一種新型智能生態屋頂

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屋頂方案，應用智能化技術可以根據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，雨水收集利用系統，智能噴灌系統和種植系統四個部分構成。通過這四個系統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性發展以及城市建設提供新的思路、方案。

關鍵詞：生態屋頂;智能噴灌;可持續性發展;城市建設

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發展一直是近幾年熱度不減的話題。根據調查研究顯示，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]。同時城市相較鄉村郊區的植物豐富性不同，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，這樣所構成的生態是脆弱的。同時昂貴的地價，不斷發展的城市也極大的壓縮植物生長空間，為生態的構建提出了難題。因此生態屋頂的建設對于構建新型可持續性發展的城市變得重要起來。目前大部分采用智能技術的生態屋頂僅僅是根據土壤的濕度監測從而去噴灌植物，沒有考慮到植物對光的敏感性。本方案在滿足濕度監測的同時加入光敏傳感器，使濕度與光強協同反饋給傳感器，做出更好的噴灌選擇，給出了一種新型智能生態屋頂。

1 方案設計

本方案由太陽能電池系統，雨水收集利用系統，智能噴灌系統和種植系統四個部分構成。其中太陽能電池系統提供整套方案的動力;雨水收集系統提供灌溉所需的水資源;智能噴灌系統為核心根據土壤濕度傳感器與光敏傳感器結合反饋進行合理噴灌;種植系統提供植物生存環境基礎。通過四個系統的相互合作實現了將土壤濕度以及陽光光強相結合反饋進行合理灌溉的新型智能生態屋頂的建設。

方案的整體簡易流程圖如圖1所示。

1.1 太陽能電池系統

本系統是整套方案的動力來源，同時應遵循可持續性發展的原則。因此需要該系統具有穩定、清潔的特點。根據這兩個特點，本系統由設置在屋頂的太陽能電池板以及與太陽能電池板相連接的蓄電池構成。太陽能是清潔可持續的能源，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運行。因此采用太陽能電池板加蓄電池的組合是滿足穩定、清潔的。

1.2 種植系統

本系統提供植物生存環境的基礎，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，提升可持續性。防水層是鋪在整個屋頂的，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、土壤層所構成的環境基本滿足普通植物生長的環境要求，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的濕度變化，本系統滿足了種植系統的基本要求。

1.3 雨水收集利用系統

本系統提供整套方案所需的水資源，水資源的供應應該是穩定、清潔的。因此在本著可持續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定供應，需要在雨水收集裝置的基礎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，保持水資源的穩定供應。

本系統由導水管、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，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，進水管的下部位于儲水箱下部1/5處，儲水箱內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過過濾裝置回收至儲水箱。當儲水箱中水量達到預設水位時，觸發儲水箱上部的水位傳感器，打開排水管，排出多余的水。反之，當水位低于預設水位時，觸發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的正常運行。因此本系統滿足水資源供應的穩定、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

本系統是整套方案的核心以及創新所在。常用的智能噴灌技術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合的智能噴灌技術的應用尚屬空白[3]。為了解決存在的技術問題，本系統加入了光敏傳感器，從而將濕度與光強相結合。當光敏傳感器檢測到光強高于最大閾值時，關閉土壤濕度傳感器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;當礫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，關閉噴灌系統。

當然濕度傳感器與光敏傳感器以及水流控制開關需要控制中心。本系統采用STM32作為控制中心，通過傳感器傳回來的數據與程序中設定的閾值進行比較，從而控制水流控制開關的通斷達到合理的灌溉設置。通過查閱有關文獻，不同的植物對土壤的濕度要求是不同的。因此，根據實際種植的植物進行相應的濕度設置。當然，種植多種植物時在其對應的不同區域分別放置濕度傳感器，不同區域有不同的水流控制開關，保證不同植物均保持其所需的最佳濕度。STM32有足夠多的IO口進行數據的接受與發送。在監測濕度的基礎上，本系統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、水流控制開關組成的系統達到了智能噴灌的要求。

2 方案結論

通過上述的方案介紹，本方案完成了生態屋頂的設計，同時盡可能地保證可持續性的要求。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，使得噴灌系統具有了智能性。可以在需要的時候自動進行噴灌處理。本方案在原有傳感器基礎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，提高植物成活率。同時，這也是建設生態城市的一個較好的發展方向。在越來越擁擠的城市中利用好每一快土地均對城市生態建設起到了重大意義[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化發展問題研究[J].湖北函授大學學報，2018（17）97-99.

[2] 劉建萍，李毅玲，鄭玉倫，et al.北京工業大學雨水收集利用的實踐[J].中國水利，2009（11）：58-59.

[3] 胡陽，江莎，李潔，et al.光強和光質對植物生長發育的影響[J].內蒙古農業大學學報：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].應用生態學報，2005，16（9）：1581-1585.

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