基于智能溫室的高原宿主細(xì)胞屋設(shè)計

楊玉 嚴(yán)李強(qiáng) 李林峰 李保軍

摘 要：宿主細(xì)胞屋采用透明導(dǎo)電薄膜材料和非晶硅薄膜電池作為“細(xì)胞膜”，泡泡屋或供給屋作為“細(xì)胞核”。在宿主細(xì)胞屋中增加生態(tài)因子控制模塊、電能供給模塊、醫(yī)療急救模塊、供水模塊等。應(yīng)用智能控制技術(shù)使細(xì)胞屋能夠時刻維持“內(nèi)環(huán)境”的穩(wěn)定，采用新能源發(fā)電技術(shù)為細(xì)胞屋提供能源。宿主細(xì)胞屋主要應(yīng)用于青藏高原等氣候惡劣地區(qū)，在已有智能溫室大棚的基礎(chǔ)上，應(yīng)用符合未來發(fā)展的人工智能技術(shù)，將兩者巧妙結(jié)合，創(chuàng)造出一種利于人居住的智能化、零能耗建筑。

關(guān)鍵詞：宿主細(xì)胞屋；生態(tài)因子；智能控制；細(xì)胞膜；零能耗

中圖分類號：TP39；TU398 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-05

0 引 言

目前，國內(nèi)外還沒有宿主細(xì)胞屋這一概念，所建設(shè)的生態(tài)屋[1]主要針對發(fā)展相對較快的城市，集中在室內(nèi)垂直墻體上種植綠植，所以可認(rèn)為現(xiàn)在諸多生態(tài)屋改變的只是原有建筑內(nèi)外的視覺美觀、廢水利用、太陽能利用和智能照明等。至此，現(xiàn)有生態(tài)屋的各項指標(biāo)還不夠完善，無法精準(zhǔn)、智能地調(diào)控生態(tài)屋的“內(nèi)環(huán)境”。主動技術(shù)[2]利用較少，以太陽能被動技術(shù)為主。而針對高原環(huán)境下的生態(tài)屋研究幾乎處于空白狀態(tài)。

西藏地處中國西南邊陲，全境平均海拔4 000 m以上，氣候條件惡劣，不宜生活。但又是旅游大省，每年有1 000多萬游客到此旅游，然而高原獨特的氣候特點使很多游客望而止步。以納木錯為例，游客喜歡納木錯的星空和日出，但由于納木錯地處高原，夜晚風(fēng)大、寒冷，待在室外觀賞星空對人的毅力和身體是極大的考驗。而待在室內(nèi)又無法欣賞美麗的景色。同時青藏高原路途遙遠(yuǎn)，每年有大量自駕游和托運(yùn)司機(jī)往返于青藏線，路途中司機(jī)幾乎都在車上過夜，對司機(jī)的人身安全造成了極大威脅。同時西藏駐扎了部分邊防駐軍，他們肩負(fù)著保家衛(wèi)國的使命，但卻飽受高原環(huán)境的摧殘。此外，牧民長期在野外放牧，只能住在條件簡陋的帳篷里。

基于上述情況，本文以現(xiàn)有生態(tài)屋為原型結(jié)合細(xì)胞的概念，充分考慮如何利用太陽能主動技術(shù)，設(shè)計出一款將設(shè)施農(nóng)業(yè)智能溫室關(guān)鍵技術(shù)和新能源技術(shù)巧妙結(jié)合的多功能智慧高原宿主細(xì)胞屋。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1所示為宿主細(xì)胞屋的模型。其中宿主細(xì)胞屋的“細(xì)胞膜”，是整個宿主細(xì)胞屋的第一重保護(hù)?；谇嗖馗咴椛鋸?qiáng)的特點，我們在宿主細(xì)胞屋的南面用非晶硅薄膜電池[3]和透明導(dǎo)電薄膜[4]構(gòu)成了由內(nèi)到外的雙層細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，宿主細(xì)胞屋的北面由普通塑料構(gòu)成，由南北面結(jié)構(gòu)共同組成宿主細(xì)胞屋的細(xì)胞膜。

泡泡屋是行人臨時休息的場所。泡泡屋內(nèi)部在氣壓、氧氣濃度等方面完全與平原地帶相同，為初到高原的人提供了一個很好的臨時休息或過夜場所，有效緩解了初到高原時身體產(chǎn)生的不適反應(yīng)。

