CN104904515A - 一种智能花盆及基于水势与重量的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能花盆及基于水势与重量的控制方法，智能花盆包括密闭气囊、温湿度传感器和重量传感器、供水装置、通信模块、单片机、盆体和植株，此发明利用物联网技术，可利用通信模块的终端随时随地控制和管理植物的生长状况，同时利用温湿度计算出的叶水势判断植物是否缺水，能够实时监测植物是否缺水，克服监测的滞后性；并且采用基于水势与重量的控制方法，能够精准控制植物的加水量，以便防止浇水过多或者过少。

Description

一种智能花盆及基于水势与重量的控制方法

技术领域

本发明涉及智能家居领域。更具体地说，本发明涉及一种智能花盆，以及一种自动控制花盆加水及加水量的控制方法。

背景技术

随着社会的进步，人们的生活质量也有了提高，越来越多的家庭注重健康的生活环境。在家中，工作和学习的环境中放置一些盆栽花卉既可以通过光合作用吸收二氧化碳，净化室内空气，还可以陶冶我们的情操，让我们的生活，工作和学习更加愉悦。植物的正常生长却是人们担心的一个重要问题，而这个问题最大的影响因素之一就是植物需要适当的水分。如果家中人外出，没人照看植物，很可能花卉枯萎。

在先申请“智能型自动浇花系统”专利号：ZL200920071406.3，该专利涉及一种日常生活领域中浇花用的智能型浇花系统。其中使用的湿度传感器可以自动检测土壤湿度，在控制器和电控开关阀的作用下对土壤湿度达到调节的作用，使植被在最适宜的湿度下生长。该专利中提到的可以手动及智能自动兼用的浇花方法，还提出了多种的浇水方式。但是该专利采用的是温湿度传感器测量土壤的湿度变化来控制水分，一段时间内土壤的湿度变化很小，很不容易测出来水分的变化，其次温湿度传感器长时间放到土壤中，水分过大会影响传感器，甚至使传感器损坏。

在先申请“一种智能花盆”专利号：CN103004515A，该专利的智能花盆，在单片机的存储器中预存各类植物生长所需要的湿度数据，键盘上的每个按键对应一类植物，当按下按键选择一类植物后，智能花盆自动灌溉植物，节省了人力而且防止了浇水不当的情况发生。采用的是湿度检测器来检测盆体底部的泥土的湿度，还有储水瓶来给花盆供水。但是花盆底部的泥土的湿度值不能代表植物所需要的湿度环境，底部泥土的湿度值一般都很高，不能作为判断植物是否缺水的因素。同时储水瓶的容量太小，不能满足植物长时间所需用水量。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种密闭气囊，其与叶片形成密闭环境以模拟植物内环境，气囊内的温、湿度传感器检测植物的温湿度，并利用温湿度计算出的叶水势判断植物是否缺水，能够实时监测植物是否缺水，克服监测的滞后性。

本发明还有一个目的是通过重量传感器，控制植物的加水量，以便防止浇水过多或者过少。

本发明还有一个目的是采用物联网技术，可利用通信模块的终端随时随地控制和管理植物的生长状况。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种智能花盆，包括：

密闭气囊，其安装在植物叶片上，与叶片形成微环境以模拟植物内环境；

温度传感器和湿度传感器，安装在密闭气囊内，测量密闭气囊的温度和湿度；

重量传感器，其位于花盆底部，能够测量花盆、植物和土壤的总重量；

供水装置，其包括第一管道和第二管道，第一管道安装有开关可控的电控阀门，第二管道上安装手动阀门，所述供水装置安装在花盆侧面；

通信模块，其具有网络连接功能可连接到控制终端用以传输数据，所述通信模块固定安装在花盆的侧面；

单片机，其与湿度传感器、湿度传感器和重量传感器、电控阀门连接，所述单片机接收温、湿度和重量信号并控制电控阀门的开关；所述单片机还连接报警器和手动阀门，控制报警器报警并检测手动阀门是否开启；

其中，所述单片机与通信模块连接，通信模块的控制终端数据传输到单片机，控制电控阀门的开关。

优选的是，其中所述供水装置的第一管道与第二管道并联。

优选的是，其中所述供水装置还包括：储水箱，其内部为大容量水箱；所述储水箱同时与第一管道和第二管道相连；出水口，分别设置在第一管道和第二管道的末端，所述出水口与花盆连接。

