基于物联网的智慧型雨水花园设计初探

贾玉彤，李昕阳

（华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450046）

长期以来，传统节约用水主要集中在农业、工业和居民生活领域，而城市绿化、园林浇灌节水往往被人忽视。虽然有部分地区采用喷灌、滴灌等新技术用于农业用水灌溉和城市园林绿化用水灌溉，但部分采用此技术的配套设施不完善、灌溉水源不足、灌溉时间不合理及运行管理不到位等问题，造成节水灌溉设施利用效率和效益不高，一方面造成资金浪费，另一方面造成水资源浪费。

传统的雨水花园是基于海绵城市理念，通过天然形成或者人工设计的低凹绿地，聚集并吸收来自屋顶、地面的雨水，通过植物、沙土的综合作用使雨水得到净化，并使之逐渐渗入土壤，涵养地下水，或使之补给景观用水、环卫及厕所冲洗用水等城市公共用水，是一种可持续的雨洪控制与雨水利用基础设施。

智慧型雨水花园在雨水花园设计基础上，整合5G、大数据、云平台、物联网等互联网技术，进而实现园林灌溉规范化、数字化、信息化、自动化、智能化，在原有雨水花园渗、滞、蓄、净、用、排功能的基础上，增加“智”和“节”的功能，使城市园林灌溉活动由劳动密集型过渡到技术密集型、智慧管理型。

1 系统组成与设计

智慧雨水花园由智能控制系统、末端感知系统、节水灌溉系统、水源供应系统和信息管理平台五大功能模块组成。通过末端感知系统的土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器等，自动在线采集土壤温度、湿度等墒情信息和空气温度、湿度、降雨量等气象信息，通过物联网将无线传感器采集的数据自动传输至智能控制系统，系统结合设定的灌溉阈值参数，分析植物需水、土壤缺水等情况，并预判未来几天的降水和雨水积蓄情况，自动下达浇灌指令，实现智能化和自动化的分时段、分区域节水浇灌。

1.1 智能控制系统

智能控制系统包括系统网络构架（SAN）、数据传输协议、控制参数设置三部分。构建系统网络构架（SAN），通过数据链层、同步数据链控制（SDLC）等，利用单片机在局域网内和通过局域网在因特网上的数据传输，进而实现控制参数的设置和调节。土壤湿度传感器测出湿度模拟数据，然后对测出的数据进行处理，转为二进制值，再经过三线制接口发送给单片机；当检测湿度小于设定湿度大小时，系统发出指令，控制水泵抽水进行灌溉；当检测的湿度等于或高于设定湿度大小时，水泵停止抽水灌溉。

1.2 末端感知系统

末端感知系统包括无线传感器优选和布设。优选无线温度传感器、无线光照传感器，根据具体条件合理布置，搭建无线智能末端感知系统。在布设前，针对选定区域绿化结构和特点进行调查，科学合理地进行无线传感器的布设。结合城市管理监控系统，合理布设城市园林绿地摄像头。通过末端感知系统的信息收集，智能感知预判未来几天的天气情况、土壤墒情和植物需水量，预判降雨和雨水积蓄情况、植物缺水情况，进行智能化、精准化浇灌。实现整个智慧雨水花园的基础数据数字化、可视化，配合智能控制系统，针对不同情况下达不同指令，从而达到自动化、智能化控制的目的。

1.3 节水灌溉系统

节水灌溉系统包括雨水蓄积模块、灌溉方式及灌溉器具选取、供水水源管网布设等。根据当地降雨、蒸发等气候条件，植被灌溉需水量和地形地质条件，在灌溉区域内的合理点位布设雨水收集容器，达到一定规模的雨水积蓄容量，配套水泵及连通管道设施，形成区域雨水积蓄利用节水灌溉系统。

雨水蓄积模块具有占地小、容量大，承重能力强、维护简单、水源切换智能化等特点，可以收集屋顶、地面雨水，用于灌溉或冲洗地面。当模块雨水蓄满时，自动关闭模块进水口不再蓄积；当模块内水量不足时，自动切换市政管网取水浇灌。

