綠色屋頂自治系統(tǒng)的設計

井洪晶　魏東輝　李素璇　肖紫文　牛雨新

摘 要 當今社會城市建設飛快，占用了越來越多的土地，一方面，溫室效應、空氣污染等環(huán)境問題日趨嚴重，另一方面，占用的土地中除了城市原有的綠化面積還有一部分農(nóng)民的耕地。菜農(nóng)們?yōu)榱俗非蟾弋a(chǎn)而濫用化學試劑導致人們中毒的事件時有發(fā)生。這迫使人們對綠色蔬菜的需求越來越強烈。針對這一系列問題，設計出一種利用太陽能提供能源的智能無土栽培生態(tài)屋頂技術，充分利用城市屋頂?shù)挠邢蘅臻g，提高太陽能的利用率，增加城市的綠化面積，以達到低碳、節(jié)能、環(huán)保的目的。

關鍵詞 綠色屋頂 自動控制 環(huán)保

1研究背景及目的

傳統(tǒng)的有土栽培技術存在一些弊端，其一，屋頂上厚重的泥土覆蓋對樓房的承重要求極高；其二，屋頂防水層被植物和土壤覆蓋，一旦發(fā)生滲漏，很難發(fā)現(xiàn)漏點；其三，肥料中酸、堿、鹽物質會對防水層造成持續(xù)破壞，防水材料性能不穩(wěn)定很容易導致污水滲漏；其四，暴雨天氣下泥沙被沖刷而下會導致下水道堵塞、大風天氣下塵土飛揚會對環(huán)境造成污染。綠色屋頂自治系統(tǒng)不但可以解決有土栽培的上述問題，同時還可實現(xiàn)蔬菜的全年種植，縮短其生長周期，提高勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)的目的。同時減少化學產(chǎn)品的使用，從而滿足人們對綠色蔬菜的需求。

本文將綠地向空中發(fā)展，既緩解了土地資源利用的壓力，又踐行了節(jié)約集約的理念。作為未來農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的雛形，對我國高產(chǎn)、高效、優(yōu)質農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設的實現(xiàn)有著深遠的意義，，這樣的綠色屋頂也為人類的休閑生活提供了一種環(huán)境優(yōu)雅的場所，對提倡可持續(xù)發(fā)展和綠色環(huán)保理念也有著重要的意義。

2解決的問題

本文設計制作一個將智能化與無土栽培技術相結合的綠色屋頂自治系統(tǒng)，以緩解城市土地資源的嚴重不足。對于系統(tǒng)所要達成的具體目標如下：

（1）利用控制系統(tǒng)與培養(yǎng)設備相結合，根據(jù)植物的不同生長需求，通過單片機控制電磁閥進而對營養(yǎng)液濃度、PH值等進行調節(jié)，實現(xiàn)無土栽培營養(yǎng)液的自動配比與自動更換。

（2）實現(xiàn)對植物生長狀況的實時監(jiān)測，并將信息時刻反饋到電腦上供技術人員查看，從而及時對系統(tǒng)進行維護和故障檢修。

（3）將植物光合作用所需以外的太陽能進行光伏發(fā)電，以實現(xiàn)對整套系統(tǒng)的能量供應。

3設計的內容

本設計主要由三個部分組成，分別為光伏發(fā)電模塊、無土栽培營養(yǎng)液自動配比模塊和檢測調控模塊。系統(tǒng)方框圖如圖1所示：

3.1光伏發(fā)電模塊

由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、計量裝置及配電系統(tǒng)組成；太陽能能量通過光伏元件轉化為直流電能，再通過并網(wǎng)逆變器將直流電能轉化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流，以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的供電。

3.2無土栽培營養(yǎng)液自動配比模塊

在無土栽培所需的配液箱里加裝電導率濃度傳感器和酸堿度傳感器，將傳感器所測到的數(shù)值以電信號的形式傳給單片機，使營養(yǎng)液濃度始終維持在人為設定的范圍內，若監(jiān)測到的營養(yǎng)液濃度或PH值超出設定范圍，單片機即啟動按照事先編好的程序對電磁閥進行控制，自動調節(jié)母液或配液箱的濃度，使系統(tǒng)智能運轉。

3.3監(jiān)測調控模塊

通過各種傳感器時刻檢測系統(tǒng)的濃度、溫度、酸堿度、液體的體積等，通過單片機進行智能調控并將整合的數(shù)據(jù)通過上位機傳給電腦，使管理者可以實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況，實現(xiàn)對系統(tǒng)的及時維護。

運用單片機實現(xiàn)對主控系統(tǒng)的設計，再通過主控系統(tǒng)對營養(yǎng)液箱的水泵進行控制，使營養(yǎng)液每隔一定的時間能循環(huán)一次并且使管道中的舊液能重新排到配液箱中以實現(xiàn)營養(yǎng)液循環(huán)使用；在配液箱中加裝傳感器、水泵等儀器并將其連接到主控系統(tǒng)上便于主控系統(tǒng)對傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進行分析，再通過分析的結果及時啟動安裝在水箱、母液箱及其他調節(jié)箱中的水泵對配液箱進行濃度調節(jié)、PH調節(jié)及其他各個數(shù)據(jù)的調節(jié)，從而使配液箱里的營養(yǎng)液一直保持植物生長所需要的最佳配置方案；在屋頂?shù)木S護墻上加裝一定功率的太陽能光伏組件，利用光生伏打效應將太陽能轉化為電能為整個系統(tǒng)供電。

4結論

（1）本文的技術關鍵在于對無土栽培生態(tài)屋頂系統(tǒng)的智能調控，為做到準確的調控，需要將各種傳感器合理的結合，通過51單片機實現(xiàn)對電磁閥的控制及信息采集的整合，并通過相關程序實現(xiàn)整個系統(tǒng)的智能運轉；

（2）將光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)與智能無土栽培技術有機結合，實現(xiàn)利用太陽能作為能源的供電系統(tǒng)；

（3）掌握植物所需營養(yǎng)液的主要成分、科學配比及營養(yǎng)液的更換時間，通過傳感器的檢測和單片機的控制實現(xiàn)對植物生長的精準調控；

（4）對設備進行改造，使其在露天的環(huán)境中能抵抗惡劣氣候的侵襲。

參考文獻

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