基于智能温室的高原宿主细胞屋设计

杨玉 严李强 李林峰 李保军

摘 要：宿主细胞屋采用透明导电薄膜材料和非晶硅薄膜电池作为“细胞膜”，泡泡屋或供给屋作为“细胞核”。在宿主细胞屋中增加生态因子控制模块、电能供给模块、医疗急救模块、供水模块等。应用智能控制技术使细胞屋能够时刻维持“内环境”的稳定，采用新能源发电技术为细胞屋提供能源。宿主细胞屋主要应用于青藏高原等气候恶劣地区，在已有智能温室大棚的基础上，应用符合未来发展的人工智能技术，将两者巧妙结合，创造出一种利于人居住的智能化、零能耗建筑。

关键词：宿主细胞屋；生态因子；智能控制；细胞膜；零能耗

中图分类号：TP39；TU398 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）01-00-05

0 引 言

目前，国内外还没有宿主细胞屋这一概念，所建设的生态屋[1]主要针对发展相对较快的城市，集中在室内垂直墙体上种植绿植，所以可认为现在诸多生态屋改变的只是原有建筑内外的视觉美观、废水利用、太阳能利用和智能照明等。至此，现有生态屋的各项指标还不够完善，无法精准、智能地调控生态屋的“内环境”。主动技术[2]利用较少，以太阳能被动技术为主。而针对高原环境下的生态屋研究几乎处于空白状态。

西藏地处中国西南边陲，全境平均海拔4 000 m以上，气候条件恶劣，不宜生活。但又是旅游大省，每年有1 000多万游客到此旅游，然而高原独特的气候特点使很多游客望而止步。以纳木错为例，游客喜欢纳木错的星空和日出，但由于纳木错地处高原，夜晚风大、寒冷，待在室外观赏星空对人的毅力和身体是极大的考验。而待在室内又无法欣赏美丽的景色。同时青藏高原路途遥远，每年有大量自驾游和托运司机往返于青藏线，路途中司机几乎都在车上过夜，对司机的人身安全造成了极大威胁。同时西藏驻扎了部分边防驻军，他们肩负着保家卫国的使命，但却饱受高原环境的摧残。此外，牧民长期在野外放牧，只能住在条件简陋的帐篷里。

基于上述情况，本文以现有生态屋为原型结合细胞的概念，充分考虑如何利用太阳能主动技术，设计出一款将设施农业智能温室关键技术和新能源技术巧妙结合的多功能智慧高原宿主细胞屋。

1 总体结构设计

图1所示为宿主细胞屋的模型。其中宿主细胞屋的“细胞膜”，是整个宿主细胞屋的第一重保护。基于青藏高原辐射强的特点，我们在宿主细胞屋的南面用非晶硅薄膜电池[3]和透明导电薄膜[4]构成了由内到外的双层细胞膜结构，宿主细胞屋的北面由普通塑料构成，由南北面结构共同组成宿主细胞屋的细胞膜。

泡泡屋是行人临时休息的场所。泡泡屋内部在气压、氧气浓度等方面完全与平原地带相同，为初到高原的人提供了一个很好的临时休息或过夜场所，有效缓解了初到高原时身体产生的不适反应。

供给屋是宿主细胞屋资源供给和废物处理的地方。屋中提供了治疗高原反应等的应急药品，患者可以先购买一些针对病症的药物来减缓症状，待到达救助点时再进行治疗。供给屋中安装有摄像头和相关传感器，可实时将屋内信息传输给控制中心，方便管理维护和物资补给。供给屋中还配有过滤净水装备，可以过滤收集到的雨水、雪融水、河水，使其成为可饮用的纯净水。宿主细胞屋还配有智能化生态厕所[5]，可实现厕所废水零排放、全回用。

在宿主细胞屋细胞膜结构底部的衔接处设计了以日光温室为原型向外凸出的智能温室结构用于在宿主细胞屋内种植植物，采用透明导电薄膜材料做为智能温室的棚架结构。

此外，在宿主细胞屋内安装了大量传感器，用以检测系统及环境状况，增加系统的智能化程度。如所有的灯可智能调控，为系统添加“肺”功能，自动灌溉，自动调光等。在一个宿主细胞屋中，每个泡泡屋的面积为10.17 m2，共有12个泡泡屋，总面积为122 m2，供给屋面积为80 m2， 绿化面积为98 m2，宿主细胞屋总面积为300 m2。宿主细胞屋实现了智能化与零污染，在能源供给方面实现了自给自足，减少了人工管理成本，使其更加适用于青藏线沿线的景区、农牧区。

