丁虹

揚(yáng)州意匠軒園林古建筑營(yíng)造股份有限公司 江蘇揚(yáng)州 225000

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，能源問(wèn)題是一個(gè)不可回避的難題，加快對(duì)新能源技術(shù)的開發(fā)是消除能源危機(jī)的唯一路徑。我國(guó)人口眾多，水資源供需矛盾日趨凸顯，這一問(wèn)題困擾各行業(yè)的發(fā)展。人們生活水平的提高對(duì)城市園林綠化的要求也逐漸在提升，隨之人們對(duì)園林灌溉的關(guān)注度也越來(lái)越重視。然而，我國(guó)地大物博水資源較短缺，并且水資源分布不均衡，造成了諸多水危機(jī)問(wèn)題。目前，也出現(xiàn)了黃河斷流的嚴(yán)重缺水現(xiàn)象。基于此，要強(qiáng)化人們節(jié)約用水意識(shí)，讓人們認(rèn)識(shí)到園林節(jié)水灌溉的意義，推廣智能化園林灌溉的當(dāng)務(wù)之急是要盡快普及自動(dòng)化灌溉技術(shù)。

1 園林智能灌溉發(fā)展概況

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家就己經(jīng)開始對(duì)園林灌溉釆用此項(xiàng)技術(shù)，尤其是大面積種植都釆用自動(dòng)化灌溉技術(shù)，專業(yè)的園林灌溉系統(tǒng)能夠自動(dòng)采集土壤濕度、雨量以及測(cè)量風(fēng)速等信息數(shù)據(jù)，依據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)編制程序，每天編程后自動(dòng)進(jìn)行灌溉，系統(tǒng)軟件具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)水泵及電磁閥等設(shè)備功能，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并能自動(dòng)顯示、記錄每個(gè)灌溉區(qū)域的實(shí)際灌溉時(shí)間。節(jié)水自動(dòng)灌溉可分為噴灌、滴灌、微噴灌等方式。由傳統(tǒng)的半自動(dòng)灌溉向現(xiàn)代全自動(dòng)灌溉推進(jìn)，對(duì)園林灌溉區(qū)域?qū)嵤?shí)際用水監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)化管理[1]。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)園林灌溉技術(shù)起步較晚，從灌溉技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，尚未有完善的質(zhì)量控制體系和成熟的質(zhì)量檢測(cè)體系。有些技術(shù)在我國(guó)仍處于空白狀態(tài)，如微型電子控制器，技術(shù)上的空白造成國(guó)內(nèi)很大一部分園林灌溉設(shè)施需要從國(guó)外引進(jìn)。而我國(guó)園林灌溉技術(shù)也處在自主研發(fā)階段，即便是開發(fā)出自己的產(chǎn)品，也是在借鑒國(guó)外先進(jìn)灌溉技術(shù)的前提下研發(fā)出的技術(shù)。

2 各種自動(dòng)灌溉系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 太陽(yáng)能灌溉系統(tǒng)

太陽(yáng)能灌溉系統(tǒng)是以太陽(yáng)自然能量作啟動(dòng)，將溪澗水引用于園林灌溉。存儲(chǔ)的溪水經(jīng)上坡段灑水裝置進(jìn)行灌溉，太陽(yáng)能灌溉系統(tǒng)由太陽(yáng)能電板以及雨水探測(cè)器2部分組成，雨水探測(cè)器主要是針對(duì)雨水天實(shí)施檢測(cè)，如遇雨水天系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。太陽(yáng)能灌溉系統(tǒng)適用于尚沒有引入自來(lái)水并且較偏遠(yuǎn)的地區(qū)。

2.2 無(wú)線遙控與總線控制灌溉系統(tǒng)

無(wú)線灌溉系統(tǒng)是運(yùn)用遠(yuǎn)程終端采集園林植被，肥與水的需求信息，利用（GSM）全球移動(dòng)系統(tǒng)將信息數(shù)據(jù)傳入中央控制端。它的優(yōu)勢(shì)是不需要大范圍布線，后期投資小、維護(hù)簡(jiǎn)便。而總線控制灌溉系統(tǒng)是由各處測(cè)控終端負(fù)責(zé)收集植被的信息（需水），將此信息數(shù)據(jù)傳入中央計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)分析梳理后得到園林灌溉數(shù)據(jù)。其優(yōu)勢(shì)為控制范圍更廣，園林灌溉更直觀，更具科學(xué)性[2]。

