一种新型智能生态屋顶

杨恺

摘 要：如今智能化成为了人们生活中的热点，人们也越来越容易接受智能化带来的便利。本文提出了一种新型智能生态屋顶方案，应用智能化技术可以根据土壤的湿度以及阳光光强进行高效率，实时性地喷灌种植。本方案由太阳能电池系统，雨水收集利用系统，智能喷灌系统和种植系统四个部分构成。通过这四个系统的相互配合达到智能喷灌种植的目的，同时也为我国的可持续性发展以及城市建设提供新的思路、方案。

关键词：生态屋顶;智能喷灌;可持续性发展;城市建设

中图分类号：TU231 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）09-0108-02

0 引言

全球变暖以及可持续发展一直是近几年热度不减的话题。根据调查研究显示，2017年我国的城市常驻人口已达全国人口的百分之五十以上[1]。同时城市相较乡村郊区的植物丰富性不同，仅有有限且相对单一的植物种类，大部分面积被建筑物所占据，这样所构成的生态是脆弱的。同时昂贵的地价，不断发展的城市也极大的压缩植物生长空间，为生态的构建提出了难题。因此生态屋顶的建设对于构建新型可持续性发展的城市变得重要起来。目前大部分采用智能技术的生态屋顶仅仅是根据土壤的濕度监测从而去喷灌植物，没有考虑到植物对光的敏感性。本方案在满足湿度监测的同时加入光敏传感器，使湿度与光强协同反馈给传感器，做出更好的喷灌选择，给出了一种新型智能生态屋顶。

1 方案设计

本方案由太阳能电池系统，雨水收集利用系统，智能喷灌系统和种植系统四个部分构成。其中太阳能电池系统提供整套方案的动力;雨水收集系统提供灌溉所需的水资源;智能喷灌系统为核心根据土壤湿度传感器与光敏传感器结合反馈进行合理喷灌;种植系统提供植物生存环境基础。通过四个系统的相互合作实现了将土壤湿度以及阳光光强相结合反馈进行合理灌溉的新型智能生态屋顶的建设。

方案的整体简易流程图如图1所示。

1.1 太阳能电池系统

本系统是整套方案的动力来源，同时应遵循可持续性发展的原则。因此需要该系统具有稳定、清洁的特点。根据这两个特点，本系统由设置在屋顶的太阳能电池板以及与太阳能电池板相连接的蓄电池构成。太阳能是清洁可持续的能源，阳光充足的白天太阳能电池板给蓄电池充电，同时保障动力的供应;阴雨天储存在蓄电池中的能量仍可以保障整套方案的平稳运行。因此采用太阳能电池板加蓄电池的组合是满足稳定、清洁的。

1.2 种植系统

本系统提供植物生存环境的基础，包含土壤层、砾石层、进水管和防水层。土壤层在砾石层上方，砾石层在防水层上方，砾石层和防水层之间有进水管。进水管是用来收集喷灌后由砾石层渗出的水资源进入储水箱，提升可持续性。防水层是铺在整个屋顶的，这样防止水渗透进屋子影响生活，而砾石层与土壤层的面积应小于或者等于防水层的面积。防水层应呈一定的倾斜角，纵向剖面示意图呈凹型，中间低，如图2所示。在土壤的下方先铺一层砾石的目的在于固定住土壤，同时一定的砾石有利于水分的渗透，从而可以使植物更好的吸收水分。对于土壤层的土壤应该选用品质较高的土壤，提高植物移植的成活率。为了对土壤的湿度进行实时监测需要在土壤层以及砾石层分别放置湿度传感器，如图3所示。

这样由防水层、砾石层、土壤层所构成的环境基本满足普通植物生长的环境要求，同时置于砾石层与土壤层中的湿度传感器可以实时反馈种植系统的湿度变化，本系统满足了种植系统的基本要求。

1.3 雨水收集利用系统

本系统提供整套方案所需的水资源，水资源的供应应该是稳定、清洁的。因此在本着可持续性的原则收集雨水进行灌溉植物。但是雨水并不能保持水资源的稳定供应，需要在雨水收集装置的基础上加入自来水注入装置。当水箱的水低于警戒线的时候注入自来水，保持水资源的稳定供应。

