智能灌溉系统园林中关键技术

分类：智能科学技术论文发表 时间：2022-01-11 10:28 关注：(1)

   　文章分析智能浇灌系统在园林应用中的优势，强调智能灌溉在园林种植养护的重要意义，探究实现智能灌溉系统的关键技术，通过与智能控制技术、信息技术相结合，实现对智能灌溉系统的查看、操作、控制和维护功能，针对园林应用的特点对智能灌溉系统功能需求进行分析。

　　关键词：智能灌溉系统；园林设计；关键技术

　　水资源短缺已经成为影响当今人类社会的一大问题。我国水资源分布不均匀，部分地区水资源极其匮乏[1]。传统的园林多采用粗放式大水漫灌的灌溉模式，导致灌溉不均匀，影响景观植物的正常生长，造成水资源的严重浪费[2]。将智能技术引入园林灌溉是解决上述问题的途径之一。全世界各国均在积极研究智能的节水灌溉系统，智能灌溉技术已在发达国家被广泛使用，以色列、美国、英国、澳大利亚的灌溉系统较为先进和实用[3]。近年来，我国家大力发展智慧园林，2015年，中央城市工作会议提出加强城市智慧管理能力建设，促进现代信息技术与城市管理服务融合。2017年，住建部、国家发改委印发《全国城市市政基础设施建设“十三五”规划》，明确提出发展智慧园林，实现园林绿化监测、管控与公众服务的智能化。智能灌溉系统结合现代自动控制技术、数据分析处理技术和通信等技术。通过物联网数据平台远程控制水泵以及水阀，设定灌溉阈值实现无人值守自动灌溉，迅速实现大面积灌溉，减少人力投入，极大地提高绿化灌溉的效率、减少水资源的浪费，发展高效便捷的节水智能灌溉是现代园林发展的必然要求。

　　1智能灌溉系统在园林应用中的优势

　　1.1提高城市园林景观品质

　　园林绿化种植层次丰富，乔、灌、草群落组合配置，植物的需水量差异性较大，传统灌溉模式灌溉不均匀，无法与植物实际生长的需水量相配合。智能灌溉系统利用物联网技术，可以实时监测土壤养分、水分含量，监测地表风速、降雨量、温湿度、光照度，实现智能精准浇灌、多样化喷淋，提升小区景观效果，也可以实现植物缺水缺肥的异常预警，为绿植提供养护方案建议，有效改善园林绿地浇灌不合理问题，提高植物存活率，提高城市园林绿化的景观品质。

　　1.2减少资源浪费，降低养护成本

　　随着城市绿化面积增大，养护要求越来越高，城市绿化中用于绿化养护的成本不断攀升。传统园林养护需要专业人员管理，安排专业技术人员进行灌溉工作，但在实践过程中技术人员管控的范围局限于单个区域，养护工作不连续，容易造成人力资源的浪费。对水路管网设施设计进行完善时，智能灌溉系统结合智能监测和控制设备，实时感知植物的生长环境，反馈给控制器终端，调节灌溉供水，提高绿化灌溉的效率，减少水资源的浪费和人力投入，极大地降低后期养护成本。

　　1.3保存灌溉数据保存，建立场地灌溉模型

　　初步的精准灌溉主要为定时控制灌溉，可以节约用水。但灌溉制度仍依赖管理人员的经验，管理人员经验不足会导致灌溉程序的设定灌水过量或不足，无法保存灌溉系统的运行的数据。智能浇灌系统借助流量传感器，能够对平日的灌溉数据进行保存，具有一定的学习能力，将经验构建成模型，运用到新的场景中，使机器能够像人一样决策。机器学习有助于实现灌溉工程的精细化维护运行管理，使灌溉更科学、便捷，提高管理水平。

