Dicas para redigir um pedido de patente

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# **Envio de patente: Um método de controle e instrumento de manutenção automática de plantas de vaso inteligente baseado em multissensores**

## **1. nome da invenção**

Método de controle e instrumento de manutenção automática de plantas de vasos inteligentes com base em vários sensores

## **2. áreas técnicas**

A presente invenção está relacionada ao campo da tecnologia de controle de automação e casa inteligente, especificamente, um dispositivo de Internet das Coisas (IoT) aplicado à manutenção automática de vasos de plantas e um método de controle inteligente.

## **3. tecnologia de fundo**

Atualmente, o cuidado com as plantas em vasos se baseia em vários métodos, todos com deficiências técnicas óbvias:

* Conservação manual tradicional:** Essa é a abordagem mais comum e depende inteiramente do julgamento humano subjetivo e da memória.

* Desvantagens analisadas:** (a) **Subjetividade acentuada e falta de padrões quantitativos**: os usuários regam por sensação, o que pode facilmente levar à rega excessiva (causando apodrecimento da raiz) ou à rega insuficiente (resultando no murchamento das plantas). (b) **Baixa confiabilidade**: os usuários podem perder o melhor momento para regar devido ao trabalho intenso, viagens longas ou esquecimento, causando danos irreversíveis às plantas. A falha fundamental está na **falta de dados objetivos e em tempo real como base para a tomada de decisões**.
* Esses produtos normalmente usam princípios físicos, como sifão de fio de algodão ou infiltração de cerâmica, para fornecer um suprimento contínuo e passivo de água para o solo a partir da área de armazenamento de água.

* (a) **Estratégia única de suprimento de água, incapaz de se diferenciar**: sua taxa de suprimento de água é relativamente constante e não pode ser ajustada de acordo com a espécie da planta (por exemplo, samambaias que gostam de umidade têm necessidades de água muito diferentes das suculentas que gostam de seca). (b) **Incapacidade de responder a mudanças ambientais**: seu padrão de fornecimento de água permanece o mesmo, seja no verão, quando a luz é intensa, ou no inverno, quando é úmido e frio, e não consegue se adaptar a diferentes taxas de transpiração devido a mudanças ambientais. (c) **Falta de controle ativo**: trata-se de um suprimento de água "passivo", em que as raízes das plantas ficam expostas à umidade quase saturada por longos períodos de tempo, aumentando o risco de apodrecimento das raízes. A falha fundamental é que se trata de um sistema de circuito aberto, sem mecanismos de feedback e de regulação ativa**.

Em resumo, a tecnologia existente não é capaz de realizar uma manutenção automatizada **precisa, autoadaptativa e de circuito fechado** com base em uma combinação das necessidades fisiológicas reais da planta e das mudanças dinâmicas no ambiente externo.

## **4. conteúdo da invenção**

### **Problema técnico (TP)**

A presente invenção tem como objetivo solucionar muitos problemas existentes na tecnologia anterior e fornecer um instrumento de manutenção automática de vasos de plantas inteligente e um método de controle** que possa ** sentir em tempo real o ambiente de crescimento da planta (umidade do solo, intensidade da luz) e ajustar dinamicamente a estratégia de irrigação com base em um algoritmo de tomada de decisão inteligente, de modo a realizar a manutenção científica, precisa, altamente automatizada e com economia de energia da planta.

### **Solução técnica**

Para resolver os problemas técnicos acima, a presente invenção oferece uma solução técnica completa que compreende um dispositivo de hardware e um método de controle.

**A. O Aparelho**

O conservador é um dispositivo eletrônico com funções integradas de detecção, controle e atuação, e sua estrutura principal inclui:

1. **Unidade central de microcontrolador (MCU - Microcontroller Unit):** serve como o "cérebro" de todo o sistema. É um microprocessador de baixo consumo de energia e alto desempenho (por exemplo, série STM32 ou ESP32 com recurso sem fio integrado) responsável por receber todos os dados do sensor, executar os principais algoritmos de tomada de decisão e enviar instruções de controle para a unidade do atuador.
2. **Unidade de detecção de umidade do solo:** É usado um **sensor capacitivo de umidade do solo**. O sensor determina a umidade medindo a alteração na constante dielétrica do solo ao redor da sonda e tem **melhor resistência à corrosão e vida útil mais longa** do que os sensores resistivos convencionais. Ele foi projetado como uma sonda longa que pode ser facilmente inserida no solo de plantas em vasos para monitorar os dados de umidade ao redor do sistema radicular em tempo real.
3. **Unidade de detecção de luz ambiente:** Normalmente, um **fotodiodo ou fotorresistor**, montado na parte superior ou lateral da unidade, é usado para detectar com precisão a intensidade da luz ambiente. Esses dados são uma base fundamental para determinar se a planta está em um período de crescimento ativo (por exemplo, durante o dia).
4. **Unidade de atuador de precisão:** consiste em uma **bomba peristáltica em miniatura** e na tubulação de água de silicone que a acompanha.

