阳光，雨水是上天给地球的最好的礼物。我们生活在地球上，怎样在紧张、繁忙的工作后，充分的利用现代人智慧的科技理念，合理利用太阳能和天然雨水，花费最少的人力，建立起家用自动循环生态系统，为家庭自动生产健康的蔬菜、花卉、水生鱼类（即可观赏也可食用），一直是我们追求的目标。
在经过一番调查和研究之后，于去年这个时候2018年的七月四日，美国独立日那天，全家着手动工组建了包括暖房在内的第一个后院生态系统。在ZONE 5这样的地区，经过了四季实践考验后，不仅可以让鱼过冬，早春也先育好了苗，真正春天的时候，蔬菜可以成功移裁出院子，当然还有美丽的吊盆挂满的房子的周围，基本实现了生态循环系统的雏形。现在把所有的实际经验做个总结和分享。希望有共同理想和爱好的朋友们能共同探讨，一起改进更好的方法，让生活中的乐事多起来，让人们可以利用有限的都市空间里享受大自然环境中的生活。
已有的整个系统雏形主要有以下几个功能模块组成：
一、暖房设计模块。适宜过冬，采用双层保暖透明有机玻璃，北侧用全保湿墙，提供了四季植物生长的环境。
二、400加仑的鱼缸和配套的硝化模块。用自然方法降低水体酸性，消除废料形成营养物质，鱼缸另一功效是保持暖房温差变化小，冬季不会结冰，夏季不会太热。
三、天然雨雪水收集模块。保证系统的水源供给，环保利用自然水资源。
四、200KW太阳能板能源供给模块。做为整个系统能源自供给，常年支持系统四个水泵、一个加氧泵和换气用的两个电风扇的动力。
五、自动浇灌模块。天然雨雪经过鱼缸、硝化系统过滤等再通过水泵浇灌到暖房植物上，实现无人浇灌。
六、电器设备WIFI智能模块。实现远程摇控暖房各项操作功能，同时也可自动或手动模式转换。
以下是针对这六个模块的实现过程加以细述：
一、暖房模块的设计
纽约周边地区，属于USDA Zone5区域，冬季夜间最低温度可能会达到华氏零度左右，，一、二月份平均最低气温在华氏15－25度。而夏季中午最高温度可在95度以上，七、八月份平均气温85F左右。
我在建立系统前，曾考虑过市场上可购买的双层（三层）有机玻璃暖房，但是由于这类小型商业化暖房的透光性和保温效率都不能达到我们的要求，所以还是决定自建了一个12英尺x10英尺的超级保温暖房，设计主要有以下几个特点：
1）北墙北顶整体、东墙和西墙后1／3均采用6英寸保暖层的实体墙身。东侧墙、西侧墙和南墙地面往上二尺，即整个底部也采用6英寸保暖层的实体墙体。这样既保证了冬季阳光的充分照射，也抵御了冬季最常见的东北和西北寒风的侵袭，让整个暖房冬季夜间热能散失率最小。
2）南顶，南墙上部和东西两侧墙上面部分，均采用UV保护的双层1／8英寸有机玻璃板，100%的透光率，确保严冬最大阳光利用率。两层有机玻璃板间隔3.5英寸，保留了足够的空气也隔层。顶部采用双层2英尺X2全采光有机玻璃板，确保阳光入室。
3）考虑到纽约地区的冬季降雪厚度，房顶采用45度高顶设计，一方面加快了融雪的下滑减轻屋顶压力（两次2英尺降雪快速清顶），另一方面升高的内部空间增加了采光面积和冬季热空气存储空间，也是保温的必要措施。当然还有美观的效果。
