案例研究：智慧花園灌溉控制器的狀態機設計

1. 簡介

現代園藝與農業越來越依賴自動化來優化資源使用，特別是水——在許多地區是一種稀缺資源。一個智慧灌溉控制器根據即時土壤狀況自動灌溉，而非固定時鐘，減少浪費，防止過度或不足灌溉，並促進植物更健康的生長。

本案例研究著重於使用UML狀態機圖 （也稱為狀態圖）。該圖捕捉系統的生命周期、決策點以及對濕度讀數、逾時和使用者干預等事件的回應。

設計使用PlantUML語法，類似於所提供的咖啡店範例，能優雅地模擬複合狀態、守衛條件、動作以及錯誤/恢復路徑。

2. 問題陳述與需求

家用花園或小型溫室的自動灌溉控制器必須：

• 大多數時間處於低功耗待機模式。
• 根據時程（定時觸發）定期喚醒以檢查狀況。
• 進入感測狀態，以讀取土壤濕度（透過電容式或電阻式感測器）。
• 若濕度 < 30%（可設定的乾燥閾值），開始灌溉透過打開電磁閥或啟動水泵。
• 若濕度 ≥ 30%，返回至待機（無需澆水）。
• 當灌溉中，持續（或定期）監測濕度。
• 當出現以下情況時，停止灌溉並關閉閥門：
  • 濕度達到80%（可設定的濕度閾值）→ 目標達成。
  • 一個安全超時到期（例如 30 分鐘）→ 若感測器故障，可防止淹水、管線破裂或電氣問題。
• 停止灌溉後，切換至關機狀態。
• 在關機狀態下，等待手動確認（按鈕按壓或應用程式指令）後，再返回至待機——這允許使用者檢查系統或必要時進行手動覆蓋。
• 透過切換至錯誤狀態並提供恢復選項，以妥善處理故障（例如感測器故障、閥門卡住）。

其他理想行為（此處保持簡化）：

• 特定時段內不進行灌溉（由排程/定時器處理）。
• 記錄或通知不在此核心狀態機的範圍內。

3. 使用的核心狀態機概念

• 狀態: 空閒/待機、感測、灌溉、關機、錯誤。
• 複合狀態: 灌溉包含內部監控邏輯（儘管為簡化起見在此保持平坦）。
• 轉移:
  • 由事件觸發（計時器、濕度讀取、逾時）。
  • 由條件保護 [濕度 < 30%]，[濕度 >= 80%]。
• 動作: /open_valve()，/close_valve()，/notify_user()，等等。
• 初始/最終虛擬狀態: [*] 用於開始/結束。
• 自我轉移以及恢復迴圈。

4. PlantUML 中的狀態圖

以下是實現所述行為的完整 PlantUML 程式碼。它遵循咖啡店範例的規範（skinparam 風格、適當使用複合狀態、條件用 [] 表示、動作用 / 表示）。

圖示說明

• 待機 — 預設低功耗/空閒狀態。
• 檢測 — 由定時器觸發的快速檢查；避免不必要的灌溉。
• 灌溉 (複合) — 內部包含「灌溉」子活動的主動灌溉階段。灌溉 子活動。
  • 在達到目標濕度或安全超時時退出。
• 停機 — 灌溉後的暫停狀態，需確認後才能恢復自動化（安全功能）。
• 錯誤 — 故障隔離狀態，需手動恢復轉移。

5. 設計原理與優勢

• 節水 — 僅在真正需要時才灌溉（基於土壤濕度，而非時間）。
• 防洪 — 灌溉階段設有雙重退出條件（濕度目標 + 超時）。
• 使用者安全與控制 — 異常停止後的手動確認可防止潛在問題後的自動重新啟動。
• 可擴展性 — 容易新增狀態（例如，偵測到降雨, 電量不足, 冬季模式）或調整閾值。
• 低複雜度 — 在可能的情況下保持扁平化，僅在邏輯分組能提升清晰度時才使用複合結構（例如：灌溉中）。

此設計在穩健性、安全性與簡潔性之間取得平衡——適合嵌入式微控制器實現（如 Arduino、ESP32 等）。

6. 結論

狀態機狀態機為建模反應式控制系統（如智慧灌溉控制器）提供了優異的形式化方法。透過明確定義狀態、事件、守衛條件與動作，工程師可在撰寫程式前，深入分析系統行為、邊界情況與錯誤恢復機制。

上述的 PlantUML 表示法兼具文件與實作藍圖的功能。透過 PlantUML 工具或線上伺服器渲染後，可產生清晰且專業的圖示，適用於需求審查、程式碼生成或教授 UML 概念。

未來的擴展功能可包括：

• 天氣 API 整合（若預報有雨，則跳過感測）。
• 多個區域，並針對各區域設定不同的濕度閾值。
• 在逾時或發生錯誤時，透過行動應用程式發送通知。

本案例研究顯示，看似簡單的自動化問題，透過結構化的狀態模型可獲得顯著改善。

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