优选的是，其中所述单片机能够控制报警器报警，当监测到手动阀门开启则报警器关闭；当未检测到手动阀门开启，单片机控制电控阀门开启并关闭报警器。

优选的是，其中所述单片机能够将温、湿度、重量信号和报警信号通过通信模块传输至控制终端，控制终端可发出是否开启电控阀门的命令。

优选的是，其中所述通信模块的控制终端为计算机、手机、控制器中的一种或几种。

本发明的目的还可以进一步由一种基于水势与重量的控制方法来实现，该方法包括以下步骤：

步骤一：温度传感器测量密闭气囊内温度T、湿度传感器测量密闭气囊内的相对湿度ERH_α，重量传感器测量花盆、植物和土壤的总重量W；

步骤二：单片机接收气囊内温度T和相对湿度ERH_α，计算此时的气囊的绝对湿度EAH_α：

${\mathrm{EAH}}_{\mathrm{\α}}={\mathrm{ERH}}_{\mathrm{\α}}\×{\mathrm{AH}}_r{|}_{{\mathrm{RH}}_r=100\%}$

其中，EAH_α为密闭气囊内的绝对湿度，单位为mmHg；ERH_α为密闭气囊内的相对湿度，为百分数；AH_r为大气绝对湿度，单位为mmHg；

步骤三：根据温度T、相对湿度ERH_α，计算此时的植物内部的叶水势E_α；

E_α＝RT_αlnEAH_α

其中，E_α为植物的叶水势，单位为mmHg；R是普适的气体常数，R＝0.461J·mol^-1·K^-1；其中T_α为开氏温度，单位为K，即T_α＝T+273；

步骤四：

(1)当时植物处于缺水状态，单片机控制电控阀门打开，重量传感器监测其重量达到W'时，控制电控阀门关闭；

此时的加水量Q＝W'-W

其中，Q为加水量，单位是KG；W为加水前花盆、植物和土壤的总重量，单位为KG；W'为加水后花盆、植物和土壤的总重量，单位为KG；

根据叶水势、温度、湿度和重量得到加水量Q的经验公式如下：

$Q=0.0805\×W\×\[{\left(\frac{T}{{\mathrm{ERH}}_{\mathrm{\α}}}\right)}^{0.12}-1\]\×ln(\frac{E_{\mathrm{\α}}}{\stackrel{\‾}{E_{\mathrm{\α}}}}+1)$

其中，T温度为温度传感器测量的温度，单位是℃；ERH_α为湿度传感器测量的相对湿度，为百分比；为植物的标准叶水势，单位为mmHg；

(2)当时植物内水量处于平衡状态或超饱和状态，单片机控制电控阀门关闭。

优选的是，其中所述步骤2中大气绝对湿度AH_r利用如下公式计算：

${\mathrm{AH}}_r=100\×EXP\left(\frac{87.72\×\lg \left({\mathrm{RH}}_r\right)+0.9845\×\left(1737.1-\frac{474242}{273+t_r}\right)-273}{87.72}\right)$

其中，AH_r为大气绝对湿度，单位为mmHg；RH_r为大气相对湿度，单位为mmHg；t_r为大气温度，单位为℃；

优选的是，其中所述步骤四中：当时，在执行单片机控制电控阀门打开之前，单片机还可以控制报警器报警，3分钟内未监测到手动阀门开启，则控制电动阀门打开并关闭报警器；当监测到手动阀门开启，保持电控阀门关闭并关闭报警器。

优选的是，其中所述植物的标准叶水势预先存储到单片机中。

本发明至少包括以下有益效果：1、叶片上设置密闭气囊结构，因此能够模拟植物内环境，气囊内的温、湿度传感器检测植物的温湿度，并利用温湿度计算出的叶水势判断植物是否缺水，能够实时监测植物是否缺水，克服监测的滞后性；2、采用基于水势与重量的控制方法，因此能够控制植物的加水量，以便防止浇水过多或者过少；3、采用物联网技术，可利用通信模块的终端随时随地控制和管理植物的生长状况。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明的智能花盆的一种结构示意图.