4）纽约地区的夏季月平均最高气温高达华氏89F，很容易在温室内形成115F－125F的高温，对鱼类和植物生长都是不可接受的，我们采用2台40W的车用散热风扇，温控器随温度变化自动切换运转风扇。3000CFM对流能夏季暖房有望解决过热隐患。另一方面在设计时，东墙吸气扇位于墙的底部，在午后天气最炎热时候，可以采集到避光部分的较冷空气，而西墙的排气扇则位于顶部，排出聚集在屋顶部分的室内最热空气，以实现室内空气最有效的散热对流。由于最热时候也是太阳能最充足的时候，所以太阳能板完全能够支持风扇连续运转的电量消耗。
二、鱼缸和配套的硝化模块
鱼缸和配套的水泵系统是整个暖房的心脏。北墙内室启建了一个400加仑的鱼缸，缸体采用了4英寸厚的保温板夹层，内部选用了池塘用PVC防水层，400加仑的水体作用有：
- 冬季保温，水体在白天吸收大量的光热，在夜间气温降低到华氏32度以下时缓缓的释放。水体保证了在外部气温很低时依然能不结冰。今年冬天多次出现了华氏0度左右的极端寒冷天，暖房里的水温始终保持在32F以上。这样保证了整个暖房温度不会降低太多，极端寒冷天气基本能够形成室内、室外20－25F的温差。
- 夏季有效降温，加热水体需要够吸收很多的热量，由于水体足够大，在华氏100度时水体依然能够保持在华氏80－85度左右，适合鱼类的生活。
3）以每天20加仑的自动浇灌需求来算，400加仑的容量保证一星期左右的无雨空间，鱼类基本不受影响。
硝化系统则是整个系统的肾脏了，由两个有落差相连32加仑的容器，里面装满了过滤海绵和生化球组成，多网格多表面的生存环境是硝化菌理想的繁殖环境。当水泵把鱼类的排泄物在过滤掉固体物质后，送入第一个32加仑的容器底部后，慢慢向上溢出的水流给硝化菌带来了需要的食物，氨和亚硝酸盐，这两种物质是对鱼类成长有害的；在进入第二个32加仑的容器底部后这种过程持续循环，越来越多的氨和亚硝酸盐最终转换成没有酸性的硝酸盐，最终降低水体酸性和毒性，而硝酸盐是对鱼类无害、植物需要的养分。
在鱼类养殖方面我们也进行一些有趣的尝试，能安全过冬并适合缸养的观赏鱼类主要还是普通金鱼和锦鲤，但需要一定大的尺寸过冬，6英寸以上对水温变化的容忍度较高，适合在32F到40F环境里生存。最关键的一点是适合这两类鱼生存的PH值一定要7.2左右，需要定期检测鱼缸的酸碱度。
由于鱼缸采用了向阳设计，平时需要在鱼缸上部安装遮阳卷帘，避免过多的阳光直射造成鱼缸内绿色藻类过多影响水质，一旦出现水质变差，需要立刻实施多次半缸换水，保证鱼类活跃健康。
三、雨雪水收集模块
雨雪收集模块提供了整个系统的用水，纽约地区属于海洋性气候，降雨降雪都相当充沛，全年极少出现两周没有雨雪的情况，暖房整个向南屋顶约96平方英尺的收集面积，保证了水源供给，天然环保，所有的雨水和融化的雪水会沿着导槽经过过滤网汇入一个40加仑的积水池。积水池本身也有一个室温化的过程，防止水温过冷或过热，直接注入鱼类和硝化系统，造成鱼类生长的不适。当鱼类和硝化系统需要增加水量时，我们用Wifi控制积水池的水位，同时打开水泵电子开关，直接将收集到的水经再次过滤泵入硝化系统的第一级，汇入鱼缸内，参与鱼类养殖。
- 能源供给模块
系统电力由两块100千瓦的太阳能板供给，在夏季强光下每天能够产生3度左右的12伏电能。两个100Ah的深度循环酸碱电池，能够有效提供1度半到两度的无日光用电，基本满足供应风扇及水泵用电。
目前系统中使用电能的设备有以下几个，以后可以再增加其它功能。
