基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧型雨水花園設(shè)計(jì)初探

賈玉彤，李昕陽

（華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046）

長(zhǎng)期以來，傳統(tǒng)節(jié)約用水主要集中在農(nóng)業(yè)、工業(yè)和居民生活領(lǐng)域，而城市綠化、園林澆灌節(jié)水往往被人忽視。雖然有部分地區(qū)采用噴灌、滴灌等新技術(shù)用于農(nóng)業(yè)用水灌溉和城市園林綠化用水灌溉，但部分采用此技術(shù)的配套設(shè)施不完善、灌溉水源不足、灌溉時(shí)間不合理及運(yùn)行管理不到位等問題，造成節(jié)水灌溉設(shè)施利用效率和效益不高，一方面造成資金浪費(fèi)，另一方面造成水資源浪費(fèi)。

傳統(tǒng)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(shè)計(jì)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(yǎng)地下水，或使之補(bǔ)給景觀用水、環(huán)衛(wèi)及廁所沖洗用水等城市公共用水，是一種可持續(xù)的雨洪控制與雨水利用基礎(chǔ)設(shè)施。

智慧型雨水花園在雨水花園設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，整合5G、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)園林灌溉規(guī)范化、數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化、智能化，在原有雨水花園滲、滯、蓄、凈、用、排功能的基礎(chǔ)上，增加“智”和“節(jié)”的功能，使城市園林灌溉活動(dòng)由勞動(dòng)密集型過渡到技術(shù)密集型、智慧管理型。

1 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)

智慧雨水花園由智能控制系統(tǒng)、末端感知系統(tǒng)、節(jié)水灌溉系統(tǒng)、水源供應(yīng)系統(tǒng)和信息管理平臺(tái)五大功能模塊組成。通過末端感知系統(tǒng)的土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器等，自動(dòng)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(lián)網(wǎng)將無線傳感器采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸至智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)合設(shè)定的灌溉閾值參數(shù)，分析植物需水、土壤缺水等情況，并預(yù)判未來幾天的降水和雨水積蓄情況，自動(dòng)下達(dá)澆灌指令，實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化的分時(shí)段、分區(qū)域節(jié)水澆灌。

1.1 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架（SAN）、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、控制參數(shù)設(shè)置三部分。構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架（SAN），通過數(shù)據(jù)鏈層、同步數(shù)據(jù)鏈控制（SDLC）等，利用單片機(jī)在局域網(wǎng)內(nèi)和通過局域網(wǎng)在因特網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的設(shè)置和調(diào)節(jié)。土壤濕度傳感器測(cè)出濕度模擬數(shù)據(jù)，然后對(duì)測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)為二進(jìn)制值，再經(jīng)過三線制接口發(fā)送給單片機(jī)；當(dāng)檢測(cè)濕度小于設(shè)定濕度大小時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出指令，控制水泵抽水進(jìn)行灌溉；當(dāng)檢測(cè)的濕度等于或高于設(shè)定濕度大小時(shí)，水泵停止抽水灌溉。

1.2 末端感知系統(tǒng)

末端感知系統(tǒng)包括無線傳感器優(yōu)選和布設(shè)。優(yōu)選無線溫度傳感器、無線光照傳感器，根據(jù)具體條件合理布置，搭建無線智能末端感知系統(tǒng)。在布設(shè)前，針對(duì)選定區(qū)域綠化結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，科學(xué)合理地進(jìn)行無線傳感器的布設(shè)。結(jié)合城市管理監(jiān)控系統(tǒng)，合理布設(shè)城市園林綠地?cái)z像頭。通過末端感知系統(tǒng)的信息收集，智能感知預(yù)判未來幾天的天氣情況、土壤墑情和植物需水量，預(yù)判降雨和雨水積蓄情況、植物缺水情況，進(jìn)行智能化、精準(zhǔn)化澆灌。實(shí)現(xiàn)整個(gè)智慧雨水花園的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)字化、可視化，配合智能控制系統(tǒng)，針對(duì)不同情況下達(dá)不同指令，從而達(dá)到自動(dòng)化、智能化控制的目的。

1.3 節(jié)水灌溉系統(tǒng)

節(jié)水灌溉系統(tǒng)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(wǎng)布設(shè)等。根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤?、蒸發(fā)等氣候條件，植被灌溉需水量和地形地質(zhì)條件，在灌溉區(qū)域內(nèi)的合理點(diǎn)位布設(shè)雨水收集容器，達(dá)到一定規(guī)模的雨水積蓄容量，配套水泵及連通管道設(shè)施，形成區(qū)域雨水積蓄利用節(jié)水灌溉系統(tǒng)。

雨水蓄積模塊具有占地小、容量大，承重能力強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、水源切換智能化等特點(diǎn)，可以收集屋頂、地面雨水，用于灌溉或沖洗地面。當(dāng)模塊雨水蓄滿時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉模塊進(jìn)水口不再蓄積；當(dāng)模塊內(nèi)水量不足時(shí)，自動(dòng)切換市政管網(wǎng)取水澆灌。