图2是本发明的智能花盆的另一种结构示意图。

图3是本发明的智能花盆采用雾状喷头浇水的示意图。

图4是本发明的智能花盆采用根部浇水的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1示出了根据本发明的一种实现形式，智能花盆包括密闭气囊110、传感器120、供水装置130、通信模块140、单片机150、盆体160和植株170。

密闭气囊110为的聚乙烯醇材质的防水薄膜，密闭气囊110安装在植物叶片上，其与叶片形成密闭环境，密闭气囊110的体积很小以致密闭环境能够模拟植物内环境。

传感器120，包括温度传感器和湿度传感器121和重量传感器122。温度传感器和湿度传感器121安装在密闭气囊110内，测量密闭气囊110的温度和湿度；重量传感器122安装在盆体底部，测量花盆、植物和土壤的总重量；所述传感器120能实时检测密闭气囊110的温度、湿度和测量花盆、植物和土壤的总重量。

供水装置130，包括储水箱131、第一管道132、电控阀门133、第二管道134、手动阀门135和出水口136。储水箱131为大容量的储水设备，可储存植物170的2-6周的所需水量；第一管道132和第二管道134相互并联，两管道的上端与储水箱131连接，末端为出水口136，水通过出水口136流入盆体160；其中，第一管道132上安装电控阀门133，第二管道134上安装手动阀门135，通过手动阀门135可实现手动给植株170浇水。

通信模块140，其具有网络连接功能可连接到控制终端用以传输数据，所述通信模块140固定安装在花盆的侧面。

单片机150，其与温度传感器和湿度传感器121和重量传感器122、电控阀门133连接。当单片机150接收温、湿度和重量信号后，将信号进行处理后控制电控阀门133的打开，与此同时重量传感器122实时监测花盆、植物和土壤的总重量，当单片机150接收的重量信号达到预定值，其控制电控阀门133关闭。

在另一种实例中，所述单片机150还连接通信模块140，通信模块140的控制终端数据传输到单片机150，也能够控制电控阀门133的开关。当单片机150接收温、湿度和重量信号后，将信号进行处理后判断植株170处于缺水状态，单片机150也可连接通信模块140将此信号传输至控制终端，控制终端发出打开电控阀门133的指令，单片机150接收到指令后，控制电控阀门133的打开，与此同时重量传感器122实时监测花盆、植物和土壤的总重量，当单片机150接收的重量信号达到预定值，其控制电控阀门133关闭。

在另一种实例中，所述单片机150还连接报警器180和手动阀门135。当单片机150接收温、湿度和重量信号后，将信号进行处理后判断植株170处于缺水状态，单片机150控制报警器180报警，当监测到手动阀门135开启则报警器180关闭；当未检测到手动阀门135开启，单片机150控制电控阀门133开启并关闭报警器180，与此同时重量传感器122实时监测花盆、植物和土壤的总重量，当单片机150接收的重量信号达到预定值，其控制电控阀门133关闭。

在另一种实例中，所述通信模块140的控制终端为计算机、手机、控制器中的一种或几种。

综上所述智能花盆利用一种基于水势与重量的控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：温湿度传感器121测量密闭气囊110内温度T、相对湿度ERH_α，重量传感器122测量花盆、植物和土壤的总重量W；

步骤二：单片机150接收密闭气囊110内温度T和相对湿度ERH_α，计算此时的密闭气囊110的绝对湿度EAH_α：

${\mathrm{EAH}}_{\mathrm{\α}}={\mathrm{ERH}}_{\mathrm{\α}}\×{\mathrm{AH}}_r{|}_{{\mathrm{RH}}_r=100\%}$

其中，EAH_α为密闭气囊内的绝对湿度，单位为mmHg；ERH_α为密闭气囊内的相对湿度，为百分数；AH_r为大气绝对湿度，单位为mmHg；

其中，大气绝对湿度AH_r利用如下公式计算：

${\mathrm{AH}}_r=100\×EXP\left(\frac{87.72\×\lg \left({\mathrm{RH}}_r\right)+0.9845\×\left(1737.1-\frac{47424L}{273+t_r}\right)-273}{87.72}\right)$

