智能滴灌水肥一体化技术在林业育苗中的应用
１ 智能滴灌水肥一体化技术简介
智能滴灌水肥一体化是灌溉水和施肥有机融合的一项工程控制技术，涉及灌溉、施肥、栽培、土壤等学科。根据树苗对水、肥的需求特点，将肥水按比例融合，通过管道以滴灌方式将肥水混合物准确地输送到苗木的根部土壤区，使苗木根系始终保持要求的含水和需肥的状态。
借助电脑实时读取传感器传回的数据，实时监测土壤养分和土壤的干湿程度、环境温度情况，结合预设置的由苗木不同生长期需水、需肥特点制定出的供水施肥方案，准确控制向苗木供水供肥的时间和数量，从而实现滴灌水肥一体化技术的智能化。
２ 水肥一体化技术应用国内外状况
２．１ 国外应用情况
水肥一体化技术在国外已普遍使用到农业生产中，如以色列、美国、欧洲、澳大利亚等国家。采用水肥一体化技术控制肥水施用量，可减少了肥料和水资源的浪费。
以色列对该项技术研究较早，目前其农业的各个领域，特别是在沙漠农业上广泛采用了智能水肥一体化设备，其技术位居世界第一。
荷兰采用大型智能滴灌水肥一体化系统用于花卉、苗木培育，且以规模化连栋温室为主。经过多年技术积累，形成了不同作物配套的自动化的生产管理系统。
２．２ 国内应用情况
２０世纪９０年代中期以来，国内水肥一体化技术理论和应用得到了广泛重视。目前已完成试验示范阶段发展到规模应用阶段历程，应用范围涵盖了果树、花卉、苗木、蔬菜等经济作物。
应用中采用的技术设施规模不大且智能化不高，多以单栋日光温室或单栋塑料大棚种植为主。采用的设备有压差施肥罐、文丘里管、注肥泵等。大规模连栋温室生产试验示范区多是引进国外成套的智能滴灌肥水一体化系统。
在设备的研制方面，硬件设计如灌溉设备、施肥设备、过滤设备多仿制国外，在控制系统和配肥算法方面研究不够深入，存在配肥精度低、稳定性差、控制准确性差等问题。在成套设备特别是在控制软件，智能化方面研究方面还不够成熟。
３ 智能滴灌肥水一体化系统优点
３．１ 节约水资源
通过管道和滴灌器，将水分及肥料定时定量、直接提供给作物根系土壤区。管道输送能够有效防止水肥径流，并且渗漏量和蒸发量均较小从而达到节水节肥的效果。
３．２ 提高肥料利用率
滴灌施肥将水肥直接输送到根系区域，减少了水肥浪费，节省了肥料的成本。
３．３ 节省劳力
借助压力系统进行智能灌水施肥，所有操作都是按预先设定的程序进行，省工省力。
３．４ 减少病虫害发生
温度、湿度传感器实时监测并调节苗木适应的环境温度、湿度，使作物生长更为健康，有效提高了抗病虫害的能力。
３．５ 环保
采用智能滴灌设施可使土壤保持松散，避免土壤板结和地下水资源污染。
３．６ 实现精准灌溉
结合计算机技术，物联网技术，利用传感器实时监控土壤湿度、温度及肥料指标等数据，根据苗木的需肥需水特点、土壤环境和养分含量状况、制定出相应供水施肥方案，由电脑决策，控制滴灌设施进行滴灌，实现水肥一体化的准确灌溉控制。
４ 林业育苗采用智能滴灌肥水一体化技术的必要性
林业部门在植树造林、苗木培育方面同样面临供施肥等问题，尤其每年需要大量的优质树苗以满足造林绿化的需要，因而将智能滴灌水肥一体化技术与林业苗木培育相结合，行成工厂化的规模育苗具有十分重要的意义。
５ 总体设计方案
智能滴灌水肥一体化系统结构图：
图１ 智能滴灌水肥一体化系统结构示意图
图 ２ 智能滴灌水肥一体化调控系统示意图
智能滴灌水肥一体化系统由３大部分组成：灌溉施肥设施、传感器装置、控制中心，分别介绍如下。
５．１ 灌溉施肥设施
５．１．１ 蓄水设施及输配电工程 滴灌设施的水源取自河流、湖泊、地下水等，需经过沉淀过滤其杂质以防灌水器堵塞。
５．１．２ 施肥、施药装置 施肥、施药装置 用于向压力管道注入可溶性肥料或农药溶液体。装置设备布局使用期须注意以下几点：
（１ ）肥（药）液先应过滤器之后再进入灌溉管道，防止管道及滴灌器堵塞。
（２ ）为防止设备被腐蚀，在完成肥水浇灌后，程序设计上应执行自动冲洗系统内部残留操作。
（３ ）逆止阀应安装在化肥液管道注入口处与水源之间，以免肥（药）液流进水源。
５．１．３ 水泵控制设施 水泵及比例施肥泵开合均由安装的电磁阀执行，电磁阀可无线接收系统发出的指令，控制相应水泵的开闭。
