智能化技術(shù)在家庭園藝景觀養(yǎng)護(hù)中的設(shè)計(jì)探索與應(yīng)用研究

徐 達(dá) 邱浩杰 金 慧

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，杭州 311300；2.杭州市蕭山區(qū)市政綠化養(yǎng)護(hù)保障中心，杭州 311200；3.杭州市余杭區(qū)人民政府，杭州 311300）

當(dāng)今社會(huì)逐漸步入數(shù)字化社會(huì)，物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)的不斷發(fā)展，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)逐漸趨于智能化。在信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代背景下，家庭園藝作為景觀設(shè)計(jì)下的分支，也逐漸呈現(xiàn)出智能化的發(fā)展趨勢(shì)：家庭智能園藝作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與景觀的切入點(diǎn)存在潛在的市場(chǎng)需求；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與景觀的結(jié)合得益于多種復(fù)合技術(shù)層面的支持；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在未來(lái)景觀綠化管理上存在很大應(yīng)用前景。以浙江省大學(xué)生職業(yè)生涯規(guī)劃與創(chuàng)業(yè)大賽一等獎(jiǎng)《“智園”--基于IoT技術(shù)的家庭智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)》為案例，分析基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家庭園藝產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究，并總結(jié)智能景觀產(chǎn)品的設(shè)計(jì)策略：以人為本原則、系統(tǒng)化原則、低耗能原則、生態(tài)性原則、原真性原則，進(jìn)一步拓展依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家庭智能園藝輻射范圍，以期為家庭園藝設(shè)備在園藝領(lǐng)域乃至城市景觀領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)拓新路徑。

物聯(lián)網(wǎng)；家庭園藝；智能設(shè)備；園藝養(yǎng)護(hù)；園藝系統(tǒng)

黨的十八大報(bào)告深化了各項(xiàng)生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略，隨后針對(duì)垂直綠化、屋頂綠化、立體綠化等各類城市綠化建設(shè)與指導(dǎo)文件紛紛出臺(tái)；黨的十九大以來(lái)，人們對(duì)于美好精神生活的期待進(jìn)一步提高，集中表現(xiàn)在對(duì)優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境與質(zhì)量追求上。園藝植物的美觀形式、空氣凈化與食用保健功能進(jìn)一步催化了居民對(duì)家庭園藝的青睞，同時(shí)從事家庭園藝活動(dòng)也能促進(jìn)人勞逸結(jié)合，逐漸使家庭園藝成為一種日漸風(fēng)靡的綠化新形式與新生活方式，家庭園藝作為一種能充分利用城市建筑物再生空間進(jìn)行綠植栽培和管理的活動(dòng)形式[1]，近年來(lái)在園藝市場(chǎng)中持續(xù)升溫。而在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet of things，IoT）蓬勃發(fā)展的時(shí)期，家庭智能園藝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其是園林與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合體，通過(guò)智能技術(shù)融合生活空間與人工栽培來(lái)提高城市綠化量，進(jìn)一步豐富了“私家園林”與農(nóng)耕園藝的結(jié)合形式，并以其強(qiáng)大的智能化功能，彌補(bǔ)了戶主時(shí)間、精力以及養(yǎng)護(hù)技術(shù)上的不足。

在家庭園藝管理中，高精度智能化的實(shí)時(shí)檢測(cè)分析遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人的主觀判斷，能有效提高植物養(yǎng)護(hù)水平?！丁爸菆@”--基于IoT技術(shù)的家庭智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)》（以下簡(jiǎn)稱“智園”）這項(xiàng)科技作品采用“一平臺(tái)、五系統(tǒng)”的工作模式，運(yùn)用IoT中智能識(shí)別技術(shù)、PLC微型電腦技術(shù)、植物信息分析技術(shù)、GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、近紅外光譜無(wú)損數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、CCD感光傳感技術(shù)等將硬件與軟件設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)種植區(qū)塊的光照條件、土壤濕度等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與測(cè)量，最后達(dá)到遠(yuǎn)程操控養(yǎng)護(hù)的目的。

