楊玉 嚴(yán)李強 李林峰 李保軍

摘 要：宿主細胞屋采用透明導(dǎo)電薄膜材料和非晶硅薄膜電池作為“細胞膜”，泡泡屋或供給屋作為“細胞核”。在宿主細胞屋中增加生態(tài)因子控制模塊、電能供給模塊、醫(yī)療急救模塊、供水模塊等。應(yīng)用智能控制技術(shù)使細胞屋能夠時刻維持“內(nèi)環(huán)境”的穩(wěn)定，采用新能源發(fā)電技術(shù)為細胞屋提供能源。宿主細胞屋主要應(yīng)用于青藏高原等氣候惡劣地區(qū)，在已有智能溫室大棚的基礎(chǔ)上，應(yīng)用符合未來發(fā)展的人工智能技術(shù)，將兩者巧妙結(jié)合，創(chuàng)造出一種利于人居住的智能化、零能耗建筑。

關(guān)鍵詞：宿主細胞屋；生態(tài)因子；智能控制；細胞膜；零能耗

中圖分類號：TP39；TU398 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-05

0 引 言

目前，國內(nèi)外還沒有宿主細胞屋這一概念，所建設(shè)的生態(tài)屋[1]主要針對發(fā)展相對較快的城市，集中在室內(nèi)垂直墻體上種植綠植，所以可認為現(xiàn)在諸多生態(tài)屋改變的只是原有建筑內(nèi)外的視覺美觀、廢水利用、太陽能利用和智能照明等。至此，現(xiàn)有生態(tài)屋的各項指標(biāo)還不夠完善，無法精準(zhǔn)、智能地調(diào)控生態(tài)屋的“內(nèi)環(huán)境”。主動技術(shù)[2]利用較少，以太陽能被動技術(shù)為主。而針對高原環(huán)境下的生態(tài)屋研究幾乎處于空白狀態(tài)。

西藏地處中國西南邊陲，全境平均海拔4 000 m以上，氣候條件惡劣，不宜生活。但又是旅游大省，每年有1 000多萬游客到此旅游，然而高原獨特的氣候特點使很多游客望而止步。以納木錯為例，游客喜歡納木錯的星空和日出，但由于納木錯地處高原，夜晚風(fēng)大、寒冷，待在室外觀賞星空對人的毅力和身體是極大的考驗。而待在室內(nèi)又無法欣賞美麗的景色。同時青藏高原路途遙遠，每年有大量自駕游和托運司機往返于青藏線，路途中司機幾乎都在車上過夜，對司機的人身安全造成了極大威脅。同時西藏駐扎了部分邊防駐軍，他們肩負著保家衛(wèi)國的使命，但卻飽受高原環(huán)境的摧殘。此外，牧民長期在野外放牧，只能住在條件簡陋的帳篷里。

基于上述情況，本文以現(xiàn)有生態(tài)屋為原型結(jié)合細胞的概念，充分考慮如何利用太陽能主動技術(shù)，設(shè)計出一款將設(shè)施農(nóng)業(yè)智能溫室關(guān)鍵技術(shù)和新能源技術(shù)巧妙結(jié)合的多功能智慧高原宿主細胞屋。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1所示為宿主細胞屋的模型。其中宿主細胞屋的“細胞膜”，是整個宿主細胞屋的第一重保護?；谇嗖馗咴椛鋸姷奶攸c，我們在宿主細胞屋的南面用非晶硅薄膜電池[3]和透明導(dǎo)電薄膜[4]構(gòu)成了由內(nèi)到外的雙層細胞膜結(jié)構(gòu)，宿主細胞屋的北面由普通塑料構(gòu)成，由南北面結(jié)構(gòu)共同組成宿主細胞屋的細胞膜。

泡泡屋是行人臨時休息的場所。泡泡屋內(nèi)部在氣壓、氧氣濃度等方面完全與平原地帶相同，為初到高原的人提供了一個很好的臨時休息或過夜場所，有效緩解了初到高原時身體產(chǎn)生的不適反應(yīng)。

