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一种智能花盆的控制系统、智能花盆及其控制方法与流程

花匠小妙招
2024-11-07 01:51

本发明涉及智能家居应用技术，尤其涉及一种智能花盆的控制系统、智能花盆及其控制方法。

背景技术：

盆栽花草能够净化空气、陶冶情操，深受居家和办公室欢迎。但是在花卉绿植养护过程中，植株常因水分不足缺水枯萎、过量浇水烂根死亡、光照过强叶黄萎缩，甚至是施肥太浓烧坏植株。

传统粗放的花草养护方式难以保障花草的正常生长。普遍采用的机械式自动浇花装置，供水方法简易，一定程度上缓解了长时间无人浇花问题，但缺乏对植物生长环境参数的有效监控。

现有基于物联网技术的智能花盆能够实现植物生产环境参数实时监测、定时或定量浇水，一定程度上改善了花卉养护环境。然而不同花卉对环境温度、湿度、光照强度以及土壤温度和湿度适应程度差异很大，单纯依赖经验的浇花方式难以有效养护花草。同时，花盆本体、传感器、微控制器和无线通信单元等物联网设备、以及继电器、水泵、水管和水箱装置分离，在智能花盆具体实施过程中，布线复杂凌乱，系统可靠性低，难以大规模量产，实用性不强。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明针对传统花卉养护依赖人工经验、现有盆栽花卉系统布线复杂、系统可靠性低等问题，提供一种智能花盆的控制系统、智能花盆及其控制方法，以实现花卉生长环境数据实时采集、自动浇水等功能，同时，还使花盆实现水电分离，并提高自动化控制程度。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种智能花盆的控制系统，包括传感器组件和控制模块；

所述传感器组件，用于采集图像和环境数据信息，将其传送给所述控制模块；

所述控制模块，用于通过输入/输出接口接收所述图像和环境数据信息，对所述图像和环境数据信息进行处理，依据处理结果自动启动、关停浇水装置。

所述传感器组件为土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、光照强度传感器、摄像头中的至少一个。

所述浇水装置，包括与所述控制模块通过输入/输出接口电性连接的自动控制继电器、水泵和储水箱；所述自动控制继电器与第二电源相连，用于为所述水泵提供工作电能。

所述控制模块，通过通信模块与云服务器相连；用于通过所述通信模块将所述采集到的图像和环境数据信息传送到所述云服务器，还用于根据通过在所述云服务器根据设置的多种浇水模式，通过所述通信模块向所述控制模块发送指令启、停所述浇水装置。

所述通信模块包括无线收发模块和智能通信网关，所述云服务器通过tcp/ip协议与所述智能通信网关数据连接。

所述云服务器通过tcp/ip协议与所述远程终端数据连接。

一种包含所述控制系统的智能花盆。

一种智能花盆，所述智能花盆包括以可插拔方式连接的盆体1和卡件9；所述盆体1分为储水腔、土壤腔、工作腔和隔离腔；

所述储水腔，设置于盆体内部的夹套空间用来储水；

所述土壤腔，设置于盆体向上开口的半封闭空间用来盛放土壤；

所述工作腔，设置于盆体向下开口的半封闭空间与卡件9上表面组成的第一封闭空间；

所述隔离腔，设置于与所述工作腔隔离的第二封闭空间。

其中：所述卡件9包括卡件插针26、卡件凸台28和卡件底座27；所述卡件插针26通过盆体插槽25与盆体1底部插接水平锁定所述盆体1；所述卡件凸台28与所述盆体1的下部贴合构成所述第一封闭空间和第二封闭空间；所述卡件底座27设于卡件9下部与托盘11之间形成渗水槽。

所述储水腔内设有腔内水管12。

所述土壤腔内壁嵌有与腔内水管12内部连通的环形水管2，所述环形水管2内圈设有若干喷水孔4；所述土壤腔中部设有利于渗水的管道开孔与渗水槽连通；所述土壤腔底部斜面开设有用于置入土壤温湿度传感器3探头的第二开孔21。

在工作腔内所述卡件9的上表面固定有微控制器组件7、继电器8、无线通信模块20、第一电源18和第二电源19及其电源开关17。

所述隔离腔设置于由所述盆体1、水泵组件10和卡件凸台28组成的空间。

所述水泵组件10通过腔内水管12与环形水管2内部连通构成浇水组件。

所述水泵组件10包括水泵本体32、水泵出水口29、水泵进水口30和封闭罩31；所述水泵出水口29和水泵进水口30分别穿过盆体上孔23和盆体下孔22并包裹于橡胶填充物37中；封闭罩31覆盖所述水泵本体32的上半部；所述水泵本体32的底部设有接口电路，位于未被所述封闭罩31覆盖的工作腔内。

