智能灌溉系統(tǒng)園林中關(guān)鍵技術(shù)淺析

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摘要：文章分析智能澆灌系統(tǒng)在園林應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)調(diào)智能灌溉在園林種植養(yǎng)護(hù)的重要意義，探究實(shí)現(xiàn)智能灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)與智能控制技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能灌溉系統(tǒng)的查看、操作、控制和維護(hù)功能，針對(duì)園林應(yīng)用的特點(diǎn)對(duì)智能灌溉系統(tǒng)功能需求進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：智能灌溉系統(tǒng)；園林設(shè)計(jì)；關(guān)鍵技術(shù)

水資源短缺已經(jīng)成為影響當(dāng)今人類社會(huì)的一大問(wèn)題。我國(guó)水資源分布不均勻，部分地區(qū)水資源極其匱乏[1]。傳統(tǒng)的園林多采用粗放式大水漫灌的灌溉模式，導(dǎo)致灌溉不均勻，影響景觀植物的正常生長(zhǎng)，造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[2]。將智能技術(shù)引入園林灌溉是解決上述問(wèn)題的途徑之一。全世界各國(guó)均在積極研究智能的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，智能灌溉技術(shù)已在發(fā)達(dá)國(guó)家被廣泛使用，以色列、美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞的灌溉系統(tǒng)較為先進(jìn)和實(shí)用[3]。近年來(lái)，我國(guó)家大力發(fā)展智慧園林，2015年，中央城市工作會(huì)議提出加強(qiáng)城市智慧管理能力建設(shè)，促進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與城市管理服務(wù)融合。2017年，住建部、國(guó)家發(fā)改委印發(fā)《全國(guó)城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》，明確提出發(fā)展智慧園林，實(shí)現(xiàn)園林綠化監(jiān)測(cè)、管控與公眾服務(wù)的智能化。智能灌溉系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)和通信等技術(shù)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)遠(yuǎn)程控制水泵以及水閥，設(shè)定灌溉閾值實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)灌溉，迅速實(shí)現(xiàn)大面積灌溉，減少人力投入，極大地提高綠化灌溉的效率、減少水資源的浪費(fèi)，發(fā)展高效便捷的節(jié)水智能灌溉是現(xiàn)代園林發(fā)展的必然要求。

1智能灌溉系統(tǒng)在園林應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

1.1提高城市園林景觀品質(zhì)

園林綠化種植層次豐富，喬、灌、草群落組合配置，植物的需水量差異性較大，傳統(tǒng)灌溉模式灌溉不均勻，無(wú)法與植物實(shí)際生長(zhǎng)的需水量相配合。智能灌溉系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤養(yǎng)分、水分含量，監(jiān)測(cè)地表風(fēng)速、降雨量、溫濕度、光照度，實(shí)現(xiàn)智能精準(zhǔn)澆灌、多樣化噴淋，提升小區(qū)景觀效果，也可以實(shí)現(xiàn)植物缺水缺肥的異常預(yù)警，為綠植提供養(yǎng)護(hù)方案建議，有效改善園林綠地澆灌不合理問(wèn)題，提高植物存活率，提高城市園林綠化的景觀品質(zhì)。

1.2減少資源浪費(fèi)，降低養(yǎng)護(hù)成本

隨著城市綠化面積增大，養(yǎng)護(hù)要求越來(lái)越高，城市綠化中用于綠化養(yǎng)護(hù)的成本不斷攀升。傳統(tǒng)園林養(yǎng)護(hù)需要專業(yè)人員管理，安排專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行灌溉工作，但在實(shí)踐過(guò)程中技術(shù)人員管控的范圍局限于單個(gè)區(qū)域，養(yǎng)護(hù)工作不連續(xù)，容易造成人力資源的浪費(fèi)。對(duì)水路管網(wǎng)設(shè)施設(shè)計(jì)進(jìn)行完善時(shí)，智能灌溉系統(tǒng)結(jié)合智能監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備，實(shí)時(shí)感知植物的生長(zhǎng)環(huán)境，反饋給控制器終端，調(diào)節(jié)灌溉供水，提高綠化灌溉的效率，減少水資源的浪費(fèi)和人力投入，極大地降低后期養(yǎng)護(hù)成本。

