城市綠化智慧灌溉關鍵技術的探究

魏浩華 邵建英 邱家生 劉小莉

摘 要：城鎮化在帶動城市經濟發展的同時，也帶來規模巨大的城市綠化?；诠澕s水源、降低人力成本、減少養護總費用等因素，探究了一套充分考慮土壤干濕度條件的城市綠化智慧灌溉技術，重點分析了城市綠化土壤干濕度值選定、4G灌溉控制器工作電源問題的解決、智慧灌溉的工作模式和土壤溫濕度傳感器的布設等看似簡單但均影響著實際效果的關鍵點，致力于推動城市綠化智慧灌溉技術的運用。

關鍵詞：城市綠化；智慧灌溉；土壤干濕度值

中圖分類號：TU986.5 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）01–00-03

1 城市綠化灌溉的現狀

隨著城鎮化的深入推進，各地城市建設規模達到了一個新高度，與之配套的城市綠化面積不斷加大、綠植種類不斷增多。截至2023年9月，我國31個?。ㄗ灾螀^、直轄市）和新疆生產建設兵團已實現國家森林城市創建全覆蓋，城市建成區綠化覆蓋率由10年前的39.22%提高到現在的42.69%，城市人均公園綠地面積由10年前的11.8 m2提高到現在的15.29 m2。

傳統的人工灌溉方式需要大量的人力投入，且易受天氣和人為因素的影響，效率低下，同時很難掌握灌溉效果，“要不澇死，要不旱死”的現象常見。需要定期巡查、維護和修剪植物，以確保植物健康生長。然而，由于缺乏足夠的專業技術人員和高效的管理機制，許多城市綠化項目出現了人力資源浪費的現象。

鑒于此，探究一種智慧綠化灌溉技術，通過設置傳感器、控制器和執行器等設備，實現對植物進行精確澆水，主要原理是根據植物的需水量和土壤濕度情況，自動控制灌溉系統的開關，從而為每一棵植物提供合適的水量，提高灌溉效率，減少人力物力成本，保護植物生長環境，為城市綠化抗旱保苗提供一套有效的技術手段。

2 城市綠化灌溉的總體方案

城市綠化智慧灌溉系統能夠結合植物生長需求和環境條件，精確控制灌溉水量。借助互聯網和無線通信技術，實現對灌溉系統的遠程監控和管理。城市管理者可以通過手機、電腦等設備，隨時隨地監測植物的生長狀態和灌溉效果，及時調整灌溉方案；也可以根據植物種類、生長階段和季節變化，調整灌溉水量和頻率，精確控制水量，避免灌溉過度或不足，以適應不同的需求，保證城市綠化帶植物獲得充足的水分供應，從而促進其良好生長和品質提升，提高用水效率。

城市綠化智慧灌溉系統主要由前端設備和后臺控制系統組成，其中前端設備包括土壤干濕度傳感器、4G灌溉控制器、執行電磁閥和灌溉管道系統四個方面；后臺控制系統包括城市綠化區域一張圖（GIS地圖）、一張網（傳輸網）、一個綠化灌溉業務支撐平臺和掌上移動管理終端（APP）（圖1）。

2.1 前端設備

2.1.1 土壤干濕度傳感器

土壤干濕度傳感器是城市綠化智慧灌溉系統中的重要組成部件，主要用于感知環境變化。土壤干濕度傳感器可以通過測量土壤濕度的變化，判斷植物是否需要澆水，即通過準確的灌溉控制，做出相應的灌溉調整，解決因過度澆水或不足而引發的植物生長問題，保證植物的正常生長。

2.1.2 4G灌溉控制器

4G灌溉控制器是自動灌溉系統的中樞，負責接收土壤干濕度傳感器采集到的數據，并根據預設的程序進行分析和處理。4G灌溉控制器可以根據植物的需水量、土壤濕度和環境因素等進行智能判斷，從而實現對灌溉系統的精確控制，避免灌溉過度或不足，提高用水效率。同時，4G灌溉控制器還可以通過連接水泵和閥門等執行器，控制水源，精準供應植物的需水量。

2.1.3 執行電磁閥和灌溉管道系統

執行電磁閥是實際執行灌溉操作的設備，主要控制水泵和閥門。水泵負責將水源提供給灌溉系統，確保有足夠的水量進行灌溉；而閥門則通過控制水流的開關，將水送到不同的植物區域；執行電磁閥控制的閥門連接灌溉管道系統，管道上配備了微灌噴頭，均勻地布設在綠化帶上。執行與控制之間通過信號傳輸和接口通訊實現協同工作，使得灌溉系統可以按照預設的程序進行自動化操作，極大地解放了人力，節省了人工澆水的時間和成本。