所述水泵出水口29、水泵进水口30位于隔离腔内，分别穿过储水腔的盆体上孔23和盆体下孔22。

所述工作腔侧面开设有与外界连通的第一开孔16，在所述第一开孔16的底部固定有散热板6。

盆体1的外侧设有液晶屏，用于显示光照强度值、空气温湿度值、土壤湿度值、工作状态、花卉种类、花卉生长状态、水位信息中的一种或多种。

一种智能花盆的远程控制方法，包括如下步骤：

a、启动水泵组件向储水腔注水；启动摄像头传感器组件5拍摄花卉图像向云端服务器发送所述花卉图像进行花卉种类识别的步骤；

b、启动自动浇水模式，结合云端服务器解析的花卉种类调取规则库，调取该花卉种类识别结果，并根据该花卉适宜生长的环境阈值参数与采集到的花卉生长环境实时数据进行对比，判断花卉生长状态，并设置状态类别为上限报警、正常、下限报警；

c、若判断花卉生长环境参数信息超出阈值范围即上限报警或下限报警，则将花卉生长状态报警类别信息发送给远程终端显示；

d、通过mobilenet轻量化网络提取花卉深度特征，与土壤温湿度、空气温湿度和光照强度生长环境数据特征组合在一起，混合特征作为生长状况识别分类器的输入参量，输出为花卉生长状况类别；

e、当土壤湿度低于阈值下限时，则启动浇水装置给水直至达到阈值上限。

其中，步骤d还包括：

根据花卉花卉生长状况情况，矫正花卉生长参数阈值设定模块给出的土壤温湿度、空气温湿度、光照强度参数阈值。

步骤e所述的给水方式，具体为间隔给水，即每浇水10秒，再等待10秒，让水分通过土壤充分渗透，使得土壤温湿度传感器所测数据更有时效性。

步骤e之后还包括：

f、启动系统中断响应，通过微控制器自动断开两个水泵供水回路和电源开关。

本发明实施例的智能花盆的控制系统、智能花盆及其控制方法，具有如下有益效果：

1)该智能花盆采用夹套式储水腔，一定程度上解决了工作腔占用体积过大导致储水腔无处安置的问题，并且有着足够大的储水空间。花盆整体可以拆卸，所述的盆体和卡件间为可拔插设计，元件损坏、电池更换、盆体清洗方面有着明显优势。

2)根据土壤腔内的土壤温湿度传感器设置上下阈值实现自动化浇水，阈值的设置更加人性化，小于设定阈值下限时自动给水至阈值上限，减少人工成本。

3)工作腔、隔离腔内的水泵、封闭罩与卡件凸台形成封闭空间，有效实现了水电分离，能够避免电路短路，且自动化程度较为完善，有利于实现自动浇水、自动断电等功能；

4)土壤腔顶部设置的环形喷水管，疏密有间的喷水孔依据水流压力合理设计分布位置，能够有效增大浇水覆盖面积，不同于从花盆上伸出花洒支架，所述管道较为隐蔽，嵌入于土壤腔内壁。

5)本发明还支持自动、手动供水模式，支持灵活设置给水方式，可以避免给水过量，间隔等待渗水，有助于提高数据时效性。

6)本发明的通信功能通过无线通信模块实现，能够使得数据传输更加简便和可靠，从而提高了系统可靠性。

7)本发明通过摄像头采集图像，并通过无线通信模块连接通信网关，支持根据深度神经网络算法分析图像，进而合理分配土壤湿度上、下限阈值，能够将植物，特别是花卉当前缺水的情况通过通信网关传送到云服务器，从而有利于通过远程终端获得上述信息。

8)本发明中的传感器类型丰富，包括土壤湿度、光照强度、空气温湿度传感器和摄像头，能够较为全面的反馈植物尤其是花卉的生长环境参数，同时由于采用功能集中的传感器，进一步消除了布线复杂的困扰。