该节水灌溉系统根据乔木、灌木、草地和微地形设计安装喷灌、微喷、滴灌、管灌等节水灌溉器具，根据系统指令自动启闭，实现智能化节水灌溉。同时，结合园林景观设计，配合灯光、音乐、园林小品等设施布设，进一步美化亮化节水灌溉设施。

1.4 水源供应系统

水源供应系统主要包括水源切换控制装置和配套水源管网。整个系统的水源供应分为三类，一是经过雨水收集系统储备的雨水；二是城市再生水（中水等）；三是当地地表水或浅层地下水，不提倡使用城市自来水。通过自动水源切换装置，进行灌溉水源的切换，充分利用现代物联网技术，优化使用雨水集蓄、市政中水或其他灌溉用水等灌溉水源，实施智慧化灌溉，达到进一步循环利用雨水资源的目的，促进节约用水。当储蓄雨水充足时，水源切换为雨水灌溉；当干旱少雨时，水源切换为城市中水或可供灌溉使用的地表水、浅层地下水。

为确保节水灌溉系统的长效运行，应当配套设计建设市政园林绿化用水供水管网，包括供水主管网、绿化带水源管网、区域周边水源管网等。

1.5 信息管理平台

信息管理平台包括数据管理分析和平台维护。一是建立PC客户端、移动端APP等数据平台，分析处理相关数据，管理协调设施运行。对选定对象进行植物种类、需水时段、生育期等植被特性调查，进行灌溉用水定额、灌溉制度（灌水次数）、灌水设施控制方式等灌溉情况调查，在此基础上细化单元灌溉阈值，进行数据录入和程序编写，建立信息管理平台。二是利用远程监控PLC系统和摄像头的观察，人为调整用水量，实现对远程资源的监控，将实时墒情数据上传系统，并根据植物需求，在系统中设置阈值，当达到预警值时，启动智能灌溉或发布信息通知。

2 系统应用举例

智慧型雨水花园设计，可以根据不同的区域应用环境，进行系统构成的微调，增加污水净化、园林景观、科普宣传等功能，以更好的适应多种用途和不同需水环境下的智慧化园林绿化灌溉需求，实现智慧型雨水花园的多功能应用、实用性建构、创新性发展。

2.1 城市社区

在城市居民社区应用时，可将生活污水净化系统并入节水灌溉系统，同时储备雨水及净化后的生活用水。在每栋居民楼加装水量计量装置，并入末端感知系统，既丰富了生活污水排放的基础数据，又可对用户的用水量、排水量进行数据化分析，提高城市居民对于节约水资源、保护水环境的认识。

2.2 公共建筑

在体育场馆、图书馆、博物馆、展览馆、城市广场、大型办公写字楼等公共建筑设施应用时，除了将生活污水净化系统并入节水灌溉系统进行净化使用之外，可在楼宇露天平台和地面广场增加设置集雨设施，尽可能多的积蓄雨水，经过物理和生物处理后，回用于公共设施的卫生保洁、厕所冲洗和绿化灌溉，开辟公共建筑的“循环利用水源”。

2.3 城市公园

城市公园是城市居民休闲、健身、娱乐的主要场所，也是开展科普宣传、文体活动的重要载体，可以在城市公园大力推广应用智慧型雨水花园。其中，科普宣传应用类型，可以设立电子屏，循环播放智慧型雨水花园三维动画演示、实时监控视频，将信息管理系统的数据资料可视化，增强水资源保护和节约用水宣传效果；旅游景观应用类型，可以配套设置灯光造型和音乐播放，白天音乐相伴，夜间灯光旖旎，增添城市公园的魅力。

3 结语

雨水花园属于海绵城市建设中的重要细胞单元，随着各地生态园林城市建设，增加了大量城市公园和园林绿地，解决园林绿化灌溉水源问题成为诸多城市特别是北方缺水城市的重要课题之一。随着5G、物联网、大数据、云平台等技术的发展和应用，城市建设与管理进入智慧化时代，物联网技术与城市园林节水灌溉系统的有机结合，将成为海绵城市、智慧城市建设的重要措施之一。