５．１．４ 过滤防护设施 为防止滴灌器堵塞，在水泵、配肥泵、水肥混合储罐出水管道出口处均需配备过滤网，在水肥混合储罐出口管道安装出气阀以提高供水效率。
５．１．５ 滴灌器控制 电脑根据土壤温度传感器、湿度传感器和管道流量传感器采集到的数据，与系统预存的数据对比作出决策，以无线方式发出指令，控制滴灌器电磁阀门的开或关。
５．２ 传感器装置
为监测系统总体的运行状况，设置传感器有：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、ＰＨ 传感器。
检测数据实时无线传输到控制中心，以便电脑将获取的数据与预存的数据进行分析对照，在专家系统软件模块中作出合理的决策。
５．３ 控制中心
５．３．１ 控制器硬件部分 控制核心部件采用意法半导体集团推出的 ＳＴＭ３２芯片系列。ＳＴＭ３２是基于ＡＲＭＣｏｒｔｅｘＭ 处理器内核的 ３２ 位 闪存微控制器，ＳＴＭ３２ＭＣＵ 具有高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压、高集成度和开发简易的特点。
核心控制器主要模块有：ＳＤ 卡储存、人机交互、以太网接口拓展、 ＡＩ接口、以及 ＤＯ接口等。
（１ ） ＳＤ卡储存模块：ＳＤ卡利用ＳＤＩＯ 接口连接，可实现系统数据收集与储存功能。
（２ ）人机交互接口模块：可采用工业串口屏。核心控制器与触摸屏交互功能依托 ＲＳ２３２工作接口实现，可提供数据显示、参数设置、系统状态显示等。接口需引入 ＭＡＸ２３２电平转换模块。
（３ ） ＡＩ输入功能模块：系统 ＡＩ输入功能需利用ＳＰＩ 接口控制、 ＡＤＣ 模数转换器采集芯片实现。肥液ＥＣ 、 ＰＨ 传感器、流量传感器，温度湿度传感器采集的模拟数据，需经 ＡＤＣ模数转换为数据信号，由 ＡＩ接口模块输入，实现对肥液ＥＣ 、 ＰＨ 参数检测、管道压力检测等工作。
（４ ） ＤＯ接口模块：提供相应数字控制信号，与智能滴灌系统中功率继电器装置相连。功率继电器需利用ＵＬＮ２８０３ 功率驱动器与 ＧＰＩＯ 配合实现对继电器组工作模块的控制，控制对象为电磁阀及灌溉泵等。实现各功能模块接口电路设计需查阅具体选用的ＳＴＭ３２ 芯片型号对应的参数手册。
５．３．２ 控制器软件 软件系统设计要求：
（１ ）用户能登录系统平台，可查看监测设备监测到的当前数据和历史数据。
（２ ）设计相应设备控制按钮，使生产管理变得更加自动化、智能化。
（３ ）支持用户对控制参数的输入设置，支持各模式选择。设置包括：肥液配方号及方案、 ＥＣ 设定值、ＥＣ 上限值、 ＥＣ 下限值、肥液比例等参数。
（４ ）提供专家系统软件模块。
５．３．３ 管理软件界面 基于ＳＴＭ３２多功能强大、丰富的接口，加上配套的开发软件系统，可以方便地根据机电，土壤、植物等专家的要求，编制便于系统运行管理的软件系统。以下提出软件通常需具备的功能模块以供参考：
（１ ）电脑开机首页：首页画面由编号区、视频区、终端设备控制区及数据展示区组成。点击编号区，视频区会显示相应区的监控画面，数据区同步显示相应的数据及设备状态。
（２ ）终端设备控制区：智能控制模式一：电脑及时读取各传感器传回的数据，与预先设置于电脑中的参数比较，按照专家系统提供的建议采取相应的灌溉施肥模式。在智能模式运行过程中，电脑会及时巡回监测土壤的各参数指标，如ＦＤＳ土壤水分值、ＥＣ值、ｐＨ值，随时与专家系统设置的数据比较，自动决定灌溉施肥的时间和方式。智能控制模式二：分限时浇水、定时浇水和限时自动浇水模式。
手动控制：点击手控按钮可控制主水泵开关、滴灌区控制箱继电器开关 ．数据区同步显示主水泵、控制箱数据及状态。
（３ ）专家系统：专家系统是依据种植专家的要求形成的指标数据库。进入可查看土壤湿度、土壤温度、 ＥＣ值和 ｐＨ 值等建议值。
６ 总结
智能滴灌肥水一体化系统提供了定时、限时、限时自动施肥浇水等模式。
系统能够接收电脑发出的指令，远程开启或关闭相关的电磁阀门。配合各传感器数据能自主决策灌溉、施肥的模式 实现智能灌溉。
采用 ＳＴＭ３２模块的智能水肥一体化系统，可实现智能滴灌育苗的相关操作，在林业育苗领域值得推广应用。
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