赵 颖，耿硕彪，吴子茗，温 静，张 素

（河北农业大学园林与旅游学院，河北保定 071000）

沙盘是指用直观的形式，按一定的比例将地形、地貌、地物缩小呈现于案几之上的模型［1］，主要应用于房地产开发、建筑设计、城市规划、景观设计和教学展示等领域。针对传统沙盘模型存在的景观效果单一、模型整体生命力构建不足以及互动性体验缺乏等问题，本研究进行智慧景观模型设计与制作的实践探索与总结，以期为景观沙盘模型的智能化与动态化发展提供可视化载体。

1 智慧景观模型的创新点

智慧景观模型在传统沙盘模型美学空间形态构建的基础上结合声、光、电等智能化应用，通过模块嵌入及程序控制的手段，实现动态化及智能化控制。

1）改变传统手工模型的制作方法，运用CAD 图纸绘制、SolidWorks 建模、3D 打印、激光切割等技术实现对模型的精准性、程序性制作。

2）增加智能化控制技术，构建智慧化控制系统，运用物联网通信模块等，实现对灯光、门窗开启等的智能化控制以及对模型整体环境日照情况、雨雪天气等的模拟，增强交互式景观体验。

3）实现景观模型中真实植物材料的突破性应用，结合智慧灌溉技术在小微模型中的应用实现模型的后期养护与管理。

2 智慧景观模型的实践探索

在模型制造过程中，探索以学生为主体，以教师和河北农业大学创新创业教育指导中心、园林与旅游学院造园创新工作室为助力的团队合作模式，将园林、建筑、景观等传统手工模型结合声、光、电等的智能化应用，使模型本身成为同时具备声、光、图像等结合于一体、具备互动性、结合数字科技的智能化景观模型，满足智能化与动态化模型发展趋势。

2.1 制作工艺

改变传统手工模型制作的方法，即以卡纸、塑料板、木板为材料，以手工切割、拼接为基础的制作方法，结合CAD、SolidWorks 等软件，应用激光切割、3D打印等技术手段，实现模型的精准性制作。

2.2 智能控制

结合机械工程学、结构力学及造型美学等知识，在整体空间模拟日照情况、雨雪等天气情况，运用控制器、传感器等模型识别传感器元件实现对灯光、门窗开启等的控制。其中，智能化控制系统作为智慧景观模型跨学科交叉创新的落脚点，本研究中详细论述其技术原理及实现途径。

2.3 表现形式

在智能化控制的基础上融入园林美学，对模型整体美学空间形态进行构建。在植物配置方面，结合生态缸、水陆缸等原理，在运用真实植物的基础上结合智慧灌溉技术，实现模型整体生命力的展现与延续。

2.4 材料选择

受成本及相关技术水平的限制，传统沙盘模型在模拟真实山水环境的基础上采取仿真植物营建植物景观，常用的材料有塑料模型树、植绒即时贴、仿真草坪、绿地粉以及泡沫塑料等，一定程度上削弱了自然氛围。

在植物造景方面选择生长缓慢、景观效果优良、生长习性适合沙盘环境的植物，如六月雪（Serissa japonica）、小叶紫檀（Pterocarpus santalinus）、赤楠（Syzygium buxifolium）、皋月杜鹃（Rhododendron indicum）、虎耳草（Saxifraga stolonifera）、小叶霹雳网纹草（Fittonia verschaffeltii）、文心兰（Oncidum hybridum）、文竹（Asparagus setaceus）、虎斑秋海棠（Begonia bowericv.‘Tiger’）、迷你岩桐（Sinningiaspp.）、苦苣苔（Conandron ramondioides）及各类蕨和苔藓等，营造富有生命力的景观。必要时结合水陆缸的实践操作，运用生态学原理，替换传统沙盘模型中常用的水体制作材料透明环氧树脂，将人工构建的微型生态系统引入模型。此外，还应深入生产前线，探索新材料在智能景观化模型上的应用可能。