附图说明

图1为本发明在一个实施例中智能花盆的正视剖面结构示意图；

图2为本发明在一个实施例中智能花盆的右视剖面结构示意图；

图3为本发明在一个实施例中智能花盆的上视剖面结构示意图；

图4为图1中盆体的剖面结构示意图；

图5为图1中卡件组件的结构示意图；

图6为本发明在一个实施例中水泵和封闭罩的结构示意图；

图7为本发明在一个实施例中摄像头传感器组件的结构示意图；

图8为本发明在一个实施例中浇水装置的部分结构示意图；

图9为本发明在一个实施例中控制系统的结构示意图；

图10为本发明在一个实施例中智能浇花控制原理示意图。

【主要部件/组件符号说明】

1-盆体，2-环形水管，3-土壤温湿度传感器，4-喷水孔，5-摄像头传感器组件，6-散热板，7-微控制器组件，8-继电器，9-卡件，10-水泵组件，11-托盘，12-腔内水管，13-盆体排气口，14-水管开孔，15-盆体进水口，16-第一开孔(正方形开孔)，17-开关组件，18-第一电源，19-第二电源，20-无线通信模块，21-第二开孔(长方形开孔)，22-盆体下孔，23-盆体上孔，24-开关指示标志，25-盆体插槽，26-卡件插针，27-卡件底座，28-卡件凸台，29-水泵出水口，30-水泵进水口，31-封闭罩，32-水泵，33-摄像头，34-空气温湿度传感器，35-光照强度传感器，36-云台，37-橡胶填充物，38-水泵开关，39-微控制器开关，40-微控制器。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

图1为本发明在一个实施例中智能花盆的正视剖面结构示意图。

如图1所示，该智能花盆，包括盆体1、卡件9和托盘11；还包括环形水管2、腔内水管12、水泵组件10、继电器8、微控制器组件7、散热板6、摄像头传感器组件5和土壤温湿度传感器3等部件。其中：

盆体1内部的夹套空间称为储水腔，由于其夹套式储水腔体设计，一定程度上解决了工作腔占用体积过大导致储水腔无处安置的问题；盆体1向上开口的半封闭空间称为土壤腔；盆体1向下开口的半封闭空间与卡件9上表面组成的封闭空间称为工作腔；与所述工作腔隔开的另一封闭空间为隔离腔，具体设置于盆体1、水泵组件10和卡件9的卡件凸台28组成的封闭空间内。

环形水管2，嵌入盆体1土壤腔内壁，环形水管2的管道较为隐蔽且不占用多余体积，同时内圈设有多个特定分布的喷水孔4，其独特的设计依据水流压力合理开设分布喷水孔4位置，能够提供更加有效的浇水覆盖面积；盆体1还设有多孔可拆卸的散热板6，以防止工作腔过热；所述托盘11位于卡件9下方与之形成渗水槽；微控制器组件7、继电器8、水泵组件10等组件位于工作腔内，均固定在卡件9的上表面；隔离腔为与工作腔分开的另一密闭空间，隔离腔底部斜面开孔至渗水槽，实现盆体的水电分离，能够有效避免短路；土壤温湿度传感器3从工作腔探入盆体1土壤腔实时采集盆栽土壤湿度数据，传输至微控制器组件7处理；摄像头传感器组件5安置在盆体1顶层。

图2为本发明在一个实施例中智能花盆的右视剖面结构示意图。

如图2所示，盆体1顶端设有两个开孔，分别为盆体排气口13和盆体进水口15，后者用于给储水腔供水，前者为向储水腔供水时便于腔内气体排出的排气孔。水管开孔14为便于环形水管给水的开孔，腔内水管12(参考图1)穿过水管开孔14与环形水管2连通为其供水(参考图8)。第一开孔16，为一正方形开孔，穿过储水腔且封闭孔的四周，将工作腔与外界连通，为散热板6提供位置，在该第一开孔16的底部平面固定有开关组件17等部件。第一电源18(可以是可充电9v电池)和第二电源19(可以是可充电四节1.5v串联电池)分别用于为水泵回路和微控制器回路供电。

图3为本发明在一个实施例中智能花盆的上视剖面结构示意图。

如图3所示，开关组件17安置于工作腔的内部、散热板6的前方，包含水泵开关38和微控制器开关39。开关组件17均是按下锁定亮灯通路，再次按下解除锁定熄灭开路。无线通信模块20(如zigbee收发模块)包含于微控制器组件7，用于无线连接智能网关，通过icp/ip协议实时发送花卉及环境数据至云服务器，由云服务器推送所述花卉及环境数据给远程终端，或通过远程终端登录所述云服务器获取花卉及环境数据。图3中可以清楚的看到隔离腔相对密封，与工作腔相隔开。

图4为图1中盆体的剖面结构示意图。

如图4所示，展示了盆体1的完整结构。盆体1是本实施例智能花盆的重要组成部分。盆体1夹套中的储水腔有着较大的储水空间。土壤腔底部呈斜面，中部有利于渗水的管道开孔，同时增加滤网减少土壤落入渗水槽。为了采集温湿度数据，土壤腔底部斜面设有安放土壤温湿度传感器3探头的第二开孔21(长方形开孔)。开关指示标志24是上述开关组件17的说明性文字。盆体进水口15为盆体顶端开孔，用于注水；水管开孔14由土壤腔上部开孔至储水腔顶端。盆体1下部的盆体下孔22和盆体上孔23分别对应连接水泵进水口30和水泵出水口29。盆体插槽25用于在水平面锁定卡件9，可方便拆卸。

