智慧景觀沙盤模型智能化與動態(tài)化設(shè)計

趙 穎，耿碩彪，吳子茗，溫 靜，張 素

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與旅游學(xué)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(xiàn)于案幾之上的模型［1］，主要應(yīng)用于房地產(chǎn)開發(fā)、建筑設(shè)計、城市規(guī)劃、景觀設(shè)計和教學(xué)展示等領(lǐng)域。針對傳統(tǒng)沙盤模型存在的景觀效果單一、模型整體生命力構(gòu)建不足以及互動性體驗缺乏等問題，本研究進(jìn)行智慧景觀模型設(shè)計與制作的實踐探索與總結(jié)，以期為景觀沙盤模型的智能化與動態(tài)化發(fā)展提供可視化載體。

1 智慧景觀模型的創(chuàng)新點

智慧景觀模型在傳統(tǒng)沙盤模型美學(xué)空間形態(tài)構(gòu)建的基礎(chǔ)上結(jié)合聲、光、電等智能化應(yīng)用，通過模塊嵌入及程序控制的手段，實現(xiàn)動態(tài)化及智能化控制。

1）改變傳統(tǒng)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(shù)實現(xiàn)對模型的精準(zhǔn)性、程序性制作。

2）增加智能化控制技術(shù)，構(gòu)建智慧化控制系統(tǒng)，運用物聯(lián)網(wǎng)通信模塊等，實現(xiàn)對燈光、門窗開啟等的智能化控制以及對模型整體環(huán)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(xiàn)景觀模型中真實植物材料的突破性應(yīng)用，結(jié)合智慧灌溉技術(shù)在小微模型中的應(yīng)用實現(xiàn)模型的后期養(yǎng)護(hù)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(xué)生為主體，以教師和河北農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育指導(dǎo)中心、園林與旅游學(xué)院造園創(chuàng)新工作室為助力的團隊合作模式，將園林、建筑、景觀等傳統(tǒng)手工模型結(jié)合聲、光、電等的智能化應(yīng)用，使模型本身成為同時具備聲、光、圖像等結(jié)合于一體、具備互動性、結(jié)合數(shù)字科技的智能化景觀模型，滿足智能化與動態(tài)化模型發(fā)展趨勢。

2.1 制作工藝

改變傳統(tǒng)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(chǔ)的制作方法，結(jié)合CAD、SolidWorks 等軟件，應(yīng)用激光切割、3D打印等技術(shù)手段，實現(xiàn)模型的精準(zhǔn)性制作。

2.2 智能控制

結(jié)合機械工程學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)及造型美學(xué)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(xiàn)對燈光、門窗開啟等的控制。其中，智能化控制系統(tǒng)作為智慧景觀模型跨學(xué)科交叉創(chuàng)新的落腳點，本研究中詳細(xì)論述其技術(shù)原理及實現(xiàn)途徑。

2.3 表現(xiàn)形式

在智能化控制的基礎(chǔ)上融入園林美學(xué)，對模型整體美學(xué)空間形態(tài)進(jìn)行構(gòu)建。在植物配置方面，結(jié)合生態(tài)缸、水陸缸等原理，在運用真實植物的基礎(chǔ)上結(jié)合智慧灌溉技術(shù)，實現(xiàn)模型整體生命力的展現(xiàn)與延續(xù)。

2.4 材料選擇

受成本及相關(guān)技術(shù)水平的限制，傳統(tǒng)沙盤模型在模擬真實山水環(huán)境的基礎(chǔ)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(yōu)良、生長習(xí)性適合沙盤環(huán)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(wǎng)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(jié)合水陸缸的實踐操作，運用生態(tài)學(xué)原理，替換傳統(tǒng)沙盤模型中常用的水體制作材料透明環(huán)氧樹脂，將人工構(gòu)建的微型生態(tài)系統(tǒng)引入模型。此外，還應(yīng)深入生產(chǎn)前線，探索新材料在智能景觀化模型上的應(yīng)用可能。

3 智能化控制系統(tǒng)的技術(shù)原理與實現(xiàn)途徑

聲光電的智能化控制主要體現(xiàn)在建筑模型搭接技巧、樓體燈光效果、室外路燈感應(yīng)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(hù)以及交互式體驗技術(shù)等方面。

