科技前沿 | 【Nature】农业传感器：构建植物互联网时代

发布时间：2025年3月24日— —北京谦益得科技有限公司

为确保可持续的未来并对抗食物短缺，我们必须提高农业生产力，增强气候韧性并优化资源使用。在农业中，尚未充分利用的密集无线传感器网络可以在与智能决策和控制系统连接时增加产量并支持韧性生产。

传感器技术已迅速发展，现在在消费电子产品中得到了广泛的应用。然而，它们在农业中的应用进展较慢。即使在现代温室园艺中，每约1000平方米也通常只有一个传感器盒，用来测量温度、湿度、CO2浓度和辐射度等环境参数。采用密集的农业传感器和执行器网络可以显著提高农业生产率和气候韧性，同时也减少排放和自然资源的使用。这些传感器网络，被称为植物互联网(IoP)，可以作为农民的眼睛、鼻子和触觉，能够测量人类无法检测的参数（图1）。功能性的IoP传感器网络必须能够以高空间和时间分辨率感知各种环境参数并监测植物生理。通过将IoP网络与控制植物气候、灌溉和营养的系统相结合，它们可以为农民提供有价值的见解、可行的建议，甚至实现自主的作物管理。为了使IoP网络得到广泛的采纳，它们需要具有低成本、易于实施、稳健和有效性。然而，证明它们的有效性既耗时又困难，这也许可以解释它们的慢速采纳率。在这里，我们展望IoP的未来，并讨论实施过程中的挑战。

感知环境参数

植物的生长受环境强烈影响，对环境参数的准确、高分辨率信息对于预测和管理生物量生产至关重要。气象传感器测量气压、温度、辐射和湿度，因为它们被集成在移动设备中所以成本低廉（约每个传感器1欧元）。用于测量CO2水平和挥发性有机化合物的气体传感器也逐渐普及，成本稍高（约每个传感器10欧元），主要用于室内气候控制。为评估植被层内的气流速率，可以使用中等成本的风速仪。同样，通过使用电气、重力和微波技术的土壤湿度传感器可以评估根生长介质。导电和光学技术可以提供关于土壤pH值和离子成分的见解。尽管有各种各样的传感器技术可以满足植物传感网络的需求，但要确保可靠的操作同时保持足够低的成本仍然是一个挑战。

感知植物生理

人类健康传感器的进步，例如测量各种生命体征的智能手表，已经促进了更健康的生活方式。同样，农业中新兴的植物生理传感器有潜力彻底改变作物生产。这些传感器，一旦完全开发和实施，可以为作物对环境的反应提供实时见解，检测减少生长的应激因子。目前的作物监测传感器的例子包括重量测量设备、用于评估植物蒸腾的汁液流动传感器、茎直径传感器、多光谱摄像机和叶绿素荧光分析设备。电生理和超声波传感器正在出现，用于表征植物健康并检测生物和非生物应激。可以嗅觉或品尝疾病、昆虫侵害和/或植物防御化学品的电子鼻子有可能增强食品安全，尤其是由于气候变化导致的极端天气事件的增加可能会放大农业害虫。

无线传感器网络

实现高空间分辨率对于准确表示田间变化条件至关重要。为了实现密集的传感器网络，安装和操作的简便性是关键。理想情况下，传感器模块应该能够自主运行并通过无线方式通信，使用低功耗电子设备，由电池供电，能量采集模块可以使用太阳能或基于植物衍生的电化学能量的更先进的方法。IoP网络可以使用为物联网应用设计的通信技术和天线，并且可能还会从协同优势中受益，例如使用植物本身作为天线的一部分。在田间安装传感器模块而不干扰正常的农业操作是具有挑战性的。可能的解决方案包括在作物附近安装专用帖子，将传感器模块附加到作物本身，甚至开发可生物降解的传感器模块，在收获后处理。目前，温室或垂直农场环境为实施此类传感器网络提供了最有利的条件。另一种新兴的方法是使用装有传感器的移动机器人或无人机进行作物监测。这种方法需要较少的传感器，允许更高的传感器成本和较低的安装费用。然而，这种方法可能不适合需要直接安装在植物上的传感器，例如汁液流量计，并可能由于采样频率降低导致数据的时间分辨率降低。

IoP的可行实施

开发一个连续测量各种环境和与植物相关参数的网络本身就是具有挑战性的。另一个值得注意的困难在于有效地使用这些信息来增加作物产量。为了解决这个挑战，需要增加植物科学家、农民、电气工程师和传感器专家之间的合作。应该鼓励像4TU Plantenna项目这样的项目来促进这种合作。鉴于基因型和环境之间的相互作用的复杂性，预测环境参数和植物生长之间的确切关系是具有挑战性的。因此，需要使用密集的传感器网络进行综合研究。这样的研究将确定各种传感器的预测价值，使传感器技术人员能够专注于进一步开发最有用的农业传感器。另一个复杂的问题是如何使用IoP传感器数据来优化作物生长条件，并以经济和环境可持续的方式最大化产量。这个问题可以通过IoP研究来解决，这些研究涉及先进的植物生长模型的开发，包括使用机器学习方法。这些问题的答案将取决于植物生理学、传感器成本和类型，但也取决于优化生长条件的控制参数。

展望

在未来几十年里，我们预计在农业中将逐渐实现各种IoP网络的实施。传感器技术将经历成熟和彻底的测试，经历一个进化过程，在这个过程中，提供最有价值数据的农业传感器将存活并进化。知识和技术将不断发展，需要集成多个传感器与控制策略，使得精确的植物数据能够以优化作物产量的分辨率进行收集。最终，这些进步将导致根据用户需求量身定制的农业传感器解决方案。这些集体努力将大大增加农业中传感器的应用，确保在21世纪及以后实现可靠和可持续的食品生产。
 

文章来源于：农业科技侠数字与智慧农业

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