基于綠色生態(tài)系統(tǒng)的自管理空氣凈化墻

李浩

摘 要：本文從自我管理的生態(tài)系統(tǒng)出發(fā)，基于苔蘚生態(tài)系統(tǒng)，研究出一套能運(yùn)用于公交站臺(tái)、公園、地鐵口等公共場(chǎng)所的高效率綠色植物生態(tài)墻。該生態(tài)墻利用太陽能供電的方式和結(jié)合現(xiàn)有傳感器和其他機(jī)械設(shè)備，根據(jù)苔蘚生長狀況，建立信息反饋和處理通道，實(shí)現(xiàn)自我管理，包括自我給水，自我施肥等功能，以減少人工干預(yù)，提供更多便民服務(wù)；還通過空氣質(zhì)量檢測(cè)來實(shí)時(shí)采集局域環(huán)境信息。同時(shí)該墻還有美化生活環(huán)境，顯示信息等功能。

關(guān)鍵詞：室外綠植生態(tài)墻、傳感器、自管理、便民服務(wù)

隨著人口急速增長和城市的迅速發(fā)展，城市的綠化面積相對(duì)較小，城市的空氣質(zhì)量得到更多人的關(guān)注，并且城市景觀生態(tài)化顯現(xiàn)尤為重要的地位[1]。除了采用一些電動(dòng)汽車、共享單車，還可以在公共場(chǎng)合建生態(tài)墻。生態(tài)墻是從生態(tài)學(xué)和植物的生態(tài)原理出發(fā)，與傳統(tǒng)墻相比，生態(tài)圍墻在功能上有了質(zhì)的飛躍[2]。

該墻通過自動(dòng)控制技術(shù)，以太陽能電池板產(chǎn)生的電能為能量來源，放置于土壤中的濕度和酸堿度傳感器等為工具檢測(cè)植物生長狀況。同時(shí)收集雨水并利用自主修改的全自動(dòng)滴灌技術(shù)，由太陽能電池板供電，A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和傳感器相應(yīng)的檢測(cè)、繼電器控制電路組成的單片機(jī)采集控制模塊為整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物根部自動(dòng)補(bǔ)充水和養(yǎng)分以實(shí)現(xiàn)綠墻的自動(dòng)維護(hù)功能，解放人力。同時(shí)充分利用太陽能電池板產(chǎn)生的能量實(shí)現(xiàn)綠植墻的全新便民功能：時(shí)間顯示、夜晚LED燈供電。以上過程不需人為控制。

目前市面上綠植墻的主要功能為裝飾作用，成本高昂且受眾面小，綠墻養(yǎng)護(hù)需要大量人力物力，若疏于管理，苔蘚植物便會(huì)在二三個(gè)月內(nèi)大量死亡，而基于綠色生態(tài)系統(tǒng)的自管理空氣凈化墻和目前市面上的綠植墻相比有如下區(qū)別：

（1）基于綠色生態(tài)系統(tǒng)的自管理空氣凈化墻利用不同于農(nóng)業(yè)自動(dòng)滴灌系統(tǒng)，由我們自主修改，通過回收雨水并儲(chǔ)存的方式代替人工給水箱補(bǔ)水，并對(duì)回收的雨水進(jìn)行多步過濾防止滴灌系統(tǒng)堵塞。

（2）機(jī)械泵可將植物所需的鹽分、礦物質(zhì)等養(yǎng)分溶解到水中，通過滴灌系統(tǒng)供給植物所需。并且苔蘚植物需要外部養(yǎng)分極少，一年中人為補(bǔ)給養(yǎng)分和水只需一次，達(dá)到一年一次維護(hù)只需幾小時(shí)。

（3）充分利用太陽能電池板產(chǎn)生的能量，實(shí)現(xiàn)綠植墻便民功能，如空氣質(zhì)量檢測(cè)、時(shí)間提醒、夜晚LED燈照明供電等許多便民功能，使綠植墻不再只是裝飾作用。

本項(xiàng)目最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于，基于苔蘚生態(tài)系統(tǒng)所述墻能夠?qū)崿F(xiàn)自我管理且良性循環(huán)：將濕度傳感器和ph-1110傳感器（酸堿度傳感器）應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集模塊上，收集苔蘚土壤的干濕度和酸堿度，解析苔蘚的生長環(huán)境狀況，并將這些信息反饋于微處理器，由微處理器來決定是否需要進(jìn)行給水和施肥；通過空氣質(zhì)量檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)局域環(huán)境狀況并將采集到的數(shù)據(jù)傳送到技術(shù)人員進(jìn)行分析；選擇苔蘚是因?yàn)樘μ\能為細(xì)菌提供良好的生存環(huán)境，且苔蘚上附著的細(xì)菌能吸收空氣中的氮氧化物和碳氧化物來為苔蘚提供養(yǎng)分，形成良性循環(huán)，提高生態(tài)墻的穩(wěn)定性。該生態(tài)墻在凈化空氣的同時(shí)還能提高城市美化質(zhì)量，符合城市結(jié)構(gòu)，節(jié)省空間結(jié)構(gòu)，并有效解決城市“熱島”問題。

