克拉瑪依園林綠化無線智能灌溉系統建設和應用

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任公司，克拉瑪依 834014；2上海市農業科學院農業科技信息研究所，上海 201403；3上海應用技術大學軌道交通學院，上海 201418；4北京天正高科智能科技有限公司，北京 100041）

新疆維吾爾自治區克拉瑪依市位于中緯度內陸地區，地處準噶爾盆地西北緣，全境大部分地區為戈壁荒漠，年平均降水量為108.9 mm，年平均蒸發量為2 692.1 mm，屬典型的溫帶大陸性氣候[1]。為了改善城市生態環境，滿足人們對良好生態環境的渴望，近年來，克拉瑪依市積極開展園林綠化建設，綠化面積快速增長，已建立起龐大的園林綠地系統[2]。其中，園林植物在生態、景觀等方面，發揮了巨大作用，但同時園林植物也會消耗大量的水資源[3]。然而克拉瑪依市自然降雨稀少，導致當地園林植物需要進行灌溉補水。但隨著當地園林綠化面積的增加，每年需要消耗大量灌溉用水，使得當地原本有限的水資源更趨緊張。因此，城市綠化用水量的快速增長，已成為克拉瑪依市園林綠化發展的沉重負擔[4]。在此背景下，筆者通過研究和應用“園林綠化無線智能灌溉系統”，達到為當地園林綠化植物提供精確的用水量及減少水資源浪費的目的。現將該系統的建設及應用情況介紹如下。

1 系統概述

科學的灌溉理念是“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、精量地提供多少水，這就需要在灌水過程中實現智能化灌溉控制。因此，園林綠化智能灌溉是實現節約灌溉用水的重要手段，也是園林綠化灌溉管理的必然發展方向。本文介紹的園林綠化無線智能灌溉系統是完全自動化灌溉的系統，可按照園林綠化植物的需水規律，智能控制互相獨立運行的電磁閥，而每個閥門均能根據預先設定的灌水策略、土壤含水量、氣象數據以及輸水管道內的壓力與流量的變化，自動做出相應的開閉動作，進行適時、適量地灌溉，進而提高灌溉用水的利用率，減少水分損失。

2 系統硬件

2.1 LoRa無線智能網關

該網關主要是執行控制操作或分析數據，實現遠程及本地化運算和控制。它配備有2～4個獨立的采集發送信道，每個通訊信道有32個通訊頻段供用戶自由分配、調整，從而確保無線通訊的穩定性。

2.2 LoRa無線多要素氣象監測站

該監測站主要是實時獲取園林綠化植物生長微環境的氣象信息，如空氣溫度、濕度、風速、風向、光照強度、降雨量、結露點溫度、太陽輻射等。同時，它可結合GPS定位實時獲取當地氣象數據，提供未來72 h的氣象預報，實現對未來24 h氣溫、降水概率、大風、極端天氣等氣象預警預報，以利于提高灌溉水利用系數。

2.3 LoRa無線多層溫濕鹽傳感器

該傳感器主要是實時監測和推送土壤的溫度、濕度和鹽分信息，監測層數可達三層，從而為灌溉作業提供精準的數據支持。同時，它可與閥門進行聯動控制，能根據不同的土壤濕度信息，自動開啟或關閉閥門，在節省人工的同時，實現精準化、智能化的灌溉作業。

2.4 LoRa無線電磁閥控制器

該控制器主要是在接收到智能網關的無線控制指令后，控制電磁閥的開關，且可設定定時控制、定時輪灌、智能控制等多種控制計劃。同時，它自帶電池電量、信號強度、設備溫度等的監測功能。

2.5 LoRa無線智能水表

該水表安裝在供水管道上，可實時采集和推送灌溉用水量，讓管理人員掌握每次灌溉的實時用水量，以利于實現精細化的灌溉管理作業。同時，它可為后期的智慧城市、智慧園林用水大數據分析提供數據支撐。

3 系統結構

園林綠化無線智能灌溉系統由云平臺、LoRa無線智能網關、LoRa無線電磁閥控制器、LoRa無線多層溫濕鹽傳感器、LoRa無線多要素氣象監測站、LoRa無線智能水表等組成，見圖1。系統的設備之間利用 LoRa傳輸協議進行通訊，可通過無線電磁閥控制器自主組網，通過LoRa無線智能網關匯聚所有的數據上傳到云平臺，經過云平臺管理軟件分析處理后，下發控制指令，從而實現電磁閥門的自動開啟或關閉。該系統具有智能控制、遠程定時和遠程實時等控制模式，真正做到“按需、精準、智能”灌溉。

