滴灌水肥一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用

王成業(yè)

（民樂(lè)縣大堵麻河管理處西干渠水管所，甘肅 民樂(lè) 734500）

在當(dāng)前的農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域，滴灌技術(shù)得到了十分廣泛的應(yīng)用，在促進(jìn)作物正常生長(zhǎng)和減少水資源浪費(fèi)方面起到了重要作用。而在滴灌的基礎(chǔ)上輔以施肥，實(shí)現(xiàn)灌溉和施肥一體化，可減少肥料的使用以及其對(duì)環(huán)境、土壤、水源等造成的污染，是一項(xiàng)值得大范圍推廣應(yīng)用的新技術(shù)。

1 滴灌水肥一體化技術(shù)概述

滴灌水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，借助壓力系統(tǒng)或地形自然落差，將可溶性固體或液體肥料，按土壤養(yǎng)分含量以及作物的需肥規(guī)律和特點(diǎn)，配兌成的肥液與灌溉水一起，通過(guò)可控管道系統(tǒng)供水、供肥，使水肥相融后，通過(guò)管道和滴頭形成滴灌，均勻、定時(shí)、定量浸潤(rùn)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育區(qū)域。

滴灌水肥一體化技術(shù)采用計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器傳回信息進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取，根據(jù)讀取的信息對(duì)土壤實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括土壤的養(yǎng)分情況、干濕程度與環(huán)境氣溫，再結(jié)合作物的實(shí)際需求，制定合理可行的方案，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)供水供肥時(shí)間及數(shù)量的有效控制，達(dá)到節(jié)省水資源、減輕對(duì)環(huán)境造成的破壞與影響等目標(biāo)［1］。

滴灌水肥一體化技術(shù)主要具有以下優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。一是節(jié)省水資源。借助管道與滴灌裝置將灌溉水和肥料按照一定時(shí)間與用量直接輸送至作物根系所在土壤中。采用管道進(jìn)行輸送能避免徑流發(fā)生，同時(shí)減少滲漏與蒸發(fā)，進(jìn)而起到節(jié)水和節(jié)肥的重要作用。二是提高肥料的實(shí)際利用率。采用滴灌施肥的方法能將灌溉水與肥料直接輸送至作物根系，最大限度地減少灌溉水和肥料的使用量，進(jìn)而降低施肥成本。三是減少勞動(dòng)力。利用壓力系統(tǒng)完成灌水施肥，基本上所有操作均按照事先設(shè)定好的系統(tǒng)程序進(jìn)行，能大量減少勞動(dòng)力。四是降低作物病蟲害發(fā)生率。采用溫度與濕度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)作物所處環(huán)境的溫濕度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，確保作物能正常生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)降低病蟲害發(fā)生率的目標(biāo)。五是環(huán)保性良好。借助智能化設(shè)備進(jìn)行滴灌，能使土壤始終保持松散的狀態(tài)，防止土壤板結(jié)，并減輕對(duì)地下水資源造成的污染。六是保證灌溉精準(zhǔn)性。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用，并結(jié)合傳感器對(duì)土壤的溫濕度和肥料各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，再以作物生長(zhǎng)對(duì)灌溉水與肥料提出的需求為依據(jù)，結(jié)合土壤實(shí)際環(huán)境情況與養(yǎng)分含量，制定針對(duì)性的供水和施肥方案，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行決策，對(duì)滴灌設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滴灌，進(jìn)而完成精準(zhǔn)灌溉和施肥［2］。

2 滴灌水肥一體化技術(shù)應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)設(shè)施

2.1.1 蓄水與輸配電設(shè)施。灌溉水源主要為地下水或河流湖泊，灌溉前應(yīng)先對(duì)水源進(jìn)行沉淀和過(guò)濾，以免導(dǎo)致灌水設(shè)備堵塞。

2.1.2 施肥和施藥裝置。該裝置主要用于為管道注入肥料及藥液，使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①用過(guò)濾器對(duì)肥料和藥液進(jìn)行過(guò)濾，再采用管道輸送，以免管道或滴灌設(shè)備堵塞；②為避免設(shè)備遭到肥料和藥液的腐蝕，灌溉與施肥完成后應(yīng)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)沖洗，在程序設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視；③在管道的注入口和水源之間設(shè)置逆止閥，用于防止肥料或藥液流入水源，對(duì)水源水質(zhì)造成污染。

2.1.3 水泵控制裝置。水泵和施肥泵均采用電磁閥進(jìn)行控制，采用電磁閥，可對(duì)系統(tǒng)指令進(jìn)行無(wú)線接收，并根據(jù)所接收到的指令對(duì)水泵開(kāi)閉進(jìn)行控制。

2.1.4 過(guò)濾防護(hù)裝置。為避免滴灌裝置堵塞，需在管道的出口部位安裝過(guò)濾網(wǎng)，并設(shè)置出氣閥，以提高實(shí)際供水效率。

2.1.5 滴灌控制裝置。計(jì)算機(jī)以土壤溫濕度等的傳感器所采集到的信息為依據(jù)，與預(yù)存數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而給出決策，采用無(wú)線方式對(duì)指令進(jìn)行發(fā)送，以此實(shí)現(xiàn)電磁閥控制。