2 宿主细胞屋“细胞膜”结构

西藏的太阳能资源十分丰富，居全国首位，同时也是世界上太阳能资源最丰富的地区之一。截至目前，西藏已建设离网光伏电站62座、总装机容量约5万千瓦[6]。宿主细胞屋南面的非晶硅薄膜电池可作为宿主细胞屋的电能供给装置，作为电动交通工具的电能补给与休息站。利用分布式发电[7]技术为西藏能源供应提供便利，并作为盈利的主要模式。

透明导电薄膜通电后可加热，因此可将其作为除雪、保温、加热装置。透明导电薄膜具有反射红外线和滤光功能，故可将其作为保温装置。通过智能感光系统来控制通过透明导电薄膜中的电流大小，智能调节透光率。根据室内生物的活动需求智能改变室内光照强度。

3 泡泡屋和供给屋结构

3.1 泡泡屋结构

泡泡屋内设有快速供氧装置，可为高反、呼吸困难等人群在氧气浓度适宜的范围内快速供氧，同时利用供氧植物进行慢速供氧，避免因缺氧造成人员伤亡。泡泡屋换气原理图如图2所示。为改善高原低压、缺氧、干燥的环境，使宿主细胞屋拥有“肺”功能，本文设计了基于单片机的呼吸器控制系统[8]，将泡泡屋内的气压加压到标准气压，从而改善人体心率和血氧饱和度。呼吸器系统框图如图3所示。通过空气温湿度模块和光照模块将泡泡屋内的空气温湿度和光照强度控制在适宜人生活的最佳范围，成功模拟出平原环境。

3.2 供给屋结构

3.2.1 火灾监控模块

火灾监控模块通过烟雾传感器和温度传感器采集室内烟雾浓度和温度，当室内烟雾浓度或温度超过设定值时，水泵自动开启并灭火。主程序流程如图4所示。

硬件电路是系统工作的载体，包括单片机最小系统，烟雾检测AD采集电路，温度采集电路，显示模块，声音报警电路，按键控制电路，电源模块等。单片机最小系统是系统工作的基础；烟雾检测AD收集电路和温度收集电路可实现对信号的收集；显示模块、声光报警和按键控制电路可实现人机对话；电源模块为系统供给电能。系统原理如圖5所示。

系統采用MQ-2烟雾检测传感器。经ADC0832后方可获得各类烟雾浓度下的电压值，进而设定理想的烟雾强度报警值。数字式DS18B20温度传感器[9]第一引脚接地，第二引脚是数据输入输出口，接4.7 kΩ的上拉电阻，第三引脚接VCC。电路通过三极管的基极串连一个电阻与单片机P3.6端口连接，从而实现控制蜂鸣器报警的目的。

3.2.2 购物模块

在供给屋内部安装自助售物装置，可自助售卖药物、饮用水、食物等生活必需品，供过往行人使用。在供给屋内设立供水装置、雨水收集装置以收集水源，同时增加净化水装置和饮水装置，供过往行人免费使用。为保障供给屋内各种设备的安全，在室内安装了相应的防盗监控装置。

3.2.3 太阳能智能化无水堆肥旱厕

随着社会的发展，环境污染已成为人类密切关注的问题，全球水污染问题尤为突出，已经成为“世界性的灾难”。而世界水污染的原因之一便是目前大量存在的水冲式厕所。考虑到厕所的建造与维护成本，宿主细胞屋内的供给屋采用太阳能智能化无水堆肥旱厕。太阳能无水堆肥旱厕利用太阳能加热空气抽风，隔板上下空气流动，粪便在高温环境中与有机物作用后分解。太阳能无水堆肥旱厕依照生态学原理，将人体代谢废物作为可利用的资源进行再循环。具有维护成本低、安装方便、无二次污染等优点，同时利用物联网技术可实现对厕所的智能化管理。整体设计框图如图6所示。

