一種新型智能生態(tài)屋頂

楊愷

摘 要：如今智能化成為了人們生活中的熱點，人們也越來越容易接受智能化帶來的便利。本文提出了一種新型智能生態(tài)屋頂方案，應用智能化技術(shù)可以根據(jù)土壤的濕度以及陽光光強進行高效率，實時性地噴灌種植。本方案由太陽能電池系統(tǒng)，雨水收集利用系統(tǒng)，智能噴灌系統(tǒng)和種植系統(tǒng)四個部分構(gòu)成。通過這四個系統(tǒng)的相互配合達到智能噴灌種植的目的，同時也為我國的可持續(xù)性發(fā)展以及城市建設(shè)提供新的思路、方案。

關(guān)鍵詞：生態(tài)屋頂;智能噴灌;可持續(xù)性發(fā)展;城市建設(shè)

中圖分類號：TU231 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0108-02

0 引言

全球變暖以及可持續(xù)發(fā)展一直是近幾年熱度不減的話題。根據(jù)調(diào)查研究顯示，2017年我國的城市常駐人口已達全國人口的百分之五十以上[1]。同時城市相較鄉(xiāng)村郊區(qū)的植物豐富性不同，僅有有限且相對單一的植物種類，大部分面積被建筑物所占據(jù)，這樣所構(gòu)成的生態(tài)是脆弱的。同時昂貴的地價，不斷發(fā)展的城市也極大的壓縮植物生長空間，為生態(tài)的構(gòu)建提出了難題。因此生態(tài)屋頂?shù)慕ㄔO(shè)對于構(gòu)建新型可持續(xù)性發(fā)展的城市變得重要起來。目前大部分采用智能技術(shù)的生態(tài)屋頂僅僅是根據(jù)土壤的濕度監(jiān)測從而去噴灌植物，沒有考慮到植物對光的敏感性。本方案在滿足濕度監(jiān)測的同時加入光敏傳感器，使?jié)穸扰c光強協(xié)同反饋給傳感器，做出更好的噴灌選擇，給出了一種新型智能生態(tài)屋頂。

1 方案設(shè)計

本方案由太陽能電池系統(tǒng)，雨水收集利用系統(tǒng)，智能噴灌系統(tǒng)和種植系統(tǒng)四個部分構(gòu)成。其中太陽能電池系統(tǒng)提供整套方案的動力;雨水收集系統(tǒng)提供灌溉所需的水資源;智能噴灌系統(tǒng)為核心根據(jù)土壤濕度傳感器與光敏傳感器結(jié)合反饋進行合理噴灌;種植系統(tǒng)提供植物生存環(huán)境基礎(chǔ)。通過四個系統(tǒng)的相互合作實現(xiàn)了將土壤濕度以及陽光光強相結(jié)合反饋進行合理灌溉的新型智能生態(tài)屋頂?shù)慕ㄔO(shè)。

方案的整體簡易流程圖如圖1所示。

1.1 太陽能電池系統(tǒng)

本系統(tǒng)是整套方案的動力來源，同時應遵循可持續(xù)性發(fā)展的原則。因此需要該系統(tǒng)具有穩(wěn)定、清潔的特點。根據(jù)這兩個特點，本系統(tǒng)由設(shè)置在屋頂?shù)奶柲茈姵匕逡约芭c太陽能電池板相連接的蓄電池構(gòu)成。太陽能是清潔可持續(xù)的能源，陽光充足的白天太陽能電池板給蓄電池充電，同時保障動力的供應;陰雨天儲存在蓄電池中的能量仍可以保障整套方案的平穩(wěn)運行。因此采用太陽能電池板加蓄電池的組合是滿足穩(wěn)定、清潔的。

1.2 種植系統(tǒng)

本系統(tǒng)提供植物生存環(huán)境的基礎(chǔ)，包含土壤層、礫石層、進水管和防水層。土壤層在礫石層上方，礫石層在防水層上方，礫石層和防水層之間有進水管。進水管是用來收集噴灌后由礫石層滲出的水資源進入儲水箱，提升可持續(xù)性。防水層是鋪在整個屋頂?shù)?，這樣防止水滲透進屋子影響生活，而礫石層與土壤層的面積應小于或者等于防水層的面積。防水層應呈一定的傾斜角，縱向剖面示意圖呈凹型，中間低，如圖2所示。在土壤的下方先鋪一層礫石的目的在于固定住土壤，同時一定的礫石有利于水分的滲透，從而可以使植物更好的吸收水分。對于土壤層的土壤應該選用品質(zhì)較高的土壤，提高植物移植的成活率。為了對土壤的濕度進行實時監(jiān)測需要在土壤層以及礫石層分別放置濕度傳感器，如圖3所示。

這樣由防水層、礫石層、土壤層所構(gòu)成的環(huán)境基本滿足普通植物生長的環(huán)境要求，同時置于礫石層與土壤層中的濕度傳感器可以實時反饋種植系統(tǒng)的濕度變化，本系統(tǒng)滿足了種植系統(tǒng)的基本要求。

1.3 雨水收集利用系統(tǒng)

本系統(tǒng)提供整套方案所需的水資源，水資源的供應應該是穩(wěn)定、清潔的。因此在本著可持續(xù)性的原則收集雨水進行灌溉植物。但是雨水并不能保持水資源的穩(wěn)定供應，需要在雨水收集裝置的基礎(chǔ)上加入自來水注入裝置。當水箱的水低于警戒線的時候注入自來水，保持水資源的穩(wěn)定供應。