該系統(tǒng)通過駐足節(jié)點和各系統(tǒng)多分足節(jié)點對智慧景觀進(jìn)行實時控制和監(jiān)測。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。駐足節(jié)點選用STM32F1 芯片，其分足點為各系統(tǒng)，如智能灌溉系統(tǒng)、音樂噴泉系統(tǒng)、室外燈光控制系統(tǒng)等。不同系統(tǒng)中含有不同的數(shù)據(jù)采集裝置，如溫濕度傳感器。通過傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)入到單片機中，單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并及時反饋回各系統(tǒng)中。其中，物聯(lián)網(wǎng)通信模塊與單片機直接相連，用于獲取網(wǎng)絡(luò)地區(qū)時間等。

經(jīng)運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計靈活、成本低、布置簡便，能夠有效地對活體植物進(jìn)行灌溉，準(zhǔn)確獲取實時時間等?；谖锫?lián)網(wǎng)的各系統(tǒng)協(xié)調(diào)合作，工作穩(wěn)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(zhí)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(nèi)核，運行頻率高達(dá)72 MHz。同時含有3 個12 位模數(shù)轉(zhuǎn)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(jīng)實踐驗證，該微控制器性價比高，應(yīng)用廣泛［3］。

圖2 STM32F103C8T6 芯片引腳

3.2 樓體燈光系統(tǒng)

模型樓體燈光通過8X8 點陣LED 動態(tài)掃描工作原理實現(xiàn)（圖3），在制作模型時預(yù)先設(shè)計好電路，預(yù)留線路和燈在樓體中，后續(xù)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?qū)暨M(jìn)行控制，實現(xiàn)“我愛農(nóng)大·百廿慶”的字樣（圖4）。

3.3 音樂噴泉系統(tǒng)

利用聲音分貝檢測原理實現(xiàn)以下功能。

1）用戶交互式體驗。根據(jù)用戶的聲音大小改變噴泉高度，使用小麥克風(fēng)采集聲音，經(jīng)過LM358 模組放大信號，再經(jīng)ADC0832 采集，最終轉(zhuǎn)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(shè)定的分貝限值存儲于單片機內(nèi)部。單片機將采集到的分貝值轉(zhuǎn)化為電壓，通過電路放大器控制噴泉的高度，展現(xiàn)設(shè)定的各種燈效。利用聲波傳感器判斷人是否經(jīng)過音樂噴泉，監(jiān)測到人經(jīng)過噴泉時，噴泉的水柱會驟降，然后上升，循環(huán)多次。

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

4）噴泉采用小型水泵進(jìn)行噴灑，通過控制電機轉(zhuǎn)速從而控制噴泉的高度，電機安裝在噴泉底部，增設(shè)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(tǒng)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)設(shè)定的經(jīng)緯度地理位置及年月日訪問氣象臺服務(wù)器獲取日出及日落時間，控制路燈開關(guān)。利用通信模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，在該模塊收集完傳感器的數(shù)據(jù)信息后，連接到網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息反饋，再將網(wǎng)關(guān)的控制信息反饋到模塊。在主控板上對信息進(jìn)行處理，再將處理后的結(jié)果利用串口輸出。

每個路燈的開關(guān)安裝在模型底盤內(nèi)，用MOS 管開關(guān)進(jìn)行控制，減小模型體積，并設(shè)有光敏傳感器調(diào)控路燈亮度，有效減少電能能耗。

3.5 天窗開閉系統(tǒng)

利用物聯(lián)網(wǎng)讀取所在地區(qū)的天氣預(yù)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(jié)果發(fā)送給天窗的軟件控制部分。當(dāng)雨雪天氣來臨時，天窗自動關(guān)閉。利用1.8 步距角步進(jìn)機進(jìn)行絲桿傳動開閉，用水平滑動的機械原理實現(xiàn)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(jìn)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(tǒng)進(jìn)行信息交互。

3.6 水循環(huán)系統(tǒng)

為滿足智慧景觀的水循環(huán)利用，對裝有噴泉功能的模型設(shè)定水循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由亞克力板和絕水海綿組成（圖6），噴出的水進(jìn)入亞克力板材下設(shè)的槽中，結(jié)合水泵實現(xiàn)水的再利用。其中，絕水海綿內(nèi)設(shè)管孔，為水管提供位置，節(jié)約空間資源。

圖6 音樂噴泉實物展示

3.7 時間與更新系統(tǒng)

