滴灌水肥一体化技术在农业灌溉中的应用

王成业

（民乐县大堵麻河管理处西干渠水管所，甘肃 民乐 734500）

在当前的农业灌溉领域，滴灌技术得到了十分广泛的应用，在促进作物正常生长和减少水资源浪费方面起到了重要作用。而在滴灌的基础上辅以施肥，实现灌溉和施肥一体化，可减少肥料的使用以及其对环境、土壤、水源等造成的污染，是一项值得大范围推广应用的新技术。

1 滴灌水肥一体化技术概述

滴灌水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，借助压力系统或地形自然落差，将可溶性固体或液体肥料，按土壤养分含量以及作物的需肥规律和特点，配兑成的肥液与灌溉水一起，通过可控管道系统供水、供肥，使水肥相融后，通过管道和滴头形成滴灌，均匀、定时、定量浸润作物根系生长发育区域。

滴灌水肥一体化技术采用计算机对传感器传回信息进行实时读取，根据读取的信息对土壤实际情况进行实时监测，包括土壤的养分情况、干湿程度与环境气温，再结合作物的实际需求，制定合理可行的方案，以此实现对供水供肥时间及数量的有效控制，达到节省水资源、减轻对环境造成的破坏与影响等目标［1］。

滴灌水肥一体化技术主要具有以下优势特点。一是节省水资源。借助管道与滴灌装置将灌溉水和肥料按照一定时间与用量直接输送至作物根系所在土壤中。采用管道进行输送能避免径流发生，同时减少渗漏与蒸发，进而起到节水和节肥的重要作用。二是提高肥料的实际利用率。采用滴灌施肥的方法能将灌溉水与肥料直接输送至作物根系，最大限度地减少灌溉水和肥料的使用量，进而降低施肥成本。三是减少劳动力。利用压力系统完成灌水施肥，基本上所有操作均按照事先设定好的系统程序进行，能大量减少劳动力。四是降低作物病虫害发生率。采用温度与湿度传感器进行实时监测，并根据实时监测结果对作物所处环境的温湿度进行适当调节，确保作物能正常生长，实现降低病虫害发生率的目标。五是环保性良好。借助智能化设备进行滴灌，能使土壤始终保持松散的状态，防止土壤板结，并减轻对地下水资源造成的污染。六是保证灌溉精准性。通过对计算机和物联网等技术的应用，并结合传感器对土壤的温湿度和肥料各项指标进行实时监控，再以作物生长对灌溉水与肥料提出的需求为依据，结合土壤实际环境情况与养分含量，制定针对性的供水和施肥方案，采用计算机进行决策，对滴灌设备进行控制，实现自动滴灌，进而完成精准灌溉和施肥［2］。

2 滴灌水肥一体化技术应用

2.1 系统设施

2.1.1 蓄水与输配电设施。灌溉水源主要为地下水或河流湖泊，灌溉前应先对水源进行沉淀和过滤，以免导致灌水设备堵塞。

2.1.2 施肥和施药装置。该装置主要用于为管道注入肥料及药液，使用中应注意以下几点：①用过滤器对肥料和药液进行过滤，再采用管道输送，以免管道或滴灌设备堵塞；②为避免设备遭到肥料和药液的腐蚀，灌溉与施肥完成后应对其进行自动冲洗，在程序设计中应引起重视；③在管道的注入口和水源之间设置逆止阀，用于防止肥料或药液流入水源，对水源水质造成污染。

2.1.3 水泵控制装置。水泵和施肥泵均采用电磁阀进行控制，采用电磁阀，可对系统指令进行无线接收，并根据所接收到的指令对水泵开闭进行控制。

2.1.4 过滤防护装置。为避免滴灌装置堵塞，需在管道的出口部位安装过滤网，并设置出气阀，以提高实际供水效率。

2.1.5 滴灌控制装置。计算机以土壤温湿度等的传感器所采集到的信息为依据，与预存数据进行对比，进而给出决策，采用无线方式对指令进行发送，以此实现电磁阀控制。

2.2 传感器

为了对系统的实际运行情况进行监测，需设置下列几种类型的传感器：温度传感器、湿度传感器、流量传感器、FDS水分传感器、Ectestr电导率计和pH传感器。采用传感器获得监测信息后，通过无线传输到达系统的控制中心，为计算机对相关数据信息的获取及预存等提供方便，进而完成分析对照，最后利用专家系统给出决策［3］。

