市政园林灌溉系统的设计与施工

丁虹

扬州意匠轩园林古建筑营造股份有限公司 江苏扬州 225000

能源是国民经济发展的关键因素，能源问题是一个不可回避的难题，加快对新能源技术的开发是消除能源危机的唯一路径。我国人口众多，水资源供需矛盾日趋凸显，这一问题困扰各行业的发展。人们生活水平的提高对城市园林绿化的要求也逐渐在提升，随之人们对园林灌溉的关注度也越来越重视。然而，我国地大物博水资源较短缺，并且水资源分布不均衡，造成了诸多水危机问题。目前，也出现了黄河断流的严重缺水现象。基于此，要强化人们节约用水意识，让人们认识到园林节水灌溉的意义，推广智能化园林灌溉的当务之急是要尽快普及自动化灌溉技术。

1 园林智能灌溉发展概况

1.1 国外发展现状

20世纪70年代国外一些发达国家就己经开始对园林灌溉釆用此项技术，尤其是大面积种植都釆用自动化灌溉技术，专业的园林灌溉系统能够自动采集土壤湿度、雨量以及测量风速等信息数据，依据采集的数据自动编制程序，每天编程后自动进行灌溉，系统软件具有自动监测水泵及电磁阀等设备功能，一旦设备出现故障系统自动报警，并能自动显示、记录每个灌溉区域的实际灌溉时间。节水自动灌溉可分为喷灌、滴灌、微喷灌等方式。由传统的半自动灌溉向现代全自动灌溉推进，对园林灌溉区域实施实际用水监测，实现了动态化管理[1]。

1.2 国内发展现状

国内园林灌溉技术起步较晚，从灌溉技术角度来说，与发达国家相比，尚未有完善的质量控制体系和成熟的质量检测体系。有些技术在我国仍处于空白状态，如微型电子控制器，技术上的空白造成国内很大一部分园林灌溉设施需要从国外引进。而我国园林灌溉技术也处在自主研发阶段，即便是开发出自己的产品，也是在借鉴国外先进灌溉技术的前提下研发出的技术。

2 各种自动灌溉系统简介

2.1 太阳能灌溉系统

太阳能灌溉系统是以太阳自然能量作启动，将溪涧水引用于园林灌溉。存储的溪水经上坡段洒水装置进行灌溉，太阳能灌溉系统由太阳能电板以及雨水探测器2部分组成，雨水探测器主要是针对雨水天实施检测，如遇雨水天系统会自动关闭。太阳能灌溉系统适用于尚没有引入自来水并且较偏远的地区。

2.2 无线遥控与总线控制灌溉系统

无线灌溉系统是运用远程终端采集园林植被，肥与水的需求信息，利用（GSM）全球移动系统将信息数据传入中央控制端。它的优势是不需要大范围布线，后期投资小、维护简便。而总线控制灌溉系统是由各处测控终端负责收集植被的信息（需水），将此信息数据传入中央计算机，再由计算机分析梳理后得到园林灌溉数据。其优势为控制范围更广，园林灌溉更直观，更具科学性[2]。

3 智能灌溉应用于园林的优势分析

国内灌溉用水量极大，但水的利用率并不高，传统的绿化用水所采用的人工皮管漫灌方式，近80%的水无效蒸发，这种落后的灌溉方式致使水资源的利用率在全国范围内达不到40%，造成绿化用水被损失掉。基于此，近年来，园林灌溉技术通过改造以往的灌溉方式，采用节水喷灌灌水法，实现适时适量的灌溉。因此，在园林灌溉系统推广自动化控制灌溉技术，既缓解水资源缺乏问题，又能降低使用成本。智能喷灌系统能在设定的时间范围内以定量的喷水方式，自动完成喷灌任务。天气监测系统能够在降雨开始时自动停止喷灌，并根据降雨量决定降雨结束以后是否采取补喷，它可以随时监测降雨状况，当发现降雨量己经满足植被的需求时，将不进行补喷作业。在实施喷灌任务之前将所要喷灌的植被区域输入喷灌系统内，则可以实现多项喷灌任务，智能化灌溉系统能根据植物土壤实际状况，自动结合现场的实时天气情况实现“精细灌溉”。在提高园林灌溉质量的同时，管理水平也得到提升，自动灌溉减少了劳动力，使操作人员得到解放，水资源也得到更加合理的利用。

