基于物聯網的智慧型雨水花園設計初探

賈玉彤，李昕陽

（華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450046）

長期以來，傳統節約用水主要集中在農業、工業和居民生活領域，而城市綠化、園林澆灌節水往往被人忽視。雖然有部分地區采用噴灌、滴灌等新技術用于農業用水灌溉和城市園林綠化用水灌溉，但部分采用此技術的配套設施不完善、灌溉水源不足、灌溉時間不合理及運行管理不到位等問題，造成節水灌溉設施利用效率和效益不高，一方面造成資金浪費，另一方面造成水資源浪費。

傳統的雨水花園是基于海綿城市理念，通過天然形成或者人工設計的低凹綠地，聚集并吸收來自屋頂、地面的雨水，通過植物、沙土的綜合作用使雨水得到凈化，并使之逐漸滲入土壤，涵養地下水，或使之補給景觀用水、環衛及廁所沖洗用水等城市公共用水，是一種可持續的雨洪控制與雨水利用基礎設施。

智慧型雨水花園在雨水花園設計基礎上，整合5G、大數據、云平臺、物聯網等互聯網技術，進而實現園林灌溉規范化、數字化、信息化、自動化、智能化，在原有雨水花園滲、滯、蓄、凈、用、排功能的基礎上，增加“智”和“節”的功能，使城市園林灌溉活動由勞動密集型過渡到技術密集型、智慧管理型。

1 系統組成與設計

智慧雨水花園由智能控制系統、末端感知系統、節水灌溉系統、水源供應系統和信息管理平臺五大功能模塊組成。通過末端感知系統的土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器等，自動在線采集土壤溫度、濕度等墑情信息和空氣溫度、濕度、降雨量等氣象信息，通過物聯網將無線傳感器采集的數據自動傳輸至智能控制系統，系統結合設定的灌溉閾值參數，分析植物需水、土壤缺水等情況，并預判未來幾天的降水和雨水積蓄情況，自動下達澆灌指令，實現智能化和自動化的分時段、分區域節水澆灌。

1.1 智能控制系統

智能控制系統包括系統網絡構架（SAN）、數據傳輸協議、控制參數設置三部分。構建系統網絡構架（SAN），通過數據鏈層、同步數據鏈控制（SDLC）等，利用單片機在局域網內和通過局域網在因特網上的數據傳輸，進而實現控制參數的設置和調節。土壤濕度傳感器測出濕度模擬數據，然后對測出的數據進行處理，轉為二進制值，再經過三線制接口發送給單片機；當檢測濕度小于設定濕度大小時，系統發出指令，控制水泵抽水進行灌溉；當檢測的濕度等于或高于設定濕度大小時，水泵停止抽水灌溉。

1.2 末端感知系統

末端感知系統包括無線傳感器優選和布設。優選無線溫度傳感器、無線光照傳感器，根據具體條件合理布置，搭建無線智能末端感知系統。在布設前，針對選定區域綠化結構和特點進行調查，科學合理地進行無線傳感器的布設。結合城市管理監控系統，合理布設城市園林綠地攝像頭。通過末端感知系統的信息收集，智能感知預判未來幾天的天氣情況、土壤墑情和植物需水量，預判降雨和雨水積蓄情況、植物缺水情況，進行智能化、精準化澆灌。實現整個智慧雨水花園的基礎數據數字化、可視化，配合智能控制系統，針對不同情況下達不同指令，從而達到自動化、智能化控制的目的。

1.3 節水灌溉系統

節水灌溉系統包括雨水蓄積模塊、灌溉方式及灌溉器具選取、供水水源管網布設等。根據當地降雨、蒸發等氣候條件，植被灌溉需水量和地形地質條件，在灌溉區域內的合理點位布設雨水收集容器，達到一定規模的雨水積蓄容量，配套水泵及連通管道設施，形成區域雨水積蓄利用節水灌溉系統。

雨水蓄積模塊具有占地小、容量大，承重能力強、維護簡單、水源切換智能化等特點，可以收集屋頂、地面雨水，用于灌溉或沖洗地面。當模塊雨水蓄滿時，自動關閉模塊進水口不再蓄積；當模塊內水量不足時，自動切換市政管網取水澆灌。

