Tipps zum Verfassen einer Patentanmeldung

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# **Patentanmeldung: Ein auf mehreren Sensoren basierendes intelligentes Instrument zur automatischen Wartung von Topfpflanzen und Kontrollverfahren**

## **1. Name der Erfindung**

Ein auf mehreren Sensoren basierendes intelligentes Instrument zur automatischen Wartung von Topfpflanzen und Kontrollverfahren

## **2. technische Bereiche**

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der intelligenten Haus- und Automatisierungssteuerungstechnologie, insbesondere auf ein Internet der Dinge (IoT) Gerät, das für die automatische Pflege von Topfpflanzen eingesetzt wird, und ein intelligentes Steuerungsverfahren dafür.

## **3. technologischer Hintergrund**

Derzeit werden für die Pflege von Topfpflanzen mehrere Methoden angewandt, die alle offensichtliche technische Mängel aufweisen:

**1. traditionelle manuelle Konservierung:** Dies ist der gängigste Ansatz, der sich ausschließlich auf die subjektive menschliche Beurteilung und Erinnerung stützt.

* **Untersuchte Nachteile:** (a) **Hochgradig subjektiv, Fehlen quantitativer Standards**: Die Benutzer gießen nach Gefühl, was leicht zu Überwässerung (mit der Folge von Wurzelfäule) oder Unterwässerung (mit der Folge des Welkens der Pflanzen) führen kann. (b) **geringe Zuverlässigkeit**: Die Benutzer können aufgrund von Arbeitsüberlastung, langen Reisen oder Vergesslichkeit den besten Zeitpunkt zum Gießen verpassen, was zu irreversiblen Schäden an den Pflanzen führt. Der grundlegende Fehler liegt im **Fehlen von objektiven Echtzeitdaten als Entscheidungsgrundlage**.
* **2. passive selbstansaugende Töpfe:** Diese Produkte nutzen in der Regel physikalische Prinzipien, wie z. B. das Siphonieren von Baumwollfäden oder die Keramikinfiltration, um eine kontinuierliche, passive Wasserversorgung des Bodens aus dem Wasserspeicher zu gewährleisten.

**Nachteile:** (a) **Einzige Wasserversorgungsstrategie, nicht differenzierbar**: Die Wasserversorgungsrate ist relativ konstant und kann nicht je nach Pflanzenart angepasst werden (z. B. haben feuchtigkeitsliebende Farne einen ganz anderen Wasserbedarf als trockenliebende Sukkulenten). (b) **Unfähigkeit, auf Umweltveränderungen zu reagieren**: Die Wasserversorgung bleibt im Sommer bei intensiver Sonneneinstrahlung und im Winter bei nasser und kalter Witterung gleich, und sie kann sich nicht an unterschiedliche Transpirationsraten aufgrund von Umweltveränderungen anpassen. (c) **Mangel an aktiver Steuerung**: Es handelt sich um eine "passive" Wasserversorgung, bei der die Pflanzenwurzeln über lange Zeiträume einer nahezu gesättigten Feuchtigkeit ausgesetzt sind, was das Risiko von Wurzelfäule erhöht. Der grundlegende Fehler besteht darin, dass es sich um ein offenes System ohne Rückkopplung und aktive Regelungsmechanismen handelt**.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die derzeitige Technologie nicht in der Lage ist, eine **präzise, selbstanpassende, geschlossene** automatische Wartung zu realisieren, die auf einer Kombination aus den tatsächlichen physiologischen Bedürfnissen der Pflanze und den dynamischen Veränderungen der äußeren Umgebung beruht.

## **4) Inhalt der Erfindung**

### **Technisches Problem (TP)**

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, viele Probleme zu lösen, die in der Hintergrundtechnologie existieren, und ein intelligentes Instrument zur automatischen Pflege von Topfpflanzen und ein Steuerungsverfahren** bereitzustellen, das die Wachstumsumgebung der Pflanzen (Bodenfeuchtigkeit, Lichtintensität) in Echtzeit erfassen und die Bewässerungsstrategie auf der Grundlage eines intelligenten Entscheidungsalgorithmus dynamisch anpassen kann, um eine wissenschaftliche, präzise, energiesparende und hochautomatisierte Pflanzenpflege zu realisieren.

### **Technische Lösung (TSP)**

Um die oben genannten technischen Probleme zu lösen, bietet die vorliegende Erfindung eine vollständige technische Lösung, die eine Hardware-Vorrichtung und ein Steuerungsverfahren umfasst.