2.2 后臺控制系統

第一，添加設備。登錄云平臺，點擊設備配置、設備管理，完成設備的添加。

第二，智能水源管理。該灌溉系統可以根據植物的特性和需求，準確控制灌溉水量和頻次。通過監測土壤濕度、氣象數據等參數，智能調整灌溉方案，并實現數據查詢及設備控制，確保植物獲得適量的水分供應，提高植物生長的質量和綠化效率。該系統可對智能設備、采集的數據進行管理、查看，并通過平臺進行遠程控制。智慧灌溉系統可以通過互聯網和無線通信技術，實現對灌溉系統的遠程監控和管理。城市管理者和園藝師可以隨時隨地監測植物的生長狀態和灌溉效果，根據實際情況進行調整和優化，提高綠化管理的科學性和精細化程度。

第三，策略設置。智慧灌溉系統可以實現定時、定量的灌溉，減少人工操作的需求，提高綠化維護的效率，使灌溉再無需人工巡查和手動操作，有助于減少時間和勞力成本，同時確保植物的持續健康生長。通過應用智慧灌溉技術，在設備上依據濕度值定時設置開關策略，可以根據植物種類、生長階段和季節的變化，精確調整灌溉方案，滿足植物的生長需求。合理的水分供應可以促進植物的健康生長，提高綠化質量，并減少植物因灌溉過度或不足而導致的病蟲害問題。智慧灌溉技術可以精確計量和控制使用的水量，避免水資源的浪費；還可以通過使用合理的節水策略，如利用雨水收集系統、農業灌溉排水系統等，提高水資源的利用效率。

通過在城市綠化區內布設土壤干濕度傳感器，實時監測土壤干濕度。當土壤干度到達一定的數值時，平臺向布設在綠化帶中的4G灌溉控制器發送數據，控制器收到數據后向安裝在綠化帶中的電磁閥發出啟動灌溉的指令，以一個4G灌溉控制器為組別的同組，電磁閥按從遠到近或從近到遠的順序梯次開啟電磁閥進行灌溉，灌溉完成后自動關閉電磁閥，實現精準智慧灌溉。同時也可以根據不同的需求和場景對灌溉系統進行靈活的配置和擴展，根據植物的特性、種類和數量，調整灌溉系統的配件組成，以適應不同的綠化項目。

3 關鍵技術的探究

2023年2月開始，項目組將新疆喀什地區葉城縣團結路的綠化帶作為樣地，該樣地東起核桃大道、西至肖塔渠南路，分別包括團結東路、團結中路、團結西路三段，道路總長為1 700 m，是雙向四車道城市主干道。道路兩邊均建設了寬為1.8 m的綠化帶與人行道隔離，綠化帶內種植了高15～20 m法國梧桐，樹齡為33年，樹冠大，郁閉度＞0.95；法國梧桐底部為1.0 m高的綠籬。項目組將道路兩邊的綠化帶分成6段，每段隨機選擇一邊綠化帶為對照樣方，另外一邊的綠化帶為項目試驗樣方。項目試驗樣方中布設了DN100改性PA灌溉主管網，在主管網上布設了DN25出水灌溉電磁脈沖電磁閥和土壤溫濕度傳感器，電磁脈沖閥和土壤溫濕度傳感器均連接到4G灌溉控制器中，4G灌溉控制器通過4G物聯網與后臺通訊。電磁閥出水口連接了DN25改性PA灌溉管網，DN25改性PA灌溉管網根據現場實際情況布設了微灌噴頭。

3.1 城市綠化土壤干濕度值

對觀察區域進行一次灌溉，分別布設6個樣地，每隔1天觀察一次，記錄土壤平均干濕度值。樣地中土壤平均干濕度值到達75%時，需要進行灌溉。當土壤平均干濕度值到達95%時，可停止灌溉，每次灌溉間隔周期最短時間（連續晴天狀態下）為4 d（表1）。