3 智能化控制系统的技术原理与实现途径

声光电的智能化控制主要体现在建筑模型搭接技巧、楼体灯光效果、室外路灯感应控制、音乐喷泉控制、天窗开闭控制、智慧灌溉、活体植物沙盘维护以及交互式体验技术等方面。

该系统通过驻足节点和各系统多分足节点对智慧景观进行实时控制和监测。系统架构如图1 所示。驻足节点选用STM32F1 芯片，其分足点为各系统，如智能灌溉系统、音乐喷泉系统、室外灯光控制系统等。不同系统中含有不同的数据采集装置，如温湿度传感器。通过传感器监测的数据进入到单片机中，单片机进行数据处理，并及时反馈回各系统中。其中，物联网通信模块与单片机直接相连，用于获取网络地区时间等。

经运行结果表明，该系统设计灵活、成本低、布置简便，能够有效地对活体植物进行灌溉，准确获取实时时间等。基于物联网的各系统协调合作，工作稳定，安全性高。

3.1 MCU 选型

MCU（微控制器）作为核心的控制元件，执行编写好的程序代码，从而让各元器件及模块能够正常运行。采用STM32F103C8T6（图2），其拥有32-位RISC 内核，运行频率高达72 MHz。同时含有3 个12 位模数转换器和4 个通用16 位计时器，外加2 个PWM 计时器，2 个I2C，5 个USART，可连接至2 个APB 总线［2］。经实践验证，该微控制器性价比高，应用广泛［3］。

图2 STM32F103C8T6 芯片引脚

3.2 楼体灯光系统

模型楼体灯光通过8X8 点阵LED 动态扫描工作原理实现（图3），在制作模型时预先设计好电路，预留线路和灯在楼体中，后续组装。利用SolidWorks绘制模型，通过3D 打印制作黑色灯罩，防止灯光露出影响整体效果。以图书馆序列模型为例，前期通过编写程序对灯进行控制，实现“我爱农大·百廿庆”的字样（图4）。

3.3 音乐喷泉系统

利用声音分贝检测原理实现以下功能。

1）用户交互式体验。根据用户的声音大小改变喷泉高度，使用小麦克风采集声音，经过LM358 模组放大信号，再经ADC0832 采集，最终转换成分贝值［4］（图5）。

图5 ADC0832 模块电路

2）用户可自定义分贝阈值，通过按键的加减将设定的分贝限值存储于单片机内部。单片机将采集到的分贝值转化为电压，通过电路放大器控制喷泉的高度，展现设定的各种灯效。利用声波传感器判断人是否经过音乐喷泉，监测到人经过喷泉时，喷泉的水柱会骤降，然后上升，循环多次。

3）不同节日音乐喷泉播放相关歌曲，喷泉高度随歌曲节拍变化，出现高低错落、多孔齐喷的效果。

4）喷泉采用小型水泵进行喷洒，通过控制电机转速从而控制喷泉的高度，电机安装在喷泉底部，增设防水措施防止线路短路，安装水管分为多孔喷出水柱。

3.4 室外路灯控制系统

利用物联网技术，根据设定的经纬度地理位置及年月日访问气象台服务器获取日出及日落时间，控制路灯开关。利用通信模块实现远程通信，在该模块收集完传感器的数据信息后，连接到网关进行信息反馈，再将网关的控制信息反馈到模块。在主控板上对信息进行处理，再将处理后的结果利用串口输出。

每个路灯的开关安装在模型底盘内，用MOS 管开关进行控制，减小模型体积，并设有光敏传感器调控路灯亮度，有效减少电能能耗。

3.5 天窗开闭系统

利用物联网读取所在地区的天气预报信息，将信息上传到控制端，利用光感模块判断天气的阴晴，将结果发送给天窗的软件控制部分。当雨雪天气来临时，天窗自动关闭。利用1.8 步距角步进机进行丝杆传动开闭，用水平滑动的机械原理实现天窗的闭合。天窗用一个3 mm 光轴和一个3 mm 丝杆及加上滑块进行固定。天窗利用亚克力材料及ABS 材料制作，通过光感模块控制天窗的闭合，减少误差，并与路灯控制系统进行信息交互。

3.6 水循环系统

为满足智慧景观的水循环利用，对装有喷泉功能的模型设定水循环系统。该系统由亚克力板和绝水海绵组成（图6），喷出的水进入亚克力板材下设的槽中，结合水泵实现水的再利用。其中，绝水海绵内设管孔，为水管提供位置，节约空间资源。

