袁嘉瑶，赵继红，刘怡彤，刘 璇

（1.宝鸡文理学院数学与信息科学学院 陕西，宝鸡 721000;2.宝鸡文理学院外国语学院 陕西，宝鸡 721000）

我国农业和风景园林的传统灌溉以统一灌溉为主，方式相对单一，灌溉技术相对而言较为粗糙，水资源循环利用率与其他精细化灌溉方式相比较低，灌溉方式的自动化、信息化程度与一些农业发达国家仍然存在较大的差距。近年来，随着国家农业和风景园林业的快速发展，水资源的保护和循环利用意识的增强，传统意义上的灌溉方式的一些缺点愈发凸显，迫切需要我们优化和改良当前普遍存在的单一粗糙的灌溉方式，提高灌溉效率和水资源循环利用率。推广和实施节水节能的智能自动化灌溉方式，已成为我国有效缓解水资源危机和实现绿色农业现代化的必然选择。注意到一些发达国家除了普遍采用的喷灌、微灌等先进的节水灌溉技术之外，还运用了自动化控制技术来保障精确灌溉的控制和实施。这种灌溉技术以农作物或绿化植被实际需要的水量为依据，通过监测系统实时地对监测数据进行统计与精确计算，然后自动调整水量，提高灌溉精准度和提升水的循环利用率。由于智能自动化控制灌溉不仅能够提高灌溉管理水平，改变人为操作的随意性与不确定性，更有利于智能化控制灌溉，减少人工成本和水资源的浪费，提高灌溉效率。因此，改变目前普遍存在的粗糙灌溉方式，推广和实施智能自动化灌溉，减少水资源的浪费和提升灌溉水资源循环利用率，是有效解决灌溉节水问题的措施之一。

我国的智能灌溉系统从20世纪90年代才开始进行开发与研究，起步时间较晚，截止到目前尚未形成系统化的硬件系统与灌溉技术，并且智能自动化灌溉产品种类较为单一，还未形成专业化的质量监测与控制体系，与一些西方发达国家在智能自动化灌溉技术方面还存在较大差距。目前我国的智能自动化灌溉系统虽然仍以进口国外产品为主，但在不断学习国外先进技术的基础上，通过自主研发与创新，也形成了一些较好的发明专利和应用产品。但这些智能自动化灌溉产品目前在农业大棚生产设施中实施的较为普遍，对于大面积种植的农业和风景园林园艺中实施的还很少，丘陵地区更是一片空白。李德旺等在文献中已经指出，风景园林是智能自动化灌溉未来发展的主要市场，国内应加快研发速度，推广产品，抢占国内外风景园林市场。另外，已有不少文献关于节水节能灌溉系统进行了研究和讨论，例如杨文忠在文献中综述了当前我国在农业节水节能灌溉技术方面的研究现状，并对其发展趋势进行了讨论。潘晓燕在文献中讨论了物联网技术在农业智能灌溉系统的设计和应用。王田和齐泰辉在文献中从当前的水利水环境出发讨论了节水节能灌溉的必要性和标准，并给出了如何有效实施节水节能灌溉的一些方式。

基于当今社会经济的快速发展和人们对良好生活环境的迫切需求，为了给我们生活环境中的绿植营造一个更加科学、更加舒适的生长环境，降低室外绿植的枯死率，同时在最大程度上减少水资源的浪费和提高水资源的循环利用，本文设计了一款通过传感器对植物生长环境进行测定，并结合GPRS和ZigBee无线组网技术进行自主操控的智能自动化灌溉系统。我们选择传感器的主要原因是它是一种可以将被测量的物理量按一定的规律转化成电信号或者其他形式信息输出的检测装置，具有微型化、智能化、多功能化、系统化、网络化等优点。另一方面，在智能自动化灌溉系统中采用自动控制技术、GPRS和ZigBee无线组网技术、物联网技术，能实现农作物和风景园林绿植的大面积精准化灌溉，降低人工劳动强度，减少水资源浪费，提高水资源循环利用率，提升绿植种植的自动化和信息化水平，能为智慧绿色农业的发展提供了强有力的保障。下面我们将以禾本科结楼草为例对城市公园智能自动化灌溉系统进行设计与讨论。

1 基本功能

我们设计的基于GPRS和ZigBee无线组网技术的城市公园智能自动化灌溉系统要具备以下三个基本功能。

1.1 控制功能

1.1.1 省电功能 系统正常运行可基于固定电源和太阳能电源两种方式。在系统停止运作时利用太阳能充电系统给蓄电池自动蓄电，并在系统运作过程中，优先使用太阳能蓄电池，而当蓄电池中电能低于30%时系统自动切换至固定电源，剩余电能可供停电等突发状况时使用。

1.1.2 定时功能 定时功能要求可以自主控制系统开启和关闭的时间。可以通过设置控制器来控制电磁阀，并利用电磁阀来控制系统的开启和关闭。

1.1.3 循环功能 循环功能要求可以在编程控制器内预先设定各种运行程序，例如可以设定自动灌溉的开始时间、结束时间、灌溉时长和暂停时间，一旦将程序设置好，系统将会按照设定好的时间进行自动循环灌溉。