供給屋是宿主細(xì)胞屋資源供給和廢物處理的地方。屋中提供了治療高原反應(yīng)等的應(yīng)急藥品，患者可以先購買一些針對病癥的藥物來減緩癥狀，待到達(dá)救助點時再進(jìn)行治療。供給屋中安裝有攝像頭和相關(guān)傳感器，可實時將屋內(nèi)信息傳輸給控制中心，方便管理維護(hù)和物資補(bǔ)給。供給屋中還配有過濾凈水裝備，可以過濾收集到的雨水、雪融水、河水，使其成為可飲用的純凈水。宿主細(xì)胞屋還配有智能化生態(tài)廁所[5]，可實現(xiàn)廁所廢水零排放、全回用。

在宿主細(xì)胞屋細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)底部的銜接處設(shè)計了以日光溫室為原型向外凸出的智能溫室結(jié)構(gòu)用于在宿主細(xì)胞屋內(nèi)種植植物，采用透明導(dǎo)電薄膜材料做為智能溫室的棚架結(jié)構(gòu)。

此外，在宿主細(xì)胞屋內(nèi)安裝了大量傳感器，用以檢測系統(tǒng)及環(huán)境狀況，增加系統(tǒng)的智能化程度。如所有的燈可智能調(diào)控，為系統(tǒng)添加“肺”功能，自動灌溉，自動調(diào)光等。在一個宿主細(xì)胞屋中，每個泡泡屋的面積為10.17 m2，共有12個泡泡屋，總面積為122 m2，供給屋面積為80 m2， 綠化面積為98 m2，宿主細(xì)胞屋總面積為300 m2。宿主細(xì)胞屋實現(xiàn)了智能化與零污染，在能源供給方面實現(xiàn)了自給自足，減少了人工管理成本，使其更加適用于青藏線沿線的景區(qū)、農(nóng)牧區(qū)。

2 宿主細(xì)胞屋“細(xì)胞膜”結(jié)構(gòu)

西藏的太陽能資源十分豐富，居全國首位，同時也是世界上太陽能資源最豐富的地區(qū)之一。截至目前，西藏已建設(shè)離網(wǎng)光伏電站62座、總裝機(jī)容量約5萬千瓦[6]。宿主細(xì)胞屋南面的非晶硅薄膜電池可作為宿主細(xì)胞屋的電能供給裝置，作為電動交通工具的電能補(bǔ)給與休息站。利用分布式發(fā)電[7]技術(shù)為西藏能源供應(yīng)提供便利，并作為盈利的主要模式。

透明導(dǎo)電薄膜通電后可加熱，因此可將其作為除雪、保溫、加熱裝置。透明導(dǎo)電薄膜具有反射紅外線和濾光功能，故可將其作為保溫裝置。通過智能感光系統(tǒng)來控制通過透明導(dǎo)電薄膜中的電流大小，智能調(diào)節(jié)透光率。根據(jù)室內(nèi)生物的活動需求智能改變室內(nèi)光照強(qiáng)度。

3 泡泡屋和供給屋結(jié)構(gòu)

3.1 泡泡屋結(jié)構(gòu)

泡泡屋內(nèi)設(shè)有快速供氧裝置，可為高反、呼吸困難等人群在氧氣濃度適宜的范圍內(nèi)快速供氧，同時利用供氧植物進(jìn)行慢速供氧，避免因缺氧造成人員傷亡。泡泡屋換氣原理圖如圖2所示。為改善高原低壓、缺氧、干燥的環(huán)境，使宿主細(xì)胞屋擁有“肺”功能，本文設(shè)計了基于單片機(jī)的呼吸器控制系統(tǒng)[8]，將泡泡屋內(nèi)的氣壓加壓到標(biāo)準(zhǔn)氣壓，從而改善人體心率和血氧飽和度。呼吸器系統(tǒng)框圖如圖3所示。通過空氣溫濕度模塊和光照模塊將泡泡屋內(nèi)的空氣溫濕度和光照強(qiáng)度控制在適宜人生活的最佳范圍，成功模擬出平原環(huán)境。

3.2 供給屋結(jié)構(gòu)

