楊愷

摘 要：如今智能化成為了人們生活中的熱點(diǎn)，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(yīng)用智能化技術(shù)可以根據(jù)土壤的濕度以及陽光光強(qiáng)進(jìn)行高效率，實(shí)時(shí)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(gè)部分構(gòu)成。通過這四個(gè)系統(tǒng)的相互配合達(dá)到智能噴灌種植的目的，同時(shí)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(hào)：TU231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dá)全國人口的百分之五十以上[1]。同時(shí)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(duì)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(shí)昂貴的地價(jià)，不斷發(fā)展的城市也極大的壓縮植物生長(zhǎng)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(duì)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(cè)從而去噴灌植物，沒有考慮到植物對(duì)光的敏感性。本方案在滿足濕度監(jiān)測(cè)的同時(shí)加入光敏傳感器，使?jié)穸扰c光強(qiáng)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(jì)

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(gè)部分構(gòu)成。其中太陽能電池系統(tǒng)提供整套方案的動(dòng)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(jìn)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(gè)系統(tǒng)的相互合作實(shí)現(xiàn)了將土壤濕度以及陽光光強(qiáng)相結(jié)合反饋進(jìn)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(jiǎn)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(dòng)力來源，同時(shí)應(yīng)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(diǎn)。根據(jù)這兩個(gè)特點(diǎn)，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(shí)保障動(dòng)力的供應(yīng);陰雨天儲(chǔ)存在蓄電池中的能量仍可以保障整套方案的平穩(wěn)運(yùn)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(jìn)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(jìn)水管。進(jìn)水管是用來收集噴灌后由礫石層滲出的水資源進(jìn)入儲(chǔ)水箱，提升可持續(xù)性。防水層是鋪在整個(gè)屋頂?shù)?，這樣防止水滲透進(jìn)屋子影響生活，而礫石層與土壤層的面積應(yīng)小于或者等于防水層的面積。防水層應(yīng)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(shí)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(duì)于土壤層的土壤應(yīng)該選用品質(zhì)較高的土壤，提高植物移植的成活率。為了對(duì)土壤的濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)的環(huán)境要求，同時(shí)置于礫石層與土壤層中的濕度傳感器可以實(shí)時(shí)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(yīng)應(yīng)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(jìn)行灌溉植物。但是雨水并不能保持水資源的穩(wěn)定供應(yīng)，需要在雨水收集裝置的基礎(chǔ)上加入自來水注入裝置。當(dāng)水箱的水低于警戒線的時(shí)候注入自來水，保持水資源的穩(wěn)定供應(yīng)。

本系統(tǒng)由導(dǎo)水管、過濾裝置、儲(chǔ)水箱、排水管及自來水管幾部分組成[2]。儲(chǔ)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(chǔ)水箱上方分別連接有導(dǎo)水管，進(jìn)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(jìn)水管的下部位于儲(chǔ)水箱下部1/5處，儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)水位感應(yīng)器，分別位于儲(chǔ)水箱上方1/5處和下方1/5處;過濾裝置位于導(dǎo)水管和儲(chǔ)水箱之間。雨水以及噴灌時(shí)從礫石層滲濾出的水通過進(jìn)水管經(jīng)過過濾裝置回收至儲(chǔ)水箱。當(dāng)儲(chǔ)水箱中水量達(dá)到預(yù)設(shè)水位時(shí)，觸發(fā)儲(chǔ)水箱上部的水位傳感器，打開排水管，排出多余的水。反之，當(dāng)水位低于預(yù)設(shè)水位時(shí)，觸發(fā)儲(chǔ)水箱下部的水位傳感器，自動(dòng)打開自來水管，向水箱中加水來保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此本系統(tǒng)滿足水資源供應(yīng)的穩(wěn)定、清潔。圖4為雨水儲(chǔ)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(yīng)用了土壤濕度傳感器來控制噴灌，而對(duì)光照強(qiáng)度因素未予考慮，而光強(qiáng)對(duì)植物的生長(zhǎng)有著重要意義，在光強(qiáng)過大時(shí)對(duì)植物澆水會(huì)加速植物的蒸騰作用，不利用植物的生長(zhǎng)，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(yīng)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(qiáng)相結(jié)合。當(dāng)光敏傳感器檢測(cè)到光強(qiáng)高于最大閾值時(shí)，關(guān)閉土壤濕度傳感器1和土壤濕度傳感器2;當(dāng)光敏傳感器檢測(cè)到光強(qiáng)低于最大閾值時(shí)，啟動(dòng)土壤濕度傳感器1和土壤濕度傳感器2。當(dāng)土壤濕度傳感器1檢測(cè)到土壤濕度低于最低閾值時(shí)，打開水泵，啟動(dòng)噴灌系統(tǒng);當(dāng)?shù)[石層中的濕度傳感器2檢測(cè)到水分時(shí)，即表明土壤濕度足夠時(shí)，由濕度傳感器2控制，關(guān)閉噴灌系統(tǒng)。

當(dāng)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(jìn)行比較，從而控制水流控制開關(guān)的通斷達(dá)到合理的灌溉設(shè)置。通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)，不同的植物對(duì)土壤的濕度要求是不同的。因此，根據(jù)實(shí)際種植的植物進(jìn)行相應(yīng)的濕度設(shè)置。當(dāng)然，種植多種植物時(shí)在其對(duì)應(yīng)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(jìn)行數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送。在監(jiān)測(cè)濕度的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)加上了對(duì)光強(qiáng)因素的考慮，當(dāng)光強(qiáng)大于1500勒克斯時(shí)相當(dāng)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(qiáng)寫進(jìn)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(dá)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(jì)，同時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的保存并且不影響人類正常的生活居住。單片機(jī)以及濕度傳感器的加入，使得噴灌系統(tǒng)具有了智能性。可以在需要的時(shí)候自動(dòng)進(jìn)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(shí)，這也是建設(shè)生態(tài)城市的一個(gè)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(duì)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(shì)，我們應(yīng)更好的應(yīng)用智能化帶給我們的便利。

參考文獻(xiàn)

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