養護知識和時間缺乏的情況下如何養護好盆栽。

1 背景技術

基于對近些年園藝市場的調研可知，樂于進行盆栽養護的人群呈顯著增長趨勢，但隨著人們生活節奏的逐漸加快，人們對于盆栽的養護和管理時間出現短缺，且很少有人能靜下心來去了解盆栽養護的相關知識，所以人們對便捷式智能養護產品的需求日漸增長。市場上也存在類似產品，但其功能并不完善，且價格也普遍偏高。在此背景下，急需一種新型物聯網云智能盆栽養護設備被提出來解決當下問題。

以自動養護和遠程調控養護為例。當前設備會通過眾多傳感器收集與盆栽養護情況相關的信息，與數據庫中的相應植物匹配的適宜生長環境數據進行比對，然后做出自我調控，用戶也可通過本設備佩備的APP對當前盆栽的生長情況進行視頻查看以及相關的遠程澆水或施肥以及調控生長溫度等操作，同時也可在APP上看到盆栽養護情況的相關信息。工作原理如圖1所示。

圖1 項目工作原理

2 硬件設計

本裝置的硬件模塊設計圖如圖2所示。

圖2 硬件模塊設計圖

盆栽養護裝置中包含鋰電池、電源管理模塊、MCU控制模塊、溫濕度傳感器、氮磷鉀傳感器、光照傳感器、WIFI模塊、電機驅動模塊、攝像頭模塊、加熱模塊、電磁閥、繼電器、塑膠軟管、營養液存儲倉和儲水倉。

①鋰電池采用通用性鋰電池組，為盆栽養護裝置的自行運轉提供能量，并且配合MCU模塊中的電源管理模塊進行能量的運轉和顯示。

②MCU控制模塊與溫濕度傳感器、氮磷鉀傳感器、繼電器、攝像頭模塊、LCD模塊、電源管理模塊相互連接，通過MCU控制模塊的芯片完成盆栽養護裝置的所有功能，進而達成裝置的智能化及自動化目的。

③溫濕度傳感器、氮磷鉀傳感器和光照傳感器可采集到當前植物生長環境中的溫濕度、氮磷鉀的值以及當前光照強度的值，并且將采集到的相關信息發送給MCU控制模塊，MUC控制模塊根據這些信息進行分析處理，對下一步要進行的操作進行判斷。

④WIFI模塊可與連接Internet網絡，使MCU模塊與云服務器以及智能終端三者進行連接，實現數據的傳輸以及智能終端的控制操作。

⑤電機驅動模塊可通過釋放控制相關執行器的電信號對盆栽養護設備中的繼電器、電磁閥等執行器對盆栽中的植物進行澆水、施肥等操作。

⑥攝像頭模塊可采集到相關當前植物的圖片以及視頻信息，然后傳輸給MCU控制模塊，然后再由MCU控制模塊傳輸給云端服務器，在云端服務器進行數據比對以及視頻傳輸的功能，從而允許用戶在連接了云端服務器的APP上實時看到自己的植物生長以及養護情況，實現云監控以及云操縱的功能。

⑦加熱模塊可用于調控盆栽養護裝置中植物生長環境的溫度值，對當前植物生長所需要的環境溫度做出補償，使其生活在適宜溫度下。

⑧繼電器可接收MCU控制模塊的電信號，通過對電信號的處理使其可以作用在電磁閥上使電磁閥可以通過塑膠軟管對營養液存儲倉和儲水倉中的營養液和水進行抽取，進行自動澆水和施肥的操作，從而使盆栽的養護自動化得以實現。