3 智能灌溉應(yīng)用于園林的優(yōu)勢(shì)分析

國(guó)內(nèi)灌溉用水量極大，但水的利用率并不高，傳統(tǒng)的綠化用水所采用的人工皮管漫灌方式，近80%的水無(wú)效蒸發(fā)，這種落后的灌溉方式致使水資源的利用率在全國(guó)范圍內(nèi)達(dá)不到40%，造成綠化用水被損失掉?；诖?，近年來(lái)，園林灌溉技術(shù)通過(guò)改造以往的灌溉方式，采用節(jié)水噴灌灌水法，實(shí)現(xiàn)適時(shí)適量的灌溉。因此，在園林灌溉系統(tǒng)推廣自動(dòng)化控制灌溉技術(shù)，既緩解水資源缺乏問(wèn)題，又能降低使用成本。智能噴灌系統(tǒng)能在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)以定量的噴水方式，自動(dòng)完成噴灌任務(wù)。天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在降雨開始時(shí)自動(dòng)停止噴灌，并根據(jù)降雨量決定降雨結(jié)束以后是否采取補(bǔ)噴，它可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)降雨?duì)顩r，當(dāng)發(fā)現(xiàn)降雨量己經(jīng)滿足植被的需求時(shí)，將不進(jìn)行補(bǔ)噴作業(yè)。在實(shí)施噴灌任務(wù)之前將所要噴灌的植被區(qū)域輸入噴灌系統(tǒng)內(nèi)，則可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)噴灌任務(wù)，智能化灌溉系統(tǒng)能根據(jù)植物土壤實(shí)際狀況，自動(dòng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)天氣情況實(shí)現(xiàn)“精細(xì)灌溉”。在提高園林灌溉質(zhì)量的同時(shí)，管理水平也得到提升，自動(dòng)灌溉減少了勞動(dòng)力，使操作人員得到解放，水資源也得到更加合理的利用。

4 系統(tǒng)總體框架及其工作原理

4.1 系統(tǒng)框架

物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、嵌入式ARM控制系統(tǒng)、移動(dòng)終端、算法設(shè)計(jì)、云端交互模塊以及控制執(zhí)行系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)、控制執(zhí)行系統(tǒng)分別完成數(shù)據(jù)采集與控制功能，移動(dòng)終端遠(yuǎn)程操控并結(jié)合云端算法輔助完成系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整，云端交互模塊完成遠(yuǎn)程控制與底層嵌入式ARM微系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，反饋數(shù)據(jù)由傳感器系統(tǒng)反饋至移動(dòng)終端形成閉環(huán)控制。其中，云端以算法服務(wù)為核心，通過(guò)云端交互模塊對(duì)ARM控制器發(fā)送控制指令，由此調(diào)整植物生長(zhǎng)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合用戶反饋及收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，經(jīng)由核心算法優(yōu)化，使得整套體系循環(huán)發(fā)展以至完善。

4.2 工作原理

物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為數(shù)據(jù)采集、服務(wù)應(yīng)用、控制執(zhí)行三個(gè)部分。在數(shù)據(jù)采集部分，使用溫濕度、CO2含量、流量等傳感器采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信號(hào)，采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信號(hào)在調(diào)制解調(diào)器中經(jīng)過(guò)濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理上行至ARM控制單元，ARM微系統(tǒng)通過(guò)I/O端口控制棚內(nèi)數(shù)字儀表實(shí)時(shí)顯示相關(guān)參數(shù)值。同時(shí)，ARM微系統(tǒng)通過(guò)GSM數(shù)字通信模塊與云端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)推送至云端并存儲(chǔ)。服務(wù)應(yīng)用部分的數(shù)據(jù)來(lái)源于云端的云數(shù)據(jù)庫(kù)，移動(dòng)終端定時(shí)從云端獲取數(shù)據(jù)，用戶可通過(guò)移動(dòng)終端應(yīng)用程序（如APP、微信小程序等）實(shí)時(shí)觀測(cè)棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。云端的智能分析模塊實(shí)時(shí)計(jì)算出大棚的健康指數(shù)，將大棚的健康指數(shù)和可能出現(xiàn)的預(yù)警信息推送給終端用戶，用戶參考系統(tǒng)給出的健康值和預(yù)警分析，自動(dòng)執(zhí)行優(yōu)化灌溉程序，同時(shí)也可手動(dòng)遠(yuǎn)程控制灌溉系統(tǒng)?？刂茍?zhí)行部分主要完成棚內(nèi)溫濕度、CO2含量、土壤酸堿度等環(huán)境參數(shù)的控制，基于ARM的微系統(tǒng)通過(guò)控制農(nóng)藥、肥料、pH濃度控制閥，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，進(jìn)行合理噴灑農(nóng)藥、遠(yuǎn)程施肥、調(diào)節(jié)土壤酸堿度等操作。