图5为图1中卡件组件的结构示意图。

如图5所示，卡件插针26用于水平锁定盆体1，圆柱形的设计使配合更加稳定而不失可拆性。卡件9和盆体1间为可拔插设计，在进行元件损坏换件、电池更换、盆体清洗等操作时有着明显优势。卡件凸台28、水泵组件10和盆体1的下部共同形成封闭空间，卡件凸台28的斜面圆弧设计可以极大程度的释放由双孔或水泵32漏出的水，直至托盘11与卡件9形成渗水槽。卡件9下方的卡件底座27的6个凸部呈六边形等距离排布，下窄上宽利于承重。

图6为本发明在一个实施例中水泵和封闭罩的结构示意图。

如图6所示，本实施例展示了水泵组件10内部构成，隔离腔内的水泵出水口29和水泵入水口30分别穿过储水腔内的盆体上孔23和盆体下孔22，并包裹于橡胶填充物37中，封闭罩31覆盖2/3水泵32的面积，有效保护整个工作腔免于水汽短路。水泵32的底部为接口电路，未被封闭罩31覆盖，接口电路位于工作腔内，连接水泵回路。

图7为本发明在一个实施例中摄像头传感器组件的结构示意图。

具体的，如图7所示，摄像头传感器组件5集成各传感器为一体，光照强度传感器35固定于云台36的前侧，空气温湿度传感器34固定于云台36的后侧，摄像头33架设在云台顶端。云台36可以控制摄像头33在水平和竖直方向上固定范围转动。本实施例传感器种类繁多包括土壤温湿度传感器3、光照强度传感器35、空气温湿度传感器34和摄像头33，较为全面的反馈花卉环境参数，同时部分传感器较为集中，减少了布线复杂的困扰。较佳地，所述摄像头传感器组件5的传感信号线，穿过盆体1薄壁内专用的隔离线槽与工作腔内的微控制器40实现电连接；此外，为了灵活性，也可将所述的传感信号线通过第一开孔16走线，直连工作腔内的微控制器40，实现传感信号的采集和传送。

图8为本发明在一个实施例中浇水装置的部分结构示意图。

如图8所示，浇水装置是为植物，包括花卉，提供水分的一套机构，所述环形水管2有九个洒水的喷水孔4，开孔离环形水管2入水口的距离越远，开孔越密集，不同于从花盆上伸出花洒支架，有助于更加均衡的浇水覆盖面积。环形水管2的入水口与腔内水管12出水口连通，水泵组件10出水口与腔内水管12入水口相连，其中橡胶填充物37用于将盆体1中盆体下孔22和盆体上孔23与水泵组件10之间的缝隙堵住，防止漏水。可充电9v电池18为水泵32提供必要的功率；水泵开关38是回路中的开关，可以控制水泵回路开路、断路；继电器8在收到微控制器组件7的指令后作动，如启动、关停动作，以控制水泵32进行给水与断水。

图9为本发明在一个实施例中控制系统的结构示意图；图10为本发明在一个实施例中智能浇花控制原理示意图。

参考图9，本发明实施例还提供了一套利用该控制系统实现对智能花盆进行浇水控制的解决方案。其还可基于无线通信模块20(如zigbee收发模块)等进行网络远程连接，操作智能花盆进行远程控制实现浇水、断水功能，包括如下步骤：

s1：启动水泵组件向储水腔注水；启动摄像头传感器组件5拍摄花卉图像向云端服务器发送所述花卉图像进行花卉种类识别的步骤。

本实施例中，向储水腔注水的过程，具体是：通过盆体进水口15向储水腔注水，观察盆体排气口13判定储水腔是否装满，接着按下水泵开关38和微控制器开关39，启动智能花盆工作。智能花盆启动后，摄像头33自动拍摄一张花卉图像，微控制器40控制无线通信模块20(如zigbee收发模块)将采集的花卉图像传输到智能网关，通过智能网关传送到云服务器。所述云服务器运行基于迁移学习的深度学习模型mobilenet算法，用来通过网络识别花卉种类，并将识别结果保存在云端数据库中。用户可以通过远程终端访问云服务器，还可通过远程终端设置和选择浇水模式(如智能自动浇水模式或手动浇水模式)等。