* Princípio de operação:** As bombas peristálticas são escolhidas em vez das bombas de diafragma comuns porque proporcionam um controle de fluxo ** altamente preciso (até o nível de mililitros) e porque o líquido flui somente dentro da tubulação e não toca o corpo da bomba, evitando corrosão e contaminação. A bomba extrai a água de um tanque interno ou externo e a entrega com precisão às raízes da planta por meio da mangueira.
5. **Módulo de fonte de alimentação:** fornece um programa de fonte de alimentação de modo duplo. (a) **Fonte de alimentação de bateria**: adota bateria de lítio recarregável com chip de gerenciamento de energia, adequada para cenários em que a fiação não é conveniente. (b) **Fonte de alimentação com interface USB**: conecta-se a uma fonte de alimentação externa por meio de uma interface USB-C padrão para fornecer energia estável e duradoura.

**B. O método de controle***

O método consiste em uma série de etapas lógicas pré-programadas executadas em um microcontrolador central (MCU) para formar um sistema de controle inteligente de circuito fechado.

1. **Etapa 1: chamada de despertar periódica e aquisição de dados**

* Ação: A MCU está no **Modo de suspensão profunda** na maior parte do tempo para maximizar a economia de energia. Despertar programado (por exemplo, a cada 1 hora) por meio do relógio interno em tempo real (RTC).
**Saídas:** Ao despertar, a MCU inicia imediatamente e lê o valor da umidade (H) da **Unidade de detecção de umidade do solo** e o valor da intensidade da luz (L) da **Unidade de detecção de luz ambiente**.
2. **Etapa 2: tomada de decisão de limite dinâmico com base na luz**

* Princípio:** A inovação central desta invenção é que ela simula as leis de **fotossíntese e transpiração** das plantas. As plantas fotossintetizam vigorosamente quando há luz suficiente (durante o dia), e a demanda de água e a evaporação são muito maiores do que quando não há luz suficiente (à noite ou em dias nublados). Portanto, as estratégias de irrigação devem ser ajustadas dinamicamente de acordo com a luz.
* **Ação:** A MCU compara o valor de luz lido (L) com um **valor de referência de luz (L_ref)** predefinido.
* Se `L > L_ref` (determinado como um ambiente diurno ou de luz intensa), use um limite de umidade de disparo de rega **inferior** `H_threshold_day` (por exemplo, 40%).
* Se `L <= L_ref` (determinado como um ambiente noturno ou com pouca luz), use um limite de umidade acionado por irrigação **mais alto** `H_threshold_night` (por exemplo, 50%) para evitar o excesso de irrigação do solo durante as horas noturnas, quando a evapotranspiração é baixa.
3. **Etapa 3: Julgamento condicional e implementação precisa**

* Ação: A MCU compara o valor de umidade do solo coletado em tempo real (H) com o limite de umidade determinado dinamicamente (`H_threshold`) da etapa anterior.
* **Execução:** A MCU determina que a irrigação é necessária somente se `H < H_threshold`. Nesse momento, ela enviará um comando à Unidade de Execução de Precisão para iniciar a bomba microperistáltica. A bomba funcionará por um **período de tempo predefinido (t)** que corresponde precisamente a um **volume de irrigação (V)** específico (por exemplo, funcionar por 5 segundos corresponde a fornecer 50 ml de água).
4. **Etapa IV: Conclusão e dormência**

* Imediatamente após a conclusão da aquisição de dados (se a rega não for necessária) ou da ação de rega, a MCU entrará novamente no modo de suspensão profunda e aguardará o próximo ciclo de despertar.