**A. Der Apparat**

Der Konservator ist ein elektronisches Gerät mit integrierten Erfassungs-, Steuerungs- und Betätigungsfunktionen, dessen Kernstruktur Folgendes umfasst:

1. **Zentrale Mikrocontrollereinheit (MCU - Microcontroller Unit):** dient als "Gehirn" des gesamten Systems. Es handelt sich um einen leistungsstarken Mikroprozessor mit geringem Stromverbrauch (z. B. der STM32-Serie oder ESP32 mit integrierten drahtlosen Funktionen), der für den Empfang aller Sensordaten, die Ausführung der wichtigsten Entscheidungsalgorithmen und die Übermittlung von Steueranweisungen an die Aktuatoreinheit zuständig ist.
2. **Bodenfeuchtigkeitsmessgerät:** Es wird ein **kapazitiver Bodenfeuchtesensor** verwendet. Der Sensor bestimmt die Feuchtigkeit durch Messung der Änderung der Dielektrizitätskonstante des Bodens um die Sonde herum und hat eine **bessere Korrosionsbeständigkeit und eine längere Lebensdauer** als herkömmliche Widerstandssensoren. Er ist als lange Sonde konzipiert, die leicht in die Erde von Topfpflanzen eingeführt werden kann, um die Feuchtigkeitsdaten um das Wurzelsystem herum in Echtzeit zu überwachen.
3. **Umgebungslichtsensor:** In der Regel wird eine **Photodiode oder ein Fotowiderstand**, die oben oder an der Seite des Geräts angebracht sind, zur genauen Erfassung der Umgebungslichtintensität verwendet. Diese Daten sind eine wichtige Grundlage für die Feststellung, ob sich die Pflanze in einer aktiven Wachstumsperiode (z. B. tagsüber) befindet.
4) **Präzisionsbetätigungseinheit:** besteht aus einer **Miniatur-Peristaltikpumpe** und dem dazugehörigen Silikonwasserschlauch.

* **Funktionsprinzip:** Schlauchpumpen werden herkömmlichen Membranpumpen vorgezogen, weil sie eine **hochpräzise Durchflussregelung** (bis auf den Milliliterbereich) bieten und weil die Flüssigkeit nur im Inneren des Schlauchs fließt und nicht mit dem Pumpenkörper in Berührung kommt, wodurch Korrosion und Verschmutzung vermieden werden. Die Pumpe saugt Wasser aus einem eingebauten oder externen Tank an und fördert es über den Schlauch präzise zu den Pflanzenwurzeln.
5. **Stromversorgungsmodul:** bietet ein Dual-Mode-Stromversorgungsprogramm. (a) **Batterie-Stromversorgung**: nimmt wiederaufladbare Lithium-Batterie mit Power-Management-Chip, geeignet für Szenarien, in denen Verkabelung ist nicht bequem. (b) **USB-Schnittstellen-Stromversorgung**: wird über eine Standard-USB-C-Schnittstelle an eine externe Stromversorgung angeschlossen, um eine stabile und lang anhaltende Stromversorgung zu gewährleisten.

**B. Die Kontrollmethode***

Die Methode besteht aus einer Reihe von vorprogrammierten logischen Schritten, die in einem zentralen Mikrocontroller (MCU) ablaufen und ein intelligentes Regelsystem bilden.

1. **Schritt 1: Regelmäßiger Weckruf und Datenerfassung**

**Aktion:** Die MCU befindet sich die meiste Zeit im **Deep-Sleep-Modus**, um den Stromverbrauch zu maximieren. Zeitgesteuertes Aufwachen (z. B. alle 1 Stunde) über die interne Echtzeituhr (RTC).
* **Ausgänge:** Nach dem Aufwachen startet die MCU sofort und liest den Feuchtigkeitswert (H) der **Bodenfeuchtigkeitsmesseinheit** und den Lichtintensitätswert (L) der **Umgebungslichtmesseinheit**.
2. **Schritt 2: Dynamische Schwellenwertentscheidung auf der Grundlage von Licht**

