基于邊緣機(jī)器學(xué)習(xí)的智慧噴灌系統(tǒng)

劉洪全

摘要：基于5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、GIS等技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)噴灌區(qū)域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過智慧噴灌數(shù)據(jù)模型算法技術(shù)精準(zhǔn)計(jì)算分析。只有當(dāng)植物真正感覺渴了才進(jìn)行澆水，植物喝飽了自動(dòng)停水。本智能噴灌系統(tǒng)針對(duì)園林植物特性，噴灌過程無需人工監(jiān)管，在保證植物正常生長(zhǎng)的同時(shí)提高水資源利用率。

關(guān)鍵詞：智慧園林;智能噴灌;數(shù)據(jù)模型

引言

在國家數(shù)字化、智慧化建設(shè)的浪潮推動(dòng)下，智慧城市、智慧園林正加速發(fā)展，越來越多的企業(yè)將5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)應(yīng)用于園林建設(shè)中，促使城市園林向數(shù)字化、智能化、平臺(tái)化、生態(tài)化的智慧園林轉(zhuǎn)變。關(guān)系植物生長(zhǎng)質(zhì)量最重要的因素就是澆水，但是由于植物自身特性和環(huán)境因素影響，什么時(shí)間需要澆水？澆多少水適合？無法準(zhǔn)確的通過植物的表象準(zhǔn)確展示出來，所以澆水問題一直是園林行業(yè)研究的重點(diǎn)。如何通過科技手段準(zhǔn)確“知道”植物喝水需求，并結(jié)合噴灌系統(tǒng)，精確澆水，使園林植物更健康成長(zhǎng)，是智慧園林建設(shè)的重要內(nèi)容。

1.國內(nèi)外現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢(shì)

國外噴灌技術(shù)使用較早，相應(yīng)的噴灌設(shè)備和技術(shù)趨于成熟，例如美國的雨鳥公司、亨特公司，以色列的耐特非姆等公司的噴灌產(chǎn)品都已經(jīng)成為世界公認(rèn)品牌。以色列本身是水資源匱乏國家，但是利用大棚滴灌技術(shù)進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品澆灌，充分節(jié)約水資源，其農(nóng)產(chǎn)品即可以滿足本國需求，還可以部分出口至周邊國家。智能灌溉技術(shù)可以結(jié)合環(huán)境因素、植物生長(zhǎng)特性，利用噴灌系統(tǒng)智能調(diào)解澆水量，保證植物最優(yōu)生長(zhǎng)。但是由于植物自身生長(zhǎng)特性和外界自然環(huán)境變化多樣，目前只實(shí)現(xiàn)了部分農(nóng)產(chǎn)品的全自動(dòng)灌溉，在其他農(nóng)產(chǎn)品或者園林植物上應(yīng)用仍然存在技術(shù)難點(diǎn)。

我國的噴灌系統(tǒng)使用時(shí)間較晚，同國外發(fā)達(dá)國家相比，在噴灌技術(shù)方面存在較大差距。國內(nèi)企業(yè)經(jīng)過不斷學(xué)習(xí)和自主研發(fā)，憑借其產(chǎn)品較高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，逐漸被國內(nèi)市場(chǎng)接受。目前，我國智能化噴灌主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，在城市園林綠化中應(yīng)用很少，然而城市園林綠化每年需要大量水資源澆灌植物，有效的噴灌技術(shù)可以節(jié)約水資源，具有廣闊的市場(chǎng)空間。

2.傳統(tǒng)灌溉存在的問題

傳統(tǒng)園林綠化行業(yè)大多以人工澆灌、定時(shí)噴灌等方式進(jìn)行灌溉，該方式存在眾多不足。

人工澆灌需要大量的人力、水車、配套設(shè)備來完成澆灌作業(yè)，澆灌過程從土層表面快速完成，缺少有效的滲透時(shí)間，相應(yīng)的水資源流失到非澆灌區(qū)域，澆灌過程中浪費(fèi)大量水資源。

定時(shí)噴灌方式存在澆灌不均、不科學(xué)的問題。過度依賴人的經(jīng)驗(yàn)，植物的灌溉頻次、需水量難以進(jìn)行科學(xué)化的量化，無法精準(zhǔn)捕捉到植物的實(shí)際需求。容易出現(xiàn)澆水不均、旱澇分化的情況。

