TRIZ理論在智能花盆設計的應用研究

吳歡龍 韓璐遙 余林軍 劉偉銳

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

人們期待從現在快節奏的工作中尋求慢生活，盆栽植物不僅為人們提供一種慢節奏的種植體驗，還能改善居家和辦公環境，助益人們身心健康。但目前市場上的智能花盆多為半自動化式種植，常需要人對其進行輔助種植，在消耗人們大量精力的同時培育結果也具有不確定性?，F有智能花盆功能較為單一，大多數智能花盆設計者往往通過改變造型和材料來制造市場差異性，其結構與功能仍有待于優化。

智能花盆的設計應用研究已得到國內外學者的廣泛關注。江南大學的王瑩瑩基于Arduino平臺利用傳感器、單片機、交互系統等與花盆的結合實現了植物的全天候托管[1]。南京航空航天大學的王新燕通過KANO模型發掘了人們對于桌面盆栽植物養護需求，設計了智能化花盆產品以及產品需求相關的移動終端程序界面，為產品創新提供了設計思路和參考[2]。國外已投入市場的家居綠植養護平臺名為Click and Grow，其植物依靠科技生長，給用戶帶來便利的同時降低了用戶參與感，且性價比低。鄭英珠等人也提出并開發了具有自主移動性的智能花盆系統，其程序基于照度傳感器等自動追蹤陽光，并通過直觀的情感化界面提升用戶使用過程中的便利性和可用性[3]。

本文旨在設計一款具有市場差異性的智能花盆，通過TRIZ理論分解智能花盆系統，根據通用參數建立矛盾矩陣，利用發明原理得到設計方案理想解。智能花盆外觀與結構的優化將更滿足用戶需求體驗，結合現有成熟技術在降低成本和提高資源利用率的同時增加智能花盆的可實踐性，實現智能花盆的可持續性工作。

1 TRIZ理論應用

TRIZ解題的思路是將一般問題抽象化，用特定的參數描述問題，通過沖突的參數尋找背后的解題原理[4]。通過TRIZ理論對智能花盆領域進行設計問題分析，挖掘主要矛盾，選取適用于本領域研究的主要方法進行分析求解，對得到的設計方案進行評估篩選，求得最終理想解。

1.1 系統分析

系統分析是對產品從整體到局部再到整體的剖析過程，系統分析模型的建立將直觀體現整個系統因素的相互作用關系及影響。系統化方法提供了發現問題、解決問題的路徑，通過系統分層，可以使各個部分的矛盾更加明顯，從子系統出發尋求矛盾及其理想解，讓設計更加具體化、精細化。本研究中智能花盆的設計即是一個整體系統，參照系統分層原理以及常見智能花盆結構設計[5]可以將該研究模型分解成圖1所示。

圖1 智能花盆功能系統分解

動力系統：作為智能花盆產品的主要動力來源，為實現智能花盆的工作需求，本文選擇無線電磁充電作為主要動力來源。

澆灌系統：智能花盆的澆灌系統可分為半自動式澆灌和全自動式澆灌，市面上的智能花盆大多為半自動式澆灌，如何在降本增效的同時滿足智能澆灌的需求，是需要著重思考解決的問題。

光照系統：充足的光照將促進植物的良性生長，智能花盆的按需供給光照將促進植物光合作用，改善居家辦公環境。若結合紫外線光照可起到引誘蚊蟲的作用，例如培育捕蠅草類植物與其結合將更好地誘捕周圍空間蚊蟲，凈化居家生活環境。

顯示系統：電源開關顯示狀態，具體濕度、溫度等都直觀反映了植物生長狀態以及室內環境質量，人們可以根據動態變化數據反饋調控智能花盆狀態，達到具體問題具體調控，實現動態化精準養護。

控制系統：電源控制智能花盆的啟動、關閉，期望針對不同植物切換不同的個性化養護模式，通過手機App遠程跟蹤控制調節。

1.2 建立矛盾矩陣

（1）通用參數選擇：通過調研發現，目前市場現有智能花盆不能保證低成本高效益，且不能夠完全自動化培育，經常需要人工干涉。將智能花盆涉及到的技術矛盾抽象成TRIZ創新理論中的通用參數，通過表1所示內容以及上述分析來篩選涉及到的理論參數。

表1 TRIZ通用參數表

通過參考同類智能花盆的結構樣式和生產制造方式，對智能花盆的常用工作環境進行考量，設計一款自動化程度高且生產成本低，同時可實踐性強的產品。從表1中選出適用于本研究的通用參數包括：32-可制造性，33-可操作性，35-適用性及多用性，36-裝置的復雜性，38-自動化程度。

