摘要：为给新疆维吾尔自治区克拉玛依市园林绿化植物提供精确的用水量，从而减少水资源浪费，特进行了园林绿化无线智能灌溉系统的应用研究。该智能灌溉系统由云平台、LoRa无线智能网关、LoRa无线电磁阀控制器、LoRa无线多层温湿盐传感器、LoRa无线多要素气象监测站、LoRa无线智能水表等组成，在克拉玛依市锦绣花园绿化植物上应用结果表明，该系统能满足园林绿化智能灌溉控制的需求。
关键词：园林绿化；智能灌溉；无线通讯；克拉玛依市
新疆维吾尔自治区克拉玛依市位于中纬度内陆地区，地处准噶尔盆地西北缘，全境大部分地区为戈壁荒漠，年平均降水量为108.9mm，年平均蒸发量为2692.1mm，属典型的温带大陆性气候[1]。为了改善城市生态环境，满足人们对良好生态环境的渴望，近年来，克拉玛依市积极开展园林绿化建设，绿化面积快速增长，已建立起庞大的园林绿地系统[2]。其中，园林植物在生态、景观等方面，发挥了巨大作用，但同时园林植物也会消耗大量的水资源[3]。然而克拉玛依市自然降雨稀少，导致当地园林植物需要进行灌溉补水。但随着当地园林绿化面积的增加，每年需要消耗大量灌溉用水，使得当地原本有限的水资源更趋紧张。因此，城市绿化用水量的快速增长，已成为克拉玛依市园林绿化发展的沉重负担[4]。在此背景下，笔者通过研究和应用“园林绿化无线智能灌溉系统”，达到为当地园林绿化植物提供精确的用水量及减少水资源浪费的目的。现将该系统的建设及应用情况介绍如下。
1系统概述
科学的灌溉理念是“浇作物”，而不是“浇地”，而要真正做到园林绿化植物需要多少水，就及时、精量地提供多少水，这就需要在灌水过程中实现智能化灌溉控制。因此，园林绿化智能灌溉是实现节约灌溉用水的重要手段，也是园林绿化灌溉管理的必然发展方向。本文介绍的园林绿化无线智能灌溉系统是完全自动化灌溉的系统，可按照园林绿化植物的需水规律，智能控制互相独立运行的电磁阀，而每个阀门均能根据预先设定的灌水策略、土壤含水量、气象数据以及输水管道内的压力与流量的变化，自动做出相应的开闭动作，进行适时、适量地灌溉，进而提高灌溉用水的利用率，减少水分损失。
2系统硬件
2.1LoRa无线智能网关。该网关主要是执行控制操作或分析数据，实现远程及本地化运算和控制。它配备有2～4个独立的采集发送信道，每个通讯信道有32个通讯频段供用户自由分配、调整，从而确保无线通讯的稳定性。
2.2LoRa无线多要素气象监测站。该监测站主要是实时获取园林绿化植物生长微环境的气象信息，如空气温度、湿度、风速、风向、光照强度、降雨量、结露点温度、太阳辐射等。同时，它可结合GPS定位实时获取当地气象数据，提供未来72h的气象预报，实现对未来24h气温、降水概率、大风、极端天气等气象预警预报，以利于提高灌溉水利用系数。
2.3LoRa无线多层温湿盐传感器。该传感器主要是实时监测和推送土壤的温度、湿度和盐分信息，监测层数可达三层，从而为灌溉作业提供精准的数据支持。同时，它可与阀门进行联动控制，能根据不同的土壤湿度信息，自动开启或关闭阀门，在节省人工的同时，实现精准化、智能化的灌溉作业。
2.4LoRa无线电磁阀控制器。该控制器主要是在接收到智能网关的无线控制指令后，控制电磁阀的开关，且可设定定时控制、定时轮灌、智能控制等多种控制计划。同时，它自带电池电量、信号强度、设备温度等的监测功能。
2.5LoRa无线智能水表。该水表安装在供水管道上，可实时采集和推送灌溉用水量，让管理人员掌握每次灌溉的实时用水量，以利于实现精细化的灌溉管理作业。同时，它可为后期的智慧城市、智慧园林用水大数据分析提供数据支撑。
3系统结构