傳統(tǒng)灌溉方式水資源的有效利用率僅有50%，同時(shí)存在植物成活率、存活率低等問題。

3.智能灌溉的優(yōu)勢(shì)

基于邊緣機(jī)器學(xué)習(xí)的智能噴灌技術(shù)，借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)模型算法技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)只有當(dāng)植物“渴了”的時(shí)候才澆水，當(dāng)植物“喝飽了”的時(shí)候停止?jié)菜?，整個(gè)噴灌過程無需人工參與，可解決傳統(tǒng)灌溉中水資源浪費(fèi)、人工成本高、灌溉不科學(xué)等問題。

3.1.技術(shù)難點(diǎn)

植物喝水需求受以下外界因素影響：

（1）所處區(qū)域的地理自然環(huán)境變化因素影響，其中包含南北方地域降雨量差異;區(qū)域內(nèi)的日照時(shí)長(zhǎng)、日照強(qiáng)度變化;風(fēng)速等級(jí)、頻率等自然因素的變化，從長(zhǎng)時(shí)間周期看自然環(huán)境變化有一定的規(guī)律，從短時(shí)間周期看變化無常，從而造成無法形成固定規(guī)律。

（2）所處位置的土壤類型影響，土壤類型分為松砂土、砂壤土、中壤土、重壤土、重粘土，相應(yīng)的田間持水量和凋萎系數(shù)不同。植物能吸收的水分受土壤類型影響。

土壤有效含水范圍指土壤所含可以利用水的范圍。公式如下：A=F-W。A：有效含水量（植物最多可利用水量），F(xiàn)： 田間持水量（飽和后，能夠保持住的最大含水量，有效水上限），W：凋萎系數(shù)（有效水下限）。

（3）植物自身的生長(zhǎng)習(xí)性影響，植物本身有自己的生長(zhǎng)習(xí)性，喜陰，喜光，耐旱，耐澇。不同的植物對(duì)喝水的需求不一樣。城市園林綠化注重園林藝術(shù)和景觀美感，園林植物并非單一品種，而是多種品種和群落的搭配。這樣造成澆灌區(qū)域內(nèi)植物種類繁多，分布交叉。如何通過噴灌技術(shù)來滿足多種植物的喝水需求也成為智慧噴灌的難點(diǎn)問題。

3.2.技術(shù)方案

針對(duì)城市園林植物澆水需求的特點(diǎn)，本系統(tǒng)主要分為噴灌設(shè)計(jì)施工部分和智慧噴灌數(shù)據(jù)模型控制系統(tǒng)部分。

（1）噴灌設(shè)計(jì)施工部分

首先根據(jù)植物種類和群落區(qū)分不同的噴灌區(qū)域，并設(shè)置不同類型的噴頭?；ɑ軒^(qū)域采用射線旋轉(zhuǎn)噴頭，減少水壓對(duì)花瓣的沖擊;草坪區(qū)域采用散射噴頭，出水量大、覆蓋面積廣;灌木帶采用高出灌木的旋轉(zhuǎn)射線噴頭，防止出水口被灌木遮擋;喬木帶采用涌泉噴頭，在每棵喬木根處放置噴頭，針對(duì)喬木澆水。

（2）智慧噴灌數(shù)據(jù)模型控制系統(tǒng)部分

基于5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、GIS等技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集多種環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過智慧噴灌模型精準(zhǔn)分析預(yù)測(cè)，向終端自動(dòng)下達(dá)正確的噴灌決策，智能補(bǔ)充植物所需水份，從而實(shí)現(xiàn)噴灌的智能化、科學(xué)化、精準(zhǔn)化。

本系統(tǒng)采用了如圖3.2.1所示的方法流程來進(jìn)行噴灌控制。

智慧噴灌系統(tǒng)在終端側(cè)通過物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備準(zhǔn)確采集噴灌區(qū)域的多種環(huán)境數(shù)據(jù)，利用電磁閥及噴頭實(shí)現(xiàn)澆水作業(yè);在邊緣側(cè)通過噴灌控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)澆水控制;在云平臺(tái)側(cè)通過云計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)噴灌數(shù)據(jù)模型不斷自我學(xué)習(xí)和運(yùn)算，下發(fā)指令控制噴灌系統(tǒng)。整體實(shí)現(xiàn)“端-邊-云”一體的智能噴灌系統(tǒng)。