2.2 傳感器

為了對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需設(shè)置下列幾種類型的傳感器：溫度傳感器、濕度傳感器、流量傳感器、FDS水分傳感器、Ectestr電導(dǎo)率計(jì)和pH傳感器。采用傳感器獲得監(jiān)測(cè)信息后，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)竭_(dá)系統(tǒng)的控制中心，為計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的獲取及預(yù)存等提供方便，進(jìn)而完成分析對(duì)照，最后利用專家系統(tǒng)給出決策［3］。

2.3 控制中心

2.3.1 硬件部分。系統(tǒng)控制中心的硬件部分以STM32 型芯片為主，該芯片將閃存微控制器作為基礎(chǔ)，不僅具有很高的性能，而且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)功耗較低，開(kāi)發(fā)相對(duì)容易。在核心控制器中，主要包括以下幾個(gè)模塊：①儲(chǔ)存模塊，主要采用SD卡，借助SDIO 接口相連，能對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和儲(chǔ)存；②交互接口，以工業(yè)串口屏為主，控制器和觸摸屏之間的交互主要采用RS232 進(jìn)行，能在數(shù)據(jù)顯示的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置與狀態(tài)顯示；③AI輸入，該功能主要依靠SPI和ADC兩部分實(shí)現(xiàn)，采用傳感器獲取的所有模擬數(shù)據(jù)均需要在ADC 中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以此得到數(shù)據(jù)信號(hào)，再利用AI 接口模塊將其輸入，以此對(duì)肥料的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)管道壓力等狀態(tài)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)；④DO 接口，該接口可以提供諸多控制信號(hào)，并與功率繼電器連接。對(duì)于功率繼電器，應(yīng)通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)器和GPIO之間的配合進(jìn)行控制，以電磁閥和灌溉泵為主要控制對(duì)象。

在對(duì)不同功能模塊及其接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)仔細(xì)查閱芯片參數(shù)書冊(cè)，以保證設(shè)計(jì)的合理性與可行性［4］。

2.3.2 軟件部分。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注意滿足以下要求：①用戶可登錄到系統(tǒng)平臺(tái)中，對(duì)各類設(shè)備監(jiān)測(cè)到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，包括當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)；②對(duì)設(shè)備的控制按鈕進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，確保生產(chǎn)管理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化；③用戶可對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行輸入設(shè)置，并選擇不同的模式，可設(shè)置的參數(shù)主要包括肥料的配方和施肥方案、EC設(shè)定值、EC的上限值和下限值、肥料比例；④為專家系統(tǒng)提供專門的軟件模塊。

2.3.3 管理軟件部分。由于芯片功能強(qiáng)大且豐富，而且有開(kāi)發(fā)軟件提供支持，所以能十分方便地以專家要求為依據(jù)編制管理軟件。管理軟件要具備以下功能。一是軟件首頁(yè)應(yīng)包含編號(hào)區(qū)、視頻區(qū)、設(shè)備控制區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)。點(diǎn)擊編號(hào)區(qū)以后，頁(yè)面上的視頻區(qū)將顯示出與之對(duì)應(yīng)的畫面，并在數(shù)據(jù)區(qū)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)與設(shè)備實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行同步顯示。二是軟件的設(shè)備控制區(qū)主要包含以下2種控制模式。其一，計(jì)算機(jī)對(duì)不同傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取，并與計(jì)算機(jī)所設(shè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，再按照專家系統(tǒng)給出的建議選擇適宜的灌溉與施肥模式。在這一模式中，計(jì)算機(jī)可對(duì)土壤各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行巡回監(jiān)測(cè)，包括FDS值、EC值與pH值，并能隨時(shí)與專家系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果確定適宜的灌溉、施肥方法與時(shí)間。其二，可分為限時(shí)灌溉、定時(shí)灌溉和限時(shí)自動(dòng)灌溉3種模式。除以上2種模式外，還包括手動(dòng)控制，即點(diǎn)擊手動(dòng)控制按鈕后對(duì)主水泵與繼電器等開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，進(jìn)而在數(shù)據(jù)區(qū)對(duì)主水泵和控制箱等的具體數(shù)據(jù)和所處狀態(tài)進(jìn)行同步顯示［5］。三是專家系統(tǒng)是指以相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜姨岢龅囊蠛徒ㄗh為依據(jù)形成的包含各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)庫(kù)。進(jìn)入該數(shù)據(jù)庫(kù)以后，能對(duì)包含土壤溫濕度、EC 值與pH值等在內(nèi)的各項(xiàng)建議值進(jìn)行查看。

3 結(jié)語(yǔ)

采用智能化的滴灌水肥一體化技術(shù)能提供多種灌溉和施肥模式，包括定時(shí)灌溉施肥、限時(shí)灌溉施肥和限時(shí)自動(dòng)灌溉施肥。系統(tǒng)可對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)出的各項(xiàng)指令進(jìn)行接收，對(duì)電磁閥門的開(kāi)閉進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并能與不同傳感器相配合，確定最佳的灌溉施肥方式，進(jìn)而使整個(gè)灌溉施肥過(guò)程實(shí)現(xiàn)智能化。該系統(tǒng)以STM32芯片為核心，能對(duì)滴灌各項(xiàng)操作進(jìn)行智能化控制，值得在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域大范圍推廣應(yīng)用。