克拉瑪依園林綠化無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用

宮江平 胡雯雯 劉思嘉，3 高 波 劉秉壽 鄒宏浩

（1克拉瑪依瑞利康源園林工程有限責(zé)任公司，克拉瑪依 834014；2上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，上海 201403；3上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院，上海 201418；4北京天正高科智能科技有限公司，北京 100041）

新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市位于中緯度內(nèi)陸地區(qū)，地處準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，全境大部分地區(qū)為戈壁荒漠，年平均降水量為108.9 mm，年平均蒸發(fā)量為2 692.1 mm，屬典型的溫帶大陸性氣候[1]。為了改善城市生態(tài)環(huán)境，滿足人們對(duì)良好生態(tài)環(huán)境的渴望，近年來(lái)，克拉瑪依市積極開(kāi)展園林綠化建設(shè)，綠化面積快速增長(zhǎng)，已建立起龐大的園林綠地系統(tǒng)[2]。其中，園林植物在生態(tài)、景觀等方面，發(fā)揮了巨大作用，但同時(shí)園林植物也會(huì)消耗大量的水資源[3]。然而克拉瑪依市自然降雨稀少，導(dǎo)致當(dāng)?shù)貓@林植物需要進(jìn)行灌溉補(bǔ)水。但隨著當(dāng)?shù)貓@林綠化面積的增加，每年需要消耗大量灌溉用水，使得當(dāng)?shù)卦居邢薜乃Y源更趨緊張。因此，城市綠化用水量的快速增長(zhǎng)，已成為克拉瑪依市園林綠化發(fā)展的沉重負(fù)擔(dān)[4]。在此背景下，筆者通過(guò)研究和應(yīng)用“園林綠化無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)”，達(dá)到為當(dāng)?shù)貓@林綠化植物提供精確的用水量及減少水資源浪費(fèi)的目的?，F(xiàn)將該系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用情況介紹如下。

1 系統(tǒng)概述

科學(xué)的灌溉理念是“澆作物”，而不是“澆地”，而要真正做到園林綠化植物需要多少水，就及時(shí)、精量地提供多少水，這就需要在灌水過(guò)程中實(shí)現(xiàn)智能化灌溉控制。因此，園林綠化智能灌溉是實(shí)現(xiàn)節(jié)約灌溉用水的重要手段，也是園林綠化灌溉管理的必然發(fā)展方向。本文介紹的園林綠化無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)是完全自動(dòng)化灌溉的系統(tǒng)，可按照?qǐng)@林綠化植物的需水規(guī)律，智能控制互相獨(dú)立運(yùn)行的電磁閥，而每個(gè)閥門(mén)均能根據(jù)預(yù)先設(shè)定的灌水策略、土壤含水量、氣象數(shù)據(jù)以及輸水管道內(nèi)的壓力與流量的變化，自動(dòng)做出相應(yīng)的開(kāi)閉動(dòng)作，進(jìn)行適時(shí)、適量地灌溉，進(jìn)而提高灌溉用水的利用率，減少水分損失。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 LoRa無(wú)線智能網(wǎng)關(guān)

該網(wǎng)關(guān)主要是執(zhí)行控制操作或分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程及本地化運(yùn)算和控制。它配備有2～4個(gè)獨(dú)立的采集發(fā)送信道，每個(gè)通訊信道有32個(gè)通訊頻段供用戶自由分配、調(diào)整，從而確保無(wú)線通訊的穩(wěn)定性。

2.2 LoRa無(wú)線多要素氣象監(jiān)測(cè)站

該監(jiān)測(cè)站主要是實(shí)時(shí)獲取園林綠化植物生長(zhǎng)微環(huán)境的氣象信息，如空氣溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光照強(qiáng)度、降雨量、結(jié)露點(diǎn)溫度、太陽(yáng)輻射等。同時(shí)，它可結(jié)合GPS定位實(shí)時(shí)獲取當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，提供未來(lái)72 h的氣象預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)24 h氣溫、降水概率、大風(fēng)、極端天氣等氣象預(yù)警預(yù)報(bào)，以利于提高灌溉水利用系數(shù)。

2.3 LoRa無(wú)線多層溫濕鹽傳感器

該傳感器主要是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和推送土壤的溫度、濕度和鹽分信息，監(jiān)測(cè)層數(shù)可達(dá)三層，從而為灌溉作業(yè)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，它可與閥門(mén)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，能根據(jù)不同的土壤濕度信息，自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉閥門(mén)，在節(jié)省人工的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、智能化的灌溉作業(yè)。

2.4 LoRa無(wú)線電磁閥控制器

該控制器主要是在接收到智能網(wǎng)關(guān)的無(wú)線控制指令后，控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，且可設(shè)定定時(shí)控制、定時(shí)輪灌、智能控制等多種控制計(jì)劃。同時(shí)，它自帶電池電量、信號(hào)強(qiáng)度、設(shè)備溫度等的監(jiān)測(cè)功能。

2.5 LoRa無(wú)線智能水表

該水表安裝在供水管道上，可實(shí)時(shí)采集和推送灌溉用水量，讓管理人員掌握每次灌溉的實(shí)時(shí)用水量，以利于實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的灌溉管理作業(yè)。同時(shí)，它可為后期的智慧城市、智慧園林用水大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