园林绿化无线智能灌溉系统由云平台、LoRa无线智能网关、LoRa无线电磁阀控制器、LoRa无线多层温湿盐传感器、LoRa无线多要素气象监测站、LoRa无线智能水表等组成，见图1。系统的设备之间利用LoRa传输协议进行通讯，可通过无线电磁阀控制器自主组网，通过LoRa无线智能网关汇聚所有的数据上传到云平台，经过云平台管理软件分析处理后，下发控制指令，从而实现电磁阀门的自动开启或关闭。该系统具有智能控制、远程定时和远程实时等控制模式，真正做到“按需、精准、智能”灌溉。
4系统应用
4.1系统安装部署。园林绿化无线智能灌溉系统应用于克拉玛依市锦绣花园2#地块，该地块拥有园林绿化面积7200m2。园林绿化无线智能灌溉系统的具体安装部署情况为：（1）利用及改造原有灌溉管道，在分支管进口安装电磁阀和LoRa无线智能水表8套，每个电磁阀安装LoRa无线电磁阀控制器1台。（2）安装LoRa无线土壤温度、湿度等传感器3套，即在草地区、灌木区和乔木区各安装1套，用于实时采集环境数据。（3）架设LoRa无线智能网关1套和LoRa无线多要素气象监测站1套。园林绿化无线智能灌溉系统按功能划分为三大模块，即灌溉信息自动感知模块、无线智能控制模块、灌溉管理云服务平台。具体为：（1）灌溉信息自动感知模块。该模块由LoRa无线土壤温度、湿度等传感器和LoRa无线智能水表及LoRa无线多要素气象监测站组成，通过先进的传感器技术，实现了园林绿化植物在灌溉过程中的实时数据采集和传输，如土壤温湿度、空气温湿度、风速、风向、大气压力、降雨量等。（2）无线智能控制模块。该模块由LoRa无线电磁阀控制器和LoRa首部智能控制柜组成，在接收到灌溉管理云服务平台对数据进行分析后下发的控制指令后，自动执行打开或关闭水泵、电磁阀等设备，实现了对园林绿化植物的灌溉控制。（3）灌溉管理云服务平台。该平台提供电脑Web端和手机APP两种操作平台，其中，电脑Web端用来实现系统的整体控制和参数设置，为用户提供美观的可视化图形操作界面，它能在记录所有数据的同时，对数据进行智能分析，且能定制功能（如报表导出等）；手机APP则可实现用户随时随地查看园林绿化基地的墒情信息，进而进行灌溉决策控制。
4.2系统应用成效。具体应用成效为：（1）园林绿化无线智能灌溉系统通过对数据进行分析、处理，能作出灌溉决策，从而实现对灌溉电磁阀、水泵等设备的无人智能控制，真正做到对园林绿化植物的按需、精准、无人智能灌溉。（2）园林绿化无线智能灌溉系统采用低功耗LoRa技术远距离无传输解决方案，不仅不需要专门开挖布线，还可根据需要控制位置进行再次改造，大大减少了开挖布线的工程成本和后期维护的成本。（3）园林绿化无线智能灌溉系统操作智能、便捷。该系统支持环境传感器、土壤温湿度和农业气象站等无线传感设备，并可通过LED大屏进行实时显示；内置无线泵站控制系统可通过无线液位传感器，实时感知蓄水池或水井内的水位高低，从而自动打开或关闭水泵；支持定时、智能、轮动等多种浇灌模式；支持手机短信和微信端多用户同时报警机制；支持手机应用程序远程控制，可实时查看各设备的运行状态，且有标准模式和高级模式切换功能，能适用于不同管理人员使用；内置实时用水统计系统，可统计水资源的使用情况；无缝对接智慧市政园林大平台，能为智慧城市运行提供园林绿化植物灌溉用水的数据。
5小结及讨论
笔者利用物联网和人工智能等技术，自主研发了园林绿化无线智能灌溉系统，经在克拉玛依市锦绣花园安装应用，该系统能通过对数据进行分析、处理，作出灌溉决策，从而实现对灌溉电磁阀、水泵等设备的无人智能控制，真正做到按需、精准、无人智能灌溉。因此，该系统在克拉玛依市及类似地区具有一定的推广应用价值。目前，该系统只实现了对3种园林绿化植物的智能灌溉决策，未来将加入更多种类的园林绿化植物。同时，该系统只适用于园林绿化植物，后期将会针对不同的灌溉场景，升级智能灌溉系统的软硬件，从而推动该系统进行更广泛的应用。
作者:宫江平 胡雯雯 刘思嘉 高波 刘秉寿 邹宏浩 单位:克拉玛依瑞利康源园林工程有限责任公司 上海市农业科学院农业科技信息研究所 上海应用技术大学轨道交通学院 4北京天正高科智能科技有限公司