其中，AH_r为大气绝对湿度，单位为mmHg；RH_r为大气相对湿度，单位为mmHg；T_r为大气温度，单位为℃；EXP表示以自然对数e为底数的指数函数。

步骤三：根据温度T、相对湿度ERH_α，计算此时的植物内部的叶水势E_α；

E_α＝RT_αlnEAH_α

其中，E_α为植物的叶水势，单位为mmHg；R是普适的气体常数，R＝0.461J·mol^-1·K^-1；其中T_α为开氏温度，单位为K，即T_α＝T+273；

步骤四：

(1)当时，植物处于缺水状态，单片机150控制电控阀门133打开，重量传感器122监测重量达到W'时，控制电控阀门133关闭；

此时的加水量Q＝W'-W

其中，Q为加水量，单位是KG；W为加水前花盆、植物和土壤的总重量，单位为KG；W'为加水后花盆、植物和土壤的总重量，单位为KG；

根据叶水势、温度、湿度和重量得到加水量Q的经验公式如下：

$Q=0.0805\×W\×\[{\left(\frac{T}{{\mathrm{ERH}}_{\mathrm{\α}}}\right)}^{0.12}-1\]\×ln(\frac{E_{\mathrm{\α}}}{\stackrel{\‾}{E_{\mathrm{\α}}}}+1)$

其中，T温度为温度传感器测量的温度，单位是℃；ERH_α为湿度传感器测量的相对湿度，为百分比；为植株的标准叶水势，单位为mmHg；

(2)当时植物内水量处于平衡状态，单片机150保持电控阀门133关闭。

上述控制方案中的标准叶水势为植株叶水势与大气水势达到相等时叶水势，此时忽略压力和重力的影响并且植株的温度T_α与大气的温度T_r相等，标准叶水势计算方法为：

$\stackrel{\‾}{E_{\mathrm{\α}}}={\mathrm{RT}}_{\mathrm{\α}}{\mathrm{lnEAH}}_{\mathrm{\α}}={\mathrm{RT}}_r{\mathrm{lnEAH}}_r$

其中，EAH_r为大气的绝对湿度，单位为mmHg；t_r为大气温度，单位为℃。

在另一种实例中，所述单片机150还连接报警器180和手动阀门135。当单片机150接收温、湿度和重量信号后，将信号进行处理后判断时，在执行单片机150控制电控阀门133打开之前，单片机150还可以控制报警器180报警，当监测到手动阀门135开启则报警器180关闭；当3分钟内未检测到手动阀门135开启，单片机150控制电控阀门133开启并关闭报警器180，与此同时重量传感器122实时监测花盆、植物和土壤的总重量，当单片机150接收的重量信号达到预定值，其控制电控阀门133关闭。

上述方案中的单片机150判断植株170是否缺水一种实现方式为：将所述植物的标准叶水势存储到单片机控制程序中。

图2示出了根据本发明的另一种结构形式，智能花盆包括密闭气囊210、传感器220、供水装置230、通信模块240、单片机250、盆体260和植株270。其中，供水装置包括自来水管231、第一管道232和电控阀门233和出水口236，将第一管道232直接与自来水管231连接以取代储水箱，出水口236设置在盆体260上；单片机250连接温湿度传感器221、重量传感器222、电控阀门233和通信模块240，当单片机250接收温、湿度和重量信号后，将信号进行处理后判断时，控制电控阀门233的打开，自来水管231将水输入，与此同时重量传感器222实时监测花盆、植物和土壤的总重量，当单片机250接收的重量信号达到预定值W'，单片机250控制电控阀门233关闭。

在另一种实例中，所述单片机250还连接通信模块240，通信模块240的控制终端数据传输到单片机250，也能够控制电控阀门233的开关。当单片机150接收温、湿度和重量信号后，将信号进行处理后判断时，单片机250也可连接通信模块240将此信号传输至控制终端，控制终端发出打开电控阀门233的指令，单片机250接收到指令后，控制电控阀门133的打开，自来水管231将水输入，与此同时重量传感器222实时监测花盆、植物和土壤的总重量，当单片机250接收的重量信号达到预定值W'，其控制电控阀门233关闭。

图3示出了智能花盆出水口采用雾状喷头的结构形式。其中出水口236设置在植株270正上方，其采用雾状喷头进行喷水浇灌。

图4示出了智能花盆出水口采用根部浇水的结构形式。其中出水口236设置在植株270与土壤交界处的根部正上方，其采用根部浇水的方式进行喷水浇灌。

如上所述，本发明具有如下有益效果：1、叶片上设置密闭气囊结构，因此能够模拟植物内环境，气囊内的温、湿度传感器检测植物的温湿度，并利用温湿度计算出的叶水势判断植物是否缺水，能够实时监测植物是否缺水，克服监测的滞后性；2、采用基于水势与重量的控制方法，因此能够控制植物的加水量，以便防止浇水过多或者过少；3、采用物联网技术，可利用通信模块的终端随时随地控制和管理植物的生长状况。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种智能花盆，其特征在于，包括：