本系统由导水管、过滤装置、储水箱、排水管及自来水管几部分组成[2]。储水箱安装在屋顶外壁，位于房屋防水层较低的一侧，其顶部高度位于防水层下方，储水箱上方分别连接有导水管，进水管和自来水管，上部通过排水管连接房屋的排水系统，进水管的下部位于储水箱下部1/5处，储水箱内部有两个水位感应器，分别位于储水箱上方1/5处和下方1/5处;过滤装置位于导水管和储水箱之间。雨水以及喷灌时从砾石层渗滤出的水通过进水管经过过滤装置回收至储水箱。当储水箱中水量达到预设水位时，触发储水箱上部的水位传感器，打开排水管，排出多余的水。反之，当水位低于预设水位时，触发储水箱下部的水位传感器，自动打开自来水管，向水箱中加水来保证系统的正常运行。因此本系统满足水资源供应的稳定、清洁。图4为雨水储水箱的纵向剖面示意图。

1.4 智能喷灌系统

本系统是整套方案的核心以及创新所在。常用的智能喷灌技术只考虑了土壤湿度因素，应用了土壤湿度传感器来控制喷灌，而对光照强度因素未予考虑，而光强对植物的生长有着重要意义，在光强过大时对植物浇水会加速植物的蒸腾作用，不利用植物的生长，土壤湿度传感器与光敏传感器结合的智能喷灌技术的应用尚属空白[3]。为了解决存在的技术问题，本系统加入了光敏传感器，从而将湿度与光强相结合。当光敏传感器检测到光强高于最大阈值时，关闭土壤湿度传感器1和土壤湿度传感器2;当光敏传感器检测到光强低于最大阈值时，启动土壤湿度传感器1和土壤湿度传感器2。当土壤湿度传感器1检测到土壤湿度低于最低阈值时，打开水泵，启动喷灌系统;当砾石层中的湿度传感器2检测到水分时，即表明土壤湿度足够时，由湿度传感器2控制，关闭喷灌系统。

当然湿度传感器与光敏传感器以及水流控制开关需要控制中心。本系统采用STM32作为控制中心，通过传感器传回来的数据与程序中设定的阈值进行比较，从而控制水流控制开关的通断达到合理的灌溉设置。通过查阅有关文献，不同的植物对土壤的湿度要求是不同的。因此，根据实际种植的植物进行相应的湿度设置。当然，种植多种植物时在其对应的不同区域分别放置湿度传感器，不同区域有不同的水流控制开关，保证不同植物均保持其所需的最佳湿度。STM32有足够多的IO口进行数据的接受与发送。在监测湿度的基础上，本系统加上了对光强因素的考虑，当光强大于1500勒克斯时相当于温度较高的中午阳光。因此将其设定为光敏传感器的阈值。将光强写进stm32的中断中，只要满足条件不管是否喷灌均执行不喷灌的指令。这样由控制核心stm32以及湿度传感器、光敏传感器、水流控制开关组成的系统达到了智能喷灌的要求。

2 方案结论

通过上述的方案介绍，本方案完成了生态屋顶的设计，同时尽可能地保证可持续性的要求。因此用了清洁能源太阳能，灌溉采用了雨水收集的方式。防水层以及砾石层的加入使的生态屋顶可长时间的保存并且不影响人类正常的生活居住。单片机以及湿度传感器的加入，使得喷灌系统具有了智能性。可以在需要的时候自动进行喷灌处理。本方案在原有传感器基础上加入了光敏传感器，充分的考虑植物的蒸腾作用所带来的影响。从而可以更好的利用喷灌系统，提高植物成活率。同时，这也是建设生态城市的一个较好的发展方向。在越来越拥挤的城市中利用好每一快土地均对城市生态建设起到了重大意义[5]。智能化是未来不可阻挡的趋势，我们应更好的应用智能化带给我们的便利。

参考文献

[1] 宋瑞霞.基于SWOT分析的河南省新型城镇化发展问题研究[J].湖北函授大学学报，2018（17）97-99.

[2] 刘建萍，李毅玲，郑玉伦，et al.北京工业大学雨水收集利用的实践[J].中国水利，2009（11）：58-59.

[3] 胡阳，江莎，李洁，et al.光强和光质对植物生长发育的影响[J].内蒙古农业大学学报：自然科学版，2009（4）：296-303.

[4] 刘颖，韩士杰，胡艳玲，et al.土壤温度和湿度对长白松林土壤呼吸速率的影响[J].应用生态学报，2005，16（9）：1581-1585.

[5] 刘济勇.基于节能视角的生态屋顶形式的应用[J].山西建筑，2008，34（24）：237-238.