該節(jié)水灌溉系統(tǒng)根據(jù)喬木、灌木、草地和微地形設(shè)計(jì)安裝噴灌、微噴、滴灌、管灌等節(jié)水灌溉器具，根據(jù)系統(tǒng)指令自動(dòng)啟閉，實(shí)現(xiàn)智能化節(jié)水灌溉。同時(shí)，結(jié)合園林景觀設(shè)計(jì)，配合燈光、音樂、園林小品等設(shè)施布設(shè)，進(jìn)一步美化亮化節(jié)水灌溉設(shè)施。

1.4 水源供應(yīng)系統(tǒng)

水源供應(yīng)系統(tǒng)主要包括水源切換控制裝置和配套水源管網(wǎng)。整個(gè)系統(tǒng)的水源供應(yīng)分為三類，一是經(jīng)過雨水收集系統(tǒng)儲(chǔ)備的雨水；二是城市再生水（中水等）；三是當(dāng)?shù)氐乇硭驕\層地下水，不提倡使用城市自來水。通過自動(dòng)水源切換裝置，進(jìn)行灌溉水源的切換，充分利用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，優(yōu)化使用雨水集蓄、市政中水或其他灌溉用水等灌溉水源，實(shí)施智慧化灌溉，達(dá)到進(jìn)一步循環(huán)利用雨水資源的目的，促進(jìn)節(jié)約用水。當(dāng)儲(chǔ)蓄雨水充足時(shí)，水源切換為雨水灌溉；當(dāng)干旱少雨時(shí)，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(jié)水灌溉系統(tǒng)的長(zhǎng)效運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)配套設(shè)計(jì)建設(shè)市政園林綠化用水供水管網(wǎng)，包括供水主管網(wǎng)、綠化帶水源管網(wǎng)、區(qū)域周邊水源管網(wǎng)等。

1.5 信息管理平臺(tái)

信息管理平臺(tái)包括數(shù)據(jù)管理分析和平臺(tái)維護(hù)。一是建立PC客戶端、移動(dòng)端APP等數(shù)據(jù)平臺(tái)，分析處理相關(guān)數(shù)據(jù)，管理協(xié)調(diào)設(shè)施運(yùn)行。對(duì)選定對(duì)象進(jìn)行植物種類、需水時(shí)段、生育期等植被特性調(diào)查，進(jìn)行灌溉用水定額、灌溉制度（灌水次數(shù)）、灌水設(shè)施控制方式等灌溉情況調(diào)查，在此基礎(chǔ)上細(xì)化單元灌溉閾值，進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和程序編寫，建立信息管理平臺(tái)。二是利用遠(yuǎn)程監(jiān)控PLC系統(tǒng)和攝像頭的觀察，人為調(diào)整用水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程資源的監(jiān)控，將實(shí)時(shí)墑情數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)，并根據(jù)植物需求，在系統(tǒng)中設(shè)置閾值，當(dāng)達(dá)到預(yù)警值時(shí)，啟動(dòng)智能灌溉或發(fā)布信息通知。

2 系統(tǒng)應(yīng)用舉例

智慧型雨水花園設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同的區(qū)域應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)成的微調(diào)，增加污水凈化、園林景觀、科普宣傳等功能，以更好的適應(yīng)多種用途和不同需水環(huán)境下的智慧化園林綠化灌溉需求，實(shí)現(xiàn)智慧型雨水花園的多功能應(yīng)用、實(shí)用性建構(gòu)、創(chuàng)新性發(fā)展。

2.1 城市社區(qū)

在城市居民社區(qū)應(yīng)用時(shí)，可將生活污水凈化系統(tǒng)并入節(jié)水灌溉系統(tǒng)，同時(shí)儲(chǔ)備雨水及凈化后的生活用水。在每棟居民樓加裝水量計(jì)量裝置，并入末端感知系統(tǒng)，既豐富了生活污水排放的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，又可對(duì)用戶的用水量、排水量進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，提高城市居民對(duì)于節(jié)約水資源、保護(hù)水環(huán)境的認(rèn)識(shí)。

2.2 公共建筑

在體育場(chǎng)館、圖書館、博物館、展覽館、城市廣場(chǎng)、大型辦公寫字樓等公共建筑設(shè)施應(yīng)用時(shí)，除了將生活污水凈化系統(tǒng)并入節(jié)水灌溉系統(tǒng)進(jìn)行凈化使用之外，可在樓宇露天平臺(tái)和地面廣場(chǎng)增加設(shè)置集雨設(shè)施，盡可能多的積蓄雨水，經(jīng)過物理和生物處理后，回用于公共設(shè)施的衛(wèi)生保潔、廁所沖洗和綠化灌溉，開辟公共建筑的“循環(huán)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(chǎng)所，也是開展科普宣傳、文體活動(dòng)的重要載體，可以在城市公園大力推廣應(yīng)用智慧型雨水花園。其中，科普宣傳應(yīng)用類型，可以設(shè)立電子屏，循環(huán)播放智慧型雨水花園三維動(dòng)畫演示、實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻，將信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料可視化，增強(qiáng)水資源保護(hù)和節(jié)約用水宣傳效果；旅游景觀應(yīng)用類型，可以配套設(shè)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(jié)語

雨水花園屬于海綿城市建設(shè)中的重要細(xì)胞單元，隨著各地生態(tài)園林城市建設(shè)，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(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，城市建設(shè)與管理進(jìn)入智慧化時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與城市園林節(jié)水灌溉系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，將成為海綿城市、智慧城市建設(shè)的重要措施之一。