文章以“智園”項(xiàng)目為例，通過(guò)分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在家庭園藝管理中的應(yīng)用方式，細(xì)數(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智能景觀現(xiàn)有產(chǎn)品類別、存在問(wèn)題、優(yōu)劣特性等基礎(chǔ)信息，引出“智園”家庭智能園藝系統(tǒng)的特質(zhì)優(yōu)勢(shì)與針對(duì)現(xiàn)存問(wèn)題的解決方式，以期借助“智園”家庭智能園藝系統(tǒng)來(lái)拓寬物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與園林結(jié)合的研究領(lǐng)域。

1 家庭園藝與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1.1 家庭園藝

園藝一詞包括“園”和“藝”[2]，《辭源》中稱“植蔬果花木之地，而有藩者為園”，《論語(yǔ)》中稱“學(xué)問(wèn)技術(shù)皆謂之藝”[3]，因此園藝約是指種植蔬菜、果樹(shù)或觀賞植物等的生產(chǎn)技藝，相應(yīng)地可分為果樹(shù)園藝、蔬菜園藝和觀賞園藝。傳統(tǒng)的家庭園藝，是指在庭院中進(jìn)行的園藝活動(dòng)及園林景觀建設(shè)，包括養(yǎng)花、插花及盆景等。

中國(guó)園藝營(yíng)建歷史可追溯到商周時(shí)期的園囿，當(dāng)時(shí)人們將在籬笆保護(hù)區(qū)內(nèi)開(kāi)展植物栽培的形式稱為園藝[4]?，F(xiàn)代家庭園藝作為方興未艾的產(chǎn)業(yè)，最早成形于20世紀(jì)70年代，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化進(jìn)程和人們對(duì)居住水平要求的提高而應(yīng)運(yùn)而生[5]。其以緩解城市化進(jìn)程中人、自然、社會(huì)的矛盾為核心，將園藝園林技藝與現(xiàn)代家居生活的有機(jī)結(jié)合，是“園藝療法”向家庭的貼近、延伸與實(shí)踐，作為一種觀賞、康養(yǎng)、優(yōu)質(zhì)的家庭應(yīng)用生態(tài)產(chǎn)品，是未來(lái)開(kāi)拓中國(guó)“生態(tài)文明”建設(shè)的園藝產(chǎn)業(yè)新領(lǐng)域的重要指向[6]。

已有研究表明，植物能夠起到調(diào)節(jié)濕度、凈化空氣等作用[7]。李樹(shù)華、吳志雄等證實(shí)了植物能給人積極的心理暗示[8-10]。家庭園藝活動(dòng)也由傳統(tǒng)食用、觀賞功能拓展到裝飾審美和植物療愈功效追求，如Ambrose等[11]從衛(wèi)生健康角度分析證明家庭園藝活動(dòng)有助于提高居民的情緒幸福感，探析其與生理健康之間的關(guān)系。但由于城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市中實(shí)際擁有庭園的市民少之又少[12]，國(guó)內(nèi)家庭園藝逐漸演變?yōu)椤凹揖訄@藝”，主要利用居室內(nèi)、陽(yáng)臺(tái)、屋頂和露臺(tái)等空間種植各類植物。傳統(tǒng)植物配置多以花卉組合樹(shù)木造景，現(xiàn)代的庭院植物配置包括常綠小喬木、灌木、藤本、花卉、觀賞蔬菜及地被植物等，并適當(dāng)?shù)呐渲醚b飾類的小品[13]，以實(shí)現(xiàn)既能塑造家居風(fēng)格，又能綠化美化環(huán)境，還能輔助修身養(yǎng)性的目標(biāo)。繼而在當(dāng)前追求生活品質(zhì)的當(dāng)下，家庭園藝的興起和普及程度可作為衡量區(qū)域園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要指標(biāo)，更是國(guó)民生活水平和幸福指數(shù)的體現(xiàn)。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智慧園藝