1.3保存灌溉數(shù)據(jù)保存，建立場(chǎng)地灌溉模型

初步的精準(zhǔn)灌溉主要為定時(shí)控制灌溉，可以節(jié)約用水。但灌溉制度仍依賴管理人員的經(jīng)驗(yàn)，管理人員經(jīng)驗(yàn)不足會(huì)導(dǎo)致灌溉程序的設(shè)定灌水過(guò)量或不足，無(wú)法保存灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行的數(shù)據(jù)。智能澆灌系統(tǒng)借助流量傳感器，能夠?qū)ζ饺盏墓喔葦?shù)據(jù)進(jìn)行保存，具有一定的學(xué)習(xí)能力，將經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建成模型，運(yùn)用到新的場(chǎng)景中，使機(jī)器能夠像人一樣決策。機(jī)器學(xué)習(xí)有助于實(shí)現(xiàn)灌溉工程的精細(xì)化維護(hù)運(yùn)行管理，使灌溉更科學(xué)、便捷，提高管理水平。

2智能灌溉關(guān)鍵技術(shù)

作為一個(gè)系統(tǒng)工程，智能灌溉系統(tǒng)需要各個(gè)專業(yè)的配合設(shè)計(jì)及產(chǎn)品組合。主要模塊有基礎(chǔ)水路管網(wǎng)設(shè)施和電路設(shè)計(jì)版塊，電路設(shè)計(jì)主要是智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。智能灌溉系統(tǒng)如圖1所示。灌溉是整個(gè)系統(tǒng)工程中最基本的功能，基礎(chǔ)水路管網(wǎng)設(shè)施是實(shí)現(xiàn)灌溉功能的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行起決定性的作用?；A(chǔ)水路管網(wǎng)設(shè)計(jì)包括管網(wǎng)布置圖的繪制和復(fù)雜的水力計(jì)算，具有多樣性、復(fù)雜性的特點(diǎn)。與農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，園林景觀場(chǎng)地大多不規(guī)則，是居民休閑和娛樂(lè)的空間，對(duì)觀賞性的要求比較高，在人性化的設(shè)計(jì)上和灌溉技術(shù)的應(yīng)用上要求更高。得益于技術(shù)發(fā)展，自動(dòng)噴灌系統(tǒng)多采用噴灌或滴灌進(jìn)行灌溉設(shè)計(jì)，新型的灌溉技術(shù)能夠有效提高水資源的利用率[4]。市面上已有較多的產(chǎn)品方案供選擇，如Hunter、RAINBird、Toro等國(guó)際品牌，均有針對(duì)園林不同場(chǎng)景應(yīng)用的配套產(chǎn)品。自動(dòng)噴灌的常見灌水方式有噴灌和滴灌兩種，需要針對(duì)園林景觀的不同的場(chǎng)景及灌溉需求進(jìn)行選擇。噴灌更多適用于商業(yè)綠地、公園、小區(qū)住宅、道路等綠化景觀，通過(guò)模擬自然降雨，對(duì)整個(gè)區(qū)塊進(jìn)行噴灑灌溉，灌水器的服務(wù)半徑較大、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低、靈活性差。微灌更適用于庭院、屋頂綠化、種植池等面積較小或灌溉精度要求高的項(xiàng)目，只針對(duì)需要灌水的區(qū)域或植物進(jìn)行灌水，其形式多樣、灌水器服務(wù)半徑較小、使用壽命較短、維護(hù)成本高，但靈活性強(qiáng)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，灌溉系統(tǒng)除了采用噴灌、滴灌等灌溉技術(shù)，還需要采用先進(jìn)的智能監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)[5]。智能監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的主要技術(shù)包括基于傳感網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)采集與處理、網(wǎng)絡(luò)通信以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等。智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)及前端現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)，前端環(huán)境監(jiān)測(cè)包括土壤水分傳感器、氣象觀測(cè)站、視頻攝像相機(jī)等設(shè)備，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)監(jiān)控和存儲(chǔ)、控制命令的下發(fā)以及系統(tǒng)的綜合管理。智能控制系統(tǒng)包括控制器終端，其控制對(duì)象為各區(qū)域上的電磁閥，可以利用有線或無(wú)線通信技術(shù)完成智能灌溉控制終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)間的通信任務(wù)。通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和氣象條件，經(jīng)服務(wù)器分析，對(duì)比植物健康生長(zhǎng)所需的各項(xiàng)指標(biāo)，控制電磁閥開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化灌溉。智能灌溉控制流程如圖2所示。在首部安裝灌溉首部控制器，其能夠通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)通信，使用Lora以及LoraWan無(wú)線通信協(xié)議，在各灌溉分區(qū)設(shè)置遠(yuǎn)程灌溉管路控制器通信，灌溉管路控制器與電磁閥相連。用戶可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)下達(dá)指令，由灌溉首部控制器接收并處理，實(shí)時(shí)下發(fā)給對(duì)應(yīng)的灌溉管路控制器，灌溉管路控制器控制電磁閥執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，開始灌溉作業(yè)。管路控制器采用低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，使用太陽(yáng)能板和鋰電池，不必大規(guī)模鋪設(shè)電源線、信號(hào)線等線纜，安裝與使用更便捷、智能。

