智慧景觀沙盤模型智能化與動態化設計

趙 穎，耿碩彪，吳子茗，溫 靜，張 素

（河北農業大學園林與旅游學院，河北保定 071000）

沙盤是指用直觀的形式，按一定的比例將地形、地貌、地物縮小呈現于案幾之上的模型［1］，主要應用于房地產開發、建筑設計、城市規劃、景觀設計和教學展示等領域。針對傳統沙盤模型存在的景觀效果單一、模型整體生命力構建不足以及互動性體驗缺乏等問題，本研究進行智慧景觀模型設計與制作的實踐探索與總結，以期為景觀沙盤模型的智能化與動態化發展提供可視化載體。

1 智慧景觀模型的創新點

智慧景觀模型在傳統沙盤模型美學空間形態構建的基礎上結合聲、光、電等智能化應用，通過模塊嵌入及程序控制的手段，實現動態化及智能化控制。

1）改變傳統手工模型的制作方法，運用CAD 圖紙繪制、SolidWorks 建模、3D 打印、激光切割等技術實現對模型的精準性、程序性制作。

2）增加智能化控制技術，構建智慧化控制系統，運用物聯網通信模塊等，實現對燈光、門窗開啟等的智能化控制以及對模型整體環境日照情況、雨雪天氣等的模擬，增強交互式景觀體驗。

3）實現景觀模型中真實植物材料的突破性應用，結合智慧灌溉技術在小微模型中的應用實現模型的后期養護與管理。

2 智慧景觀模型的實踐探索

在模型制造過程中，探索以學生為主體，以教師和河北農業大學創新創業教育指導中心、園林與旅游學院造園創新工作室為助力的團隊合作模式，將園林、建筑、景觀等傳統手工模型結合聲、光、電等的智能化應用，使模型本身成為同時具備聲、光、圖像等結合于一體、具備互動性、結合數字科技的智能化景觀模型，滿足智能化與動態化模型發展趨勢。

2.1 制作工藝

改變傳統手工模型制作的方法，即以卡紙、塑料板、木板為材料，以手工切割、拼接為基礎的制作方法，結合CAD、SolidWorks 等軟件，應用激光切割、3D打印等技術手段，實現模型的精準性制作。

2.2 智能控制

結合機械工程學、結構力學及造型美學等知識，在整體空間模擬日照情況、雨雪等天氣情況，運用控制器、傳感器等模型識別傳感器元件實現對燈光、門窗開啟等的控制。其中，智能化控制系統作為智慧景觀模型跨學科交叉創新的落腳點，本研究中詳細論述其技術原理及實現途徑。

2.3 表現形式

在智能化控制的基礎上融入園林美學，對模型整體美學空間形態進行構建。在植物配置方面，結合生態缸、水陸缸等原理，在運用真實植物的基礎上結合智慧灌溉技術，實現模型整體生命力的展現與延續。

2.4 材料選擇

受成本及相關技術水平的限制，傳統沙盤模型在模擬真實山水環境的基礎上采取仿真植物營建植物景觀，常用的材料有塑料模型樹、植絨即時貼、仿真草坪、綠地粉以及泡沫塑料等，一定程度上削弱了自然氛圍。

在植物造景方面選擇生長緩慢、景觀效果優良、生長習性適合沙盤環境的植物，如六月雪（Serissa japonica）、小葉紫檀（Pterocarpus santalinus）、赤楠（Syzygium buxifolium）、皋月杜鵑（Rhododendron indicum）、虎耳草（Saxifraga stolonifera）、小葉霹靂網紋草（Fittonia verschaffeltii）、文心蘭（Oncidum hybridum）、文竹（Asparagus setaceus）、虎斑秋海棠（Begonia bowericv.‘Tiger’）、迷你巖桐（Sinningiaspp.）、苦苣苔（Conandron ramondioides）及各類蕨和苔蘚等，營造富有生命力的景觀。必要時結合水陸缸的實踐操作，運用生態學原理，替換傳統沙盤模型中常用的水體制作材料透明環氧樹脂，將人工構建的微型生態系統引入模型。此外，還應深入生產前線，探索新材料在智能景觀化模型上的應用可能。