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展推動(dòng)了生活水平的提高，綠色健康的生活方式愈發(fā)得到普羅大眾的青睞。通過(guò)栽培花草可以陶冶情操，舒緩壓力、裝飾環(huán)境，以增加家居場(chǎng)所的自然氣息，調(diào)節(jié)生活情趣。當(dāng)前，傳統(tǒng)的家庭園藝方式存在以下幾項(xiàng)不足：（1）園藝活動(dòng)的建設(shè)與養(yǎng)護(hù)需要用戶投入大量額外的時(shí)間和精力；（2）在養(yǎng)護(hù)管理過(guò)程中大部分用戶缺乏植物基本養(yǎng)護(hù)知識(shí)；（3）缺乏專業(yè)養(yǎng)護(hù)管理的植物的生長(zhǎng)往往達(dá)不到用戶的預(yù)期狀態(tài)。這容易導(dǎo)致用戶浪費(fèi)大量時(shí)間、精力和金錢[14]。通過(guò)調(diào)研訪談發(fā)現(xiàn)：有超57%的用戶缺乏對(duì)特定植物的生長(zhǎng)習(xí)性與養(yǎng)護(hù)管理知識(shí)。即使是目前常見(jiàn)的家庭養(yǎng)植植物，如景天（屬肉質(zhì)干性花卉需少澆水）、風(fēng)鈴草（屬喜濕花卉需多澆水）、薄荷（屬葉面生毛花卉不宜葉面澆水）等，用戶對(duì)其也僅是略知皮毛。同時(shí)63%的受訪者表示平時(shí)不會(huì)關(guān)注周圍環(huán)境（如空氣濕度、溫度、光照等）對(duì)植物產(chǎn)生的影響。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新一代信息技術(shù)演進(jìn)與發(fā)展的載體，是當(dāng)今信息時(shí)代的重要成果，是將各類信息傳感與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)的新型網(wǎng)絡(luò)。首先以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行延伸和擴(kuò)展；其次物聯(lián)網(wǎng)的用戶端能聯(lián)系任何物品與物品之間，即物物相息。鑒于互聯(lián)網(wǎng)并沒(méi)有考慮到用戶端任何物品的連接問(wèn)題，因此使用能延伸和聯(lián)系任何物品的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)展進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧園藝的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[15]。同時(shí)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)智能園藝與大尺度的室外園林相結(jié)合，構(gòu)建起室內(nèi)外融合的現(xiàn)代生態(tài)園林，并借以智慧園林大數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)人與自然用有機(jī)連接起來(lái)，達(dá)到人、自然、社會(huì)間的互感、互知與互動(dòng)[16]。

1.3 現(xiàn)有植物智能養(yǎng)護(hù)存在的癥結(jié)

梳理國(guó)內(nèi)研究智能植物養(yǎng)護(hù)工作的現(xiàn)狀：（1）多聚焦于運(yùn)用在地植物改善家居園藝環(huán)境上，例如劉洋[17]在考察邯鄲家庭園藝發(fā)展與北方特有的種植現(xiàn)狀后，梳理了居民在家庭園藝養(yǎng)護(hù)中的遇到的困難，家居空間局限性對(duì)于家庭園藝產(chǎn)業(yè)的掣肘等問(wèn)題，并依據(jù)居民消費(fèi)、政府支持和市場(chǎng)引導(dǎo)三大方面提出了相應(yīng)的可行性建議。（2）周穎[18]針對(duì)社會(huì)性的家庭園藝種養(yǎng)模式，開(kāi)展系統(tǒng)性的問(wèn)題梳理與總結(jié)，探討國(guó)內(nèi)城市家庭園藝在不同建筑空間內(nèi)的模式發(fā)展概況，并綜合歸納國(guó)內(nèi)家庭園藝空間布置及植物栽培的模式后提出改進(jìn)對(duì)策。（3）從智能景觀改造與植物結(jié)合的角度論述家庭園藝的觀賞與呈現(xiàn)效益，通過(guò)對(duì)家庭園藝景觀產(chǎn)品中的概念類型、選擇設(shè)計(jì)上、總結(jié)提出設(shè)計(jì)主題創(chuàng)意、運(yùn)用不同植物色彩間相互搭配的觀賞效果及家居植物種植設(shè)計(jì)模式，為人們打造家居園藝提供設(shè)計(jì)主題創(chuàng)意和種植設(shè)計(jì)參考模式[19]。綜合而言，目前研究趨向于大類的種養(yǎng)模式的結(jié)論探討與合理性論證，較多忽略了植物養(yǎng)護(hù)本身的冗雜繁復(fù)過(guò)程，也忽略了養(yǎng)護(hù)者對(duì)植物的品類習(xí)性及生長(zhǎng)狀態(tài)有充分了解的前提?，F(xiàn)代都市人群工作繁忙，無(wú)法很好地照料花草。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的勃興恰好使之逐漸走進(jìn)并高度參與人們的生活，可從各方面輔助人們參與家庭園藝的建設(shè)與養(yǎng)護(hù)。智能園藝系統(tǒng)能夠幫助用戶自動(dòng)采集環(huán)境信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度、濕度、PM2.5、光照度等各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)，并運(yùn)用移動(dòng)端控制智能設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)噴霧、澆水、除蟲等家庭植物養(yǎng)護(hù)活動(dòng)，同時(shí)運(yùn)用尋跡技術(shù)、自平衡技術(shù)等克服傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)工作中效率低、效果差、人力資源和水資源等能耗大的問(wèn)題，提供更多家居智能產(chǎn)品的交互體驗(yàn)。