图6 音乐喷泉实物展示

3.7 时间与更新系统

时间采集系统通过DS1307 串行实时时钟（RTC）架设，通讯方式选用I2C。该时钟能够基本准确地显示日历，提供秒、分钟、小时、天、日、月、年信息。该DS1307 芯片有一个内置检测电源故障电路并自动切换到备用电源，以防突然断电而丢失正确时间［5］。

以河北农业大学西校区图书馆序列模型为例，该时钟结合一个四位数码管显示器与3D 打印技术灯牌，通过设定指定校庆日期，从而出现实时更新的倒计时天数（图7）。

图7 DS1307 及倒计时实物展示

3.8 活体植物智能灌溉系统

智慧景观模型中，采取智慧农业养护、管理、灌溉技术在小微模型中的突破性运用，通过程序控制实现使用者对其轻松的智能化控制及管理养护。

智慧景观模型从小尺度景观场景入手，对土壤状况，如土壤含水量、pH、微生物含量等数据进行监测，对植物做到更深层次的养护与管理，实现一定程度的自我生态循环。

该系统模拟了一套全自动浇水系统，基于控制土壤湿度的智能灌溉装置。该系统会在不断轮询检测模式下进行工作，即土壤温湿度会不断收集土壤相对湿度（RH），检验到的环境湿度数据信号根据A/D 控制模块变换，将规范的电流量数字信号转变为环境湿度模拟信号，键入程序控制器。该系统核心可以通过控制系统，施加适量水进行灌溉，保障环境的相对稳定。

该系统具有实用性和良好的展示性，系统硬件具备良好的稳定性及防水、防潮、抗高温的能力［6］。实现的主要手段是，单片机收集大量温湿度信息，通过提前编程好的数据，做出是否灌溉的决策。

4 智慧景观模型的实践应用领域

4.1 智慧商业景观模型

模型作为一种对设计成果可视化表达的重要手段，在房地产开发、建筑与景观设计等领域具有重要的实用功能。如房地产营销过程中的模型展示最大程度还原项目建成后的样貌，将房地产所处位置、社区环境、周边配套设施、户型设计等清晰地呈现给购房者，智慧景观模型通过声、光、电等智能控制手段，将家具、灯光、小品等的布置与现实贴合，让购房者在交互体验过程中联想到未来生活的美好场景，增加购买欲望。

4.2 高校教学景观模型

4.2.1 智慧景观模型与设计方案推敲 园林沙盘模型是二维平面图纸的三维体现，可以清晰直观地表达出整体的平面布局、空间关系、色彩质感、比例尺度等平面图纸无法直观表达的内容，同时可以直接看出地形塑造和交通流线等的合理性，对于设计方案的理解和调整有很好的辅助作用［7］。其在教学中的应用有助于提高专业实践教学的效果以及系统性，使课程从平面图形转换到立体设计，将设计理念及意境展现更加形象具体、立体直观，加强教学场景的可视化程度，进一步培养学生扎实的空间思维能力、想象能力及空间布局能力。

4.2.2 智慧景观模型与场所感知体验 智慧景观模型通过对场景的智能复刻，最大程度还原现有景观与功能，使学生身临其境对场所进行感知，有助于加强教学场景的可视化程度，减少教师在教学过程中的困难。通过智慧景观模型的应用，结合声、光、电等智能化控制，推动传统课堂模式向智能化迈进，打破课堂以文字、图片、常规模型授课的传统模式。

4.3 智慧家居景观模型

景观模型在家居产品的创新性开发领域，可将家居产品如加湿器等的功能与景观模型的艺术化表达相结合，将智能元素、园林元素等融入其中。

5 小结

智慧景观模型在场景搭建、交互体验等方面创新应用潜力较充分，其科技与艺术共存、功能的完备、形式与真实感的统一等特点为智慧园林、智慧城市的建设与发展提供了可视化展示载体。随着智能化和动态化沙盘模型发展趋势的出现，模型制作的外延更加广阔。科学技术手段的进步、设计理念的更新转化为模型制作注入了新的活力，智慧景观模型将会更加真实、全面、系统地模拟和反映真实世界的景象，并在此基础上构建理想设计场景的蓝图。