3 智能化控制系統的技術原理與實現途徑

聲光電的智能化控制主要體現在建筑模型搭接技巧、樓體燈光效果、室外路燈感應控制、音樂噴泉控制、天窗開閉控制、智慧灌溉、活體植物沙盤維護以及交互式體驗技術等方面。

該系統通過駐足節點和各系統多分足節點對智慧景觀進行實時控制和監測。系統架構如圖1 所示。駐足節點選用STM32F1 芯片，其分足點為各系統，如智能灌溉系統、音樂噴泉系統、室外燈光控制系統等。不同系統中含有不同的數據采集裝置，如溫濕度傳感器。通過傳感器監測的數據進入到單片機中，單片機進行數據處理，并及時反饋回各系統中。其中，物聯網通信模塊與單片機直接相連，用于獲取網絡地區時間等。

經運行結果表明，該系統設計靈活、成本低、布置簡便，能夠有效地對活體植物進行灌溉，準確獲取實時時間等。基于物聯網的各系統協調合作，工作穩定，安全性高。

3.1 MCU 選型

MCU（微控制器）作為核心的控制元件，執行編寫好的程序代碼，從而讓各元器件及模塊能夠正常運行。采用STM32F103C8T6（圖2），其擁有32-位RISC 內核，運行頻率高達72 MHz。同時含有3 個12 位模數轉換器和4 個通用16 位計時器，外加2 個PWM 計時器，2 個I2C，5 個USART，可連接至2 個APB 總線［2］。經實踐驗證，該微控制器性價比高，應用廣泛［3］。

圖2 STM32F103C8T6 芯片引腳

3.2 樓體燈光系統

模型樓體燈光通過8X8 點陣LED 動態掃描工作原理實現（圖3），在制作模型時預先設計好電路，預留線路和燈在樓體中，后續組裝。利用SolidWorks繪制模型，通過3D 打印制作黑色燈罩，防止燈光露出影響整體效果。以圖書館序列模型為例，前期通過編寫程序對燈進行控制，實現“我愛農大·百廿慶”的字樣（圖4）。

3.3 音樂噴泉系統

利用聲音分貝檢測原理實現以下功能。

1）用戶交互式體驗。根據用戶的聲音大小改變噴泉高度，使用小麥克風采集聲音，經過LM358 模組放大信號，再經ADC0832 采集，最終轉換成分貝值［4］（圖5）。

圖5 ADC0832 模塊電路

2）用戶可自定義分貝閾值，通過按鍵的加減將設定的分貝限值存儲于單片機內部。單片機將采集到的分貝值轉化為電壓，通過電路放大器控制噴泉的高度，展現設定的各種燈效。利用聲波傳感器判斷人是否經過音樂噴泉，監測到人經過噴泉時，噴泉的水柱會驟降，然后上升，循環多次。

3）不同節日音樂噴泉播放相關歌曲，噴泉高度隨歌曲節拍變化，出現高低錯落、多孔齊噴的效果。

4）噴泉采用小型水泵進行噴灑，通過控制電機轉速從而控制噴泉的高度，電機安裝在噴泉底部，增設防水措施防止線路短路，安裝水管分為多孔噴出水柱。

3.4 室外路燈控制系統

利用物聯網技術，根據設定的經緯度地理位置及年月日訪問氣象臺服務器獲取日出及日落時間，控制路燈開關。利用通信模塊實現遠程通信，在該模塊收集完傳感器的數據信息后，連接到網關進行信息反饋，再將網關的控制信息反饋到模塊。在主控板上對信息進行處理，再將處理后的結果利用串口輸出。

每個路燈的開關安裝在模型底盤內，用MOS 管開關進行控制，減小模型體積，并設有光敏傳感器調控路燈亮度，有效減少電能能耗。

3.5 天窗開閉系統

利用物聯網讀取所在地區的天氣預報信息，將信息上傳到控制端，利用光感模塊判斷天氣的陰晴，將結果發送給天窗的軟件控制部分。當雨雪天氣來臨時，天窗自動關閉。利用1.8 步距角步進機進行絲桿傳動開閉，用水平滑動的機械原理實現天窗的閉合。天窗用一個3 mm 光軸和一個3 mm 絲桿及加上滑塊進行固定。天窗利用亞克力材料及ABS 材料制作，通過光感模塊控制天窗的閉合，減少誤差，并與路燈控制系統進行信息交互。

3.6 水循環系統

為滿足智慧景觀的水循環利用，對裝有噴泉功能的模型設定水循環系統。該系統由亞克力板和絕水海綿組成（圖6），噴出的水進入亞克力板材下設的槽中，結合水泵實現水的再利用。其中，絕水海綿內設管孔，為水管提供位置，節約空間資源。