### **Efeitos benéficos**

Em comparação com a técnica anterior, a presente invenção tem os seguintes efeitos benéficos significativos:

1. **Ciência e precisão:** A presente invenção combina duas variáveis importantes, a umidade do solo e a intensidade da luz, para estabelecer um modelo dinâmico de tomada de decisão que combina o comportamento de rega com as necessidades fisiológicas reais das plantas. Isso resolve completamente a subjetividade e a cegueira da irrigação manual e pode **reduzir significativamente a mortalidade das plantas devido à irrigação inadequada (por exemplo, o risco de apodrecimento ou ressecamento é reduzido em mais de 90%)**.
2. **Altamente adaptável:** Ao ajustar dinamicamente o limite de irrigação, a invenção é capaz de se adaptar automaticamente às mudanças sazonais (verão/inverno), às variações climáticas (ensolarado/chuvoso) e aos ritmos circadianos, proporcionando às plantas um ambiente de crescimento ideal e constante. Isso é totalmente inatingível com todos os plantadores preguiçosos passivos.
3. **Eficiência energética e hídrica:**

* Economia de água**: a água é fornecida às raízes sob demanda e com precisão, evitando o desperdício da irrigação difusa. Em comparação com a rega manual tradicional,** ela pode economizar água até 70% ou mais**.
* Economia de energia**: adotando o modo de trabalho de "ciclo de despertar + sono profundo", a MCU e os sensores só funcionam por um período muito curto, o que aumenta muito a vida útil da bateria (por exemplo, uma única carga pode suportar de 3 a 6 meses de operação)**.
4. **Automação e liberação de mão de obra:** Os usuários só precisam configurar pela primeira vez e certificar-se de que há água no tanque de água para obter uma manutenção de longo prazo e totalmente automatizada da planta, o que libera bastante o tempo e a energia dos usuários e é especialmente adequado para iniciantes em jardinagem, funcionários de escritório ocupados e pessoas que precisam viajar com frequência.

## **5. Ilustração**

Para ilustrar as soluções técnicas da presente invenção de forma mais clara, elas são descritas abaixo em conjunto com os desenhos que a acompanham.

* **Figura 1** é um diagrama de blocos da estrutura do sistema do instrumento inteligente de manutenção automática de plantas em vasos descrito na presente invenção.
* **Figura 2** é um fluxograma detalhado do método de controle de manutenção inteligente descrito na presente invenção.

"Sereia
gráfico TD
subgráfico "Instrumento inteligente de manutenção automática de plantas em vasos (Figura 1)"
A[Microcontrolador central MCU] -&gt;|Instrução de controle| B(Unidade de execução de precisão)<br/>Bombas peristálticas em miniatura)
C(Unidade de detecção de umidade do solo) ->|Dados de umidade| A
D (unidade de detecção de luz ambiente) ->|dados de luz| A
E [Módulo de fonte de alimentação<br/>Bateria / USB] -&gt; A
E -> C
E -> D
E -> B
F[tanque de água] -. ->|Fonte de água| B
final
“`

"Sereia
gráfico TD
Start((start)) -> S1[o sistema acorda da hibernação profunda];
S1 -&gt; S2 {coleta de dados<br/>Leitura da umidade do solo H<br/>Ler a intensidade da luz L}.
S2 -&gt; S3 {Decisão: julgamento leve<br/>L &gt; L_ref ?} ;
S3 - Sim (durante o dia/luz clara) -> S4a [definir limite de irrigação].
S3 - Não (noite/baixa luminosidade) -> S4b [definir limite de irrigação].
S4a -> S5.
S4b -&gt; S5{Decisão: julgamento de umidade<br/>H &lt; limiar atual ?} ;
S5 - Sim (precisa regar) -&gt; S6 [iniciar a microbomba<br/>Tempo predefinido de execução t].
S6 -> S7 [entrar em hibernação profunda].
S5 - Não (umidade suficiente) -> S7.
S7 -> S1.
“`

## **6. modalidades específicas de implementação**

### **Embodimento de base (Embodimento de base) **

Com referência às Figuras 1 e 2, é descrita uma incorporação básica da presente invenção.

O instrumento inteligente de manutenção automática de plantas em vasos desta modalidade tem um **microcontrolador central (A)** escolhido para ser um chip ESP32 porque vem com um modo de baixo consumo de energia e função Bluetooth. A **unidade de detecção de umidade do solo (C)** é uma sonda capacitiva inserida no solo. **A unidade de detecção de luz ambiente (D) é um fototransistor TEMT6000 colocado na parte superior da caixa do dispositivo. A **Unidade de atuação de precisão (B)** é uma bomba peristáltica em miniatura alimentada por 3 V conectada a um **tanque de água externo (F)** de 500 ml. O **Módulo de fonte de alimentação (E)** é uma bateria de lítio recarregável de 1200mAh.

