智能灌溉系統(tǒng)園林中關鍵技術淺析
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摘要：文章分析智能澆灌系統(tǒng)在園林應用中的優(yōu)勢，強調(diào)智能灌溉在園林種植養(yǎng)護的重要意義，探究實現(xiàn)智能灌溉系統(tǒng)的關鍵技術，通過與智能控制技術、信息技術相結合，實現(xiàn)對智能灌溉系統(tǒng)的查看、操作、控制和維護功能，針對園林應用的特點對智能灌溉系統(tǒng)功能需求進行分析。
關鍵詞：智能灌溉系統(tǒng)；園林設計；關鍵技術
水資源短缺已經(jīng)成為影響當今人類社會的一大問題。我國水資源分布不均勻，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，導致灌溉不均勻，影響景觀植物的正常生長，造成水資源的嚴重浪費[2]。將智能技術引入園林灌溉是解決上述問題的途徑之一。全世界各國均在積極研究智能的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，智能灌溉技術已在發(fā)達國家被廣泛使用，以色列、美國、英國、澳大利亞的灌溉系統(tǒng)較為先進和實用[3]。近年來，我國家大力發(fā)展智慧園林，2015年，中央城市工作會議提出加強城市智慧管理能力建設，促進現(xiàn)代信息技術與城市管理服務融合。2017年，住建部、國家發(fā)改委印發(fā)《全國城市市政基礎設施建設“十三五”規(guī)劃》，明確提出發(fā)展智慧園林，實現(xiàn)園林綠化監(jiān)測、管控與公眾服務的智能化。智能灌溉系統(tǒng)結合現(xiàn)代自動控制技術、數(shù)據(jù)分析處理技術和通信等技術。通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺遠程控制水泵以及水閥，設定灌溉閾值實現(xiàn)無人值守自動灌溉，迅速實現(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，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)在園林應用中的優(yōu)勢
1.1提高城市園林景觀品質
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，無法與植物實際生長的需水量相配合。智能灌溉系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術，可以實時監(jiān)測土壤養(yǎng)分、水分含量，監(jiān)測地表風速、降雨量、溫濕度、光照度，實現(xiàn)智能精準澆灌、多樣化噴淋，提升小區(qū)景觀效果，也可以實現(xiàn)植物缺水缺肥的異常預警，為綠植提供養(yǎng)護方案建議，有效改善園林綠地澆灌不合理問題，提高植物存活率，提高城市園林綠化的景觀品質。
1.2減少資源浪費，降低養(yǎng)護成本
隨著城市綠化面積增大，養(yǎng)護要求越來越高，城市綠化中用于綠化養(yǎng)護的成本不斷攀升。傳統(tǒng)園林養(yǎng)護需要專業(yè)人員管理，安排專業(yè)技術人員進行灌溉工作，但在實踐過程中技術人員管控的范圍局限于單個區(qū)域，養(yǎng)護工作不連續(xù)，容易造成人力資源的浪費。對水路管網(wǎng)設施設計進行完善時，智能灌溉系統(tǒng)結合智能監(jiān)測和控制設備，實時感知植物的生長環(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，減少水資源的浪費和人力投入，極大地降低后期養(yǎng)護成本。
1.3保存灌溉數(shù)據(jù)保存，建立場地灌溉模型
初步的精準灌溉主要為定時控制灌溉，可以節(jié)約用水。但灌溉制度仍依賴管理人員的經(jīng)驗，管理人員經(jīng)驗不足會導致灌溉程序的設定灌水過量或不足，無法保存灌溉系統(tǒng)的運行的數(shù)據(jù)。智能澆灌系統(tǒng)借助流量傳感器，能夠對平日的灌溉數(shù)據(jù)進行保存，具有一定的學習能力，將經(jīng)驗構建成模型，運用到新的場景中，使機器能夠像人一樣決策。機器學習有助于實現(xiàn)灌溉工程的精細化維護運行管理，使灌溉更科學、便捷，提高管理水平。
2智能灌溉關鍵技術
作為一個系統(tǒng)工程，智能灌溉系統(tǒng)需要各個專業(yè)的配合設計及產(chǎn)品組合。主要模塊有基礎水路管網(wǎng)設施和電路設計版塊，電路設計主要是智能監(jiān)測系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。智能灌溉系統(tǒng)如圖1所示。灌溉是整個系統(tǒng)工程中最基本的功能，基礎水路管網(wǎng)設施是實現(xiàn)灌溉功能的基礎設計，對整個系統(tǒng)運行起決定性的作用?；A水路管網(wǎng)設計包括管網(wǎng)布置圖的繪制和復雜的水力計算，具有多樣性、復雜性的特點。與農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設計相比，園林景觀場地大多不規(guī)則，是居民休閑和娛樂的空間，對觀賞性的要求比較高，在人性化的設計上和灌溉技術的應用上要求更高。得益于技術發(fā)展，自動噴灌系統(tǒng)多采用噴灌或滴灌進行灌溉設計，新型的灌溉技術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等國際品牌，均有針對園林不同場景應用的配套產(chǎn)品。自動噴灌的常見灌水方式有噴灌和滴灌兩種，需要針對園林景觀的不同的場景及灌溉需求進行選擇。