3.4核心技術(shù)

本系統(tǒng)充分考慮植物喝水需求受多種外界因素影響問題，提供一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能噴灌方法和系統(tǒng)，將復(fù)雜的影響因素通過數(shù)據(jù)模型算法解決。

（1）收集噴灌區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)，采集噴灌區(qū)域2年以來的土壤濕度、土壤溫度數(shù)據(jù)、空氣溫度、空氣濕度、區(qū)域日累計(jì)降水量、風(fēng)速風(fēng)向等。結(jié)合《中國地面國際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集》中的歷史數(shù)據(jù)，采用彭曼公式計(jì)算作物的蒸騰量，搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型代替復(fù)雜的彭曼公式，使其能根據(jù)部分參數(shù)預(yù)測(cè)作物的蒸騰量。

式中，蒸騰量（mm/d），飽和水氣壓曲線斜率（kPa/℃），地表凈輻射（MJ/（m*d），土壤熱通量（MJ/（m?*d），干濕表常數(shù)（kPa/℃），日平均溫度（℃），2 米高處風(fēng)速（m/s），飽和水氣壓（kPa），實(shí)際水氣壓（kPa）。

（2）通過歷史數(shù)據(jù)采用機(jī)器學(xué)習(xí)（迭代決策樹GBRT）方法，訓(xùn)練得到蒸騰量的數(shù)據(jù)模型。選擇早晨6時(shí)為噴灌時(shí)間，輸入數(shù)據(jù)為終端側(cè)采集提供的前一日的土壤濕度、土壤溫度、降水量、風(fēng)速，輸出數(shù)據(jù)為計(jì)算得到的當(dāng)日蒸騰量;

（3）間隔半個(gè)小時(shí)采集噴灌區(qū)域的土壤濕度，若當(dāng)前土壤濕度低于設(shè)定的過干旱閾值，則表明植物嚴(yán)重缺水，立即下發(fā)噴灌指令進(jìn)行澆水。根據(jù)噴灌區(qū)域的土壤類型，設(shè)定凋萎系數(shù)的120%為過干旱閾值。土壤濕度的采集方法：對(duì)多個(gè)土壤濕度傳感器的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布和歸一化計(jì)算，取計(jì)算后的土壤濕度值為該噴灌區(qū)域的土壤濕度。有效避免由于單個(gè)土壤濕度傳感器不準(zhǔn)確造成誤差。

（4）若土壤濕度高于設(shè)定過干旱閾值，則執(zhí)行智能噴灌數(shù)據(jù)模型，指示噴灌區(qū)域是否澆水及澆多少水。智能噴灌數(shù)據(jù)模型利用水平衡公式并結(jié)合蒸騰量計(jì)算出區(qū)域內(nèi)植物總的失水量，并結(jié)合植物特性和土壤類型，計(jì)算出最終的需水量。水平衡公式，式中，M需水量，W0當(dāng)天初始的土壤濕度，Wt當(dāng)天最后的土壤濕度;Wr當(dāng)天數(shù)值最高的土壤濕度，K當(dāng)天的地下水補(bǔ)給量，為實(shí)際降雨量，蒸騰量;將噴灌周期設(shè)置為1天，若得到的植物需水量為負(fù)值，表示植物無需噴灌;若得到的需水量為正值，則按照該值的大小匹配噴灌多少水量。

4.結(jié)論

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智慧噴灌系統(tǒng)與目前市場(chǎng)上其他噴灌系統(tǒng)相比，增加了智慧噴灌數(shù)據(jù)模型，具備可靠的端-邊-云系統(tǒng)功能。可根據(jù)不同植物、不同地域、不同土壤類型建立不同的智慧噴灌數(shù)據(jù)模型，對(duì)當(dāng)天需水量進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，按需噴灌，節(jié)約人力成本，提升水資源利用率，具有極高的推廣價(jià)值。

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