本系統(tǒng)由導水管、過濾裝置、儲水箱、排水管及自來水管幾部分組成[2]。儲水箱安裝在屋頂外壁，位于房屋防水層較低的一側(cè)，其頂部高度位于防水層下方，儲水箱上方分別連接有導水管，進水管和自來水管，上部通過排水管連接房屋的排水系統(tǒng)，進水管的下部位于儲水箱下部1/5處，儲水箱內(nèi)部有兩個水位感應器，分別位于儲水箱上方1/5處和下方1/5處;過濾裝置位于導水管和儲水箱之間。雨水以及噴灌時從礫石層滲濾出的水通過進水管經(jīng)過過濾裝置回收至儲水箱。當儲水箱中水量達到預設(shè)水位時，觸發(fā)儲水箱上部的水位傳感器，打開排水管，排出多余的水。反之，當水位低于預設(shè)水位時，觸發(fā)儲水箱下部的水位傳感器，自動打開自來水管，向水箱中加水來保證系統(tǒng)的正常運行。因此本系統(tǒng)滿足水資源供應的穩(wěn)定、清潔。圖4為雨水儲水箱的縱向剖面示意圖。

1.4 智能噴灌系統(tǒng)

本系統(tǒng)是整套方案的核心以及創(chuàng)新所在。常用的智能噴灌技術(shù)只考慮了土壤濕度因素，應用了土壤濕度傳感器來控制噴灌，而對光照強度因素未予考慮，而光強對植物的生長有著重要意義，在光強過大時對植物澆水會加速植物的蒸騰作用，不利用植物的生長，土壤濕度傳感器與光敏傳感器結(jié)合的智能噴灌技術(shù)的應用尚屬空白[3]。為了解決存在的技術(shù)問題，本系統(tǒng)加入了光敏傳感器，從而將濕度與光強相結(jié)合。當光敏傳感器檢測到光強高于最大閾值時，關(guān)閉土壤濕度傳感器1和土壤濕度傳感器2;當光敏傳感器檢測到光強低于最大閾值時，啟動土壤濕度傳感器1和土壤濕度傳感器2。當土壤濕度傳感器1檢測到土壤濕度低于最低閾值時，打開水泵，啟動噴灌系統(tǒng);當?shù)[石層中的濕度傳感器2檢測到水分時，即表明土壤濕度足夠時，由濕度傳感器2控制，關(guān)閉噴灌系統(tǒng)。

當然濕度傳感器與光敏傳感器以及水流控制開關(guān)需要控制中心。本系統(tǒng)采用STM32作為控制中心，通過傳感器傳回來的數(shù)據(jù)與程序中設(shè)定的閾值進行比較，從而控制水流控制開關(guān)的通斷達到合理的灌溉設(shè)置。通過查閱有關(guān)文獻，不同的植物對土壤的濕度要求是不同的。因此，根據(jù)實際種植的植物進行相應的濕度設(shè)置。當然，種植多種植物時在其對應的不同區(qū)域分別放置濕度傳感器，不同區(qū)域有不同的水流控制開關(guān)，保證不同植物均保持其所需的最佳濕度。STM32有足夠多的IO口進行數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送。在監(jiān)測濕度的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)加上了對光強因素的考慮，當光強大于1500勒克斯時相當于溫度較高的中午陽光。因此將其設(shè)定為光敏傳感器的閾值。將光強寫進stm32的中斷中，只要滿足條件不管是否噴灌均執(zhí)行不噴灌的指令。這樣由控制核心stm32以及濕度傳感器、光敏傳感器、水流控制開關(guān)組成的系統(tǒng)達到了智能噴灌的要求。

2 方案結(jié)論

通過上述的方案介紹，本方案完成了生態(tài)屋頂?shù)脑O(shè)計，同時盡可能地保證可持續(xù)性的要求。因此用了清潔能源太陽能，灌溉采用了雨水收集的方式。防水層以及礫石層的加入使的生態(tài)屋頂可長時間的保存并且不影響人類正常的生活居住。單片機以及濕度傳感器的加入，使得噴灌系統(tǒng)具有了智能性?？梢栽谛枰臅r候自動進行噴灌處理。本方案在原有傳感器基礎(chǔ)上加入了光敏傳感器，充分的考慮植物的蒸騰作用所帶來的影響。從而可以更好的利用噴灌系統(tǒng)，提高植物成活率。同時，這也是建設(shè)生態(tài)城市的一個較好的發(fā)展方向。在越來越擁擠的城市中利用好每一快土地均對城市生態(tài)建設(shè)起到了重大意義[5]。智能化是未來不可阻擋的趨勢，我們應更好的應用智能化帶給我們的便利。

參考文獻

[1] 宋瑞霞.基于SWOT分析的河南省新型城鎮(zhèn)化發(fā)展問題研究[J].湖北函授大學學報，2018（17）97-99.

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[3] 胡陽，江莎，李潔，et al.光強和光質(zhì)對植物生長發(fā)育的影響[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報：自然科學版，2009（4）：296-303.

[4] 劉穎，韓士杰，胡艷玲，et al.土壤溫度和濕度對長白松林土壤呼吸速率的影響[J].應用生態(tài)學報，2005，16（9）：1581-1585.

[5] 劉濟勇.基于節(jié)能視角的生態(tài)屋頂形式的應用[J].山西建筑，2008，34（24）：237-238.