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，通過模擬自然降雨，對整個區(qū)塊進行噴灑灌溉，灌水器的服務半徑較大、使用壽命長、維護成本低、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目，只針對需要灌水的區(qū)域或植物進行灌水，其形式多樣、灌水器服務半徑較小、使用壽命較短、維護成本高，但靈活性強。在實際運行過程中，灌溉系統(tǒng)除了采用噴灌、滴灌等灌溉技術，還需要采用先進的智能監(jiān)測和控制系統(tǒng)[5]。智能監(jiān)測和控制系統(tǒng)的主要技術包括基于傳感網(wǎng)絡的信號采集與處理、網(wǎng)絡通信以及遠程監(jiān)控等。智能監(jiān)測系統(tǒng)包括遠程監(jiān)控平臺及前端現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測，前端環(huán)境監(jiān)測包括土壤水分傳感器、氣象觀測站、視頻攝像相機等設備，遠程監(jiān)控平臺用于現(xiàn)場環(huán)境的數(shù)據(jù)監(jiān)控和存儲、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，其控制對象為各區(qū)域上的電磁閥，可以利用有線或無線通信技術完成智能灌溉控制終端與遠程監(jiān)控平臺間的通信任務。通過傳感器監(jiān)測土壤環(huán)境實時數(shù)據(jù)和氣象條件，經(jīng)服務器分析，對比植物健康生長所需的各項指標，控制電磁閥開關，實現(xiàn)自動化灌溉。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GPRS無線網(wǎng)絡與遠程監(jiān)控平臺通信，使用Lora以及LoraWan無線通信協(xié)議，在各灌溉分區(qū)設置遠程灌溉管路控制器通信，灌溉管路控制器與電磁閥相連。用戶可以在遠程監(jiān)控平臺下達指令，由灌溉首部控制器接收并處理，實時下發(fā)給對應的灌溉管路控制器，灌溉管路控制器控制電磁閥執(zhí)行相應的動作，開始灌溉作業(yè)。管路控制器采用低功耗的無線通信技術，使用太陽能板和鋰電池，不必大規(guī)模鋪設電源線、信號線等線纜，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)進行智能決策時離不開現(xiàn)場的感知設備，現(xiàn)場環(huán)境條件無法被系統(tǒng)感知時，控制器終端無法對現(xiàn)場灌溉需求進行適當反應。灌溉系統(tǒng)對現(xiàn)場的感知分為內(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)運行情況。外部環(huán)境感知包括氣象環(huán)境、降雨量等不會隨著灌溉系統(tǒng)的運行而發(fā)生變化的影響因子，通過氣象站監(jiān)測風速、風向、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學習能力
智能灌溉系統(tǒng)的學習能力主要體現(xiàn)在日常灌溉數(shù)據(jù)的積累和學習。在水源首部安裝一個流量傳感，運行一階段時，流量傳感器通過數(shù)據(jù)的記錄積累，自動學習每個站點流量，歸納總結每個站點正常運行時的流量范圍?，F(xiàn)場站點流量出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)能夠做出決策干預，比如關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，控制器可以對閥門進行組合和排序，使管道在一個比較充實的狀態(tài)下滿載運行，實現(xiàn)比較高效的灌溉制度。
3.3記憶能力
智能灌溉系統(tǒng)的記憶功能與計算機的存儲功能不同，類似于人的記憶，會發(fā)生關聯(lián)和歸檔，對數(shù)據(jù)進行處理，方便后期提取。植物的生長周期較長，在系統(tǒng)監(jiān)控的過程中會產(chǎn)生大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是精準養(yǎng)護的基礎，對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)進行系統(tǒng)訪問，將GPRS、4G/5G技術與互聯(lián)網(wǎng)結合，使系統(tǒng)具有交互功能，管理者不需要在現(xiàn)場進行巡查操作，在系統(tǒng)管理平臺即可以獲取園區(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、物力等運營成本。
4結語
將灌溉技術與智能控制技術、信息技術相結合，實現(xiàn)了對智能灌溉系統(tǒng)的現(xiàn)場及遠程查看、操作、控制和維護?？梢岳们岸藗鞲衅鞑杉c感知現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使用顯示大屏進行數(shù)據(jù)展示，系統(tǒng)模型與數(shù)據(jù)聯(lián)動進行智能決策，提高灌溉控制及養(yǎng)護管理的精準度，提高管理效率。仍需要對園林智能施工技術進行不斷更新與完善，簡單化、標準化安裝硬件設施與系統(tǒng)信號傳輸?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，對積累的大數(shù)據(jù)進行專項分析能夠極大地提高系統(tǒng)的精準度，有助于推動灌溉系統(tǒng)的廣泛應用。
參考文獻
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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