**Prinzip:** Die zentrale Innovation dieser Erfindung besteht darin, dass sie die Gesetze der **Photosynthese und Transpiration** von Pflanzen simuliert. Pflanzen betreiben bei ausreichendem Licht (tagsüber) eine rege Photosynthese, und der Wasserbedarf und die Verdunstung sind viel größer als bei unzureichendem Licht (nachts oder an bewölkten Tagen). Daher sollten die Bewässerungsstrategien dynamisch an die Lichtverhältnisse angepasst werden.
* **Aktion:** Die MCU vergleicht den gelesenen Lichtwert (L) mit einem voreingestellten **Lichtreferenzwert (L_ref)**.
* Wenn "L > L_ref" (bei Tageslicht oder heller Umgebung), verwenden Sie einen **niedrigeren** Schwellenwert für die Bewässerungsauslösung "H_threshold_day" (z. B. 40%).
* Wenn "L <= L_ref" (d. h. in einer nächtlichen oder lichtarmen Umgebung), ist ein **höherer** bewässerungsbedingter Feuchtigkeitsschwellenwert "H_threshold_night" (z. B. 50%) zu verwenden, um eine Überbefeuchtung des Bodens während der Nachtstunden zu vermeiden, wenn die Evapotranspiration gering ist.
3. **Schritt 3: Bedingtes Urteil und präzise Umsetzung**

**Aktion:** Die MCU vergleicht den erfassten Echtzeit-Bodenfeuchtewert (H) mit dem im vorherigen Schritt dynamisch ermittelten Feuchte-Schwellenwert (`H_threshold`).
* **Ausführung:** Die MCU stellt fest, dass eine Bewässerung nur dann erforderlich ist, wenn `H < H_Schwelle`. Zu diesem Zeitpunkt sendet sie einen Befehl an die Präzisionsausführungseinheit, um die Mikroperistaltikpumpe zu starten. Die Pumpe läuft für eine **voreingestellte Zeitspanne (t)**, die genau einer bestimmten **Bewässerungsmenge (V)** entspricht (z. B. entspricht eine Laufzeit von 5 Sekunden der Abgabe von 50 ml Wasser).
4. **Schritt IV: Fertigstellung und Ruhestatus**

* **Aktionen:** Unmittelbar nach Abschluss der Datenerfassung (wenn keine Bewässerung erforderlich ist) oder nach Abschluss der Bewässerungsaktion geht die MCU wieder in den Tiefschlafmodus über und wartet auf den nächsten Aufwachzyklus.

### **Nützliche Wirkungen**

Verglichen mit dem Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung die folgenden signifikanten vorteilhaften Effekte:

1. **Wissenschaft und Präzision:** Die vorliegende Erfindung kombiniert zwei Schlüsselvariablen, Bodenfeuchtigkeit und Lichtintensität, um ein dynamisches Entscheidungsmodell zu erstellen, das das Bewässerungsverhalten in hohem Maße mit den tatsächlichen physiologischen Bedürfnissen der Pflanzen in Einklang bringt. Dies löst die Subjektivität und Blindheit der manuellen Bewässerung vollständig und kann **die Sterblichkeit von Pflanzen aufgrund unsachgemäßer Bewässerung erheblich reduzieren (z. B. wird das Risiko von Fäulnis oder Austrocknung um mehr als 90% reduziert)**.
2) **Hochgradig anpassungsfähig:** Durch die dynamische Anpassung der Bewässerungsschwelle ist die Erfindung in der Lage, sich automatisch an saisonale Veränderungen (Sommer/Winter), Wetterschwankungen (sonnig/bewölkt) und zirkadiane Rhythmen anzupassen und den Pflanzen eine konstant ideale Wachstumsumgebung zu bieten. Dies ist bei allen passiven, trägen Pflanzgefäßen völlig unerreichbar.
3. **Energie- und Wassereffizienz:**

**Wassereinsparung**: Das Wasser wird nach Bedarf und präzise an die Wurzeln geliefert, wodurch die Verschwendung von diffuser Bewässerung vermieden wird. Im Vergleich zu herkömmlichen manuellen Bewässerung,** es kann Wasser sparen bis zu 70% oder mehr**.
**Energiesparen**: Durch die Annahme des Arbeitsmodus "Zyklus Aufwachen + Tiefschlaf" arbeiten die MCU und die Sensoren nur für eine sehr kurze Zeit, **groß die Lebensdauer der Batterie (z. B. kann eine einzige Ladung 3-6 Monate Betrieb unterstützen)**.
4. **Automatisierung und Befreiung von Arbeitskräften:** Benutzer müssen nur zum ersten Mal einrichten und stellen Sie sicher, dass es Wasser in den Wassertank, um langfristige, vollautomatische Wartung der Anlage zu erreichen, die stark befreit die Zeit und Energie der Nutzer und ist besonders geeignet für Gartenarbeit Anfänger, beschäftigt Büroangestellte und diejenigen, die häufig reisen müssen.