密闭气囊，其安装在植物叶片上，与叶片形成微环境以模拟植物内环境；

温度传感器和湿度传感器，安装在密闭气囊内，测量密闭气囊的温度和湿度；

重量传感器，其位于花盆底部，能够测量花盆、植物和土壤的总重量；

供水装置，其包括第一管道和第二管道，第一管道安装有开关可控的电控阀门，第二管道上安装手动阀门，所述供水装置安装在花盆侧面；

通信模块，其具有网络连接功能可连接到控制终端用以传输数据，所述通信模块固定安装在花盆的侧面；

单片机，其与温度传感器、湿度传感器和重量传感器、电控阀门连接，所述单片机接收温、湿度和重量信号并控制电控阀门的开关；所述单片机还连接报警器和手动阀门，控制报警器报警并检测手动阀门是否开启；

其中，所述单片机与通信模块连接，通信模块的控制终端数据传输到单片机，控制电控阀门的开关。

2.如权利要求1所述的智能花盆，其特征在于，所述供水装置的第一管道与第二管道并联。

3.如权利要求1和2中任一项所述的智能花盆，其特征在于，所述供水装置还包括：

储水箱，其内部为大容量水箱；所述储水箱同时与第一管道和第二管道相连；

出水口，分别设置在第一管道和第二管道的末端，所述出水口与花盆连接。

4.如权利要求1所述的智能花盆，其特征在于，所述单片机能够控制报警器报警，当监测到手动阀门开启则报警器关闭；当未检测到手动阀门开启，单片机控制电控阀门开启并关闭报警器。

5.如权利要求4所述的智能花盆，其特征在于，所述单片机能够将温、湿度、重量信号和报警信号通过通信模块传输至控制终端，控制终端可发出是否开启电控阀门的命令。

6.如权利要求1所述的智能花盆，其特征在于，所述通信模块的控制终端为计算机、手机、控制器中的一种或几种。

7.一种基于水势与重量的控制方法，使用如权利要求1-6中任一项所述的智能花盆，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：温度传感器测量密闭气囊内温度T、湿度传感器测量密闭气囊内的相对湿度ERH_α，重量传感器测量花盆、植物和土壤的总重量W；

步骤二：单片机接收气囊内温度T和相对湿度ERH_α，计算此时的气囊的绝对湿度EAH_α：

其中，EAH_α为密闭气囊内的绝对湿度，单位为mmHg；ERH_α为密闭气囊内的相对湿度，为百分数；AH_r为大气绝对湿度，单位为mmHg；

步骤三：根据温度T、相对湿度ERH_α，计算此时的植物内部的叶水势E_α；

E_α＝RT_αlnEAH_α

其中，E_α为植物的叶水势，单位为mmHg；R是普适的气体常数，R＝0.461J·mol^-1·K^-1；其中T_α为开氏温度，单位为K，即T_α＝T+273；

步骤四：

(1)当时植物处于缺水状态，单片机控制电控阀门打开，重量传感器监测其重量达到W'时，控制电控阀门关闭；

此时的加水量Q＝W'-W

其中，Q为加水量，单位是KG；W为加水前花盆、植物和土壤的总重量，单位为KG；W'为加水后花盆、植物和土壤的总重量，单位为KG；

根据叶水势、温度、湿度和重量得到加水量Q的经验公式如下：

其中，T温度为温度传感器测量的温度，单位是℃；ERH_α为湿度传感器测量的相对湿度，为百分比；为植物的标准叶水势，单位为mmHg；

(2)当时植物内水量处于平衡状态，单片机控制电控阀 门关闭。

8.如权利要求7所述的基于水势与重量的控制方法，其特征在于，所述步骤2中大气绝对湿度AH_r利用如下公式计算：

其中，AH_r为大气绝对湿度，单位为mmHg；RH_r为大气相对湿度，单位为mmHg；t_r为大气温度，单位为℃。

9.如权利要求7所述的基于水势与重量的控制方法，其特征在于，所述步骤四中：当时，在执行单片机控制电控阀门打开之前，单片机还可以控制报警器报警，3分钟内未监测到手动阀门开启，则控制电动阀门打开并关闭报警器；当监测到手动阀门开启，保持电控阀门关闭并关闭报警器。

10.如权利要求7和9中任一项所述的基于水势与重量的控制方法，其特征在于，所述植物的标准叶水势预先存储到单片机中。