基于物场模型的盆栽植物自动灌溉装置的创新设计
摘要:基于TＲIZ理论中的物场模型，对盆栽植物设计了一套自动灌溉装置。该装置利用虹吸原理，通过利用半渗透膜让盆栽植物自行控制吸水的速度和吸水量，在不需要电力支持和人工浇灌的条件下，自动完成室内盆栽植物的灌溉任务，达到了节能减排的效果。
1引言
随着我国城镇化进程的加速，城市人口越来越多，在繁忙的工作之余，人们也日益希望在家中感受到更多的绿色，因而室内园艺变得越来越流行，许多家庭都在自家阳台上或窗台上种满了盆栽。但是，由于工作繁忙而忘记浇水，或者由于要长时间出差、休假导致这些盆栽不能及时浇水，而导致盆栽枯萎乃至死亡。那么有没有一种合适的方式对室内盆栽进行自动灌溉呢？
虽然关于家中盆栽植物自动灌溉装置少见报道，但类似的装置已经得到了许多研究者的关注。鞠永胜等［1］为蔬菜大棚开发了一套灌溉系统，该系统基于单片机和视频模块nＲF24L01实现无线数据传输，利用多点湿度传感器检测环境湿度，然后进行数据处理发送控制信号以控制电磁阀进行自动灌溉;李光林等［2］开发了一套柑橘园的自动灌溉系统，该系统以太阳能为主要能源，用土壤水分传感器实时检测土壤含水率，基于检测结果对灌溉系统进行控制;高菊玲等［3］使用类似的技术，研发了丘陵地区果园的自动灌溉系统;赵荣阳等［4］研发了一套水稻自动灌溉系统，该系统通过水位传感器检测隔田水位，并与设定值比较来控制电磁阀的通断从而实现自动灌溉;张志强等［5］则针对温室盆栽作物，开发了一套基于可编程逻辑控制器的灌溉装置，该装置利用PLC内部模拟数据采集电路，压力传感器测量出盆栽作物的质量，用条形码读码器读取盆栽作物的信息，然后基于此信息进行自动灌溉。
上述灌溉装置主要针对大面积的农作物自动灌溉使用，一般使用水位传感器或者湿度传感器检测农作物中含水量的大小，使用单片机或者PLC进行信息的处理，最后控制电磁阀来完成自动灌溉作业。对于家庭盆栽植物自动灌溉而言，如果直接使用上述技术，则耗资巨大而且不必要，因此本创新设计是专门开发一套适合家庭盆栽植物的简易装置。即基于TＲIZ原理中的物场模型，对自动灌溉装置进行了创新设计。
2物场模型与标准解系统
设计一套全新的装置，从学科角度它属于创新设计领域。在该领域，最权威、用途最广的的理论是TＲIZ。TＲIZ是一套以人为导向的知识系统之系统化创新问题解决方法，它强调发明或创新的规律性。TＲIZ的主要内容包括:根据技术矛盾或物理矛盾而寻找相应的发明原理，然后根据发明原理进行创造;利用物场模型进行关键问题的求解;以及利用科学效应库而完成特定的功能。在TＲIZ的常用发明技术中，物场模型因其直面问题，能够直接提出行之有效的解决方案而得到广泛应用，下面简要地阐明物场模型及针对物场模型的标准解系统。
任何一套技术系统都是由“物质”和“场”两种元素所组成的集合体。“物质”指工程系统中包含的任意复杂级别的具体对象，包括:材料类物质、工具类物质、人员类物质、环境类物质等。“场”指的是存在于物质之间的各种相互作用，例如:力场、声场、热能场、电场、磁场、化学场、电磁辐射场、放射性辐射场、化学场、气味场等。场为我们提供了一种表示能量流、信息流、力流和相互作用的机制。
以技术系统为分析对象，以物质和场为基本分析要素，以揭示技术系统的作用机制为目的分析方法，称为物场分析方法，简称物场分析。利用图形化语言对物场分析的结果进行描述，可以得到一个图形化的模型。通过描述技术系统中所包含的物质、场之间的关系，该图形化模型可以揭示技术系统的作用机制，这种图形化的模型称为物场模型。最简单的物场模型如图1所示。
其中，S1是第一种物质，它是作用的承受者，或称为产品;S2是第二种物质，它是作用的施加者，或称为工具;F是施加者与承受者之间的相互作用，也就是场。上述结构表明，在产品的形成过程中，一般都应有两个物质和一个场，它们实现物质间的相互作用和影响。为了便于理解，本设计在使用物场模型时，根据TＲIZ的物场模型的基本思想，改造为另一种简易的物场模型，如图2所示。
在TＲIZ中，物场分析是针对特定问题对技术系统中最重要的部分进行建模的工具，也是识别技术系统中存在的问题的核心工具。使用物场模型求解不同的问题模型可得到五大类共76种标准解。
第一类标准解在不改变系统，或者只对系统作微小改变的条件下改善系统;第二类标准解则通过改变系统来改善系统;第三类标准解通过系统转换来得到解答;第四类标准解则用于检验和测量问题的解答;第五类标准解则是为解决无法向系统引入新物质、新场而提出来的解决方案。