圖6 音樂噴泉實物展示

3.7 時間與更新系統

時間采集系統通過DS1307 串行實時時鐘（RTC）架設，通訊方式選用I2C。該時鐘能夠基本準確地顯示日歷，提供秒、分鐘、小時、天、日、月、年信息。該DS1307 芯片有一個內置檢測電源故障電路并自動切換到備用電源，以防突然斷電而丟失正確時間［5］。

以河北農業大學西校區圖書館序列模型為例，該時鐘結合一個四位數碼管顯示器與3D 打印技術燈牌，通過設定指定校慶日期，從而出現實時更新的倒計時天數（圖7）。

圖7 DS1307 及倒計時實物展示

3.8 活體植物智能灌溉系統

智慧景觀模型中，采取智慧農業養護、管理、灌溉技術在小微模型中的突破性運用，通過程序控制實現使用者對其輕松的智能化控制及管理養護。

智慧景觀模型從小尺度景觀場景入手，對土壤狀況，如土壤含水量、pH、微生物含量等數據進行監測，對植物做到更深層次的養護與管理，實現一定程度的自我生態循環。

該系統模擬了一套全自動澆水系統，基于控制土壤濕度的智能灌溉裝置。該系統會在不斷輪詢檢測模式下進行工作，即土壤溫濕度會不斷收集土壤相對濕度（RH），檢驗到的環境濕度數據信號根據A/D 控制模塊變換，將規范的電流量數字信號轉變為環境濕度模擬信號，鍵入程序控制器。該系統核心可以通過控制系統，施加適量水進行灌溉，保障環境的相對穩定。

該系統具有實用性和良好的展示性，系統硬件具備良好的穩定性及防水、防潮、抗高溫的能力［6］。實現的主要手段是，單片機收集大量溫濕度信息，通過提前編程好的數據，做出是否灌溉的決策。

4 智慧景觀模型的實踐應用領域

4.1 智慧商業景觀模型

模型作為一種對設計成果可視化表達的重要手段，在房地產開發、建筑與景觀設計等領域具有重要的實用功能。如房地產營銷過程中的模型展示最大程度還原項目建成后的樣貌，將房地產所處位置、社區環境、周邊配套設施、戶型設計等清晰地呈現給購房者，智慧景觀模型通過聲、光、電等智能控制手段，將家具、燈光、小品等的布置與現實貼合，讓購房者在交互體驗過程中聯想到未來生活的美好場景，增加購買欲望。

4.2 高校教學景觀模型

4.2.1 智慧景觀模型與設計方案推敲 園林沙盤模型是二維平面圖紙的三維體現，可以清晰直觀地表達出整體的平面布局、空間關系、色彩質感、比例尺度等平面圖紙無法直觀表達的內容，同時可以直接看出地形塑造和交通流線等的合理性，對于設計方案的理解和調整有很好的輔助作用［7］。其在教學中的應用有助于提高專業實踐教學的效果以及系統性，使課程從平面圖形轉換到立體設計，將設計理念及意境展現更加形象具體、立體直觀，加強教學場景的可視化程度，進一步培養學生扎實的空間思維能力、想象能力及空間布局能力。

4.2.2 智慧景觀模型與場所感知體驗 智慧景觀模型通過對場景的智能復刻，最大程度還原現有景觀與功能，使學生身臨其境對場所進行感知，有助于加強教學場景的可視化程度，減少教師在教學過程中的困難。通過智慧景觀模型的應用，結合聲、光、電等智能化控制，推動傳統課堂模式向智能化邁進，打破課堂以文字、圖片、常規模型授課的傳統模式。

4.3 智慧家居景觀模型

景觀模型在家居產品的創新性開發領域，可將家居產品如加濕器等的功能與景觀模型的藝術化表達相結合，將智能元素、園林元素等融入其中。

5 小結

智慧景觀模型在場景搭建、交互體驗等方面創新應用潛力較充分，其科技與藝術共存、功能的完備、形式與真實感的統一等特點為智慧園林、智慧城市的建設與發展提供了可視化展示載體。隨著智能化和動態化沙盤模型發展趨勢的出現，模型制作的外延更加廣闊。科學技術手段的進步、設計理念的更新轉化為模型制作注入了新的活力，智慧景觀模型將會更加真實、全面、系統地模擬和反映真實世界的景象，并在此基礎上構建理想設計場景的藍圖。