4 系统总体框架及其工作原理

4.1 系统框架

物联网智能灌溉系统包括传感器系统、嵌入式ARM控制系统、移动终端、算法设计、云端交互模块以及控制执行系统。传感器系统、控制执行系统分别完成数据采集与控制功能，移动终端远程操控并结合云端算法辅助完成系统参数调整，云端交互模块完成远程控制与底层嵌入式ARM微系统数据交互，反馈数据由传感器系统反馈至移动终端形成闭环控制。其中，云端以算法服务为核心，通过云端交互模块对ARM控制器发送控制指令，由此调整植物生长环境的相关参数，结合用户反馈及收集到的数据进行科学分析，经由核心算法优化，使得整套体系循环发展以至完善。

4.2 工作原理

物联网智能灌溉系统从结构上分为数据采集、服务应用、控制执行三个部分。在数据采集部分，使用温湿度、CO2含量、流量等传感器采集农业大棚内相关参数的基础数据信号，采集到的基础数据信号在调制解调器中经过滤波、模数转换等处理上行至ARM控制单元，ARM微系统通过I/O端口控制棚内数字仪表实时显示相关参数值。同时，ARM微系统通过GSM数字通信模块与云端实现数据交互，将采集到的实时数据推送至云端并存储。服务应用部分的数据来源于云端的云数据库，移动终端定时从云端获取数据，用户可通过移动终端应用程序（如APP、微信小程序等）实时观测棚内的环境参数。云端的智能分析模块实时计算出大棚的健康指数，将大棚的健康指数和可能出现的预警信息推送给终端用户，用户参考系统给出的健康值和预警分析，自动执行优化灌溉程序，同时也可手动远程控制灌溉系统。控制执行部分主要完成棚内温湿度、CO2含量、土壤酸碱度等环境参数的控制，基于ARM的微系统通过控制农药、肥料、pH浓度控制阀，实现远程操控，进行合理喷洒农药、远程施肥、调节土壤酸碱度等操作。

5 智能灌溉系统设计

智能灌溉系统实现智能浇水、喷洒农药、智能调节土壤酸碱性等功能，与传感器配合实现相关参数的自动调节，目标控制值由云端应用程序给定。智能灌溉系统的核心部件为电磁流量阀，温度、流量、pH浓度传感器，云端应用程序经用户指令与智能辅助分析给出控制预期值，将传感器采集的实时值与预期值的差额作为系统的控制输入，实现差动闭环控制。用户设定预期值后系统启动，常温水阀控制常温液态水流入，在混合水阀侧注入高温水流，混合水阀开启后常温液态水与高温水形成一定温度的混合水流，混合水箱装有温度传感器，将混合水流的温度检测值反馈至ARM微系统，产生的差额作为系统的输入，驱动常温水阀与混合水阀阀门调节，直至到达预期温度水流，混合水箱开启，通过喷洒装置实现自动灌溉。混合水箱与混合水阀侧设有回流通路，当混合水箱已满回路开启，水流回混合侧，避免调节参数过程中的水流浪费现象。将混合水阀与农药、酸碱原料口进行有机组合，用农药、酸碱性原料代替高温水流，配合混合水箱的传感器，基于云端数据合理调节好农药浓度以及酸碱度，由ARM微系统控制好喷洒时间、水流流量，进而实现无人化病虫害防治系统[3]。

6 云端交互系统设计

云端交互系统的重点是基于互联网的云端大数据调节，实现智能化灌溉、养护、防治、预警等功能。采集反馈数据与云端数据对比分析，通过辅助算法分析植物生长的健康指数，并由此计算出分时段的灌溉量。云端可采用B/S架构搭建可视化操作界面，建立农户论坛机制，农户可以分享自己的经验所得，提出有效合理的解决方案，同时云端应用程序定期收集针对各种植物的种植数据，将互联网采集到的数据、农户面对面交流得到的数据、实际检测数据以及系统用户的反馈数据交由算法算出最优解决方案，由云端GSM通信模块将数据传输至每个独立的灌溉系统。系统周期性地总结报表，包括植物的健康状况，用药浓度、剂量等，再根据用户实际反馈，合理调整辅助优化算法，根据不同的地区、土壤、气候、时间，针对性地调整算法，使植物更好地适应气候和区域差异茁壮成长。

7 结语

从传统园林灌溉方式跨越到自动化灌溉系统，演绎了城市园林灌溉发展历程，标志着我国智能化控制技术从空白到自主研发质的飞跃。自主研发的分层分布式控制灌溉施肥系统课题，己达到国际先进水平，为我国园林绿地灌溉智能化控制填补了空白。现阶段，水资源浪费较严重，而园林灌溉又是城市用水大户，为建设节约型社会理应义不容辞的站在节能的前沿，在兼顾生态效益的前提下，最大化做到节水、节能，充分利用先进的科学技术为植物和绿地营造良好的生存环境，以便于改善生活环境，使有限的水资源能得到充分合理的应用，为城市园林景观服务。