圖1 園林綠化無線智能灌溉系統結構

4 系統應用

4.1 系統安裝部署

園林綠化無線智能灌溉系統應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。

園林綠化無線智能灌溉系統的具體安裝部署情況為：（1）利用及改造原有灌溉管道，在分支管進口安裝電磁閥和LoRa無線智能水表8套，每個電磁閥安裝LoRa無線電磁閥控制器1臺。（2）安裝LoRa無線土壤溫度、濕度等傳感器3套，即在草地區、灌木區和喬木區各安裝1套，用于實時采集環境數據。（3）架設LoRa無線智能網關1套和LoRa無線多要素氣象監測站1套。

園林綠化無線智能灌溉系統按功能劃分為三大模塊，即灌溉信息自動感知模塊、無線智能控制模塊、灌溉管理云服務平臺。具體為：（1）灌溉信息自動感知模塊。該模塊由LoRa無線土壤溫度、濕度等傳感器和LoRa無線智能水表及LoRa無線多要素氣象監測站組成，通過先進的傳感器技術，實現了園林綠化植物在灌溉過程中的實時數據采集和傳輸，如土壤溫濕度、空氣溫濕度、風速、風向、大氣壓力、降雨量等。（2）無線智能控制模塊。該模塊由LoRa無線電磁閥控制器和LoRa首部智能控制柜組成，在接收到灌溉管理云服務平臺對數據進行分析后下發的控制指令后，自動執行打開或關閉水泵、電磁閥等設備，實現了對園林綠化植物的灌溉控制。（3）灌溉管理云服務平臺。該平臺提供電腦Web端和手機APP兩種操作平臺，其中，電腦Web端用來實現系統的整體控制和參數設置，為用戶提供美觀的可視化圖形操作界面，它能在記錄所有數據的同時，對數據進行智能分析，且能定制功能（如報表導出等）；手機APP則可實現用戶隨時隨地查看園林綠化基地的墑情信息，進而進行灌溉決策控制。

4.2 系統應用成效

具體應用成效為：（1）園林綠化無線智能灌溉系統通過對數據進行分析、處理，能作出灌溉決策，從而實現對灌溉電磁閥、水泵等設備的無人智能控制，真正做到對園林綠化植物的按需、精準、無人智能灌溉。（2）園林綠化無線智能灌溉系統采用低功耗LoRa技術遠距離無傳輸解決方案，不僅不需要專門開挖布線，還可根據需要控制位置進行再次改造，大大減少了開挖布線的工程成本和后期維護的成本。（3）園林綠化無線智能灌溉系統操作智能、便捷。該系統支持環境傳感器、土壤溫濕度和農業氣象站等無線傳感設備，并可通過LED大屏進行實時顯示；內置無線泵站控制系統可通過無線液位傳感器，實時感知蓄水池或水井內的水位高低，從而自動打開或關閉水泵；支持定時、智能、輪動等多種澆灌模式；支持手機短信和微信端多用戶同時報警機制；支持手機應用程序遠程控制，可實時查看各設備的運行狀態，且有標準模式和高級模式切換功能，能適用于不同管理人員使用；內置實時用水統計系統，可統計水資源的使用情況；無縫對接智慧市政園林大平臺，能為智慧城市運行提供園林綠化植物灌溉用水的數據。

5 小結及討論

筆者利用物聯網和人工智能等技術，自主研發了園林綠化無線智能灌溉系統，經在克拉瑪依市錦繡花園安裝應用，該系統能通過對數據進行分析、處理，作出灌溉決策，從而實現對灌溉電磁閥、水泵等設備的無人智能控制，真正做到按需、精準、無人智能灌溉。因此，該系統在克拉瑪依市及類似地區具有一定的推廣應用價值。

目前，該系統只實現了對3種園林綠化植物的智能灌溉決策，未來將加入更多種類的園林綠化植物。同時，該系統只適用于園林綠化植物，后期將會針對不同的灌溉場景，升級智能灌溉系統的軟硬件，從而推動該系統進行更廣泛的應用。