1.4 現(xiàn)有同類相關(guān)產(chǎn)品競(jìng)品分析

考量現(xiàn)有的在家庭植物養(yǎng)護(hù)方面的現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的研究聚焦于家居植物的養(yǎng)護(hù)、植物生長(zhǎng)環(huán)境的改善、適配家居的養(yǎng)護(hù)環(huán)境改造等（表1），例如PARROT出品的全球首個(gè)無(wú)線智能植物檢測(cè)設(shè)備FlowerPower01，研究人員在設(shè)備上裝載了4枚傳感器來(lái)測(cè)量周邊5～10 cm內(nèi)的土壤，用于監(jiān)測(cè)土壤濕度、肥料水平、環(huán)境溫度以及光照強(qiáng)度等參數(shù)。并以此來(lái)統(tǒng)計(jì)分析、記錄，最終向用戶提供后續(xù)建議。FlowerPower02H2O仍需外接蓄水設(shè)備（如塑料瓶或其他盛水容器），通過(guò)滴灌、噴灌、噴霧等方式為植物澆水。FlowerPower03Pot將水隱藏在盆里，造成了設(shè)備體積較大[20]。RPE家庭園藝灌溉系統(tǒng)是專門為室內(nèi)外的陽(yáng)臺(tái)、露臺(tái)、花盆和小花園設(shè)計(jì)的滴灌系統(tǒng)，可根據(jù)家庭的實(shí)際情況任意添加或減少配件；調(diào)整植物需水量；在使用中可節(jié)省70%的水。小米的“智能花盆”產(chǎn)品內(nèi)置非接觸式水肥高精度監(jiān)測(cè)儀，能夠識(shí)別植物本身與環(huán)境數(shù)據(jù)，內(nèi)置3 200多種植物，通過(guò)與手機(jī)APP中的花卉數(shù)據(jù)庫(kù)匹配比對(duì)，提示用戶科學(xué)地細(xì)節(jié)養(yǎng)護(hù)植物。

綜上，考察目前已面向市場(chǎng)的相關(guān)產(chǎn)品中，F(xiàn)lowerPower02H2O主要針對(duì)植物供水，單一的功能對(duì)用戶吸引力較小，在養(yǎng)護(hù)層面，針對(duì)植物的種類識(shí)別與細(xì)節(jié)化梳理及后續(xù)生長(zhǎng)建議與預(yù)測(cè)上較為薄弱；FlowerPower01功能較前者齊全，忽視了個(gè)性化的植物智能數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，產(chǎn)品與使用者的互動(dòng)方面較薄弱；小米的智能花盆集合了目前最新的技術(shù)，一定程度上可滿足智能化家居養(yǎng)護(hù)的需求，但仍是針對(duì)單一植物養(yǎng)護(hù)而構(gòu)建的智能設(shè)備，未形成完整的微型生態(tài)系統(tǒng)。而本文所探討的“智園”項(xiàng)目，參考了目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)的智能化園藝產(chǎn)品與技術(shù)，依托于IoT的智能識(shí)別技術(shù)、PLC微型電腦技術(shù)、植物信息分析技術(shù)等技術(shù)，可接續(xù)此前的智能園藝設(shè)施優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)造性地結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造家庭智能園藝系統(tǒng)平臺(tái)，連通智能家居的各項(xiàng)設(shè)施，拓展家庭的物聯(lián)網(wǎng)植物養(yǎng)護(hù)方式，以期在滿足全方位自動(dòng)養(yǎng)護(hù)植物生長(zhǎng)的同時(shí)，最大程度地實(shí)現(xiàn)人與植物的良性互動(dòng)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能景觀產(chǎn)品設(shè)計(jì)考量與策略