該節水灌溉系統根據喬木、灌木、草地和微地形設計安裝噴灌、微噴、滴灌、管灌等節水灌溉器具，根據系統指令自動啟閉，實現智能化節水灌溉。同時，結合園林景觀設計，配合燈光、音樂、園林小品等設施布設，進一步美化亮化節水灌溉設施。

1.4 水源供應系統

水源供應系統主要包括水源切換控制裝置和配套水源管網。整個系統的水源供應分為三類，一是經過雨水收集系統儲備的雨水；二是城市再生水（中水等）；三是當地地表水或淺層地下水，不提倡使用城市自來水。通過自動水源切換裝置，進行灌溉水源的切換，充分利用現代物聯網技術，優化使用雨水集蓄、市政中水或其他灌溉用水等灌溉水源，實施智慧化灌溉，達到進一步循環利用雨水資源的目的，促進節約用水。當儲蓄雨水充足時，水源切換為雨水灌溉；當干旱少雨時，水源切換為城市中水或可供灌溉使用的地表水、淺層地下水。

為確保節水灌溉系統的長效運行，應當配套設計建設市政園林綠化用水供水管網，包括供水主管網、綠化帶水源管網、區域周邊水源管網等。

1.5 信息管理平臺

信息管理平臺包括數據管理分析和平臺維護。一是建立PC客戶端、移動端APP等數據平臺，分析處理相關數據，管理協調設施運行。對選定對象進行植物種類、需水時段、生育期等植被特性調查，進行灌溉用水定額、灌溉制度（灌水次數）、灌水設施控制方式等灌溉情況調查，在此基礎上細化單元灌溉閾值，進行數據錄入和程序編寫，建立信息管理平臺。二是利用遠程監控PLC系統和攝像頭的觀察，人為調整用水量，實現對遠程資源的監控，將實時墑情數據上傳系統，并根據植物需求，在系統中設置閾值，當達到預警值時，啟動智能灌溉或發布信息通知。

2 系統應用舉例

智慧型雨水花園設計，可以根據不同的區域應用環境，進行系統構成的微調，增加污水凈化、園林景觀、科普宣傳等功能，以更好的適應多種用途和不同需水環境下的智慧化園林綠化灌溉需求，實現智慧型雨水花園的多功能應用、實用性建構、創新性發展。

2.1 城市社區

在城市居民社區應用時，可將生活污水凈化系統并入節水灌溉系統，同時儲備雨水及凈化后的生活用水。在每棟居民樓加裝水量計量裝置，并入末端感知系統，既豐富了生活污水排放的基礎數據，又可對用戶的用水量、排水量進行數據化分析，提高城市居民對于節約水資源、保護水環境的認識。

2.2 公共建筑

在體育場館、圖書館、博物館、展覽館、城市廣場、大型辦公寫字樓等公共建筑設施應用時，除了將生活污水凈化系統并入節水灌溉系統進行凈化使用之外，可在樓宇露天平臺和地面廣場增加設置集雨設施，盡可能多的積蓄雨水，經過物理和生物處理后，回用于公共設施的衛生保潔、廁所沖洗和綠化灌溉，開辟公共建筑的“循環利用水源”。

2.3 城市公園

城市公園是城市居民休閑、健身、娛樂的主要場所，也是開展科普宣傳、文體活動的重要載體，可以在城市公園大力推廣應用智慧型雨水花園。其中，科普宣傳應用類型，可以設立電子屏，循環播放智慧型雨水花園三維動畫演示、實時監控視頻，將信息管理系統的數據資料可視化，增強水資源保護和節約用水宣傳效果；旅游景觀應用類型，可以配套設置燈光造型和音樂播放，白天音樂相伴，夜間燈光旖旎，增添城市公園的魅力。

3 結語

雨水花園屬于海綿城市建設中的重要細胞單元，隨著各地生態園林城市建設，增加了大量城市公園和園林綠地，解決園林綠化灌溉水源問題成為諸多城市特別是北方缺水城市的重要課題之一。隨著5G、物聯網、大數據、云平臺等技術的發展和應用，城市建設與管理進入智慧化時代，物聯網技術與城市園林節水灌溉系統的有機結合，將成為海綿城市、智慧城市建設的重要措施之一。