3.2.1 火災(zāi)監(jiān)控模塊

火災(zāi)監(jiān)控模塊通過煙霧傳感器和溫度傳感器采集室內(nèi)煙霧濃度和溫度，當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度或溫度超過設(shè)定值時，水泵自動開啟并滅火。主程序流程如圖4所示。

硬件電路是系統(tǒng)工作的載體，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，煙霧檢測AD采集電路，溫度采集電路，顯示模塊，聲音報警電路，按鍵控制電路，電源模塊等。單片機(jī)最小系統(tǒng)是系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)；煙霧檢測AD收集電路和溫度收集電路可實現(xiàn)對信號的收集；顯示模塊、聲光報警和按鍵控制電路可實現(xiàn)人機(jī)對話；電源模塊為系統(tǒng)供給電能。系統(tǒng)原理如圖5所示。

系統(tǒng)采用MQ-2煙霧檢測傳感器。經(jīng)ADC0832后方可獲得各類煙霧濃度下的電壓值，進(jìn)而設(shè)定理想的煙霧強(qiáng)度報警值。數(shù)字式DS18B20溫度傳感器[9]第一引腳接地，第二引腳是數(shù)據(jù)輸入輸出口，接4.7 kΩ的上拉電阻，第三引腳接VCC。電路通過三極管的基極串連一個電阻與單片機(jī)P3.6端口連接，從而實現(xiàn)控制蜂鳴器報警的目的。

3.2.2 購物模塊

在供給屋內(nèi)部安裝自助售物裝置，可自助售賣藥物、飲用水、食物等生活必需品，供過往行人使用。在供給屋內(nèi)設(shè)立供水裝置、雨水收集裝置以收集水源，同時增加凈化水裝置和飲水裝置，供過往行人免費(fèi)使用。為保障供給屋內(nèi)各種設(shè)備的安全，在室內(nèi)安裝了相應(yīng)的防盜監(jiān)控裝置。

3.2.3 太陽能智能化無水堆肥旱廁

隨著社會的發(fā)展，環(huán)境污染已成為人類密切關(guān)注的問題，全球水污染問題尤為突出，已經(jīng)成為“世界性的災(zāi)難”。而世界水污染的原因之一便是目前大量存在的水沖式廁所?？紤]到廁所的建造與維護(hù)成本，宿主細(xì)胞屋內(nèi)的供給屋采用太陽能智能化無水堆肥旱廁。太陽能無水堆肥旱廁利用太陽能加熱空氣抽風(fēng)，隔板上下空氣流動，糞便在高溫環(huán)境中與有機(jī)物作用后分解。太陽能無水堆肥旱廁依照生態(tài)學(xué)原理，將人體代謝廢物作為可利用的資源進(jìn)行再循環(huán)。具有維護(hù)成本低、安裝方便、無二次污染等優(yōu)點，同時利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)對廁所的智能化管理。整體設(shè)計框圖如圖6所示。

4 智能溫室結(jié)構(gòu)

4.1 空氣溫濕度模塊

系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，將按鍵電路，報警電路，晶振電路，傳感器電路，顯示電路等作為基本電路，構(gòu)成電路模塊。采用集溫濕度檢測于一體的DHT11傳感器[10]收集溫濕度數(shù)據(jù)，并發(fā)送至單片機(jī)。輸出則采用蜂鳴器+LED的形式。電源供電采用USB 5 V供電。系統(tǒng)原理圖、系統(tǒng)框圖和程序流程圖分別如圖7～9所示。當(dāng)宿主細(xì)胞屋內(nèi)空氣溫度高于設(shè)定溫度的上限時，自動開啟降溫設(shè)備；當(dāng)空氣溫度低于設(shè)定溫度的下限時，自動開啟升溫設(shè)備。用戶可按照現(xiàn)實需求設(shè)定所需溫度閾值。

4.2 土壤濕度模塊

4.2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

本文設(shè)計的土壤濕度模塊系統(tǒng)組成如圖10所示。該系統(tǒng)的工作過程為：土壤濕度傳感器將濕度信號送至ADC0832，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將最終獲得的結(jié)果發(fā)送到顯示模塊。

4.2.2 傳感器

系統(tǒng)采用HS1101土壤濕度傳感器[11]，它是一種變?nèi)菔较鄬穸葌鞲衅?。測量濕度時將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)變成電壓的頻率信號，可被微處理器直接存取。其特性參數(shù)見表1所列[12]。