“智園”項(xiàng)目通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)一體化智能平臺(tái)，滿足家庭園藝所需的各項(xiàng)功能。物聯(lián)網(wǎng)所賦予智能產(chǎn)品的可識(shí)別化、智慧化、系統(tǒng)化的特點(diǎn)使得景觀智能化成為可能。而“智園”項(xiàng)目的智能識(shí)別系統(tǒng)、智能灌溉系統(tǒng)、智能遮陽(yáng)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)等對(duì)于更大尺度智能化景觀以及情景式體驗(yàn)景觀具有一定的參考價(jià)值。因此，當(dāng)面對(duì)這類智能景觀的設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)以及在智能景觀產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用策略[21]。

2.1 人性化

智能化景觀在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)以人為本，設(shè)計(jì)首先應(yīng)圍繞為使用者解決問(wèn)題、滿足使用者的需求，滿足使用者的功能要求[22]。其次設(shè)計(jì)的包容性要考慮到不同年齡層、社會(huì)背景、認(rèn)知程度的使用對(duì)象情況，尤其要關(guān)注社會(huì)中的弱勢(shì)群體的使用問(wèn)題，充分考慮這類人群的認(rèn)知和行為特征，智能景觀的使用應(yīng)該簡(jiǎn)易便捷，減少此類人群的使用障礙，體現(xiàn)設(shè)計(jì)者對(duì)人的尊重與關(guān)切。最后，由于景觀智能化，不免會(huì)融入機(jī)械裝置，如何保證此類裝置的安全性也是設(shè)計(jì)者需要關(guān)注的問(wèn)題。

2.2 系統(tǒng)化

物聯(lián)網(wǎng)將景觀與人、人與網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)與景觀有機(jī)組合成了一個(gè)整體。同樣，如果將景觀中的各項(xiàng)單體也通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)有機(jī)組合，形成一個(gè)龐大統(tǒng)一的智能景觀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管理者對(duì)景觀的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而使日常管理水平上升，確保景觀的美觀、安全，植物的健康生長(zhǎng)以及對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)；對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，完整的景觀智能化系統(tǒng)，可以使其獲得更完整、便捷、豐富的游覽體驗(yàn)[23]。

2.3 低耗能

“智園”家庭智能園藝系統(tǒng)以循環(huán)利用為原則，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中搭載的監(jiān)控設(shè)備可最大程度地減少各種廢棄物對(duì)環(huán)境的影響，在建設(shè)過(guò)程中做到了既充分利用環(huán)境友好型材料和先進(jìn)低碳工藝，并得以在降低整體的系統(tǒng)造價(jià)的同時(shí)改善小規(guī)模的生態(tài)環(huán)境，突出家庭園藝綠化的特色。

2.4 生態(tài)性

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“智園”家庭智能園藝系統(tǒng)可完整地還原小規(guī)模生態(tài)系統(tǒng)的“生物圈”層次與內(nèi)容，在追求生態(tài)化的家庭園藝與居民家庭園藝衍生上推廣智能家庭園藝種植模式，在關(guān)注生態(tài)產(chǎn)品的同時(shí)，促進(jìn)家庭園藝系統(tǒng)本身內(nèi)部的生態(tài)環(huán)境中的各類植物與智能設(shè)備和諧共生，從而在家庭生活空間中造就了微型的生態(tài)園藝呈現(xiàn)模范。

2.5 原真性

對(duì)于園林的定義，周維權(quán)在《中國(guó)古典園林史》中這樣記述：“園林乃是為了補(bǔ)償人們與自然環(huán)境相對(duì)隔離而創(chuàng)造的‘第二自然’”[24]。園林景觀作為人為營(yíng)造的“第二自然”，首先還是得保留其自然的特征，滿足人對(duì)于自然環(huán)境的向往。因此景觀中智能化的裝置，如燈光、鋪裝、水池等不能喧賓奪主，不能破壞原有的生態(tài)環(huán)境[25]。