s2：用户通过远程终端选择浇水模式配置(本实施例默认采用智能浇水模式)，同时实时显示土壤温湿度传感器3、光照强度传感器35、空气温湿度传感器34的数值。第一电源18和第二电源19的电量使用状况也会传输并显示于远程终端。如果配置为手动浇水模式则跳转至s3，自动浇水模式则跳转至s4。

s3：手动模式下，根据经验，自行设置花卉适宜的土壤温湿度、光照强度、空气温湿度参数区间。当微控制器收到浇水命令时给水，停止浇水命令时断水。为了避免忘记停止浇水或网络波动情况造成送水过多，设置单次浇水时间上限为20s，即从收到浇水命令并执行动作开始20s后无论是否收到停止浇水命令均断水。重复s3步骤，直到配置模式变为自动，跳转至s4步骤；若触发系统中断，则跳转s5。

s4：智能模式下，结合开机时解析的花卉种类调取规则库，根据不同花卉生长适宜土壤温湿度、空气温湿度、光照强度阈值参数，与传感器实时数据进行对比，判定花卉生长状态，定义为上限报警、正常、下限报警三个类别。如果生长环境参数信息超出阈值范围，花卉生长状态报警类别信息发送给终端显示。摄像头每天上下午各一次定时获取花卉图像，通过mobilenet轻量化网络提取花卉深度特征，与土壤温湿度、空气温湿度和光照强度生长环境数据特征组合在一起，混合特征作为生长状况识别分类器的输入参量，输出为花卉生长状况类别。根据花卉花卉生长状况情况，矫正花卉生长参数阈值设定模型给出的土壤温湿度、空气温湿度、光照强度参数阈值。当土壤湿度低于阈值下限时，则给水直至达到阈值上限。所述的给水方式，这里采用间隔给水，即每浇水10秒，再等待10秒，让水分通过土壤充分渗透，使得土壤温湿度传感器所测数据更有时效性。重复s4步骤，直到配置模式变为手动，跳转至s3步骤；若触发系统中断，则跳转s5。

s5：此步骤为系统中断响应，当电量过低不足以维持系统时，微控制器40会自动控制断开两个回路；亦或是突发情况，用户可以从终端手动远程断开电源，或直接解除水泵开关38和微控制器开关39的锁定。

进一步的，本实施例通过zigbee收发模块20无线连接网关实时发送花卉及环境数据至远程终端，软件可以实时显示这些数据并且提供手动自动两种浇水模式，手动模式下用户可以远程控制微控制器组件7给继电器8发送开关指令，直接令水泵32给水断水；自动模式下微控制器组件7根据上述方法智能控制。

具体的，智能浇水模式下，土壤温湿度传感器3根据神经网络算法计算的结果设置上下限阈值，小于设定下限阈值时，微控制器组件7自动控制继电器8给水，持续浇水至设定上限阈值，实现自动化浇水。阈值的设置更加人性化，小于设定阈值下限时自动给水至阈值上限，减少人工成本。不同模式给水方法设计也可以避免给水过量，间隔等待渗水，有助于提高数据时效性。

主控制系统位于工作腔，包含微控制器组件7、继电器8、第一电源18&第二电源19和水泵开关38&微控制器开关39，并与水泵组件10和土壤温湿度传感器3、摄像头传感器组件5相连接。如图9所示的自动模式主控系统结构图，各传感器将采集到的盆栽土壤湿度、空气温湿度、光照强度和花卉图像等信息通过电连接将传感信号传输至微控制器40，微控制器40自动控制继电器8给水并由zigbee收发模块20实时传送至智能网关，智能网关基于神经网络算法判断花卉种类和生长状态，进而设定智能浇水的上下阈值，让花卉获得更加精确地水量控制。为使自动化程度进一步完善，本实施例中还加入了电量过低和突发情况的自动断电功能。

实施例二

本实施例二与实施例一相似，区别之处在于第一电源18不采用可充电9v电池、第二电源19不采用可充电四节1.5v串联电池方式供电，而是采用单个的多档位稳压电源代替，由于稳压电源的电压稳定性得到提高，可以达到更好的浇水效果、更加精确的传感器数值和更稳定的系统工作环境。舍弃云台36，将摄像头33嵌入盆体1中，储水腔内部设置一个探针式水位传感器，布线从盆体1内部延伸至工作腔。将空气温湿度传感器34和光照强度传感器35与散热板6集成为一体，更加有利于布线的简化。添加设置在智能花盆盆体1外侧的液晶屏，实时显示光照强度数值、空气温湿度数值、土壤湿度数值、工作状态、花卉种类、花卉生长状态和水位信息。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。