4.2.3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

該土壤濕度檢測模塊的程序設(shè)計流程：待土壤濕度信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)讀取濕度值，經(jīng)處理后將濕度值送至液晶顯示器中顯示，當(dāng)濕度值小于設(shè)定的最小閾值時水泵開啟，大于設(shè)定的最大閾值時水泵關(guān)閉。系統(tǒng)主程序流程如圖11所示。

該系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、繼電器電路、報警電路、鍵盤電路、顯示電路、土壤濕度檢測電路等組成，構(gòu)造簡單、緊湊，功耗較低，抗干擾能力強(qiáng)，總體性能較好。

4.3 光照模塊

西藏太陽能資源豐富，導(dǎo)致室內(nèi)光照強(qiáng)度太強(qiáng)，為避免陽光直射，住戶白天在打開遮陽裝置遮擋陽光的同時還需打開電燈為室內(nèi)照明，不僅造成了極大的資源浪費(fèi)，更無法充分利用綠色無污染的太陽能資源。對此，本控制系統(tǒng)將透明導(dǎo)電薄膜分割成若干獨立的部分，以實現(xiàn)對光照的控制。以光照太強(qiáng)，減弱室內(nèi)光照為例，以南半細(xì)胞膜為中心，呈擴(kuò)散趨勢控制透明導(dǎo)電薄膜中的電流，當(dāng)室內(nèi)光照強(qiáng)度適宜時，自動停止擴(kuò)散。而使用獨立模塊的好處在于可大大延長該裝置的使用壽命。系統(tǒng)根據(jù)光照及定時等控制透明導(dǎo)電薄膜的光線通透率，使室內(nèi)光線維持 “動態(tài)平衡”。

（1）手動控制：使用此功能的用戶可根據(jù)自身需要，通過按鍵控制透明導(dǎo)電薄膜中電流的通斷來實現(xiàn)遮陽裝置的開關(guān)，此功能可以使遮陽裝置的開閉處于任何一種狀態(tài)；

（2）自動控制：通過傳感器檢測光照強(qiáng)弱，實現(xiàn)智能化控制透明導(dǎo)電薄膜的光線通透率，使室內(nèi)光照強(qiáng)度達(dá)到適宜的范圍；

（3）時間自動控制：按照用戶設(shè)定的時間來控制開啟或關(guān)閉遮陽裝置。

系統(tǒng)硬件包括單片機(jī)系統(tǒng)電路、信號調(diào)理電路、傳感器檢測電路、鍵盤電路、顯示接口電路、電流控制電路等。單片機(jī)系統(tǒng)電路為各模塊提供電壓和時鐘模塊；檢測到模擬信號后，經(jīng)比較器比較后將數(shù)字信號傳送給單片機(jī)。

比較器將傳感器采集的信號進(jìn)行比較。傳入信號由單片機(jī)控制，并做出響應(yīng)，以實現(xiàn)控制電流的目的。顯示模塊用以顯示時間和控制器的各種狀態(tài)，通過鍵盤模塊實現(xiàn)對工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)。光照模塊框圖如圖12所示。

5 結(jié) 語

該宿主細(xì)胞屋在智能溫室的基礎(chǔ)上，對智能溫室關(guān)鍵模塊進(jìn)行了改造，從而設(shè)計出既可應(yīng)用于智能溫室又可應(yīng)用于宿主細(xì)胞屋的關(guān)鍵模塊。用透明導(dǎo)電薄膜材料作為“細(xì)胞膜”，將泡泡屋或供給屋作為“細(xì)胞核”，應(yīng)用符合未來發(fā)展的人工智能技術(shù)，提高了細(xì)胞屋的智能化，實現(xiàn)了細(xì)胞屋的零能耗，符合綠色低碳的發(fā)展原則。該宿主細(xì)胞屋既可作為新型高原能源建筑，又可作為傳統(tǒng)智能溫室的升級，為人類建立“太空農(nóng)場”提供依據(jù)。

未來，可以設(shè)計出能夠感知人體活動的人體活動感知系統(tǒng)，并根據(jù)人體的具體活動，智能化調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。作為醫(yī)療領(lǐng)域的“寄生細(xì)胞”為醫(yī)療救助提供便利，同時也為人類移居外太空的生存居住奠定了基礎(chǔ)，作為外太空的空間生物再生生命保障系統(tǒng)（BLSS）[13]。

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