3 “智園”系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)特性

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“智園”家庭智能園藝系統(tǒng)，集植物科普知識(shí)與通信傳感技術(shù)為一體，通過(guò)手機(jī)APP便捷、清晰的控制界面實(shí)現(xiàn)家庭園藝植物的智能化管理，既美化了家庭環(huán)境，優(yōu)化、解決了用戶對(duì)植物的管理養(yǎng)護(hù)問(wèn)題，并嘗試將家庭園藝融入智能化家居管理整體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)舒適、便捷、智能化的家居生活[26]。

3.1 智能化、自動(dòng)化程度高

本系統(tǒng)采用嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)構(gòu)建精準(zhǔn)灌溉遮陽(yáng)硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)，基于32位微處理器STM32F103ZET6，設(shè)計(jì)用于水肥EC值、pH值等參數(shù)信息監(jiān)測(cè)及灌溉施肥的一體式控制器。控制器融合了ZigBee無(wú)線短距離通信技術(shù)，聯(lián)通基于MSP430F149處理器設(shè)計(jì)的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，組建針對(duì)陽(yáng)臺(tái)環(huán)境無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)陽(yáng)臺(tái)灌溉環(huán)境在線信息監(jiān)測(cè)。

依托手機(jī)APP、傳感器與感應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)用戶與植物的雙向互動(dòng)。并且在集合目前已有的單一智能園藝產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，基于結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)理念，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的硬件和軟件進(jìn)行升級(jí)。依托ASP.NET及WEB服務(wù)開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)，借助網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)異地信息監(jiān)測(cè)與設(shè)備監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)了陽(yáng)臺(tái)灌溉網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制與管理，為陽(yáng)臺(tái)精準(zhǔn)灌溉提供了智能的解決方案。在智能遮陽(yáng)系統(tǒng)上結(jié)合家庭智能窗簾，將遮擋面料換成可透光的百葉窗形式以達(dá)到調(diào)節(jié)光照的目的，通過(guò)靈活調(diào)整百葉窗角度（0°、22.5°、67.5°、90°），極大程度上滿足了植物所需的光照強(qiáng)度。

3.2 系統(tǒng)擴(kuò)展性廣

本系統(tǒng)較目前已有的智能園藝產(chǎn)品，除了基礎(chǔ)的智能植物養(yǎng)護(hù)與監(jiān)控外，開(kāi)創(chuàng)性地加入了“植物云數(shù)據(jù)庫(kù)”“智能植物識(shí)別”的功能。智能植物識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)基于葉片與花型圖像特征融合的家庭園藝植物自動(dòng)識(shí)別算法，現(xiàn)已有常見(jiàn)的60種家庭園藝植物（以杭州地區(qū)為例）成功輸入植物圖片庫(kù)中。并且依托植物云數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)智能識(shí)別系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別植物種類之后，便會(huì)進(jìn)入植物云數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息比對(duì)，植物云管家系統(tǒng)進(jìn)行智能決策，生成適合該種植物生長(zhǎng)的一系列光照、水分?jǐn)?shù)據(jù)，并輸出至各個(gè)終端模塊，如灌溉系統(tǒng)、遮陽(yáng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)植物的科學(xué)化管理。

3.3 生態(tài)效果顯著

目前已推出的智能園藝產(chǎn)品有的聚焦于專類的植物養(yǎng)護(hù)，有的運(yùn)用于園藝智慧管理，但對(duì)于微型生物圈的生態(tài)養(yǎng)護(hù)層面的設(shè)施則較為稀缺?！爸菆@”系統(tǒng)將追求全系統(tǒng)的生態(tài)效益作為重要的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，在生態(tài)營(yíng)造過(guò)程中協(xié)調(diào)各類云數(shù)據(jù)庫(kù)與識(shí)別功能，同時(shí)在智能養(yǎng)護(hù)過(guò)程中創(chuàng)設(shè)各項(xiàng)量化的生態(tài)效益指標(biāo)，將生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量營(yíng)造作為養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的重要指標(biāo)，以此開(kāi)展對(duì)“智園”家庭智能園藝系統(tǒng)中植物群落的維護(hù)。

