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            基于物聯網的立體綠化智能養護系統應用研究

            作者: 鄒敏,成澤虎 時間:2022-2-7 閱讀次數:590

            物聯網是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡,是在計算機、互聯網和移動通信網絡之后產生的第三次信息產業。目前智能灌槪行業正在穩步發展,集成各項物聯網感知技術來提高效率已成為當下的發展手段。從目前的形勢來看,世界各國已將發展農業信息化作為國家建設中最主要的部分,尤其是一些發達國家在農業發展的建設中,都已經把智慧農業當做首要工作。雖然很多產品基本能做到智能灌概或者現場控制,但鮮見將物聯網技術應用到立體綠化的相關研究。

            重慶是具有典型山地特征的立體城市,利用建筑屋頂和垂直面、高架橋立柱、硬質護坡等立地條件加以綠化美化,既能有效改善城市生態環境,又是樹立城市形象、提高城市品質。目前,重慶城市中已擁有一定面積的立體綠化,但這些綠化工程的養護技術主要還是沿襲傳統的方式采用人工養護,自動化養護的應用也還停留在比較初級的階段,普遍存在后期養護不善的問題,從而導致植株長勢欠佳,甚至死亡的現象。物聯網技術通過傳感器可以實時地收集環境信息、精準地獲取相關參數,利用智能分析技術進行科學處理與預測,并通過控制器實時養護,在立體綠化工程建設中可提高立體綠化管護效率,降低管護成本,提升養護質量,實現立體綠化的智能化、精細化、精準化管理。

            1/立體綠化智能養護系統架構

            立體綠化智能養護系統分為采集端、控制端、網關、上位機和通訊網絡等5個部分。在系統中,采集端相當于神經末梢,負責感受“刺激”,并向上位機傳遞感知信息;通訊網絡相當于神經,為信息的傳遞提供渠道;網關是樞紐,能夠進行信息的接收和轉換,連接上位機和其他端口;上位機是整個系統的大腦,負責接收信號、做出決算和發出命令;而控制端相當于肌肉組織,用于實現系統的命令,做出實際的操作。(圖1-1)

            圖1-1/立體綠化智能養護系統架構圖

            立體綠化物聯層環境探測環境參數,通過智能網關上傳數據到云計算設施層進行存儲與計算,然后在平臺支持層通過協議解析非結構化數據為上層業務需要的結構化數據,然后上層應用根據業務需求,訂閱解析后的業務數據,通過開發接口推送到業務平臺,業務平臺根據養護設置發送養護指令到控制器,或設置時間周期任務進行定時控制養護,完成自動智能養護作業。

            2/立體綠化智能養護系統軟件設計

            2.1系統平臺和環境

            平臺由手機微信公眾號系統和PC應用Web系統組成,其中:用戶可通過手機微信公眾號對系統進行遠程控制和數據查詢,可通過Web管理系統進行業務管理、系統控制以及數據統計分析。web層由租賃的阿里云提供服務,包括阿里云通信網絡、應用服務器、數據庫服務器以及相關支撐軟件。

            2.2系統網絡構建

            系統主要由圖像和數據采集系統、軟件控制系統等兩大模塊組成。圖像和數據采集系統包括:傳感器、云平臺服務器。傳感器通過無線網絡接入互聯網,經過配置數據自動上傳保存在第三方服務器中。軟件控制系統包括手機微信公眾號端系統和PC應用Web服務器網站系統,手機微信公眾號通過調用第三方開發的數據接口獲取遠程服務器中存儲的傳感器數據和監控視頻,Web服務器網站進行業務管理、系統控制以及數據統計分析。

            智能系統將采集到的傳感器數據由變送器發送到網絡,通過互聯網傳遞到指定的Web服務器中,圖像視頻信息采集后經過網絡上傳到指定的Web服務器中。軟件控制系統調用第三方接口獲取服務器中保存的傳感器數據,根據設置的環境閾值信息,啟動遠程控制軟件,開啟智能插座開關,啟動養護命令。(圖2-1)

            3/立體綠化智能養護系統試驗

            3.1試驗地概況

            3.1.1地點

            試驗地點位于重慶市風景園林科學研究院苗木繁育中試基地,含:墻面綠化(面積52.40㎡,高7.90m,朝西)、立柱綠化(面積11.3㎡,高3.00m),見圖3-1。

            3.1.2 基質

            采用有機材料、無機材料以及輔助材料,通過物料的配比混合形成試驗基質,該基質具有輕質、不易板結、含水率高、排水速率高、養分釋放緩慢、合理的顆粒度分布等理化熱性,其理化性質詳見表3-1。

              PH值 EC值/(mS/cm) 有機質/% 干密度 /(Mg/m3) 非毛管孔隙度/% 全氮g/kg 全磷g/kg 全鉀g/kg
            試驗配方基質 5.7 0.9 60 0.22 21.6 118 7.95 8.23
            綠化用有機基質 GB/T 33891-2017(標準) 4.5-8.0 ≤10 ≥30 0.1-1.04
            (屋頂綠化用<0.5)
            ≥20 ≥18
             