　　2智能灌溉关键技术

　　作为一个系统工程，智能灌溉系统需要各个专业的配合设计及产品组合。主要模块有基础水路管网设施和电路设计版块，电路设计主要是智能监测系统和智能控制系统。智能灌溉系统如图1所示。灌溉是整个系统工程中最基本的功能，基础水路管网设施是实现灌溉功能的基础设计，对整个系统运行起决定性的作用。基础水路管网设计包括管网布置图的绘制和复杂的水力计算，具有多样性、复杂性的特点。与农业灌溉系统设计相比，园林景观场地大多不规则，是居民休闲和娱乐的空间，对观赏性的要求比较高，在人性化的设计上和灌溉技术的应用上要求更高。得益于技术发展，自动喷灌系统多采用喷灌或滴灌进行灌溉设计，新型的灌溉技术能够有效提高水资源的利用率[4]。市面上已有较多的产品方案供选择，如Hunter、RAINBird、Toro等国际品牌，均有针对园林不同场景应用的配套产品。自动喷灌的常见灌水方式有喷灌和滴灌两种，需要针对园林景观的不同的场景及灌溉需求进行选择。喷灌更多适用于商业绿地、公园、小区住宅、道路等绿化景观，通过模拟自然降雨，对整个区块进行喷洒灌溉，灌水器的服务半径较大、使用寿命长、维护成本低、灵活性差。微灌更适用于庭院、屋顶绿化、种植池等面积较小或灌溉精度要求高的项目，只针对需要灌水的区域或植物进行灌水，其形式多样、灌水器服务半径较小、使用寿命较短、维护成本高，但灵活性强。在实际运行过程中，灌溉系统除了采用喷灌、滴灌等灌溉技术，还需要采用先进的智能监测和控制系统[5]。智能监测和控制系统的主要技术包括基于传感网络的信号采集与处理、网络通信以及远程监控等。智能监测系统包括远程监控平台及前端现场环境监测，前端环境监测包括土壤水分传感器、气象观测站、视频摄像相机等设备，远程监控平台用于现场环境的数据监控和存储、控制命令的下发以及系统的综合管理。智能控制系统包括控制器终端，其控制对象为各区域上的电磁阀，可以利用有线或无线通信技术完成智能灌溉控制终端与远程监控平台间的通信任务。通过传感器监测土壤环境实时数据和气象条件，经服务器分析，对比植物健康生长所需的各项指标，控制电磁阀开关，实现自动化灌溉。智能灌溉控制流程如图2所示。在首部安装灌溉首部控制器，其能够通过GPRS无线网络与远程监控平台通信，使用Lora以及LoraWan无线通信协议，在各灌溉分区设置远程灌溉管路控制器通信，灌溉管路控制器与电磁阀相连。用户可以在远程监控平台下达指令，由灌溉首部控制器接收并处理，实时下发给对应的灌溉管路控制器，灌溉管路控制器控制电磁阀执行相应的动作，开始灌溉作业。管路控制器采用低功耗的无线通信技术，使用太阳能板和锂电池，不必大规模铺设电源线、信号线等线缆，安装与使用更便捷、智能。

　　3智能灌溉系统功能需求分析

　　3.1感知能力

　　智能灌溉系统进行智能决策时离不开现场的感知设备，现场环境条件无法被系统感知时，控制器终端无法对现场灌溉需求进行适当反应。灌溉系统对现场的感知分为内部状态感知和外部环境感知。内部状态感知包括土壤温湿度、水流量以及水压等因子，主要通过土壤温湿度传感器、土壤EC值传感器、水流量传感器等传感器感知灌溉系统运行情况。外部环境感知包括气象环境、降雨量等不会随着灌溉系统的运行而发生变化的影响因子，通过气象站监测风速、风向、大气温度、大气湿度、大气压力、光合有效辐射、总辐射以及降雨量等因素。

　　3.2学习能力

　　智能灌溉系统的学习能力主要体现在日常灌溉数据的积累和学习。在水源首部安装一个流量传感，运行一阶段时，流量传感器通过数据的记录积累，自动学习每个站点流量，归纳总结每个站点正常运行时的流量范围。现场站点流量出现异常时，系统能够做出决策干预，比如关闭主阀或通知管理人员，降低事故的发生概率。智能灌溉系统能够优化轮灌制度，园林的灌溉需求多样，灌溉系统每个阀门的流量差异非常大，智能优化系统后，控制器可以对阀门进行组合和排序，使管道在一个比较充实的状态下满载运行，实现比较高效的灌溉制度。

　　3.3记忆能力

　　智能灌溉系统的记忆功能与计算机的存储功能不同，类似于人的记忆，会发生关联和归档，对数据进行处理，方便后期提取。植物的生长周期较长，在系统监控的过程中会产生大量的监测数据，这些数据是精准养护的基础，对后期灌溉制度的修正及植物模型的形成具有重要意义。

　　3.4互联能力

　　智能灌溉系统互联能力能够利用互联网进行系统访问，将GPRS、4G/5G技术与互联网结合，使系统具有交互功能，管理者不需要在现场进行巡查操作，在系统管理平台即可以获取园区的信息，给出控制指令。在决策方面能够互联到专家，得到技术支持，提高系统的便捷性以及可操作性，节省人力、物力等运营成本。

　　4结语

　　将灌溉技术与智能控制技术、信息技术相结合，实现了对智能灌溉系统的现场及远程查看、操作、控制和维护。可以利用前端传感器采集与感知现场数据，使用显示大屏进行数据展示，系统模型与数据联动进行智能决策，提高灌溉控制及养护管理的精准度，提高管理效率。仍需要对园林智能施工技术进行不断更新与完善，简单化、标准化安装硬件设施与系统信号传输的稳定性是需要不断优化的方向，为智能浇灌系统的推行提供支撑。系统模型的建立离不开前端数据的采集积累，对积累的大数据进行专项分析能够极大地提高系统的精准度，有助于推动灌溉系统的广泛应用。

　　参考文献

　　[1]陈太政，侯景伟，陈准.中国水资源优化配置定量研究进展[J].资源科学，2013，35（1）：132-139.

　　[2]杨柯柯.基于无线网络的智能灌溉系统设计[D].西安：西安理工大学，2018.

　　[3]闫欣，李想.智能灌溉在园林方面的应用[J].现代园林，2005（9）：61-63.

　　[4]邱兆勇，杜彬.农田灌溉用水需求及节约策略研究[J].地下水，2019，41（2）：75-76，134．

　　[5]陈公兴，陈坚涛.基于单片机的节水灌溉系统设计[J].科技与创新，2014，36（18）：26.

　　作者:黄佳敏 徐斌 余江勇