1.1.4 暂停功能 在自动灌溉的过程中，系统会通过实时检测绿植所处的环境（空气温度、湿度、光照强度、土壤湿度等指标），当所测得各项数值达到设定标准时，系统能自动暂停灌溉。

1.1.5 阴雨天自动关闭功能 在系统自动灌溉时，如果绿植所处环境突然下雨，要求系统能实时检测雨量并将开启自动暂停功能。

1.1.6 急停功能 要求系统具备紧急停止按钮，来应对一些突发的紧急意外状况。

1.2 检测功能

1.2.1 光照强度检测 我们主要利用照度计来进行光照检测。我们知道，光照计主要基于光电效应原理，其构成主要包括有感光部分（包括光电池和滤光罩）、电流表（指针和刻度盘）和量程开关三个部分。光电池是由西半导体或硅半导体元件制成，装在圆形有柄的盒子内，并用电线连接到电流表。光线照射在光电池的光感应面上可产生相应强度的电流，进一步将电流换算成照度值，从而电流表的刻度板上的指钳示度表示的就是光照强度的读数，即可以直接由电流表读光照度值。在光照强度达到设定数值时，灌溉系统可自动开始工作。

1.2.2 土壤湿度检测 土壤湿度传感器主要用于测定土壤容积含水量。我们采用了当前比较流行的FDR型土壤湿度传感器，常用型号HA2001.FDR频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量。FDR型土壤湿度传感器的优点是简便安全、定点连续、自动化、宽量程等，是一种很优良的土壤水分测定仪器。以结楼草为例，其适宜生长的土壤湿度在17%～44%之间。由于土壤湿度可能受自然降水的影响，可设定当土壤湿度低于17%时自动开启灌溉系统，而当土壤湿度高于35%时自动关闭灌溉系统。

1.2.3 空气温度和湿度检测 环境中空气的温度和湿度是影响绿植生长十分重要的因素，因此对绿植生长环境中的空气温度和湿度进行实时监测十分重要。以结楼草为例，其适宜生长的空气温度为20℃~30℃，湿度为60%~70%，因此可设定当检测仪监测到实时空气中的温度或湿度低于适宜值时，自动开启灌溉系统。

1.3 保护功能

我们要求系统在运行过程中要具有自主保护的功能，而系统在运行过程中电动机轴承温度过高是经常出现的故障之一。因此，在系统自动运行过程中，要求能实时监测轴承温度。当电动机轴承温度过高时，系统应自行停止运转，以避免发生故障和事故，造成不必要的损失。我们知道380V四级低压电机轴承允许的温度范围是80℃~95℃。因此，可设定检测仪实时监测电动机轴承温度，当滚动轴承温度高于95℃或者滑动轴承的温度高于80℃时，系统应自动启动停止功能。

2 灌溉方式

在灌溉方式上，主要借鉴于国外一些先进的灌溉方式，并且根据公园所种绿植的品种进行灌溉方式的调整。我们的设计将主要采用喷灌的方式，这是因为喷灌是主要利用管道将有压喷头分散成细小水滴，均匀地进行喷洒，以达到灌溉作物的目的。因此，采用喷灌方式进行灌溉有以下几个优点：（1）节水节能效果显著，水的利用率最高可达至80%。在一般情况下，喷灌与地面灌溉相比，一立方米水可以当二立方米水用，能有效减少水资源的浪费，提高灌溉效率。（2）均匀灌溉，能有效防止土壤板结和硬化，有利于农作物和绿植的生长，能改善生态环境和田间小气候。（3）减少灌溉费用和降低劳动力，并提高农作物收成，增加农民的收入。（4）有效避免因过量灌溉而导致土壤次生盐碱化，疏松土壤，有效防止土壤的水分流失。（5）有利于加快实现绿色农业的现代化和机械化发展进程。

3 无线传感网络技术

在无线传感网络技术方面，我们将采用GPRS+Zig-Bee无线组网技术。一方面，GPRS是通用分组无线服务技术的简称，是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务，属于第二代移动通信中的数据传输技术。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，主要以封包式来传输数据，使用者所负担的费用将以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，因此所产生的费用很低。并且，GPRS技术具有不限于通信网络的束缚，传输速度快、性能可靠等特点。另一方面，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的一种低功耗局域网协议。ZigBee技术是短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低数据速率、复杂度低、功耗低。主要适合用于自动控制和远程控制，可以嵌入多种设备当中。总的来说，ZigBee就是一种性价比高，功耗较低的短距离无线组网通讯技术。

4 总结

本文主要通过传感器以及GPRS+ZigBee无线组网技术对城市公园智能自动化灌溉系统提出了一种智能操作的设计方案。通过我们的设计方案，管理人员能够通过远程实时监测灌溉过程中相关数据、并且可以进行远程控制和调节灌溉设备，进行智能自动化灌溉。本系统的意义在于智能自动化灌溉不仅能够提高灌溉管理水平，改变人工的随意性与不确定性，同时智能自动化灌溉能够减少灌溉用工，节约水资源，减少水资源的浪费，提高水资源的循环利用，提升灌溉效率，增加生产效益和改善生态系统。该系统可以使水资源在农田灌溉中的利用率得到有效地提升，使农田灌溉的自动化及信息化水平得到有效的提升，为区块链在农业中的应用及智慧农业的发展做好充分的铺垫。