滴灌水肥一體化在農業灌溉的應用

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［摘要］本文針對農業灌溉中應用十分廣泛的滴灌技術，提出一種在滴灌基礎上引入施肥的水肥一體化技術。本文在簡述該技術原理和優勢特點的基礎上，對其實際應用進行深入分析，包括系統設施配置、傳感器配置、控制中心設計，為大范圍推廣應用該技術提供理論依據。

［關鍵詞］農業灌溉；滴灌；水肥一體化

在當前的農業灌溉領域，滴灌技術得到了十分廣泛的應用，在促進作物正常生長和減少水資源浪費方面起到了重要作用。而在滴灌的基礎上輔以施肥，實現灌溉和施肥一體化，可減少肥料的使用以及其對環境、土壤、水源等造成的污染，是一項值得大范圍推廣應用的新技術。

1滴灌水肥一體化技術概述

滴灌水肥一體化技術是將灌溉與施肥融為一體的農業新技術，借助壓力系統或地形自然落差，將可溶性固體或液體肥料，按土壤養分含量以及作物的需肥規律和特點，配兌成的肥液與灌溉水一起，通過可控管道系統供水、供肥，使水肥相融后，通過管道和滴頭形成滴灌，均勻、定時、定量浸潤作物根系生長發育區域。滴灌水肥一體化技術采用計算機對傳感器傳回信息進行實時讀取，根據讀取的信息對土壤實際情況進行實時監測，包括土壤的養分情況、干濕程度與環境氣溫，再結合作物的實際需求，制定合理可行的方案，以此實現對供水供肥時間及數量的有效控制，達到節省水資源、減輕對環境造成的破壞與影響等目標［1］。滴灌水肥一體化技術主要具有以下優勢特點。一是節省水資源。借助管道與滴灌裝置將灌溉水和肥料按照一定時間與用量直接輸送至作物根系所在土壤中。采用管道進行輸送能避免徑流發生，同時減少滲漏與蒸發，進而起到節水和節肥的重要作用。二是提高肥料的實際利用率。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，進而降低施肥成本。三是減少勞動力。利用壓力系統完成灌水施肥，基本上所有操作均按照事先設定好的系統程序進行，能大量減少勞動力。四是降低作物病蟲害發生率。采用溫度與濕度傳感器進行實時監測，并根據實時監測結果對作物所處環境的溫濕度進行適當調節，確保作物能正常生長，實現降低病蟲害發生率的目標。五是環保性良好。借助智能化設備進行滴灌，能使土壤始終保持松散的狀態，防止土壤板結，并減輕對地下水資源造成的污染。六是保證灌溉精準性。通過對計算機和物聯網等技術的應用，并結合傳感器對土壤的溫濕度和肥料各項指標進行實時監控，再以作物生長對灌溉水與肥料提出的需求為依據，結合土壤實際環境情況與養分含量，制定針對性的供水和施肥方案，采用計算機進行決策，對滴灌設備進行控制，實現自動滴灌，進而完成精準灌溉和施肥［2］。