1.工作原理

該生態(tài)系統(tǒng)自動(dòng)管理及信息采集系統(tǒng)，以STM32F103ZET6微處理器為主控器，采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，集成有土壤pH值檢測(cè)，土壤濕度檢測(cè)，光敏電阻，水位檢測(cè)，溫度傳感器，空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備，通訊設(shè)備，報(bào)警系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)植物土壤濕度以及pH值的測(cè)定并將信息反饋回主控制器，主控制器進(jìn)一步對(duì)其做出供水或者調(diào)節(jié)pH值響應(yīng)，從而達(dá)到自主管理植物的生長減少勞動(dòng)力成本的功能；可將該pH值變化以及土壤濕度變化等信息通過通信設(shè)備傳送到技術(shù)人員手中，技術(shù)人員平均每年可以花費(fèi)不超過5個(gè)小時(shí)的時(shí)間來監(jiān)視植物的生長情況。設(shè)備中的空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備以及外界溫度傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前空氣的質(zhì)量以及外界溫度的變化并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存通過通訊設(shè)備發(fā)送到技術(shù)人員處，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集對(duì)環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)督。通過光敏電阻的變化我們可以做到對(duì)白天和黑夜的判斷，從而打開照明設(shè)備。供電方式采用的是光伏發(fā)電，收集的太陽能通過控制器一部分可以貯存在蓄電池中，一部分可以直接向設(shè)備供電。通過逆變器可將直流電源轉(zhuǎn)化為交流電源向交流負(fù)載進(jìn)行供電。設(shè)備中的不同設(shè)備對(duì)電壓和電流的的要求不同，所以控制器和蓄電池輸出的電壓要經(jīng)過變壓設(shè)備處理后才能對(duì)單片機(jī)、空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備等直接供電。土壤濕度傳感器采用SEN0114 Arduino Gravity來檢測(cè)土壤的水分，當(dāng)土壤缺水時(shí)，傳感器輸出值將減小，反之將增大。傳感器表面做了鍍金處理可以延長它的使用壽命。將它插入土壤，然后使用AD轉(zhuǎn)換器讀取它。空氣質(zhì)量檢測(cè)采用灰塵傳感器 YW-51GJ進(jìn)行處理。

2.技術(shù)要點(diǎn)

（1）高程度的自我管理能力

極少的人工干預(yù)是該生態(tài)墻的一大特色。在實(shí)際運(yùn)行中，溫濕度的變化將影響苔蘚的生長，因此為了生態(tài)墻長期穩(wěn)定的運(yùn)行，就需要設(shè)計(jì)出一套能力強(qiáng)大的自我管理系統(tǒng)。

（2）科學(xué)的給水裝置

科學(xué)的給水裝置是該生態(tài)墻的一個(gè)重要組成部分。生態(tài)墻主要以搜集雨水，同時(shí)結(jié)合滴灌技術(shù)來供水，因此，雨水的過濾和滴灌的速率以及頻率無疑是另一個(gè)技術(shù)要點(diǎn)。

（3）其他技術(shù)要點(diǎn)

適用于不同社會(huì)環(huán)境的藝術(shù)效果和便民程度。

3.結(jié)構(gòu)部分

基于綠色生態(tài)系統(tǒng)的自管理空氣凈化墻具體結(jié)構(gòu)方案：所述生態(tài)墻包括包括外墻體，苔蘚生態(tài)系統(tǒng)，滴灌系統(tǒng)。所述墻體底部設(shè)有水箱及與太陽能板連接的蓄電池，所述墻體外部前后兩面由苔蘚生態(tài)系統(tǒng)代替，苔蘚生態(tài)系統(tǒng)由每個(gè)單位分隔組成，兩綠植墻面由兩面分隔基板在墻體內(nèi)固定，所述基板設(shè)有通孔，與滴灌系統(tǒng)連接，兩塊基板之間形成墻內(nèi)空腔，這部分空間放置自控制滴灌系統(tǒng)，滴灌系統(tǒng)如圖所示。根據(jù)所示結(jié)構(gòu)，所述墻體左右兩面也會(huì)形成空腔，這部分空間設(shè)置各類與生態(tài)系統(tǒng)和滴灌相關(guān)聯(lián)的傳感器和控制面板。所述墻體頂部設(shè)置太陽能電池板。

結(jié)論：

本文介紹了一種全新智能型綠色植物生態(tài)墻，可在進(jìn)行自管理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)部分便民功能，有助于節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)，以此為目標(biāo)進(jìn)行大規(guī)模推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀碧欣. 城市生態(tài)綠墻應(yīng)用初探[J]. 城市建設(shè)理論研究，2016（4）

[2]沈敏. 淺談建設(shè)城市生態(tài)墻[N]. 中國花卉報(bào)，2003/10/09

鄭州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目