智能灌溉系統在園林中的關鍵技術探討

黃佳敏 徐 斌 余江勇

（廣東東籬環境股份有限公司，廣東廣州 510335）

水資源短缺已經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，部分地區水資源極其匱乏[1]。傳統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水灌溉系統，智能灌溉技術已在發達國家被廣泛使用，以色列、美國、英國、澳大利亞的灌溉系統較為先進和實用[3]。近年來，我國家大力發展智慧園林，2015年，中央城市工作會議提出加強城市智慧管理能力建設，促進現代信息技術與城市管理服務融合。2017年，住建部、國家發改委印發《全國城市市政基礎設施建設“十三五”規劃》，明確提出發展智慧園林，實現園林綠化監測、管控與公眾服務的智能化。

智能灌溉系統結合現代自動控制技術、數據分析處理技術和通信等技術。通過物聯網數據平臺遠程控制水泵以及水閥，設定灌溉閾值實現無人值守自動灌溉，迅速實現大面積灌溉，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，發展高效便捷的節水智能灌溉是現代園林發展的必然要求。

1 智能灌溉系統在園林應用中的優勢

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。智能灌溉系統利用物聯網技術，可以實時監測土壤養分、水分含量，監測地表風速、降雨量、溫濕度、光照度，實現智能精準澆灌、多樣化噴淋，提升小區景觀效果，也可以實現植物缺水缺肥的異常預警，為綠植提供養護方案建議，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，降低養護成本

隨著城市綠化面積增大，養護要求越來越高，城市綠化中用于綠化養護的成本不斷攀升。傳統園林養護需要專業人員管理，安排專業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域，養護工作不連續，容易造成人力資源的浪費。

對水路管網設施設計進行完善時，智能灌溉系統結合智能監測和控制設備，實時感知植物的生長環境，反饋給控制器終端，調節灌溉供水，提高綠化灌溉的效率，減少水資源的浪費和人力投入，極大地降低后期養護成本。

1.3 保存灌溉數據保存，建立場地灌溉模型

初步的精準灌溉主要為定時控制灌溉，可以節約用水。但灌溉制度仍依賴管理人員的經驗，管理人員經驗不足會導致灌溉程序的設定灌水過量或不足，無法保存灌溉系統的運行的數據。智能澆灌系統借助流量傳感器，能夠對平日的灌溉數據進行保存，具有一定的學習能力，將經驗構建成模型，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

作為一個系統工程，智能灌溉系統需要各個專業的配合設計及產品組合。主要模塊有基礎水路管網設施和電路設計版塊，電路設計主要是智能監測系統和智能控制系統。

智能灌溉系統如圖1所示。

圖1 智能灌溉系統

灌溉是整個系統工程中最基本的功能，基礎水路管網設施是實現灌溉功能的基礎設計，對整個系統運行起決定性的作用。

基礎水路管網設計包括管網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。與農業灌溉系統設計相比，園林景觀場地大多不規則，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。得益于技術發展，自動噴灌系統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綠地、公園、小區住宅、道路等綠化景觀，通過模擬自然降雨，對整個區塊進行噴灑灌溉，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，灌溉系統除了采用噴灌、滴灌等灌溉技術，還需要采用先進的智能監測和控制系統[5]。智能監測和控制系統的主要技術包括基于傳感網絡的信號采集與處理、網絡通信以及遠程監控等。智能監測系統包括遠程監控平臺及前端現場環境監測，前端環境監測包括土壤水分傳感器、氣象觀測站、視頻攝像相機等設備，遠程監控平臺用于現場環境的數據監控和存儲、控制命令的下發以及系統的綜合管理。智能控制系統包括控制器終端，其控制對象為各區域上的電磁閥，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控平臺間的通信任務。通過傳感器監測土壤環境實時數據和氣象條件，經服務器分析，對比植物健康生長所需的各項指標，控制電磁閥開關，實現自動化灌溉。

智能灌溉控制流程如圖2所示。

圖2 智能灌溉控制流程

在首部安裝灌溉首部控制器，其能夠通過GPRS無線網絡與遠程監控平臺通信，使用Lora以及LoraWan無線通信協議，在各灌溉分區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。用戶可以在遠程監控平臺下達指令，由灌溉首部控制器接收并處理，實時下發給對應的灌溉管路控制器，灌溉管路控制器控制電磁閥執行相應的動作，開始灌溉作業。

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 智能灌溉系統功能需求分析

3.1 感知能力

智能灌溉系統進行智能決策時離不開現場的感知設備，現場環境條件無法被系統感知時，控制器終端無法對現場灌溉需求進行適當反應。灌溉系統對現場的感知分為內部狀態感知和外部環境感知。內部狀態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運行情況。外部環境感知包括氣象環境、降雨量等不會隨著灌溉系統的運行而發生變化的影響因子，通過氣象站監測風速、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

智能灌溉系統的學習能力主要體現在日常灌溉數據的積累和學習。在水源首部安裝一個流量傳感，運行一階段時，流量傳感器通過數據的記錄積累，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。現場站點流量出現異常時，系統能夠做出決策干預，比如關閉主閥或通知管理人員，降低事故的發生概率。智能灌溉系統能夠優化輪灌制度，園林的灌溉需求多樣，灌溉系統每個閥門的流量差異非常大，智能優化系統后，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下滿載運行，實現比較高效的灌溉制度。

3.3 記憶能力

智能灌溉系統的記憶功能與計算機的存儲功能不同，類似于人的記憶，會發生關聯和歸檔，對數據進行處理，方便后期提取。植物的生長周期較長，在系統監控的過程中會產生大量的監測數據，這些數據是精準養護的基礎，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 互聯能力

智能灌溉系統互聯能力能夠利用互聯網進行系統訪問，將GPRS、4G/5G技術與互聯網結合，使系統具有交互功能，管理者不需要在現場進行巡查操作，在系統管理平臺即可以獲取園區的信息，給出控制指令。在決策方面能夠互聯到專家，得到技術支持，提高系統的便捷性以及可操作性，節省人力、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，實現了對智能灌溉系統的現場及遠程查看、操作、控制和維護。可以利用前端傳感器采集與感知現場數據，使用顯示大屏進行數據展示，系統模型與數據聯動進行智能決策，提高灌溉控制及養護管理的精準度，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信號傳輸的穩定性是需要不斷優化的方向，為智能澆灌系統的推行提供支撐。系統模型的建立離不開前端數據的采集積累，對積累的大數據進行專項分析能夠極大地提高系統的精準度，有助于推動灌溉系統的廣泛應用。