3智能灌溉系統(tǒng)功能需求分析

3.1感知能力

智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行智能決策時(shí)離不開現(xiàn)場(chǎng)的感知設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件無(wú)法被系統(tǒng)感知時(shí)，控制器終端無(wú)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)灌溉需求進(jìn)行適當(dāng)反應(yīng)。灌溉系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的感知分為內(nèi)部狀態(tài)感知和外部環(huán)境感知。內(nèi)部狀態(tài)感知包括土壤溫濕度、水流量以及水壓等因子，主要通過(guò)土壤溫濕度傳感器、土壤EC值傳感器、水流量傳感器等傳感器感知灌溉系統(tǒng)運(yùn)行情況。外部環(huán)境感知包括氣象環(huán)境、降雨量等不會(huì)隨著灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行而發(fā)生變化的影響因子，通過(guò)氣象站監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、大氣溫度、大氣濕度、大氣壓力、光合有效輻射、總輻射以及降雨量等因素。

3.2學(xué)習(xí)能力

智能灌溉系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力主要體現(xiàn)在日常灌溉數(shù)據(jù)的積累和學(xué)習(xí)。在水源首部安裝一個(gè)流量傳感，運(yùn)行一階段時(shí)，流量傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)的記錄積累，自動(dòng)學(xué)習(xí)每個(gè)站點(diǎn)流量，歸納總結(jié)每個(gè)站點(diǎn)正常運(yùn)行時(shí)的流量范圍?，F(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)流量出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)能夠做出決策干預(yù)，比如關(guān)閉主閥或通知管理人員，降低事故的發(fā)生概率。智能灌溉系統(tǒng)能夠優(yōu)化輪灌制度，園林的灌溉需求多樣，灌溉系統(tǒng)每個(gè)閥門的流量差異非常大，智能優(yōu)化系統(tǒng)后，控制器可以對(duì)閥門進(jìn)行組合和排序，使管道在一個(gè)比較充實(shí)的狀態(tài)下滿載運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)比較高效的灌溉制度。

3.3記憶能力

智能灌溉系統(tǒng)的記憶功能與計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)功能不同，類似于人的記憶，會(huì)發(fā)生關(guān)聯(lián)和歸檔，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，方便后期提取。植物的生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，在系統(tǒng)監(jiān)控的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的基礎(chǔ)，對(duì)后期灌溉制度的修正及植物模型的形成具有重要意義。

3.4互聯(lián)能力

智能灌溉系統(tǒng)互聯(lián)能力能夠利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)訪問(wèn)，將GPRS、4G/5G技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，使系統(tǒng)具有交互功能，管理者不需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡查操作，在系統(tǒng)管理平臺(tái)即可以獲取園區(qū)的信息，給出控制指令。在決策方面能夠互聯(lián)到專家，得到技術(shù)支持，提高系統(tǒng)的便捷性以及可操作性，節(jié)省人力、物力等運(yùn)營(yíng)成本。

4結(jié)語(yǔ)

將灌溉技術(shù)與智能控制技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能灌溉系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程查看、操作、控制和維護(hù)?？梢岳们岸藗鞲衅鞑杉c感知現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，使用顯示大屏進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，系統(tǒng)模型與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行智能決策，提高灌溉控制及養(yǎng)護(hù)管理的精準(zhǔn)度，提高管理效率。仍需要對(duì)園林智能施工技術(shù)進(jìn)行不斷更新與完善，簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化安裝硬件設(shè)施與系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性是需要不斷優(yōu)化的方向，為智能澆灌系統(tǒng)的推行提供支撐。系統(tǒng)模型的建立離不開前端數(shù)據(jù)的采集積累，對(duì)積累的大數(shù)據(jù)進(jìn)行專項(xiàng)分析能夠極大地提高系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，有助于推動(dòng)灌溉系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

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作者:黃佳敏 徐斌 余江勇 單位:廣東東籬環(huán)境股份有限公司