綠色屋頂自治系統的設計

井洪晶　魏東輝　李素璇　肖紫文　牛雨新

摘 要 當今社會城市建設飛快，占用了越來越多的土地，一方面，溫室效應、空氣污染等環境問題日趨嚴重，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民的耕地。菜農們為了追求高產而濫用化學試劑導致人們中毒的事件時有發生。這迫使人們對綠色蔬菜的需求越來越強烈。針對這一系列問題，設計出一種利用太陽能提供能源的智能無土栽培生態屋頂技術，充分利用城市屋頂的有限空間，提高太陽能的利用率，增加城市的綠化面積，以達到低碳、節能、環保的目的。

關鍵詞 綠色屋頂 自動控制 環保

1研究背景及目的

傳統的有土栽培技術存在一些弊端，其一，屋頂上厚重的泥土覆蓋對樓房的承重要求極高；其二，屋頂防水層被植物和土壤覆蓋，一旦發生滲漏，很難發現漏點；其三，肥料中酸、堿、鹽物質會對防水層造成持續破壞，防水材料性能不穩定很容易導致污水滲漏；其四，暴雨天氣下泥沙被沖刷而下會導致下水道堵塞、大風天氣下塵土飛揚會對環境造成污染。綠色屋頂自治系統不但可以解決有土栽培的上述問題，同時還可實現蔬菜的全年種植，縮短其生長周期，提高勞動生產率，實現高產優產的目的。同時減少化學產品的使用，從而滿足人們對綠色蔬菜的需求。

本文將綠地向空中發展，既緩解了土地資源利用的壓力，又踐行了節約集約的理念。作為未來農業現代化生產的雛形，對我國高產、高效、優質農業現代化建設的實現有著深遠的意義，，這樣的綠色屋頂也為人類的休閑生活提供了一種環境優雅的場所，對提倡可持續發展和綠色環保理念也有著重要的意義。

2解決的問題

本文設計制作一個將智能化與無土栽培技術相結合的綠色屋頂自治系統，以緩解城市土地資源的嚴重不足。對于系統所要達成的具體目標如下：

（1）利用控制系統與培養設備相結合，根據植物的不同生長需求，通過單片機控制電磁閥進而對營養液濃度、PH值等進行調節，實現無土栽培營養液的自動配比與自動更換。

（2）實現對植物生長狀況的實時監測，并將信息時刻反饋到電腦上供技術人員查看，從而及時對系統進行維護和故障檢修。

（3）將植物光合作用所需以外的太陽能進行光伏發電，以實現對整套系統的能量供應。

3設計的內容

本設計主要由三個部分組成，分別為光伏發電模塊、無土栽培營養液自動配比模塊和檢測調控模塊。系統方框圖如圖1所示：

3.1光伏發電模塊

由光伏組件、并網逆變器、計量裝置及配電系統組成；太陽能能量通過光伏元件轉化為直流電能，再通過并網逆變器將直流電能轉化為與電網同頻率、同相位的正弦波電流，以實現對整個系統的供電。

3.2無土栽培營養液自動配比模塊

在無土栽培所需的配液箱里加裝電導率濃度傳感器和酸堿度傳感器，將傳感器所測到的數值以電信號的形式傳給單片機，使營養液濃度始終維持在人為設定的范圍內，若監測到的營養液濃度或PH值超出設定范圍，單片機即啟動按照事先編好的程序對電磁閥進行控制，自動調節母液或配液箱的濃度，使系統智能運轉。

3.3監測調控模塊

通過各種傳感器時刻檢測系統的濃度、溫度、酸堿度、液體的體積等，通過單片機進行智能調控并將整合的數據通過上位機傳給電腦，使管理者可以實時監測系統的運行狀況，實現對系統的及時維護。

運用單片機實現對主控系統的設計，再通過主控系統對營養液箱的水泵進行控制，使營養液每隔一定的時間能循環一次并且使管道中的舊液能重新排到配液箱中以實現營養液循環使用；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上便于主控系統對傳感器檢測到的數據進行分析，再通過分析的結果及時啟動安裝在水箱、母液箱及其他調節箱中的水泵對配液箱進行濃度調節、PH調節及其他各個數據的調節，從而使配液箱里的營養液一直保持植物生長所需要的最佳配置方案；在屋頂的維護墻上加裝一定功率的太陽能光伏組件，利用光生伏打效應將太陽能轉化為電能為整個系統供電。

4結論

（1）本文的技術關鍵在于對無土栽培生態屋頂系統的智能調控，為做到準確的調控，需要將各種傳感器合理的結合，通過51單片機實現對電磁閥的控制及信息采集的整合，并通過相關程序實現整個系統的智能運轉；

（2）將光伏太陽能發電系統與智能無土栽培技術有機結合，實現利用太陽能作為能源的供電系統；

（3）掌握植物所需營養液的主要成分、科學配比及營養液的更換時間，通過傳感器的檢測和單片機的控制實現對植物生長的精準調控；

（4）對設備進行改造，使其在露天的環境中能抵抗惡劣氣候的侵襲。

參考文獻

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