（2）建立矛盾矩陣：根據TRIZ理論參數的選擇，構建TRIZ矛盾矩陣[6]，如表2所示。

表2 智能花盆TRIZ矛盾矩陣分析

表2中的序號對應TRIZ理論中的40個發明原理，根據本文研究內容在原理可行性分析詳情表中適用于本研究的發明原理后面打對號，在不適用于本研究的發明原理后打叉。以此對表格內涉及到的發明原理依次進行適用性排除，最終選出適用的發明原理有：1-分割，3-局部質量，5-組合合并，15-動態特性，24-借助中介物，25-自服務，26-復制，28-機械系統替代。

2 智能花盆設計

2.1 智能花盆初選方案設計

根據篩選后所適用的發明原理建立方案解決表，如表3所示。

表3 智能花盆設計方案分析解決表

根據設想方案選取一種基于半導體裝置的冷凝模塊作為智能花盆設計中的主要供水來源，其中利用半導體制冷片體積小、無運動部件、運行穩定等優點從空氣中提取水資源[7]。通過對相同原理的產品進行調研和對比分析，例如小型半導體除濕機等具備集水功能的家用電器。最終選擇型號為TEC1-12703的半導體作為本研究中所使用的元件，滿足了對智能花盆設計成本低的期待，實現了取之于自然用之于自然的高資源利用率。

綜上所述，得到具體設計方案，如圖2所示：該智能花盆設計包括光照系統1；提手2；固定螺栓3；可替換花盆模塊4；水箱頂蓋5；水箱6；冷凝器外殼7；底部燈圈8。如圖2 a) 所示，提手2頂部開有安裝槽，槽內可安裝光照系統1，兩者構成帶光照功能的提手，通過固定螺栓3固定于冷凝器外殼7上。同時，冷凝器外殼7底部設置安裝槽，槽內可安裝燈圈8。該設計便于用戶隨時隨地移動智能花盆，解決了移動普通花盆時必須接觸底部外殼的問題。頂部LED智能光照系統能為植物的生長提供光照，在有滅蚊需求時可切換成紫外燈模式，結合培育的植物對蚊蟲進行吸引誘捕。底部燈圈8能在智能花盆吊起狀態時提供吊燈式樣的光照功能，增強室內氛圍感。組裝好的智能花盆放在無線充電器9上時將為其充電，這種方式避免了裸露充電口觸水短路的危險，實現水電分離保證用戶安全。

圖2 智能花盆結構圖

根據圖2 b) 所示，水箱頂蓋5安裝于水箱6頂部，水箱6安裝于冷凝器外殼7頂部，三者構成智能花盆的主要部分。冷凝器外殼7內部開設有安裝槽，安裝槽內設置可替換花盆模塊4?？商鎿Q花盆模塊4可隨時取出進行植物替換，方便用戶更換不同植物并切換不同植物養護模式。冷凝器外殼7與水箱6、可替換花盆模塊4相接處的面上開設有孔，該設計能使水箱6中的水交換到可替換花盆模塊4中。同時，冷凝器外殼7內部安裝有用于冷凝功能的半導體，底部開設有進氣格柵。通過進氣格柵吸氣將空氣中的水分冷凝，內置水泵將水從水孔輸入水箱6中，在兩者間設置單向閥門使得水箱6中的水不會回流進冷凝器外殼7中。

根據圖2 c) 所示，當提手2處于展開狀態時（如左圖），其頂部內嵌的智能光照系統1可以為綠色植物提供光照，滿足植物在弱光或無光環境下的光照需求。當用戶將智能花盆放置在有光照的環境下時，可以將提手2進行折疊（如右圖），避免提手遮擋自然環境下的光照。該折疊狀態還方便用戶更換可替換花盆模塊4，一種簡單的操作步驟大幅度提高用戶更換植物效率，提升用戶培育體驗。

2.2 智能花盆效果圖呈現

如圖3 a) 所示，智能花盆的設計整體形線簡潔自然，提起狀態的把手輪廓線順勢與底座流暢相接。應用半導體材料利用其帕爾貼效應實現熱電制冷，可以快速冷凝游離在空氣中的水，集成植物所需水分，成本更低，耗電量更小。如圖3 b) 所示，在智能花盆需要充電時進行水電分離式充電，底部托盤樣式的無線充電座避免花盆內多余水分流入帶電插口?；ㄅ璨恍枰潆姇r，無線充電托盤作為收納盤也可以為其他支持無線充電的電子產品充電。如圖3 c) 所示，光照系統為植物生長提供了所需光照，溫度、濕度及植物狀態清晰直觀顯示于主體。由于把手相對于使用者對光源有一定的遮擋作用使得智能花盆的光照系統在工作狀態時明亮又不晃眼。掛起時，底部環形光照可以輔助起到氛圍燈的作用。如圖3 d) 所示，切換到紫外燈模式時，將植物模塊同步更換成帶有誘捕蚊蟲屬性的植物，在凈化屋內環境的同時加強了人與植物及環境的互動。

圖3 不同模式效果圖