农业中的传感器:迈向植物互联网


发布时间:

2023-08-08

来源:

本站

作者:

PhenoTrait

近日,Nature子刊《Nature Reviews Methods Primers》刊发了Steeneken等的评论文章“Sensors in Agriculture: Towards an Internet of Plants”,提出了“植物互联网”(Internet of Plants, IoP)这一全新概念。植物表型资讯介绍如下。

 

为了对抗粮食短缺,我们必须提高农业生产力、气候适应性和资源利用效率。农业中密集的无线传感器网络有巨大的开发潜力,如果与智能决策和控制系统结合,可以提高产量并支持可持续发展。传感器技术发展迅速,在消费电子产品中已广泛应用,但在农业领域推广较慢。采用密集的农业传感器和执行器网络可以大幅提升农业生产力和气候适应性,同时降低排放和自然资源消耗。这些传感器网络被称为植物互联网(Internet of Plants, IoP),它们可以像农民的眼睛、鼻子和触觉一样,测量人类无法检测到的参数。IoP能够以高空间和时间分辨率感测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,甚至实现作物自主管理。但要想广泛采用IoP网络,它们需要更低成本、易于实施、稳定和高效。

图1 植物互联网的设想架构

 

感知环境参数:

植物生长受环境影响很大,目前有多种传感器应用于农业,可以测量气压、温度、辐射、湿度、二氧化碳浓度、有机挥发物等环境参数,以及可以评估土壤湿度、pH值和离子组成的传感器。然而,在保持成本低廉的同时,确保可靠运行仍然具有挑战性。

 

感知植物生理:

人类健康传感器的进步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也有可能彻底改变作物生产方式。目前有许多可以监测作物生理水平的传感器技术,如重量测量传感器、树液流量传感器、茎直径测量传感器、多光谱相机和叶绿素荧光测量仪。还有一些新兴的传感器技术,如电生理学和超声波传感器,以及可以检测疾病、害虫和植物防御化学物质的电子鼻。

 

无线传感器网络:

为了实现密集的传感器网络,易于安装和操作是关键。理想情况下,传感器模块应该自主运行并进行无线通信,使用由电池供电及太阳能供电的低功率电子设备,或更先进的电化学技术。在不干扰正常农业操作的情况下,在现场安装传感器模块是一项重要挑战。潜在的解决方案包括在作物附近安装专用的柱子,将传感器模块连接到作物本身,甚至开发可降解传感器模块。目前,温室或垂直农场为实现这种传感器网络提供了最有利的条件。此外,使用配备有传感器的移动机器人和无人机也是一种行之有效的手段。

 

IoP的实现:

一个显著的困难是如何有效利用采集的信息来提高作物产量。为解决这一问题,需要加强植物科学家、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这类项目的发展。鉴于基因型-环境相互作用的复杂性,预测环境参数与植物生长之间的确切关系也具有巨大挑战性。因此,需要利用密集的传感器网络进行全面的研究,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。此外,如何利用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。这一问题可以通过使用机器学习方法开发先进的植物生长模型加以解决。

 

 
来 源

Steeneken, P.G., Kaiser, E., Verbiest, G.J. et al. Sensors in agriculture: towards an Internet of Plants. Nat Rev Methods Primers 3, 60 (2023). https://doi.org/10.1038/s43586-023-00250-x

 
 

编辑

昕哲

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