供給屋是宿主細胞屋資源供給和廢物處理的地方。屋中提供了治療高原反應(yīng)等的應(yīng)急藥品，患者可以先購買一些針對病癥的藥物來減緩癥狀，待到達救助點時再進行治療。供給屋中安裝有攝像頭和相關(guān)傳感器，可實時將屋內(nèi)信息傳輸給控制中心，方便管理維護和物資補給。供給屋中還配有過濾凈水裝備，可以過濾收集到的雨水、雪融水、河水，使其成為可飲用的純凈水。宿主細胞屋還配有智能化生態(tài)廁所[5]，可實現(xiàn)廁所廢水零排放、全回用。

在宿主細胞屋細胞膜結(jié)構(gòu)底部的銜接處設(shè)計了以日光溫室為原型向外凸出的智能溫室結(jié)構(gòu)用于在宿主細胞屋內(nèi)種植植物，采用透明導(dǎo)電薄膜材料做為智能溫室的棚架結(jié)構(gòu)。

此外，在宿主細胞屋內(nèi)安裝了大量傳感器，用以檢測系統(tǒng)及環(huán)境狀況，增加系統(tǒng)的智能化程度。如所有的燈可智能調(diào)控，為系統(tǒng)添加“肺”功能，自動灌溉，自動調(diào)光等。在一個宿主細胞屋中，每個泡泡屋的面積為10.17 m2，共有12個泡泡屋，總面積為122 m2，供給屋面積為80 m2， 綠化面積為98 m2，宿主細胞屋總面積為300 m2。宿主細胞屋實現(xiàn)了智能化與零污染，在能源供給方面實現(xiàn)了自給自足，減少了人工管理成本，使其更加適用于青藏線沿線的景區(qū)、農(nóng)牧區(qū)。

2 宿主細胞屋“細胞膜”結(jié)構(gòu)

西藏的太陽能資源十分豐富，居全國首位，同時也是世界上太陽能資源最豐富的地區(qū)之一。截至目前，西藏已建設(shè)離網(wǎng)光伏電站62座、總裝機容量約5萬千瓦[6]。宿主細胞屋南面的非晶硅薄膜電池可作為宿主細胞屋的電能供給裝置，作為電動交通工具的電能補給與休息站。利用分布式發(fā)電[7]技術(shù)為西藏能源供應(yīng)提供便利，并作為盈利的主要模式。

透明導(dǎo)電薄膜通電后可加熱，因此可將其作為除雪、保溫、加熱裝置。透明導(dǎo)電薄膜具有反射紅外線和濾光功能，故可將其作為保溫裝置。通過智能感光系統(tǒng)來控制通過透明導(dǎo)電薄膜中的電流大小，智能調(diào)節(jié)透光率。根據(jù)室內(nèi)生物的活動需求智能改變室內(nèi)光照強度。

3 泡泡屋和供給屋結(jié)構(gòu)

3.1 泡泡屋結(jié)構(gòu)

泡泡屋內(nèi)設(shè)有快速供氧裝置，可為高反、呼吸困難等人群在氧氣濃度適宜的范圍內(nèi)快速供氧，同時利用供氧植物進行慢速供氧，避免因缺氧造成人員傷亡。泡泡屋換氣原理圖如圖2所示。為改善高原低壓、缺氧、干燥的環(huán)境，使宿主細胞屋擁有“肺”功能，本文設(shè)計了基于單片機的呼吸器控制系統(tǒng)[8]，將泡泡屋內(nèi)的氣壓加壓到標(biāo)準(zhǔn)氣壓，從而改善人體心率和血氧飽和度。呼吸器系統(tǒng)框圖如圖3所示。通過空氣溫濕度模塊和光照模塊將泡泡屋內(nèi)的空氣溫濕度和光照強度控制在適宜人生活的最佳范圍，成功模擬出平原環(huán)境。

3.2 供給屋結(jié)構(gòu)

3.2.1 火災(zāi)監(jiān)控模塊

火災(zāi)監(jiān)控模塊通過煙霧傳感器和溫度傳感器采集室內(nèi)煙霧濃度和溫度，當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度或溫度超過設(shè)定值時，水泵自動開啟并滅火。主程序流程如圖4所示。