5 智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能澆水、噴灑農(nóng)藥、智能調(diào)節(jié)土壤酸堿性等功能，與傳感器配合實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，目標(biāo)控制值由云端應(yīng)用程序給定。智能灌溉系統(tǒng)的核心部件為電磁流量閥，溫度、流量、pH濃度傳感器，云端應(yīng)用程序經(jīng)用戶指令與智能輔助分析給出控制預(yù)期值，將傳感器采集的實(shí)時(shí)值與預(yù)期值的差額作為系統(tǒng)的控制輸入，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)閉環(huán)控制。用戶設(shè)定預(yù)期值后系統(tǒng)啟動(dòng)，常溫水閥控制常溫液態(tài)水流入，在混合水閥側(cè)注入高溫水流，混合水閥開啟后常溫液態(tài)水與高溫水形成一定溫度的混合水流，混合水箱裝有溫度傳感器，將混合水流的溫度檢測(cè)值反饋至ARM微系統(tǒng)，產(chǎn)生的差額作為系統(tǒng)的輸入，驅(qū)動(dòng)常溫水閥與混合水閥閥門調(diào)節(jié)，直至到達(dá)預(yù)期溫度水流，混合水箱開啟，通過(guò)噴灑裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉?；旌纤渑c混合水閥側(cè)設(shè)有回流通路，當(dāng)混合水箱已滿回路開啟，水流回混合側(cè)，避免調(diào)節(jié)參數(shù)過(guò)程中的水流浪費(fèi)現(xiàn)象。將混合水閥與農(nóng)藥、酸堿原料口進(jìn)行有機(jī)組合，用農(nóng)藥、酸堿性原料代替高溫水流，配合混合水箱的傳感器，基于云端數(shù)據(jù)合理調(diào)節(jié)好農(nóng)藥濃度以及酸堿度，由ARM微系統(tǒng)控制好噴灑時(shí)間、水流流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)人化病蟲害防治系統(tǒng)[3]。

6 云端交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云端交互系統(tǒng)的重點(diǎn)是基于互聯(lián)網(wǎng)的云端大數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)智能化灌溉、養(yǎng)護(hù)、防治、預(yù)警等功能。采集反饋數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)對(duì)比分析，通過(guò)輔助算法分析植物生長(zhǎng)的健康指數(shù)，并由此計(jì)算出分時(shí)段的灌溉量。云端可采用B/S架構(gòu)搭建可視化操作界面，建立農(nóng)戶論壇機(jī)制，農(nóng)戶可以分享自己的經(jīng)驗(yàn)所得，提出有效合理的解決方案，同時(shí)云端應(yīng)用程序定期收集針對(duì)各種植物的種植數(shù)據(jù)，將互聯(lián)網(wǎng)采集到的數(shù)據(jù)、農(nóng)戶面對(duì)面交流得到的數(shù)據(jù)、實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)用戶的反饋數(shù)據(jù)交由算法算出最優(yōu)解決方案，由云端GSM通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至每個(gè)獨(dú)立的灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)周期性地總結(jié)報(bào)表，包括植物的健康狀況，用藥濃度、劑量等，再根據(jù)用戶實(shí)際反饋，合理調(diào)整輔助優(yōu)化算法，根據(jù)不同的地區(qū)、土壤、氣候、時(shí)間，針對(duì)性地調(diào)整算法，使植物更好地適應(yīng)氣候和區(qū)域差異茁壯成長(zhǎng)。

7 結(jié)語(yǔ)

從傳統(tǒng)園林灌溉方式跨越到自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)，演繹了城市園林灌溉發(fā)展歷程，標(biāo)志著我國(guó)智能化控制技術(shù)從空白到自主研發(fā)質(zhì)的飛躍。自主研發(fā)的分層分布式控制灌溉施肥系統(tǒng)課題，己達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為我國(guó)園林綠地灌溉智能化控制填補(bǔ)了空白?，F(xiàn)階段，水資源浪費(fèi)較嚴(yán)重，而園林灌溉又是城市用水大戶，為建設(shè)節(jié)約型社會(huì)理應(yīng)義不容辭的站在節(jié)能的前沿，在兼顧生態(tài)效益的前提下，最大化做到節(jié)水、節(jié)能，充分利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)為植物和綠地營(yíng)造良好的生存環(huán)境，以便于改善生活環(huán)境，使有限的水資源能得到充分合理的應(yīng)用，為城市園林景觀服務(wù)。