綠色屋頂自治系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

井洪晶　魏東輝　李素璇　肖紫文　牛雨新

摘 要 當(dāng)今社會(huì)城市建設(shè)飛快，占用了越來越多的土地，一方面，溫室效應(yīng)、空氣污染等環(huán)境問題日趨嚴(yán)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(xué)試劑導(dǎo)致人們中毒的事件時(shí)有發(fā)生。這迫使人們對(duì)綠色蔬菜的需求越來越強(qiáng)烈。針對(duì)這一系列問題，設(shè)計(jì)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(shù)，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(dá)到低碳、節(jié)能、環(huán)保的目的。

關(guān)鍵詞 綠色屋頂 自動(dòng)控制 環(huán)保

1研究背景及目的

傳統(tǒng)的有土栽培技術(shù)存在一些弊端，其一，屋頂上厚重的泥土覆蓋對(duì)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(diǎn)；其三，肥料中酸、堿、鹽物質(zhì)會(huì)對(duì)防水層造成持續(xù)破壞，防水材料性能不穩(wěn)定很容易導(dǎo)致污水滲漏；其四，暴雨天氣下泥沙被沖刷而下會(huì)導(dǎo)致下水道堵塞、大風(fēng)天氣下塵土飛揚(yáng)會(huì)對(duì)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(shí)還可實(shí)現(xiàn)蔬菜的全年種植，縮短其生長周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)的目的。同時(shí)減少化學(xué)產(chǎn)品的使用，從而滿足人們對(duì)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(duì)我國高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的實(shí)現(xiàn)有著深遠(yuǎn)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(duì)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(shè)計(jì)制作一個(gè)將智能化與無土栽培技術(shù)相結(jié)合的綠色屋頂自治系統(tǒng)，以緩解城市土地資源的嚴(yán)重不足。對(duì)于系統(tǒng)所要達(dá)成的具體目標(biāo)如下：

（1）利用控制系統(tǒng)與培養(yǎng)設(shè)備相結(jié)合，根據(jù)植物的不同生長需求，通過單片機(jī)控制電磁閥進(jìn)而對(duì)營養(yǎng)液濃度、PH值等進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無土栽培營養(yǎng)液的自動(dòng)配比與自動(dòng)更換。

（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將信息時(shí)刻反饋到電腦上供技術(shù)人員查看，從而及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和故障檢修。

（3）將植物光合作用所需以外的太陽能進(jìn)行光伏發(fā)電，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整套系統(tǒng)的能量供應(yīng)。

3設(shè)計(jì)的內(nèi)容

本設(shè)計(jì)主要由三個(gè)部分組成，分別為光伏發(fā)電模塊、無土栽培營養(yǎng)液自動(dòng)配比模塊和檢測調(diào)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(jì)量裝置及配電系統(tǒng)組成；太陽能能量通過光伏元件轉(zhuǎn)化為直流電能，再通過并網(wǎng)逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電。

3.2無土栽培營養(yǎng)液自動(dòng)配比模塊

在無土栽培所需的配液箱里加裝電導(dǎo)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(hào)的形式傳給單片機(jī)，使?fàn)I養(yǎng)液濃度始終維持在人為設(shè)定的范圍內(nèi)，若監(jiān)測到的營養(yǎng)液濃度或PH值超出設(shè)定范圍，單片機(jī)即啟動(dòng)按照事先編好的程序?qū)﹄姶砰y進(jìn)行控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)母液或配液箱的濃度，使系統(tǒng)智能運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3監(jiān)測調(diào)控模塊

通過各種傳感器時(shí)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(jī)進(jìn)行智能調(diào)控并將整合的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)傳給電腦，使管理者可以實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的及時(shí)維護(hù)。

運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，再通過主控系統(tǒng)對(duì)營養(yǎng)液箱的水泵進(jìn)行控制，使?fàn)I養(yǎng)液每隔一定的時(shí)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(shí)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(duì)傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再通過分析的結(jié)果及時(shí)啟動(dòng)安裝在水箱、母液箱及其他調(diào)節(jié)箱中的水泵對(duì)配液箱進(jìn)行濃度調(diào)節(jié)、PH調(diào)節(jié)及其他各個(gè)數(shù)據(jù)的調(diào)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(hù)墻上加裝一定功率的太陽能光伏組件，利用光生伏打效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能為整個(gè)系統(tǒng)供電。

4結(jié)論

（1）本文的技術(shù)關(guān)鍵在于對(duì)無土栽培生態(tài)屋頂系統(tǒng)的智能調(diào)控，為做到準(zhǔn)確的調(diào)控，需要將各種傳感器合理的結(jié)合，通過51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的控制及信息采集的整合，并通過相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的智能運(yùn)轉(zhuǎn)；

（2）將光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)與智能無土栽培技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)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(xué)配比及營養(yǎng)液的更換時(shí)間，通過傳感器的檢測和單片機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長的精準(zhǔn)調(diào)控；

（4）對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，使其在露天的環(huán)境中能抵抗惡劣氣候的侵襲。

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