⑨塑膠軟管可用于將營養液存儲倉和儲水倉中的營養液和水分運輸到盆栽養護裝置的土壤里，為實現自動澆水和施肥提供運輸管道。

⑩營養液存儲倉和儲水倉分別用于存儲營養液和水，并且將其內置到盆栽養護裝置中，使用時可進行拆卸與不拆卸裝填。

?盆栽養護裝置中PCB電路板上涂覆納米防水涂層，使其更耐用，且同時具備防水、防潮、耐腐蝕等防護能力，提升盆栽養護裝置的品質，降低售后成本。

3 軟件設計

本裝置的軟件設計模塊圖如下所示。

軟件部分由硬件內部所嵌入的嵌入式系統以及數據庫和服務器端以及手機app共同組成，其相互之間的通信架構如圖3所示。

圖3 軟件通信架構圖

①嵌入式系統采用正點原子的STM32F103系列開發板進行開發，作為嵌入式的核心進行著盆栽養護裝置中各項數據的收集以及處理，通過對攝像頭模塊的開發完成視覺信息的采集，然后通過對開發板自身的WIFI模塊的開發并配合自身的其他模塊可以完成云端數據傳輸以及云操控等功能功能。例如，在人工養護模式下，當裝置中的傳感器檢測到目前植物生長的土壤環境中水分缺失時，會通過WIFI模塊向云服務器傳輸數據，然后再由云服務器將此信息傳遞給手機APP，用戶可通過手機APP查看到此信息后點擊澆水，然后將澆水的控制信息按上述流程反向發送給裝置，由裝置執行澆水操作。除此之外，此嵌入式系統是獨立的，并且具有良好的可移植性，與項目其他部分連接即可形成一個完整的物聯網系統。

②本裝置所配備的數據庫中，包含了數十種植株所需要的營養物數據，如氮磷鉀等，除此之外，還包括光照條件，PH此類數據。以及用戶自己所養盆栽的數據也存于此。用戶在APP上創建自己的賬戶后，即可實時查看自己所養盆栽的數據。不僅如此，用戶還可以根據自己所養殖的盆栽種類在數據庫中調用出其對應的最適生長條件范圍，與傳感器傳回的盆栽實時數據對比，做出對應的調整。例如，當我們想要養護一盆牡丹花時，裝置會通過自身的攝像頭模塊采集到牡丹花的圖片信息，然后在服務器端進行識別，然后將對應植物的信息從數據庫中取出，發送到手機APP端以及嵌入式系統端，從而使用戶和MCU控制模塊了解到植物的相關養護信息。很好地解決了用戶在養護植物時對植物養護知識不了解這一問題，可以極大地方便用戶對植物進行養護。數據庫的UML類圖則如圖4所示。

圖4 UML類圖

③服務器端可對嵌入式系統所獲得并處理過的數據信息傳輸到手機APP端，并且也可識別嵌入式系統的控制信息，并對相應的控制信息進行相應的操作，例如，當嵌入式系統傳輸到服務器端植物的視覺信息，服務器端可以將其與自身數據庫所擁有的數據進行比對，從而實現植物的分類養護。服務器端圖像識別以及目標檢測所用算法為YOLOV5，可以迅速并且精準地檢測到植物目標，確保了裝置良好的反應速度以及檢測精度，相較以往的設備的流暢性以及靈敏性都有較大的提高。

④本裝置所配套的的手機APP可以通過輸入植株名來得知植株的習性以及養殖需注意的事項等，并在養殖后，即可在APP上查取植株當前生長環境數據和理想狀態數據，據此數據即可立即做出對應的調整，并且手機APP中帶有云監控功能，可以遠程視頻查看植物的生長情況。此外本項目將植株卡通化，擬人化，采取了可愛的語氣從植株的角度來養殖者對話，更能激起養殖者的呵護欲。例如，當裝置中的傳感器檢測到植物所處的土壤環境中缺乏營養時，會通過MCU控制模塊向服務器端發送相應的可識別信息，服務器端經過分析向手機APP發送相對應的可操控信息，控制手機APP中的智能交互模塊發出“主人，主人，我餓了！”的語音消息，提醒用戶對植物進行營養液的灌溉。并且手機APP可選擇裝置的自動養護或者人工養護功能，當用戶處于忙碌狀態時，可以選擇自動養護，當用戶休閑下來時，可以通過人工養護來體驗培養植物的快樂。

4 結語

當今時代將人們的生活節奏催化加快，在繁忙的城市工作生活中，越來越多的人們希望回到家里能過得到舒心放松，享受一下慢節奏的生活，平靜一下自己的心靈。基于這一目的，越來越多的人們重視家庭園藝和盆栽種植。因為在家庭裝飾以及健康生活中，盆栽養殖和家庭園藝是不可忽視的。但是大多數人對于盆栽養護知識基本是空白的。基于此背景下，我們設計出SmartPot-科學精準養護系統。本系統各部分緊密結合，形成了完整的物聯網體系，可以實現云監控養護，云智能識別，人工智能交互等功能。并且設備使用便捷，安全可靠，結合了“互聯網+”思想，使用了最新技術，改善了當前設備的功能單一，價格偏高的缺點。為人們在日常生活中養護盆栽提供了一種物美價廉的產品。