硬件電路是系統(tǒng)工作的載體，包括單片機最小系統(tǒng)，煙霧檢測AD采集電路，溫度采集電路，顯示模塊，聲音報警電路，按鍵控制電路，電源模塊等。單片機最小系統(tǒng)是系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)；煙霧檢測AD收集電路和溫度收集電路可實現(xiàn)對信號的收集；顯示模塊、聲光報警和按鍵控制電路可實現(xiàn)人機對話；電源模塊為系統(tǒng)供給電能。系統(tǒng)原理如圖5所示。

系統(tǒng)采用MQ-2煙霧檢測傳感器。經(jīng)ADC0832后方可獲得各類煙霧濃度下的電壓值，進而設(shè)定理想的煙霧強度報警值。數(shù)字式DS18B20溫度傳感器[9]第一引腳接地，第二引腳是數(shù)據(jù)輸入輸出口，接4.7 kΩ的上拉電阻，第三引腳接VCC。電路通過三極管的基極串連一個電阻與單片機P3.6端口連接，從而實現(xiàn)控制蜂鳴器報警的目的。

3.2.2 購物模塊

在供給屋內(nèi)部安裝自助售物裝置，可自助售賣藥物、飲用水、食物等生活必需品，供過往行人使用。在供給屋內(nèi)設(shè)立供水裝置、雨水收集裝置以收集水源，同時增加凈化水裝置和飲水裝置，供過往行人免費使用。為保障供給屋內(nèi)各種設(shè)備的安全，在室內(nèi)安裝了相應(yīng)的防盜監(jiān)控裝置。

3.2.3 太陽能智能化無水堆肥旱廁

隨著社會的發(fā)展，環(huán)境污染已成為人類密切關(guān)注的問題，全球水污染問題尤為突出，已經(jīng)成為“世界性的災(zāi)難”。而世界水污染的原因之一便是目前大量存在的水沖式廁所?？紤]到廁所的建造與維護成本，宿主細胞屋內(nèi)的供給屋采用太陽能智能化無水堆肥旱廁。太陽能無水堆肥旱廁利用太陽能加熱空氣抽風(fēng)，隔板上下空氣流動，糞便在高溫環(huán)境中與有機物作用后分解。太陽能無水堆肥旱廁依照生態(tài)學(xué)原理，將人體代謝廢物作為可利用的資源進行再循環(huán)。具有維護成本低、安裝方便、無二次污染等優(yōu)點，同時利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)對廁所的智能化管理。整體設(shè)計框圖如圖6所示。

4 智能溫室結(jié)構(gòu)

4.1 空氣溫濕度模塊

系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，將按鍵電路，報警電路，晶振電路，傳感器電路，顯示電路等作為基本電路，構(gòu)成電路模塊。采用集溫濕度檢測于一體的DHT11傳感器[10]收集溫濕度數(shù)據(jù)，并發(fā)送至單片機。輸出則采用蜂鳴器+LED的形式。電源供電采用USB 5 V供電。系統(tǒng)原理圖、系統(tǒng)框圖和程序流程圖分別如圖7～9所示。當(dāng)宿主細胞屋內(nèi)空氣溫度高于設(shè)定溫度的上限時，自動開啟降溫設(shè)備；當(dāng)空氣溫度低于設(shè)定溫度的下限時，自動開啟升溫設(shè)備。用戶可按照現(xiàn)實需求設(shè)定所需溫度閾值。

4.2 土壤濕度模塊

4.2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

本文設(shè)計的土壤濕度模塊系統(tǒng)組成如圖10所示。該系統(tǒng)的工作過程為：土壤濕度傳感器將濕度信號送至ADC0832，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，并將最終獲得的結(jié)果發(fā)送到顯示模塊。

4.2.2 傳感器

系統(tǒng)采用HS1101土壤濕度傳感器[11]，它是一種變?nèi)菔较鄬穸葌鞲衅?。測量濕度時將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)變成電壓的頻率信號，可被微處理器直接存取。其特性參數(shù)見表1所列[12]。