            3.1.3 植物

            選擇植株低矮、枝繁葉小、耐修剪、抗逆性強及景觀效果好的的色葉灌木、藤本及多年生草花,植株高度200-250mm,蓬徑150-200mm,種植密度:49盆/㎡。品種包括:鵝掌柴(Schefflera octophylla (Lour.) Harms)、細葉萼距花(Cuphea hyssopifolia HBK)、吊竹梅(Tradescantia zebrina Bosse)、紫竹梅(Setcreaseapallidacv.Purple)、天門冬(Asparagus cochinchinensis(Lour.)Merr)、金葉石菖蒲(Acorus gramineus ‘ Ogan’)、吊蘭(Chlorophytum comosum(Thunb.)Baker)、金邊闊葉麥冬(Liriope muscari cv.Variegata)、大花海棠(Begonia grandis Dryand.)、天竺葵(Pelargonium hortorum Bailey)、佛甲草(Sedum lineare Thunb.)等10余種。

            3.2 智能化養護設施

            3.2.1 傳感器

            傳感器包括:空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、土壤EC值傳感器、土壤pH值傳感器、太陽光照傳感器、降雨量傳感器、粉塵(PM2.5/10)傳感器等7種傳感器,詳見表3-2。其中,土壤參數傳感器插入綠化基質中,見圖3-2;大氣環境的傳感器集成于固定生態環境監測站內,見圖3-3?杀O測空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、土壤EC值、土壤pH值、太陽光照、降雨量、粉塵PM2.5、粉塵PM10等10個環境指標參數。(圖3-2)

            監測指標 量程范圍 精度 分辨率
            空氣溫度 -40-150℃ ±0.5℃ 0.1℃
            空氣濕度 0-100%RH ±3% 0.1%
            土壤溫度 -50-100℃ ±0.5℃ 0.1℃
            土壤濕度 0-100%RH ±3% 0.1%
            土壤EC值 0-20mS/cm <5% 0.01mS/cm
            土壤pH值 0-14 ±0.04 0.01
            太陽光照 0-200K LUX ±5% < 1 秒
            降雨量 0.01mm-4mm/min ≤±1% 0.1mm
            粉塵PM2.5 0-1000ug/m3 ±3% <1秒
            粉塵PM10 0-1000ug/m3 ±3% <1秒

             

            3.2.2 智能養護設備

            本試驗含兩套養護作業系統:滴灌、噴霧。滴灌對試驗提供補水功能,噴霧可對試驗提供補水、降溫、清塵等功能。

            (1)智能滴灌系統

            由控制器、電池閥、管線、連接頭、止回閥、減壓閥、過濾器等部分組成。滴灌采用PE毛管,毛管上打孔安裝滴頭,采用分層安裝方式,分層間距從上至下為2.7m,每層各種植袋安裝1個滴頭,滴頭位于種植袋上方,每層的接收的水分可被種植毯的納米海綿層,在種植毯內部形成水簾,以確保植物均勻供水和養分供應。滴管通過控制器控制閥門的開啟及關閉。見圖3-4。

            (2)噴霧設施

            由控制器、高壓霧機、大電流中間繼電器、電池閥、管線、連接頭、過濾器、噴頭等部分,噴霧管道從上至下間隔距離為2.5m,分3層設置。霧化噴頭采用加長管噴頭,間隔0.70m設置1個,安裝于植物表面。見圖3-5。

            4/結果與分析

            4.1軟件系統

            通過對系統穩定性、靈敏性進行調試,并對系統采集端、控制端以及滴灌和噴霧設備進行優化,形成數據采集精準、智能控制靈敏、操作界面簡潔的智能化養護系統,該可通過控制器顯示屏進行現場控制,也可以通過網關在電腦PC端和手機微信公眾號端進行遠程控制。在本套智能養護系統中,可實現收集并存儲土壤參數和空氣環境參數(見圖4-1),可執行實時控制、定時控制(見圖4-2)和參數閾值控制等三種智能化養護控制。

            4.2 效益分析

            4.2.1 經濟效益分析

            立體綠化補水和夏季降溫是立體綠化最重要的養護內容,因其特殊的立地環境,人工養護難度較大,本研究立體綠化智能養護系統利用物聯網技術通過信息傳感設備,按照協議,把土壤、氣象參數與互聯網連接起來,進行信息交換和通信,具有全面感知、可靠傳輸、智能處理等特點,能有效克服立體綠化養護困難、養護人工費用高的問題,實用價值較高。同時,通過流量監測,本研究系統可節約用水60%-70%,經濟效益顯著。

            4.2.2 環境效益分析

            經監測表明,夏季供試墻體綠化晝夜平均降低室內墻體表面溫度4.48℃,平均降低室外墻體表面溫度2.03℃(監測時間:7-9月,每小時收集數據1次),能耗比常規幕墻降低 40%左右;綠化選用植物多為低矮灌木,植物葉多繁茂有絨毛,能吸附大量的漂浮塵,有明顯的過濾和凈化空氣的作用;同時墻體綠化的植物墻體有明顯的降低噪音作用,當聲波通過立體植物墻時,約有30%的聲波被吸收。因此,立體綠化可以更直接更有效地改善城市生活環境,具有顯著的環境效益。

            4/總結

            本研究形成的基于物聯網技術的立體綠化智能養護系統具有便捷、智能的特點,可通過主控電腦或手機APP客戶端和微信客戶端遠程讀取土壤及環境參數,實現智能化控制灌溉、降溫、清塵等養護工作。系統設計符合用戶需求,是一款實用、易于推廣,應用前景廣闊的智能系統。  

            (基金項目:重慶市城市管理局科技計劃項目“物聯網技術在立體綠化智能養護系統中的應用”(城管科字2018第07號))

            參考文獻:

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            [7] 付靜、史潮涌.物聯網形式噴灌系統的研究[J].內燃機與配件,2018,03:246-248.

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