3.4 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好

“智園”系統(tǒng)可持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)植物養(yǎng)護(hù)、土壤保肥、監(jiān)控生長(zhǎng)等各項(xiàng)功能，在智能化、高效化地處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)的同時(shí)，通過(guò)應(yīng)用各類現(xiàn)代植物技術(shù)保障植物生長(zhǎng)質(zhì)量的提升，簡(jiǎn)單、科學(xué)、有效率地維護(hù)整體微型生物圈的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，從而減少植物資源浪費(fèi)和對(duì)家居環(huán)境影響，推動(dòng)智慧園藝的可持續(xù)的發(fā)展。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“智園”家庭智能園藝系統(tǒng)構(gòu)建

4.1 家庭智能園藝系統(tǒng)構(gòu)架

“智園”家庭智能園藝系統(tǒng)的主要功能有智能植物養(yǎng)護(hù)管理與智能識(shí)別（圖1）。智能植物養(yǎng)護(hù)的主要功能包括灌溉、遮陽(yáng)補(bǔ)光、土壤監(jiān)測(cè)等功能；智能識(shí)別主要指基于植物葉型、花型等特征的線上植物識(shí)別庫(kù)，以及具有植物養(yǎng)護(hù)參考價(jià)格的植物習(xí)性庫(kù)?！爸菆@”采用“一平臺(tái)、五系統(tǒng)”的工作模式，其中“一平臺(tái)”指集成了多設(shè)備信息交互處理的家庭園藝一體化智能平臺(tái)；“五系統(tǒng)”指智能識(shí)別系統(tǒng)、智能灌溉系統(tǒng)、智能遮陽(yáng)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)。使用者可通過(guò)對(duì)應(yīng)App實(shí)現(xiàn)線上數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)時(shí)把握家庭園藝狀況，從而滿足用戶遠(yuǎn)程、高效、專業(yè)化的家庭園藝養(yǎng)護(hù)（圖2）。

圖1 技術(shù)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of technical principle

圖2 APP邏輯示意圖Fig.2 APP logic diagram

4.2 家庭智能園藝一體化智能平臺(tái)

智能化平臺(tái)為一款命名為“PLC”（Plant Care+）的手機(jī)APP，通過(guò)信息集成、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、智能管理等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)種植區(qū)塊的光照條件、土壤濕度等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)智能遮補(bǔ)光，精準(zhǔn)噴灌等功能；通過(guò)平臺(tái)視頻拍攝、剪輯、美化等功能，滿足用戶社交分享的需求。

傳感器會(huì)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至程序，程序通過(guò)WAN交互機(jī)傳輸協(xié)議進(jìn)一步反饋給智園云服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)客戶端，用戶便可實(shí)時(shí)了解植物的生長(zhǎng)信息。用戶通過(guò)智能移動(dòng)端將實(shí)時(shí)發(fā)送處理指令，系統(tǒng)通過(guò)信息處理及特征提取模塊進(jìn)入解碼器，根據(jù)聲學(xué)、語(yǔ)言模型及詞典，將分析出的詞串?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)云服務(wù)器將指令傳給內(nèi)置SDK工具包嵌入智能模塊組，從而實(shí)現(xiàn)程序發(fā)出信號(hào)對(duì)智能養(yǎng)護(hù)設(shè)備的終端控制。

4.3 家庭智能園藝五大系統(tǒng)

智能識(shí)別系統(tǒng)，革新了傳統(tǒng)手動(dòng)輸入信息的環(huán)節(jié)，利用智能植物識(shí)別技術(shù)以達(dá)到簡(jiǎn)化信息輸入的作用（圖3）。為此，團(tuán)隊(duì)利用專業(yè)知識(shí)，基于專業(yè)老師的耐心指導(dǎo)以及大量文獻(xiàn)閱讀，建立了常見(jiàn)的家庭園藝植物圖片庫(kù)，提出了基于葉片與花型圖像特征融合的家庭園藝植物自動(dòng)識(shí)別算法。

圖3 智能植物識(shí)別系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the working principle of the intelligent plant recognition system

智能噴灌系統(tǒng)，將集自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等集中于一體，運(yùn)行時(shí)通過(guò)土質(zhì)檢測(cè)儀實(shí)時(shí)采集土壤的情況，分析植物水分需求，通過(guò)內(nèi)置的通訊模塊，將情況實(shí)時(shí)傳送到服務(wù)器，并顯示在APP中，保證灌溉的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)還采用多種流量模式，對(duì)植物進(jìn)行更為精確的噴灌（圖4）。