3.2 4G灌溉控制器的工作電源

在通常狀況下，4G灌溉控制器普遍采用AC220V市電或者DC12V太陽能供電系統供電。然而，采用正常的AC220V市電供電則需要重新布設電源線，在架空線不被許可的情況下，地埋線涉及道路開挖和巨大回填工程量，成本太高；如果選擇太陽能供電系統供電，在郁閉度＞0.95的環境下完全不可取，即使采用太陽能板與4G灌溉控制器分離安裝的方式，也面臨架空線的問題。

結合城市道路中的實際情況，項目組從就近的路燈維修孔取市電到4G灌溉控制器的戶外箱中，4G灌溉控制器戶外箱中配備一個12V 120AH蓄電池，蓄電池給4G灌溉控制器、電磁脈沖閥和土壤溫濕度傳感器提供電源。當晚上路燈電纜帶電時，市電給電池充電。實踐表明此解決方法基本適用于城市道路綠化的所有區域，是一種穩定、可靠、經濟、實用的解決方案。

3.3 灌溉工作模式

為實現定時、精確的灌溉，減少人為因素的影響，提高工作效率，項目組開發了基于GIS后臺控制系統并配備依據土壤干濕度自動開關電磁閥的灌溉模式、依設定時間開關電磁閥的灌溉模式和手動開關電磁閥的灌溉模式。一般情況下，當土壤溫濕度傳感器采集到的土壤干濕度值下降到75%時，系統自動開啟遠端電磁閥進行灌溉；當土壤溫濕度傳感器采集的土壤干濕度值上升到95%時，系統自動關閉遠端電磁閥停止灌溉。此操作也可以減少對人工操作的需求，降低了維護和管理的人力成本。通過遠程監控和智能控制，可以實現對灌溉系統進行全面管理，減少人工干預。

3.4 土壤溫濕度傳感器的布設

土壤溫濕度傳感器采集的數據與自動灌溉的準確性密切相關，項目組在綠化帶中采用取土起堆的方式設置土壤溫濕度傳感器采樣土包，選擇地勢稍高的地方，為保證透水情況基本相同，以綠化地面作為平面，取綠化帶中基本性質一致的土壤做一個直徑30 cm

的半球，將土壤溫濕度傳感器的探針埋入該半球的球心，能夠有效監測土壤的干濕度變化。

4 效果評估

從2023年3月1日—6月30日，項目組根據葉城縣團結路綠化樣地道路的實際情況，將1 700 m的道路按照道路十字路口等分段情況分成了6段，在保證所有綠植健康生長的情況下，每段中均隨機選擇道路一邊保留原來的灌溉作業，另外一邊使用本智慧灌溉技術形成對照組。

4.1 使用水資源的情況

采用自動灌溉模式可節省水資源約22.45 %（表2）。

4.2 投入人工工時的情況

采用自動灌溉模式可節約人工工時約81.5%（表3）。

4.3 城市綠化養護總費用情況

在人工費按照20元/h計算，灑水車費用、水費、電費等其他費用按照實際發生量統計的情況下，采用自動灌溉模式可節省城市綠化養護總費用支出的77.1%（表4）。

5 結束語

本研究主要解決了制約城市綠化智慧灌溉技術推廣使用的土壤濕度值選擇、供電系統、土壤濕度傳感器布設方式，以及梯次打開電磁閥的灌溉策略等技術瓶頸。城市綠化智慧灌溉技術不僅適用于城市綠化的智慧灌溉，也非常適合農業和林業領域水肥一體灌溉，即將肥料與灌溉水進行混合，通過灌溉系統進行噴灑，實現水肥一體化。該技術可以根據植物的需要，控制合適的劑量為植物提供養分，提高植物的生長效率。尤其是在地表水蒸發量大的西北地區，綠化灌溉要實現節水、省力、降費的目標，選擇智慧灌溉技術將是最優的解決方法。

參考文獻

[1] 趙慶建，王昌海，丁勝，等.農業智能灌溉系統關鍵技術研發[J].江蘇科技信息，2018，35（2）：59-61.

[2] 王曉蘭.一種太陽能供電的智能灌溉系統的設計[J].價值工程，2014，33（33）：55-56.

[3] 毛威，來智勇，耿楠.基于WSN的溫室智能灌溉系統軟件設計[J].現代電子技術，2017，40（16）：5-9.

[4] 劉愛林.井灌區管道輸水灌溉工程施工及運行管理[J].農村經濟與科技，2021，32（16）：70-72.

[5] 徐德恩，于歡.土地智能節水灌溉系統設計分析[J].農村科學實驗，2019（6）：39-40.