2.3 控制中心

2.3.1 硬件部分。系统控制中心的硬件部分以STM32 型芯片为主，该芯片将闪存微控制器作为基础，不仅具有很高的性能，而且实时性强，可对数字信号进行处理，同时功耗较低，开发相对容易。在核心控制器中，主要包括以下几个模块：①储存模块，主要采用SD卡，借助SDIO 接口相连，能对系统数据进行收集和储存；②交互接口，以工业串口屏为主，控制器和触摸屏之间的交互主要采用RS232 进行，能在数据显示的基础上实现参数设置与状态显示；③AI输入，该功能主要依靠SPI和ADC两部分实现，采用传感器获取的所有模拟数据均需要在ADC 中进行转换，以此得到数据信号，再利用AI 接口模块将其输入，以此对肥料的各项技术参数进行检验，并能实现对管道压力等状态量的实时检测；④DO 接口，该接口可以提供诸多控制信号，并与功率继电器连接。对于功率继电器，应通过功率驱动器和GPIO之间的配合进行控制，以电磁阀和灌溉泵为主要控制对象。

在对不同功能模块及其接口电路进行设计的过程中，应仔细查阅芯片参数书册，以保证设计的合理性与可行性［4］。

2.3.2 软件部分。在系统软件设计过程中，应注意满足以下要求：①用户可登录到系统平台中，对各类设备监测到的各项数据进行查看，包括当前数据与历史数据；②对设备的控制按钮进行专门设计，确保生产管理实现自动化与智能化；③用户可对控制参数进行输入设置，并选择不同的模式，可设置的参数主要包括肥料的配方和施肥方案、EC设定值、EC的上限值和下限值、肥料比例；④为专家系统提供专门的软件模块。

2.3.3 管理软件部分。由于芯片功能强大且丰富，而且有开发软件提供支持，所以能十分方便地以专家要求为依据编制管理软件。管理软件要具备以下功能。一是软件首页应包含编号区、视频区、设备控制区、数据显示区。点击编号区以后，页面上的视频区将显示出与之对应的画面，并在数据区对相关数据与设备实际状态进行同步显示。二是软件的设备控制区主要包含以下2种控制模式。其一，计算机对不同传感器获取的数据信息进行读取，并与计算机所设参数进行对比，再按照专家系统给出的建议选择适宜的灌溉与施肥模式。在这一模式中，计算机可对土壤各项参数指标进行巡回监测，包括FDS值、EC值与pH值，并能随时与专家系统对应的数据进行对比，根据对比结果确定适宜的灌溉、施肥方法与时间。其二，可分为限时灌溉、定时灌溉和限时自动灌溉3种模式。除以上2种模式外，还包括手动控制，即点击手动控制按钮后对主水泵与继电器等开关进行控制，进而在数据区对主水泵和控制箱等的具体数据和所处状态进行同步显示［5］。三是专家系统是指以相关领域专家提出的要求和建议为依据形成的包含各项技术指标的数据库。进入该数据库以后，能对包含土壤温湿度、EC 值与pH值等在内的各项建议值进行查看。

3 结语

采用智能化的滴灌水肥一体化技术能提供多种灌溉和施肥模式，包括定时灌溉施肥、限时灌溉施肥和限时自动灌溉施肥。系统可对计算机发出的各项指令进行接收，对电磁阀门的开闭进行远程控制，并能与不同传感器相配合，确定最佳的灌溉施肥方式，进而使整个灌溉施肥过程实现智能化。该系统以STM32芯片为核心，能对滴灌各项操作进行智能化控制，值得在农业领域大范围推广应用。