基于绿色生态系统的自管理空气净化墙

李浩

摘 要：本文從自我管理的生态系统出发，基于苔藓生态系统，研究出一套能运用于公交站台、公园、地铁口等公共场所的高效率绿色植物生态墙。该生态墙利用太阳能供电的方式和结合现有传感器和其他机械设备，根据苔藓生长状况，建立信息反馈和处理通道，实现自我管理，包括自我给水，自我施肥等功能，以减少人工干预，提供更多便民服务；还通过空气质量检测来实时采集局域环境信息。同时该墙还有美化生活环境，显示信息等功能。

关键词：室外绿植生态墙、传感器、自管理、便民服务

随着人口急速增长和城市的迅速发展，城市的绿化面积相对较小，城市的空气质量得到更多人的关注，并且城市景观生态化显现尤为重要的地位[1]。除了采用一些电动汽车、共享单车，还可以在公共场合建生态墙。生态墙是从生态学和植物的生态原理出发，与传统墙相比，生态围墙在功能上有了质的飞跃[2]。

该墙通过自动控制技术，以太阳能电池板产生的电能为能量来源，放置于土壤中的湿度和酸碱度传感器等为工具检测植物生长状况。同时收集雨水并利用自主修改的全自动滴灌技术，由太阳能电池板供电，A/D转换电路、单片机和传感器相应的检测、继电器控制电路组成的单片机采集控制模块为整个测控系统的核心，实现对植物根部自动补充水和养分以实现绿墙的自动维护功能，解放人力。同时充分利用太阳能电池板产生的能量实现绿植墙的全新便民功能：时间显示、夜晚LED灯供电。以上过程不需人为控制。

目前市面上绿植墙的主要功能为装饰作用，成本高昂且受众面小，绿墙养护需要大量人力物力，若疏于管理，苔藓植物便会在二三个月内大量死亡，而基于绿色生态系统的自管理空气净化墙和目前市面上的绿植墙相比有如下区别：

（1）基于绿色生态系统的自管理空气净化墙利用不同于农业自动滴灌系统，由我们自主修改，通过回收雨水并储存的方式代替人工给水箱补水，并对回收的雨水进行多步过滤防止滴灌系统堵塞。

（2）机械泵可将植物所需的盐分、矿物质等养分溶解到水中，通过滴灌系统供给植物所需。并且苔藓植物需要外部养分极少，一年中人为补给养分和水只需一次，达到一年一次维护只需几小时。

（3）充分利用太阳能电池板产生的能量，实现绿植墙便民功能，如空气质量检测、时间提醒、夜晚LED灯照明供电等许多便民功能，使绿植墙不再只是装饰作用。

本项目最大的创新点在于，基于苔藓生态系统所述墙能够实现自我管理且良性循环：将湿度传感器和ph-1110传感器（酸碱度传感器）应用在数据采集模块上，收集苔藓土壤的干湿度和酸碱度，解析苔藓的生长环境状况，并将这些信息反馈于微处理器，由微处理器来决定是否需要进行给水和施肥；通过空气质量检测器实时检测局域环境状况并将采集到的数据传送到技术人员进行分析；选择苔藓是因为苔藓能为细菌提供良好的生存环境，且苔藓上附着的细菌能吸收空气中的氮氧化物和碳氧化物来为苔藓提供养分，形成良性循环，提高生态墙的稳定性。该生态墙在净化空气的同时还能提高城市美化质量，符合城市结构，节省空间结构，并有效解决城市“热岛”问题。

1.工作原理

该生态系统自动管理及信息采集系统，以STM32F103ZET6微处理器为主控器，采用了模块化设计思想，集成有土壤pH值检测，土壤湿度检测，光敏电阻，水位检测，温度传感器，空气质量检测设备，通讯设备，报警系统。能够实现对植物土壤湿度以及pH值的测定并将信息反馈回主控制器，主控制器进一步对其做出供水或者调节pH值响应，从而达到自主管理植物的生长减少劳动力成本的功能；可将该pH值变化以及土壤湿度变化等信息通过通信设备传送到技术人员手中，技术人员平均每年可以花费不超过5个小时的时间来监视植物的生长情况。设备中的空气质量检测设备以及外界温度传感器可以实时检测当前空气的质量以及外界温度的变化并将数据储存通过通讯设备发送到技术人员处，实现环境数据的采集对环境状况的实时监督。通过光敏电阻的变化我们可以做到对白天和黑夜的判断，从而打开照明设备。供电方式采用的是光伏发电，收集的太阳能通过控制器一部分可以贮存在蓄电池中，一部分可以直接向设备供电。通过逆变器可将直流电源转化为交流电源向交流负载进行供电。设备中的不同设备对电压和电流的的要求不同，所以控制器和蓄电池输出的电压要经过变压设备处理后才能对单片机、空气质量检测设备等直接供电。土壤湿度传感器采用SEN0114 Arduino Gravity来检测土壤的水分，当土壤缺水时，传感器输出值将减小，反之将增大。传感器表面做了镀金处理可以延长它的使用寿命。将它插入土壤，然后使用AD转换器读取它。空气质量检测采用灰尘传感器 YW-51GJ进行处理。

2.技术要点

（1）高程度的自我管理能力

极少的人工干预是该生态墙的一大特色。在实际运行中，温湿度的变化将影响苔藓的生长，因此为了生态墙长期稳定的运行，就需要设计出一套能力强大的自我管理系统。

（2）科学的给水装置

科学的给水装置是该生态墙的一个重要组成部分。生态墙主要以搜集雨水，同时结合滴灌技术来供水，因此，雨水的过滤和滴灌的速率以及频率无疑是另一个技术要点。

（3）其他技术要点

适用于不同社会环境的艺术效果和便民程度。

3.结构部分

基于绿色生态系统的自管理空气净化墙具体结构方案：所述生态墙包括包括外墙体，苔藓生态系统，滴灌系统。所述墙体底部设有水箱及与太阳能板连接的蓄电池，所述墙体外部前后两面由苔藓生态系统代替，苔藓生态系统由每个单位分隔组成，两绿植墙面由两面分隔基板在墙体内固定，所述基板设有通孔，与滴灌系统连接，两块基板之间形成墙内空腔，这部分空间放置自控制滴灌系统，滴灌系统如图所示。根据所示结构，所述墙体左右两面也会形成空腔，这部分空间设置各类与生态系统和滴灌相关联的传感器和控制面板。所述墙体顶部设置太阳能电池板。

结论：

本文介绍了一种全新智能型绿色植物生态墙，可在进行自管理的同时实现部分便民功能，有助于节约能源和环境保护，以此为目标进行大规模推广。

参考文献：

[1]贺碧欣. 城市生态绿墙应用初探[J]. 城市建设理论研究，2016（4）

[2]沈敏. 浅谈建设城市生态墙[N]. 中国花卉报，2003/10/09

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