2滴灌水肥一體化技術應用

2.1系統設施。2.1.1蓄水與輸配電設施。灌溉水源主要為地下水或河流湖泊，灌溉前應先對水源進行沉淀和過濾，以免導致灌水設備堵塞。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，使用中應注意以下幾點：①用過濾器對肥料和藥液進行過濾，再采用管道輸送，以免管道或滴灌設備堵塞；②為避免設備遭到肥料和藥液的腐蝕，灌溉與施肥完成后應對其進行自動沖洗，在程序設計中應引起重視；③在管道的注入口和水源之間設置逆止閥，用于防止肥料或藥液流入水源，對水源水質造成污染。2.1.3水泵控制裝置。水泵和施肥泵均采用電磁閥進行控制，采用電磁閥，可對系統指令進行無線接收，并根據所接收到的指令對水泵開閉進行控制。2.1.4過濾防護裝置。為避免滴灌裝置堵塞，需在管道的出口部位安裝過濾網，并設置出氣閥，以提高實際供水效率。2.1.5滴灌控制裝置。計算機以土壤溫濕度等的傳感器所采集到的信息為依據，與預存數據進行對比，進而給出決策，采用無線方式對指令進行發送，以此實現電磁閥控制。2.2傳感器。為了對系統的實際運行情況進行監測，需設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電導率計和pH傳感器。采用傳感器獲得監測信息后，通過無線傳輸到達系統的控制中心，為計算機對相關數據信息的獲取及預存等提供方便，進而完成分析對照，最后利用專家系統給出決策［3］。2.3控制中心。2.3.1硬件部分。系統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，不僅具有很高的性能，而且實時性強，可對數字信號進行處理，同時功耗較低，開發相對容易。在核心控制器中，主要包括以下幾個模塊：①儲存模塊，主要采用SD卡，借助SDIO接口相連，能對系統數據進行收集和儲存；②交互接口，以工業串口屏為主，控制器和觸摸屏之間的交互主要采用RS232進行，能在數據顯示的基礎上實現參數設置與狀態顯示；③AI輸入，該功能主要依靠SPI和ADC兩部分實現，采用傳感器獲取的所有模擬數據均需要在ADC中進行轉換，以此得到數據信號，再利用AI接口模塊將其輸入，以此對肥料的各項技術參數進行檢驗，并能實現對管道壓力等狀態量的實時檢測；④DO接口，該接口可以提供諸多控制信號，并與功率繼電器連接。對于功率繼電器，應通過功率驅動器和GPIO之間的配合進行控制，以電磁閥和灌溉泵為主要控制對象。在對不同功能模塊及其接口電路進行設計的過程中，應仔細查閱芯片參數書冊，以保證設計的合理性與可行性［4］。2.3.2軟件部分。在系統軟件設計過程中，應注意滿足以下要求：①用戶可登錄到系統平臺中，對各類設備監測到的各項數據進行查看，包括當前數據與歷史數據；②對設備的控制按鈕進行專門設計，確保生產管理實現自動化與智能化；③用戶可對控制參數進行輸入設置，并選擇不同的模式，可設置的參數主要包括肥料的配方和施肥方案、EC設定值、EC的上限值和下限值、肥料比例；④為專家系統提供專門的軟件模塊。2.3.3管理軟件部分。由于芯片功能強大且豐富，而且有開發軟件提供支持，所以能十分方便地以專家要求為依據編制管理軟件。管理軟件要具備以下功能。一是軟件首頁應包含編號區、視頻區、設備控制區、數據顯示區。點擊編號區以后，頁面上的視頻區將顯示出與之對應的畫面，并在數據區對相關數據與設備實際狀態進行同步顯示。二是軟件的設備控制區主要包含以下2種控制模式。其一，計算機對不同傳感器獲取的數據信息進行讀取，并與計算機所設參數進行對比，再按照專家系統給出的建議選擇適宜的灌溉與施肥模式。在這一模式中，計算機可對土壤各項參數指標進行巡回監測，包括FDS值、EC值與pH值，并能隨時與專家系統對應的數據進行對比，根據對比結果確定適宜的灌溉、施肥方法與時間。其二，可分為限時灌溉、定時灌溉和限時自動灌溉3種模式。除以上2種模式外，還包括手動控制，即點擊手動控制按鈕后對主水泵與繼電器等開關進行控制，進而在數據區對主水泵和控制箱等的具體數據和所處狀態進行同步顯示［5］。三是專家系統是指以相關領域專家提出的要求和建議為依據形成的包含各項技術指標的數據庫。進入該數據庫以后，能對包含土壤溫濕度、EC值與pH值等在內的各項建議值進行查看。

3結語

采用智能化的滴灌水肥一體化技術能提供多種灌溉和施肥模式，包括定時灌溉施肥、限時灌溉施肥和限時自動灌溉施肥。系統可對計算機發出的各項指令進行接收，對電磁閥門的開閉進行遠程控制，并能與不同傳感器相配合，確定最佳的灌溉施肥方式，進而使整個灌溉施肥過程實現智能化。該系統以STM32芯片為核心，能對滴灌各項操作進行智能化控制，值得在農業領域大范圍推廣應用。

參考文獻

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［3］崔云玲，張立勤，張宗雄，等.加工型馬鈴薯干播濕出滴灌水肥一體化高效栽培技術規程［J］.甘肅農業科技，2019（11）：87-91.

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［5］梁博惠，唐瑞，張上寧，等.寧夏中部干旱帶水肥一體化蘋果滴灌灌溉制度及生長影響研究［J］.中國農村水利水電，2020（6）：105-110，115.

作者:王成業 單位:民樂縣大堵麻河管理處西干渠水管所