4 智能温室结构

4.1 空气温湿度模块

系统以STC89C52单片机为核心，将按键电路，报警电路，晶振电路，传感器电路，显示电路等作为基本电路，构成电路模块。采用集温湿度检测于一体的DHT11传感器[10]收集温湿度数据，并发送至单片机。输出则采用蜂鸣器+LED的形式。电源供电采用USB 5 V供电。系统原理图、系统框图和程序流程图分别如图7～9所示。当宿主细胞屋内空气温度高于设定温度的上限时，自动开启降温设备；当空气温度低于设定温度的下限时，自动开启升温设备。用户可按照现实需求设定所需温度阈值。

4.2 土壤湿度模块

4.2.1 系统组成及工作原理

本文设计的土壤湿度模块系统组成如图10所示。该系统的工作过程为：土壤湿度传感器将湿度信号送至ADC0832，经模数转换后，将数字信号送入单片机进行数据处理，并将最终获得的结果发送到显示模块。

4.2.2 传感器

系统采用HS1101土壤湿度传感器[11]，它是一种变容式相对湿度传感器。测量湿度时将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转变成电压的频率信号，可被微处理器直接存取。其特性参数见表1所列[12]。

4.2.3 系统软硬件设计

该土壤湿度检测模块的程序设计流程：待土壤湿度信号模数转换后，单片机读取湿度值，经处理后将湿度值送至液晶显示器中显示，当湿度值小于设定的最小阈值时水泵开启，大于设定的最大阈值时水泵关闭。系统主程序流程如图11所示。

该系统由单片机最小系统、继电器电路、报警电路、键盘电路、显示电路、土壤湿度检测电路等组成，构造简单、紧凑，功耗较低，抗干扰能力强，总体性能较好。

4.3 光照模块

西藏太阳能资源丰富，导致室内光照强度太强，为避免阳光直射，住户白天在打开遮阳装置遮挡阳光的同时还需打开电灯为室内照明，不仅造成了极大的资源浪费，更无法充分利用绿色无污染的太阳能资源。对此，本控制系统将透明导电薄膜分割成若干独立的部分，以实现对光照的控制。以光照太强，减弱室内光照为例，以南半细胞膜为中心，呈扩散趋势控制透明导电薄膜中的电流，当室内光照强度适宜时，自动停止扩散。而使用独立模块的好处在于可大大延长该装置的使用寿命。系统根据光照及定时等控制透明导电薄膜的光线通透率，使室内光线维持 “动态平衡”。

（1）手动控制：使用此功能的用户可根据自身需要，通过按键控制透明导电薄膜中电流的通断来实现遮阳装置的开关，此功能可以使遮阳装置的开闭处于任何一种状态；

（2）自动控制：通过传感器检测光照强弱，实现智能化控制透明导电薄膜的光线通透率，使室内光照强度达到适宜的范围；

（3）时间自动控制：按照用户设定的时间来控制开启或关闭遮阳装置。

系统硬件包括单片机系统电路、信号调理电路、传感器检测电路、键盘电路、显示接口电路、电流控制电路等。单片机系统电路为各模块提供电压和时钟模块；检测到模拟信号后，经比较器比较后将数字信号传送给单片机。

比较器将传感器采集的信号进行比较。传入信号由单片机控制，并做出响应，以实现控制电流的目的。显示模块用以显示时间和控制器的各种状态，通过键盘模块实现对工作状态的调节。光照模块框图如图12所示。

5 结 语

该宿主细胞屋在智能温室的基础上，对智能温室关键模块进行了改造，从而设计出既可应用于智能温室又可应用于宿主细胞屋的关键模块。用透明导电薄膜材料作为“细胞膜”，将泡泡屋或供给屋作为“细胞核”，应用符合未来发展的人工智能技术，提高了细胞屋的智能化，实现了细胞屋的零能耗，符合绿色低碳的发展原则。该宿主细胞屋既可作为新型高原能源建筑，又可作为传统智能温室的升级，为人类建立“太空农场”提供依据。

未来，可以设计出能够感知人体活动的人体活动感知系统，并根据人体的具体活动，智能化调节室内环境。作为医疗领域的“寄生细胞”为医疗救助提供便利，同时也为人类移居外太空的生存居住奠定了基础，作为外太空的空间生物再生生命保障系统（BLSS）[13]。

参考文献

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