智能遮陽(yáng)系統(tǒng)，支持一鍵開(kāi)關(guān)、定時(shí)開(kāi)合，并支持對(duì)有不同光照需求植物進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。通過(guò)不同厚度、寬度的葉片與不同的開(kāi)孔率的組合保證不同的遮陽(yáng)效果，智能遮陽(yáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了戶主不在家的情況下也能遠(yuǎn)程操控，達(dá)到在炎熱的夏天為特殊植物遮陽(yáng)的作用，極大程度地避免了植物曬傷，根部燒傷（圖5）。

圖5 智能遮陽(yáng)窗簾工作示意圖Fig.5 Working diagram of smart shade curtain

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)庭院中的攝像頭和輔助設(shè)備進(jìn)行24 h全天候不間斷的監(jiān)控，并以等時(shí)間間隔拍攝圖像、視頻錄制的方式記錄園藝過(guò)程。圖像畫面清晰、穩(wěn)定，擁有紅外夜視功能，實(shí)時(shí)了解植物生長(zhǎng)情況，手動(dòng)、自動(dòng)監(jiān)控噴灌等園藝活動(dòng)。

考慮到用戶無(wú)法24 h查看視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因此引入第5個(gè)系統(tǒng)--智能安全系統(tǒng)（圖6），從而解決使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的安全事故。智能安全系統(tǒng)分為“植物養(yǎng)護(hù)安全”和“園藝設(shè)備安全”兩部分。其中“植物養(yǎng)護(hù)安全”系統(tǒng)，解決諸如植物旱澇危害、光照過(guò)強(qiáng)等問(wèn)題；“園藝設(shè)備安全”系統(tǒng)，解決諸如用電安全、設(shè)備自檢等問(wèn)題。此外，該模塊增加安全鎖功能，保護(hù)家中兒童、老人免于操作意外。

圖6 安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of security system structure

5 結(jié)語(yǔ)

“智園”項(xiàng)目依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建科學(xué)化、集成化的家庭園藝智能管理系統(tǒng)，依據(jù)家庭空間大小、功能、結(jié)構(gòu)等建設(shè)方面，結(jié)合不同居住空間的實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)人與植物的互動(dòng)交流。從“智園”項(xiàng)目反映出：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可在景觀照明、景觀噴灌、景觀植物形態(tài)識(shí)別、景觀遠(yuǎn)程監(jiān)控管理等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，通過(guò)對(duì)區(qū)域園林環(huán)境精準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)，依據(jù)不同綠化植物的生長(zhǎng)習(xí)性等屬性來(lái)制定灌溉策略、監(jiān)控養(yǎng)護(hù)周期、實(shí)施病蟲害預(yù)防和改善區(qū)域小環(huán)境，以此節(jié)約家庭園藝的各項(xiàng)成本、提升家庭園藝綠化養(yǎng)護(hù)效率、實(shí)現(xiàn)高效園藝管理目標(biāo)。

通過(guò)本文的研究，進(jìn)一步表明物聯(lián)網(wǎng)在未來(lái)園藝領(lǐng)域乃至城市景觀領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，當(dāng)前基于物聯(lián)網(wǎng)的智能景觀技術(shù)也有技術(shù)層面的支持，未來(lái)利用“智園”家庭智能園藝系統(tǒng)結(jié)合在家庭園藝環(huán)境，在智能監(jiān)控系統(tǒng)中引入智能聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)、多參數(shù)環(huán)境檢測(cè)與采集更加便捷，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化了家庭園藝養(yǎng)護(hù)與管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出適合各地市居民開(kāi)展園藝活動(dòng)的種植和裝飾模式，推動(dòng)進(jìn)一步的園藝業(yè)監(jiān)測(cè)智能化與便捷化成為家庭智能園藝發(fā)展的大勢(shì)所趨，由此，推廣進(jìn)行實(shí)際案例建設(shè)與建設(shè)說(shuō)明則順理成章。為此，本研究將進(jìn)一步深化，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與其他信息技術(shù)融合進(jìn)城市園林綠化管理，構(gòu)建情景體驗(yàn)式景觀，同時(shí)有效提高園林管理者的工作效率、管理水平。

注：文中圖表均由作者繪制。