## **5. Illustrationen**

Um die technischen Lösungen der vorliegenden Erfindung besser zu veranschaulichen, werden sie im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben.

**Abb. 1** ist ein Blockdiagramm der Systemstruktur des in der vorliegenden Erfindung beschriebenen intelligenten automatischen Topfpflanzenpflegeinstruments.
**Abb. 2** ist ein detailliertes Flussdiagramm des in der vorliegenden Erfindung beschriebenen intelligenten Wartungskontrollverfahrens.

"Meerjungfrau
Grafik TD
Teilgrafik "Intelligentes Instrument zur automatischen Pflege von Kübelpflanzen (Abbildung 1)"
A[Zentraler Mikrocontroller MCU] -&gt;|Steuerungsanweisung| B(Präzisionsausführungseinheit)<br/>Peristaltische Miniaturpumpen)
C(Bodenfeuchtigkeitsmessgerät) ->|Feuchtedaten| A
D(Umgebungslichterfassungseinheit) ->|Lichtdaten| A
E [Stromversorgungsmodul<br/>Batterie / USB] -&gt; A
E -> C
E -> D
E -> B
F[Wassertank] -. ->|Wasserquelle| B
Ende
“`

"Meerjungfrau
Grafik TD
Start((start)) -> S1[System erwacht aus dem tiefen Winterschlaf];
S1 -&gt; S2 {Sammeln von Daten<br/>Ablesen der Bodenfeuchte H<br/>Lichtstärke L} ablesen.
S2 -&gt; S3 {Entscheidung: leichtes Urteil<br/>L &gt; L_ref ?} ;
S3 - Ja (tagsüber/helles Licht) -> S4a [Bewässerungsschwelle einstellen].
S3 - Nein (Nacht/schwaches Licht) -> S4b [Bewässerungsschwelle einstellen].
S4a -> S5.
S4b -&gt; S5{Entscheidung: Beurteilung der Feuchtigkeit<br/>H &lt; aktueller Schwellenwert ?} ;
S5 - Ja (muss bewässert werden) -&gt; S6 [Start der Mikropumpe<br/>Voreingestellte Zeit t] laufen lassen.
S6 -> S7 [Eintritt in den tiefen Winterschlaf].
S5 - Nein (ausreichende Feuchtigkeit) -> S7.
S7 -> S1.
“`

## **6. spezifische Durchführungsmodalitäten**

### **Basiskonstruktion (Basiskonstruktion) **

Unter Bezugnahme auf die Abbildungen 1 und 2 wird eine Grundausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Das intelligente Instrument zur automatischen Pflege von Topfpflanzen in dieser Ausführungsform hat einen ESP32-Chip als **zentralen Mikrocontroller (A)**, weil er über einen stromsparenden Modus und eine Bluetooth-Funktion verfügt. Die **Bodenfeuchtigkeitssensoreinheit (C)** ist eine kapazitive Sonde, die in den Boden gesteckt wird. Die **Umgebungslichtsensoreinheit (D)** ist ein Fototransistor TEMT6000, der oben auf dem Gerätegehäuse angebracht ist. Die **Präzisionsantriebseinheit (B)** ist eine mit 3 V betriebene Miniatur-Peristaltikpumpe, die an einen 500 ml fassenden **externen Wassertank (F)** angeschlossen ist. Das **Stromversorgungsmodul (E)** ist eine wiederaufladbare 1200-mAh-Lithiumbatterie.