園林綠化無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)由云平臺(tái)、LoRa無(wú)線智能網(wǎng)關(guān)、LoRa無(wú)線電磁閥控制器、LoRa無(wú)線多層溫濕鹽傳感器、LoRa無(wú)線多要素氣象監(jiān)測(cè)站、LoRa無(wú)線智能水表等組成，見(jiàn)圖1。系統(tǒng)的設(shè)備之間利用 LoRa傳輸協(xié)議進(jìn)行通訊，可通過(guò)無(wú)線電磁閥控制器自主組網(wǎng)，通過(guò)LoRa無(wú)線智能網(wǎng)關(guān)匯聚所有的數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，經(jīng)過(guò)云平臺(tái)管理軟件分析處理后，下發(fā)控制指令，從而實(shí)現(xiàn)電磁閥門(mén)的自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉。該系統(tǒng)具有智能控制、遠(yuǎn)程定時(shí)和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)等控制模式，真正做到“按需、精準(zhǔn)、智能”灌溉。

圖1 園林綠化無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)安裝部署

園林綠化無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)用于克拉瑪依市錦繡花園2#地塊，該地塊擁有園林綠化面積7 200 m2。

園林綠化無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)的具體安裝部署情況為：（1）利用及改造原有灌溉管道，在分支管進(jìn)口安裝電磁閥和LoRa無(wú)線智能水表8套，每個(gè)電磁閥安裝LoRa無(wú)線電磁閥控制器1臺(tái)。（2）安裝LoRa無(wú)線土壤溫度、濕度等傳感器3套，即在草地區(qū)、灌木區(qū)和喬木區(qū)各安裝1套，用于實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)。（3）架設(shè)LoRa無(wú)線智能網(wǎng)關(guān)1套和LoRa無(wú)線多要素氣象監(jiān)測(cè)站1套。

園林綠化無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)按功能劃分為三大模塊，即灌溉信息自動(dòng)感知模塊、無(wú)線智能控制模塊、灌溉管理云服務(wù)平臺(tái)。具體為：（1）灌溉信息自動(dòng)感知模塊。該模塊由LoRa無(wú)線土壤溫度、濕度等傳感器和LoRa無(wú)線智能水表及LoRa無(wú)線多要素氣象監(jiān)測(cè)站組成，通過(guò)先進(jìn)的傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了園林綠化植物在灌溉過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸，如土壤溫濕度、空氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓力、降雨量等。（2）無(wú)線智能控制模塊。該模塊由LoRa無(wú)線電磁閥控制器和LoRa首部智能控制柜組成，在接收到灌溉管理云服務(wù)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后下發(fā)的控制指令后，自動(dòng)執(zhí)行打開(kāi)或關(guān)閉水泵、電磁閥等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)園林綠化植物的灌溉控制。（3）灌溉管理云服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)提供電腦Web端和手機(jī)APP兩種操作平臺(tái)，其中，電腦Web端用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制和參數(shù)設(shè)置，為用戶提供美觀的可視化圖形操作界面，它能在記錄所有數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，且能定制功能（如報(bào)表導(dǎo)出等）；手機(jī)APP則可實(shí)現(xiàn)用戶隨時(shí)隨地查看園林綠化基地的墑情信息，進(jìn)而進(jìn)行灌溉決策控制。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用成效

具體應(yīng)用成效為：（1）園林綠化無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，能作出灌溉決策，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉電磁閥、水泵等設(shè)備的無(wú)人智能控制，真正做到對(duì)園林綠化植物的按需、精準(zhǔn)、無(wú)人智能灌溉。（2）園林綠化無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)采用低功耗LoRa技術(shù)遠(yuǎn)距離無(wú)傳輸解決方案，不僅不需要專門(mén)開(kāi)挖布線，還可根據(jù)需要控制位置進(jìn)行再次改造，大大減少了開(kāi)挖布線的工程成本和后期維護(hù)的成本。（3）園林綠化無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)操作智能、便捷。該系統(tǒng)支持環(huán)境傳感器、土壤溫濕度和農(nóng)業(yè)氣象站等無(wú)線傳感設(shè)備，并可通過(guò)LED大屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；內(nèi)置無(wú)線泵站控制系統(tǒng)可通過(guò)無(wú)線液位傳感器，實(shí)時(shí)感知蓄水池或水井內(nèi)的水位高低，從而自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉水泵；支持定時(shí)、智能、輪動(dòng)等多種澆灌模式；支持手機(jī)短信和微信端多用戶同時(shí)報(bào)警機(jī)制；支持手機(jī)應(yīng)用程序遠(yuǎn)程控制，可實(shí)時(shí)查看各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，且有標(biāo)準(zhǔn)模式和高級(jí)模式切換功能，能適用于不同管理人員使用；內(nèi)置實(shí)時(shí)用水統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，可統(tǒng)計(jì)水資源的使用情況；無(wú)縫對(duì)接智慧市政園林大平臺(tái)，能為智慧城市運(yùn)行提供園林綠化植物灌溉用水的數(shù)據(jù)。

5 小結(jié)及討論

筆者利用物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)，自主研發(fā)了園林綠化無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)，經(jīng)在克拉瑪依市錦繡花園安裝應(yīng)用，該系統(tǒng)能通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，作出灌溉決策，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉電磁閥、水泵等設(shè)備的無(wú)人智能控制，真正做到按需、精準(zhǔn)、無(wú)人智能灌溉。因此，該系統(tǒng)在克拉瑪依市及類似地區(qū)具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

目前，該系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了對(duì)3種園林綠化植物的智能灌溉決策，未來(lái)將加入更多種類的園林綠化植物。同時(shí)，該系統(tǒng)只適用于園林綠化植物，后期將會(huì)針對(duì)不同的灌溉場(chǎng)景，升級(jí)智能灌溉系統(tǒng)的軟硬件，從而推動(dòng)該系統(tǒng)進(jìn)行更廣泛的應(yīng)用。