1）两只40W的换气电扇，由于平时设定为室内温度超过100F开始运转，其基本只有在夏季阳光暴晒的情况下才会运转，而这时的太阳能产量也是最高的，并且所耗用电量在早晚稍微凉快是得到补充。
2）12V5W的鱼缸循环水泵每小时30加仑和8W的增氧气泵设定为每半小时运转半小时，每天12工作时间，这是系统最大的常用耗电。
3）备有设备12V到110V的转换器提供了110V的工作环境，连接了一个30W每小时160加仑的水泵，作为紧急排水换水用，平时处于关闭状态。
4）12V5W的植物浇灌水泵每小时30加仑，设定为每天15－30分钟运转，视季节调整。
5）12V5W的雨水补充水泵每小时30加仑，只有当鱼缸和硝化系统需要补充水量时才会人工启动，每次一小时左右。
- 自动浇灌模块
自动浇灌模块是利用放置在硝化模块第二级的一个12V5W的直流水泵，把灌溉需要的水量泵到放置在屋顶10英尺处的一个18加仑容器内，利用万有引力把灌溉水通过1／2英寸的主流管送到各级分节点，经3／8和1／2英寸的分流管，T型头和滴灌头，把植物需要的水分输送到相应环节。根据不同的季节和植物多寡，调节水泵抽水时间，一般夏暖房植物较少，单盆槽需水量大，而其他三季植物较多，单盆槽需水量小，每次灌溉大致需要用水15加仑左右。
目前只是尝试性的种了一些品种的蔬菜，过冬的主要是韭菜，葱，青蒜，青菜和生菜等，生菜一般三十天可以直接采摘食用，口感极好。适合11月到来年3月开种。3月初可以开始各类花草蔬菜的育苗，春夏之时，不想留在暖房的可以移种出院，大大加速了蔬菜生长的周期。各类观赏性吊盆则更是美态动人，姗姗出房了，特别适合大纽约地区的地理环境。当然观赏与实用都有的一些树种以是可以入住暖房的，我们自己试种了无花果，效果很不错。夏季暖房内只尝试加种植了一些耐高温的蔬菜品种，如苋菜等。
- 智能控制模块
充分利用现代智能和自动化AI理念，减少人力投入，实现家庭智能化生养，是我们设计这个系统的宗旨。我们希望这个系统能够最大化的减少人力的介入，利用家庭WIFI系统远程观测、管理多项常规操作，包括鱼缸喂食、水体水位测量、补养、硝化循环、自动灌溉、雨水收集等控制等等，减少劳力支出的前提下，让使用者充分享受系统带来的养植乐趣，吃上自己的蔬菜果实，是我们目标，我们会继续沿着这个方向不断改进，提高。
目前常见的Samrt Home的开关都可以控制本系统的电器设备，我们选用了性能价格比较好的Sonoff公司wifi switch，一年下来使用效果很稳定安全。
目前发现的潜在问题以及改进设想。
1）鱼缸的观赏性问题，目前采用的实体鱼缸，侧面不透明，只能从上部观赏鱼类活动；
2）整体设计的紧凑性有待提高，集成各个部件设计能够减少空间占用，降低材料需求和能源消耗，方便实用。
- 电池的品种升级，随着电池技术的发展，锂电池具有更快的充电时间和更高的利用效率，与目前使用的深度循环酸碱电池相比，持久性稳定性方面有很大的优势，随着18650和更新品种的锂电池普及，成本问题将会迎刃而解。
- 鱼类品种的选择，特别是可食用的鱼类品种，将是我们下一个实践的选项。
- 蔬菜品种的选择上还需要多加实践，增加更多的品种。
- 观赏性植物的选择品种也是值得进一步尝试。
5）更多更新的WIFI控制功能的介入，优化整个系统的“聪明”度会越来越高，能够更有效的实现自家生态养殖自动化，解放枯燥的重复劳动，丰富家庭餐桌和观赏动植物生长的乐趣，提高我们生活质量的最终目标。