器材及材料
植物牆模型主體:LEGO EV3 組件、膠片、塑膠水瓶、水杯
電路系統:micro:bit、IoT:bit 擴展板、感應器(温濕度感應器、土壤濕度感應器、水位感應器、塵埃感應器)、霧化裝置、水泵、塑膠水管、彩虹燈、電線、外置充電器
實驗材料:亞加力膠箱、線香、環保冰包、棉花、水、泥土、植物
探究過程
建構植物牆模型
我們首先思考植物牆模型的運作模式,考慮其需要運用哪些組件來達成目標,並繪製設計圖。我們參考日常生活中常見的扶手電梯,在牆的兩端加裝運輸帶,並把植物分層架設在植物牆上,使每層植物可以隨運輸帶升降。為了讓各項必須的組件在模型牆上有足夠的空間放置,我們的模型牆採取夾層式的設計,使電路系統、水槽(塑膠杯)等能有足夠的空間放置。我們把灌溉水管鋪設在植物牆的頂層,善用活動式的構造來灌溉,以減少水管的鋪設;並在夾層頂部加設了回流構造,使未能灌溉於植物上的水能回流至水槽儲存。
圖 1:植物牆正面的設計圖
圖 2:植物牆主體的立體設計圖
圖 3:植物牆模型(正面)
圖 4:植物牆模型(背面)
圖 5:植物牆模型夾層(左側)
圖 6:植物牆模型夾層(右側)
編寫感應器的測試程式
要達到預期的監測降污及自動化灌溉的功能,我們分別利用了 LEGO EV3 套件、 micro:bit 開發板(配備物聯網技術)及其配件作為我們系統的核心。在建立系統前,我們就各個感應器的感測功能及相應的輸出元件進行編程及測試,以獲取數據調整編程,期望感應器能在植物牆模型中發揮我們需要的作用。
活動式路軌(推動各層植物上升或下降)
活動式路軌主要以 LEGO EV3 套件完成。考慮到打理植物牆時,不同植物可能有不同的停留時間以滿足其照顧需要,我們在系統中採用手控的模式操控路軌活動,方便管理者操控植物牆上各層植物的升降。
在安裝活動式路軌馬達後,我們可以透過 LEGO EV3 主機的控制面板操控植物的升降。
圖 7:活動式路軌(控制馬達轉動)程式碼
塵埃感應器
我們期望植物牆模型能夠監測所處環境的懸浮粒子濃度,並透過物聯網輸出有關數據,使管理者可以透過互聯網即時檢視植物牆所處環境的空氣質素變化。在程式的設計中,塵埃感應器每 5 秒會偵測環境的污染物濃度 1 次(濃度單位為 µg/m3,即每立方米中的污染物重量),並透過 OLED 顯示出讀數。在程式中我們預留了一個當污染物水平較高時便會通路的連接埠,以備將來連接至霧化裝置。
圖 8:塵埃感應器程式碼
温濕度感應器
我們亦期望植物牆模型能夠監測所處環境的温度和相對濕度,並透過物聯網輸出有關數據,使管理者可以透過互聯網即時檢視植物場所處環境的温度和相對濕度變化。在程式的設計中,温濕度感應器每 2 秒會偵測環境的温度(單位為°C,即攝氏度)及相對濕度(單位為%),並透過 OLED 顯示出讀數。
由於植物牆上大多會栽種觀賞性植物,然而當氣温低於攝氏 15 度,便有可能使觀賞性植物凍傷且難以完全復原(范美玲,1997)。香港冬季平均氣温雖高於攝氏 15 度(香港天文台,2024),但亦偶爾因冬季季候風或寒潮使氣温低於攝氏 15 度,因此我們亦希望能夠在植物牆模型中加設加熱裝置,於寒冷天氣下能夠為植物牆上的植物保温。但由於加熱裝置具有一定危險性,故此我們以彩虹燈類比加熱裝置,加熱裝置未有啟用時會亮白燈,啟動時則轉為紅燈。
圖 9:温濕度應應器程式碼
土壤濕度應應器及水位感應器
為了減省管理者打理植物牆的工作,我們期望植物牆模型能夠自動化灌溉。在程式的設計中,土壤濕度感應器每秒也會偵測植物牆上的土壤的相對濕度(單位為%),如土壤的濕度過低,便會啟動水槽中的水泵泵水,經灌溉水管開始為植物牆上的植物灌溉。為確保水槽中有足夠貯水,程式設計中的水位感應器也會每秒偵測水槽內的水位高度,如水位過低便會向管理者發出警示,提醒管理者為水槽注水。
圖 9:温濕度應應器程式碼
測試紀錄及結果
在完成編寫的測試程式及組裝後,我們便着手對植物牆模型進行測試。以下是測試紀錄:
降低空氣污染水平效能測試
在此測試中,我們採用對照實驗的方式,利用燃點線香所產生的煙霧模擬空氣中懸浮粒子濃度較時的情境,以測試植物牆的霧化裝置能否在短時間內降低空氣污染的水平。進行實驗時,我們會以亞加力膠箱覆蓋植物牆模型的前方,令污染物更集中於實驗範圍內。
實驗開始時,我們會先在植物牆模型附近燃點線香 30 秒,製作足夠的空氣污染物並記錄起始濃度,然後移除線香,並記錄 30 秒內的污染物濃度變化。
在對照組中,霧化裝置並沒有被啟動,但線香移除後,污染物仍然於環境空氣中殘留並隨空氣流動,令空氣污染持續維持於較高的水平;而在實驗組中,霧化裝置會啟動 30 秒,而污染濃度在移除線香 15 後呈現明顯下降的趨勢,可見霧化裝置能夠有效在短時間內降低空氣污染物的濃度水平,縮短空氣污染物殘留於環境空氣中的時間,從而降低空氣污染對人與環境所造成的影響。
圖 10:降低空氣污染水平效能測試的結果
温度感應器及彩虹燈(類比加熱裝置)
我們利用體温、室温及環保冰包改變温濕度感應器附近的環境温度,以檢視其讀數數化及類比加熱裝置的彩虹燈反饋。
測試結果證實,温度感應器的讀數會隨環境温度而改變,而當環境温度低於攝氏 15 度時,類比加熱裝置的白燈亦會轉變為紅燈,符合我們的預期。
圖 11:温度感應器與彩虹燈(類比加熱裝置)測試的結果
自動灌溉系統
我們透過土壤濕度感應器、水泵與灌溉水管建立自動灌溉系統。測試結果證實,如土壤濕度感應器感測到土壤較為乾燥,便會啟動水泵從水槽中抽水,並經灌溉水管開始為植物牆上的植物灌溉;如感應器感測到土壤已足夠濕潤,水泵便會停止運作,隨後灌溉水管便會停止灌溉。
圖 12:土壤濕度感應器與水泵測試的結果
物聯網
為了讓管理者有效監測植物牆模型所處環境的空氣污染物濃度、温度、濕度,植物牆上的土壤濕度及水槽內的水位高度,我們把以上的數據透過物聯網傳送至 ThingSpeak 平台,並在平台上設置了提醒功能,當水位感應器的讀數低於 20,平台上就會亮起紅色的警報燈,以直觀的方式顯示水槽內儲水量不足,提醒管理者要為水槽注水。
圖 13:實時數據監察平台截圖
參考資料
范美玲(1997):〈如何幫助觀葉植物過冬〉,《花蓮區農業專訊》,22,頁 14 - 16。
香港天文台(2024):〈香港的氣候〉,蒐集日期:2025 年 4 月 17 日。