4.2.3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

該土壤濕度檢測模塊的程序設(shè)計流程：待土壤濕度信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后，單片機讀取濕度值，經(jīng)處理后將濕度值送至液晶顯示器中顯示，當(dāng)濕度值小于設(shè)定的最小閾值時水泵開啟，大于設(shè)定的最大閾值時水泵關(guān)閉。系統(tǒng)主程序流程如圖11所示。

該系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)、繼電器電路、報警電路、鍵盤電路、顯示電路、土壤濕度檢測電路等組成，構(gòu)造簡單、緊湊，功耗較低，抗干擾能力強，總體性能較好。

4.3 光照模塊

西藏太陽能資源豐富，導(dǎo)致室內(nèi)光照強度太強，為避免陽光直射，住戶白天在打開遮陽裝置遮擋陽光的同時還需打開電燈為室內(nèi)照明，不僅造成了極大的資源浪費，更無法充分利用綠色無污染的太陽能資源。對此，本控制系統(tǒng)將透明導(dǎo)電薄膜分割成若干獨立的部分，以實現(xiàn)對光照的控制。以光照太強，減弱室內(nèi)光照為例，以南半細胞膜為中心，呈擴散趨勢控制透明導(dǎo)電薄膜中的電流，當(dāng)室內(nèi)光照強度適宜時，自動停止擴散。而使用獨立模塊的好處在于可大大延長該裝置的使用壽命。系統(tǒng)根據(jù)光照及定時等控制透明導(dǎo)電薄膜的光線通透率，使室內(nèi)光線維持 “動態(tài)平衡”。

（1）手動控制：使用此功能的用戶可根據(jù)自身需要，通過按鍵控制透明導(dǎo)電薄膜中電流的通斷來實現(xiàn)遮陽裝置的開關(guān)，此功能可以使遮陽裝置的開閉處于任何一種狀態(tài)；

（2）自動控制：通過傳感器檢測光照強弱，實現(xiàn)智能化控制透明導(dǎo)電薄膜的光線通透率，使室內(nèi)光照強度達到適宜的范圍；

（3）時間自動控制：按照用戶設(shè)定的時間來控制開啟或關(guān)閉遮陽裝置。

系統(tǒng)硬件包括單片機系統(tǒng)電路、信號調(diào)理電路、傳感器檢測電路、鍵盤電路、顯示接口電路、電流控制電路等。單片機系統(tǒng)電路為各模塊提供電壓和時鐘模塊；檢測到模擬信號后，經(jīng)比較器比較后將數(shù)字信號傳送給單片機。

比較器將傳感器采集的信號進行比較。傳入信號由單片機控制，并做出響應(yīng)，以實現(xiàn)控制電流的目的。顯示模塊用以顯示時間和控制器的各種狀態(tài)，通過鍵盤模塊實現(xiàn)對工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)。光照模塊框圖如圖12所示。

5 結(jié) 語

該宿主細胞屋在智能溫室的基礎(chǔ)上，對智能溫室關(guān)鍵模塊進行了改造，從而設(shè)計出既可應(yīng)用于智能溫室又可應(yīng)用于宿主細胞屋的關(guān)鍵模塊。用透明導(dǎo)電薄膜材料作為“細胞膜”，將泡泡屋或供給屋作為“細胞核”，應(yīng)用符合未來發(fā)展的人工智能技術(shù)，提高了細胞屋的智能化，實現(xiàn)了細胞屋的零能耗，符合綠色低碳的發(fā)展原則。該宿主細胞屋既可作為新型高原能源建筑，又可作為傳統(tǒng)智能溫室的升級，為人類建立“太空農(nóng)場”提供依據(jù)。

未來，可以設(shè)計出能夠感知人體活動的人體活動感知系統(tǒng)，并根據(jù)人體的具體活動，智能化調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。作為醫(yī)療領(lǐng)域的“寄生細胞”為醫(yī)療救助提供便利，同時也為人類移居外太空的生存居住奠定了基礎(chǔ)，作為外太空的空間生物再生生命保障系統(tǒng)（BLSS）[13]。

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