時間采集系統(tǒng)通過DS1307 串行實時時鐘（RTC）架設(shè)，通訊方式選用I2C。該時鐘能夠基本準(zhǔn)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(nèi)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(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)圖書館序列模型為例，該時鐘結(jié)合一個四位數(shù)碼管顯示器與3D 打印技術(shù)燈牌，通過設(shè)定指定校慶日期，從而出現(xiàn)實時更新的倒計時天數(shù)（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(tǒng)

智慧景觀模型中，采取智慧農(nóng)業(yè)養(yǎng)護(hù)、管理、灌溉技術(shù)在小微模型中的突破性運用，通過程序控制實現(xiàn)使用者對其輕松的智能化控制及管理養(yǎng)護(hù)。

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(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，對植物做到更深層次的養(yǎng)護(hù)與管理，實現(xiàn)一定程度的自我生態(tài)循環(huán)。

該系統(tǒng)模擬了一套全自動澆水系統(tǒng)，基于控制土壤濕度的智能灌溉裝置。該系統(tǒng)會在不斷輪詢檢測模式下進(jìn)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(huán)境濕度數(shù)據(jù)信號根據(jù)A/D 控制模塊變換，將規(guī)范的電流量數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境濕度模擬信號，鍵入程序控制器。該系統(tǒng)核心可以通過控制系統(tǒng)，施加適量水進(jìn)行灌溉，保障環(huán)境的相對穩(wěn)定。

該系統(tǒng)具有實用性和良好的展示性，系統(tǒng)硬件具備良好的穩(wěn)定性及防水、防潮、抗高溫的能力［6］。實現(xiàn)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(shù)據(jù)，做出是否灌溉的決策。

4 智慧景觀模型的實踐應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 智慧商業(yè)景觀模型

模型作為一種對設(shè)計成果可視化表達(dá)的重要手段，在房地產(chǎn)開發(fā)、建筑與景觀設(shè)計等領(lǐng)域具有重要的實用功能。如房地產(chǎn)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(chǎn)所處位置、社區(qū)環(huán)境、周邊配套設(shè)施、戶型設(shè)計等清晰地呈現(xiàn)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(xiàn)實貼合，讓購房者在交互體驗過程中聯(lián)想到未來生活的美好場景，增加購買欲望。

4.2 高校教學(xué)景觀模型

4.2.1 智慧景觀模型與設(shè)計方案推敲 園林沙盤模型是二維平面圖紙的三維體現(xiàn)，可以清晰直觀地表達(dá)出整體的平面布局、空間關(guān)系、色彩質(zhì)感、比例尺度等平面圖紙無法直觀表達(dá)的內(nèi)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(shè)計方案的理解和調(diào)整有很好的輔助作用［7］。其在教學(xué)中的應(yīng)用有助于提高專業(yè)實踐教學(xué)的效果以及系統(tǒng)性，使課程從平面圖形轉(zhuǎn)換到立體設(shè)計，將設(shè)計理念及意境展現(xiàn)更加形象具體、立體直觀，加強教學(xué)場景的可視化程度，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)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(fù)刻，最大程度還原現(xiàn)有景觀與功能，使學(xué)生身臨其境對場所進(jìn)行感知，有助于加強教學(xué)場景的可視化程度，減少教師在教學(xué)過程中的困難。通過智慧景觀模型的應(yīng)用，結(jié)合聲、光、電等智能化控制，推動傳統(tǒng)課堂模式向智能化邁進(jìn)，打破課堂以文字、圖片、常規(guī)模型授課的傳統(tǒng)模式。

4.3 智慧家居景觀模型

景觀模型在家居產(chǎn)品的創(chuàng)新性開發(fā)領(lǐng)域，可將家居產(chǎn)品如加濕器等的功能與景觀模型的藝術(shù)化表達(dá)相結(jié)合，將智能元素、園林元素等融入其中。

5 小結(jié)

智慧景觀模型在場景搭建、交互體驗等方面創(chuàng)新應(yīng)用潛力較充分，其科技與藝術(shù)共存、功能的完備、形式與真實感的統(tǒng)一等特點為智慧園林、智慧城市的建設(shè)與發(fā)展提供了可視化展示載體。隨著智能化和動態(tài)化沙盤模型發(fā)展趨勢的出現(xiàn)，模型制作的外延更加廣闊?？茖W(xué)技術(shù)手段的進(jìn)步、設(shè)計理念的更新轉(zhuǎn)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(tǒng)地模擬和反映真實世界的景象，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建理想設(shè)計場景的藍(lán)圖。