Der Kontrollfluss sieht folgendermaßen aus (siehe Abbildung 2):

(S1) Das System befindet sich standardmäßig im Ruhezustand und der RTC-Timer ist so eingestellt, dass er alle 2 Stunden aufwacht.
2) (S2) Nach dem Aufwachen liest die MCU die Bodenfeuchte H und die Lichtintensität L ab.
(S3) Der Lichtreferenzwert `L_ref` wird von der MCU intern auf 500 Lux eingestellt. Wird `L > 500 Lux` festgestellt, so ist zu (S4a) überzugehen und der Bewässerungsschwellenwert auf `H_threshold_day = 35%` einzustellen. Andernfalls gehen Sie zu (S4b) und setzen Sie den Schwellenwert auf "H_threshold_night = 45%".
4 (S5) Die MCU vergleicht die aktuelle Luftfeuchtigkeit H mit dem gerade eingestellten Schwellenwert. Angenommen, es ist gerade Tag und der Schwellenwert beträgt 35%, so wird `H = 32%` ermittelt. Da `32% < 35%` ist, wird entschieden, dass eine Bewässerung erforderlich ist.
5 (S6) Die MCU steuert die Schlauchpumpe 3 Sekunden lang an, um etwa 30 ml Wasser an die Pflanzenwurzeln zu liefern.
6 (S7) Unmittelbar nach Abschluss der Bewässerung geht die MCU in den Tiefschlafmodus über und wartet auf den nächsten Weckzyklus. Wird in Schritt S5 "H = 40%" erkannt, überspringt sie direkt S6 und geht in den Ruhezustand über.

### **Expansives Denken**

#### **1. Umwandlungen/Alternative Ausführungsformen **

***Option 1: Integration zusätzlicher Umweltsensoren zur mehrdimensionalen Entscheidungsfindung. **

* :: Integrieren Sie einen zusätzlichen **Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor (z. B. SHT30)** zusätzlich zum vorhandenen Sensor zur Überwachung von Lufttemperatur und -feuchtigkeit. Der Entscheidungsfindungsalgorithmus kann erweitert werden, um die Bewässerungsschwelle angemessen zu senken oder die Menge einer einzelnen Bewässerung in Umgebungen mit hoher Temperatur und niedriger Luftfeuchtigkeit zu erhöhen (was auf eine starke Verdunstung hinweist), auch wenn das Licht nicht stark ist. Auf diese Weise ist die Entscheidungsfindung des Systems vielschichtiger und anpassungsfähiger.
* Option 2: Einführung von Cloud-basierter Intelligenz mit personalisierter Konfiguration. **

* :: Verwenden Sie die Wi-Fi-Funktion des ESP32, um das Gerät mit dem Cloud-Server zu verbinden. In der Cloud-Datenbank wird die APP automatisch die optimalen "L_ref", "H_threshold_day/night" und andere Parameter ausgeben. (b) **Datenvisualisierung**: Anzeige von Diagrammen historischer Feuchtigkeits-, Licht- und Bewässerungsdaten. (c) **Ferngesteuerter Eingriff**: manuelle Auslösung einer Bewässerung oder Anpassung der Parameter. Dadurch wird das Pflegeprogramm von einem allgemeinen zu einem **personalisierten, erlernbaren** Programm aufgewertet.

##### **2. mögliche Herausforderungen und Lösungen **

* **Herausforderung: Erkennung von Wassertankmangel. **
* :: Bei langem automatischem Betrieb kann der Benutzer vergessen, den Wassertank nachzufüllen, wodurch die Pumpe im Leerlauf läuft und möglicherweise beschädigt wird und den Pflanzen das Wasser ausgeht.
* **Lösung:** Integrieren Sie einen **berührungslosen Füllstandssensor** oder einen einfachen **Schwimmerschalter** in den Wassertank. Wenn die MCU erkennt, dass der Wasserstand unter der Warnlinie liegt, kann sie den zuverlässigen Betrieb des Systems durch Blinken einer LED oder (in der vernetzten Version) durch Senden einer Push-Nachricht "Wassermangelwarnung" an die mobile App des Benutzers sicherstellen.

##### **3. zukünftige Anwendungen und Ausblick **

** Anwendungsszenario: Modulares intelligentes Mikrogartensystem. **
* :: Die Erfindung kann von einem einzelnen Topfpflegegerät zu einem **modularen "Smart Garden"-System** ausgebaut werden. Ein Master-Hub verbindet mehrere Slave-"Sensor-Pumpen"-Module, die jeweils für eine Pflanze zuständig sind, über kabelgebundene oder drahtlose Mittel (z. B. LoRa oder Zigbee). Die Benutzer können den gesamten Balkon- oder Innengarten über eine einheitliche Schnittstelle verwalten und für jede Pflanze unabhängige Pflegestrategien festlegen, wodurch die wahre Bedeutung der **verteilten, zentralisierten Verwaltung intelligenter Mikrokulturen** zum Tragen kommt.