基于工程活动链的智能盆栽养护平台的设计与制作

 

摘要:以工业产品研发的全寿命周期活动为主线设计制作了一款智能盆栽养护平台。采用Arduino作为控制器，利用光传感器、土壤湿度传感器以及水位检测传感器检测盆栽的环境信息，实现对盆栽自动浇水和自动补光的功能。平台的外形结构满足了功能需求，并将3D打印技术应用于外形结构的制作中。通过该项目实践过程，锻炼了学生的科研创新和实践能力，帮助学生建立多学科交叉的意识和大工程观，让学生从多学科空间去观察、思考问题。

 

1引言

 

工程能力强的人才该如何培养一直是工程教育难题。在新工业革命正在来临之际，中国正在向工业强国的行列阔步迈进之时，教育部推出了“新工科”计划，并指出“新工科”主要体现工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养新模式等方面［1］，这为工程教育指明了新的方向。中国工程院院士李培根教授［2］提到，工程问题需要大工程观，卓越工程师应该能从大科学空间观察、思考问题，因而新结构应该从专业结构、课程及知识体系等方面审视，新结构的建立主要在于边界的再设计。这包括专业重构、课程重构、知识点融合等方面。

天津大学校长钟登华院士提到在“新工科”背景下，工程人才培养结构要求多元化，而交叉与融合是工程创新人才培养的着力点［3］。本文响应教育部“新工科”计划，通过模拟以产品研发为核心的工程活动链，融合机械工程测试技术、机电控制工程、3D打印技术等课程知识，设置了以学生为主体、项目驱动、自主实践为基本模式的“科研实践项目”-智能盆栽养护平台的设计与制作，让学生以工业产品研发的全寿命周期活动为主线完成一种产品的构思设计以及制作调试，培养学生适应未来工程需求的新素养。

 

1产品构思

 

随着生活水平的提高，人们对生活质量、生活环境的要求也越来越高［4］，许多人为了给工作生活增添一些色彩，喜欢在家中或办公室等室内种植一些盆栽植物。但是大多植物花卉都需要细心的养护才能生长良好。现在人们常常因为种植经验不足、没有时间养护等，导致植物花卉由于光照不足或土壤湿度不适等而死亡［5-6］。而且人们对于智能化、自动化的要求也越来越高。

现有的很多盆栽养护系统只能实现对于土壤湿度、光照强度等的检测以及报警，没有浇水以及补光的执行机构［7-8］，或者只能实现浇水，结构功能单一［9-10］，不能实现真正意义上的自动养护。本文设计了一款智能盆栽养护平台，该平台包括自动浇水模块和自动补光模块，整个系统选用Arduino单片机［11-13］作为控制器，用来处理采集的信号［14］，并控制执行机构，原理如图1所示。



自动浇水模块由水箱、水泵、水管、喷头、土壤湿度传感器、水位检测传感器、继电器，Arduino等组成，一方面利用湿度传感器检测花盆土壤湿度，当土壤湿度低于设定值时，Arduino控制继电器通电，水泵运转进行浇水，当湿度达到设定值时关闭水泵，停止浇水;另一方面利用水位检测传感器检测水箱内的水位，当水箱内水量不足时报警提醒。自动补光模块由光线传感器、植物生长灯带、灯罩、继电器、Arduino等组成，利用光线传感器检测环境光照强度，根据环境光强判定灯带的开关，Arduino将控制信号输出给继电器，控制植物生长灯带调节照射植物的亮度。