O fluxo de controle é o seguinte (consulte a Figura 2):

1. (S1) O sistema hiberna por padrão e o cronômetro do RTC é configurado para despertar a cada 2 horas.
2. (S2) Ao acordar, a MCU lê a umidade do solo H e a intensidade da luz L.
3. (S3) O valor de referência de luz `L_ref` é definido internamente pela MCU como 500 Lux. Se `L > 500 Lux` for detectado, vá para (S4a) e defina o limite de irrigação como `H_threshold_day = 35%`. Caso contrário, vá para (S4b) e defina o limite para `H_threshold_night = 45%`.
4. (S5) A MCU compara a umidade atual, H, com o limite que acabou de ser definido. Supondo que seja dia no momento e que o limite seja 35%, `H = 32%` é detectado. Como `32% < 35%`, considera-se que é necessário regar.
5. (S6) O MCU aciona a bomba peristáltica por 3 segundos para fornecer com precisão cerca de 30 ml de água às raízes da planta.
6. (S7) Imediatamente após a conclusão da rega, a MCU entra no modo de suspensão profunda e aguarda o próximo ciclo de despertar. Se `H = 40%` for detectado na etapa S5, ele pulará diretamente a S6 e entrará em hibernação.

### **Pensamento Expansivo**

#### **1 Transformações/formas de realização alternativas **

***Opção 1: integração de sensores ambientais adicionais para a tomada de decisões multidimensionais. **

* Integrar um sensor adicional de **temperatura e umidade (por exemplo, SHT30)** além do existente para monitorar a temperatura e a umidade do ar. O algoritmo de tomada de decisão pode ser atualizado para reduzir adequadamente o limite de rega ou aumentar a quantidade de uma única rega em ambientes de alta temperatura e baixa umidade (indicando forte evaporação), mesmo que a luz não seja forte. Dessa forma, a tomada de decisões do sistema é mais rica em dimensões e mais adaptável.
* Opção 2: Introduzir inteligência baseada em nuvem com configuração personalizada. **

* Use a função Wi-Fi do ESP32 para conectar o dispositivo ao servidor em nuvem. "(a) **Dados de irrigação**: o APP emitirá automaticamente o `L_ref`, o `H_threshold_day/night` e outros parâmetros ideais no banco de dados da nuvem, de acordo com as características de demanda de água de diferentes plantas (por exemplo, `Succulent`, `Green`, `Ficus luteus`). (b) **Visualização de dados**: visualize gráficos de registros históricos de umidade, luz e irrigação. (c) **Intervenção remota**: acione manualmente uma rega ou ajuste os parâmetros. Isso aprimora o programa de manutenção de um programa genérico para um programa **personalizado e aprendível**.

##### **2. possíveis desafios e soluções **

* Desafio: detecção de falta de água no tanque. **
* Durante longos períodos de operação automática, o usuário pode esquecer de reabastecer o tanque de água, fazendo com que a bomba fique ociosa e possivelmente danificada, e as plantas fiquem sem água.
* **Solução:** Integrar um **sensor de nível sem contato** ou um simples **interruptor flutuante** no tanque de água. Quando a MCU detecta que o nível de água está abaixo da linha de aviso, ela pode garantir a operação confiável do sistema piscando um LED ou (na versão conectada) enviando uma mensagem push de "alerta de falta de água" para o aplicativo móvel do usuário.

##### **3. aplicações futuras e perspectivas **

* Cenário de aplicação: sistema modular inteligente de microjardinagem. **
* A invenção pode ser desenvolvida a partir de um único dispositivo de tratamento de vasos em um **sistema modular de "jardim inteligente "**. Um Master Hub conecta vários módulos "sensor-bomba" escravos, cada um responsável por uma planta, por meios com ou sem fio (por exemplo, LoRa ou Zigbee). Os usuários podem gerenciar toda a varanda ou o jardim interno em uma interface unificada e definir estratégias de manutenção independentes para cada planta, concretizando o verdadeiro significado do **gerenciamento distribuído e centralizado da microagricultura inteligente**.