為確?？沙掷m(xù)的未來并對(duì)抗食物短缺，我們必須提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，增強(qiáng)氣候韌性并優(yōu)化資源使用。在農(nóng)業(yè)中，尚未充分利用的密集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在與智能決策和控制系統(tǒng)連接時(shí)增加產(chǎn)量并支持韌性生產(chǎn)。

傳感器技術(shù)已迅速發(fā)展，現(xiàn)在在消費(fèi)電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，它們?cè)谵r(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展較慢。即使在現(xiàn)代溫室園藝中，每約1000平方米也通常只有一個(gè)傳感器盒，用來測(cè)量溫度、濕度、CO2濃度和輻射度等環(huán)境參數(shù)。采用密集的農(nóng)業(yè)傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)可以顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率和氣候韌性，同時(shí)也減少排放和自然資源的使用。這些傳感器網(wǎng)絡(luò)，被稱為植物互聯(lián)網(wǎng)(IoP)，可以作為農(nóng)民的眼睛、鼻子和觸覺，能夠測(cè)量人類無法檢測(cè)的參數(shù)（圖1）。功能性的IoP傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠以高空間和時(shí)間分辨率感知各種環(huán)境參數(shù)并監(jiān)測(cè)植物生理。通過將IoP網(wǎng)絡(luò)與控制植物氣候、灌溉和營(yíng)養(yǎng)的系統(tǒng)相結(jié)合，它們可以為農(nóng)民提供有價(jià)值的見解、可行的建議，甚至實(shí)現(xiàn)自主的作物管理。為了使IoP網(wǎng)絡(luò)得到廣泛的采納，它們需要具有低成本、易于實(shí)施、穩(wěn)健和有效性。然而，證明它們的有效性既耗時(shí)又困難，這也許可以解釋它們的慢速采納率。在這里，我們展望IoP的未來，并討論實(shí)施過程中的挑戰(zhàn)。

植物的生長(zhǎng)受環(huán)境強(qiáng)烈影響，對(duì)環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確、高分辨率信息對(duì)于預(yù)測(cè)和管理生物量生產(chǎn)至關(guān)重要。氣象傳感器測(cè)量氣壓、溫度、輻射和濕度，因?yàn)樗鼈儽患稍谝苿?dòng)設(shè)備中所以成本低廉（約每個(gè)傳感器1歐元）。用于測(cè)量CO2水平和揮發(fā)性有機(jī)化合物的氣體傳感器也逐漸普及，成本稍高（約每個(gè)傳感器10歐元），主要用于室內(nèi)氣候控制。為評(píng)估植被層內(nèi)的氣流速率，可以使用中等成本的風(fēng)速儀。同樣，通過使用電氣、重力和微波技術(shù)的土壤濕度傳感器可以評(píng)估根生長(zhǎng)介質(zhì)。導(dǎo)電和光學(xué)技術(shù)可以提供關(guān)于土壤pH值和離子成分的見解。盡管有各種各樣的傳感器技術(shù)可以滿足植物傳感網(wǎng)絡(luò)的需求，但要確?？煽康牟僮魍瑫r(shí)保持足夠低的成本仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

人類健康傳感器的進(jìn)步，例如測(cè)量各種生命體征的智能手表，已經(jīng)促進(jìn)了更健康的生活方式。同樣，農(nóng)業(yè)中新興的植物生理傳感器有潛力徹底改變作物生產(chǎn)。這些傳感器，一旦完全開發(fā)和實(shí)施，可以為作物對(duì)環(huán)境的反應(yīng)提供實(shí)時(shí)見解，檢測(cè)減少生長(zhǎng)的應(yīng)激因子。目前的作物監(jiān)測(cè)傳感器的例子包括重量測(cè)量設(shè)備、用于評(píng)估植物蒸騰的汁液流動(dòng)傳感器、莖直徑傳感器、多光譜攝像機(jī)和葉綠素?zé)晒夥治鲈O(shè)備。電生理和超聲波傳感器正在出現(xiàn)，用于表征植物健康并檢測(cè)生物和非生物應(yīng)激?？梢孕嵊X或品嘗疾病、昆蟲侵害和/或植物防御化學(xué)品的電子鼻子有可能增強(qiáng)食品安全，尤其是由于氣候變化導(dǎo)致的極端天氣事件的增加可能會(huì)放大農(nóng)業(yè)害蟲。

實(shí)現(xiàn)高空間分辨率對(duì)于準(zhǔn)確表示田間變化條件至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)，安裝和操作的簡(jiǎn)便性是關(guān)鍵。理想情況下，傳感器模塊應(yīng)該能夠自主運(yùn)行并通過無線方式通信，使用低功耗電子設(shè)備，由電池供電，能量采集模塊可以使用太陽(yáng)能或基于植物衍生的電化學(xué)能量的更先進(jìn)的方法。IoP網(wǎng)絡(luò)可以使用為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的通信技術(shù)和天線，并且可能還會(huì)從協(xié)同優(yōu)勢(shì)中受益，例如使用植物本身作為天線的一部分。在田間安裝傳感器模塊而不干擾正常的農(nóng)業(yè)操作是具有挑戰(zhàn)性的。可能的解決方案包括在作物附近安裝專用帖子，將傳感器模塊附加到作物本身，甚至開發(fā)可生物降解的傳感器模塊，在收獲后處理。目前，溫室或垂直農(nóng)場(chǎng)環(huán)境為實(shí)施此類傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了最有利的條件。

另一種新興的方法是使用裝有傳感器的移動(dòng)機(jī)器人或無人機(jī)進(jìn)行作物監(jiān)測(cè)。這種方法需要較少的傳感器，允許更高的傳感器成本和較低的安裝費(fèi)用。然而，這種方法可能不適合需要直接安裝在植物上的傳感器，例如汁液流量計(jì)，并可能由于采樣頻率降低導(dǎo)致數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率降低。

開發(fā)一個(gè)連續(xù)測(cè)量各種環(huán)境和與植物相關(guān)參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)本身就是具有挑戰(zhàn)性的。另一個(gè)值得注意的困難在于有效地使用這些信息來增加作物產(chǎn)量。為了解決這個(gè)挑戰(zhàn)，需要增加植物科學(xué)家、農(nóng)民、電氣工程師和傳感器專家之間的合作。應(yīng)該鼓勵(lì)像4TU Plantenna項(xiàng)目這樣的項(xiàng)目來促進(jìn)這種合作。鑒于基因型和環(huán)境之間的相互作用的復(fù)雜性，預(yù)測(cè)環(huán)境參數(shù)和植物生長(zhǎng)之間的確切關(guān)系是具有挑戰(zhàn)性的。因此，需要使用密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合研究。這樣的研究將確定各種傳感器的預(yù)測(cè)價(jià)值，使傳感器技術(shù)人員能夠?qū)Ｗ⒂谶M(jìn)一步開發(fā)最有用的農(nóng)業(yè)傳感器。

另一個(gè)復(fù)雜的問題是如何使用IoP傳感器數(shù)據(jù)來優(yōu)化作物生長(zhǎng)條件，并以經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)的方式最大化產(chǎn)量。這個(gè)問題可以通過IoP研究來解決，這些研究涉及先進(jìn)的植物生長(zhǎng)模型的開發(fā)，包括使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法。這些問題的答案將取決于植物生理學(xué)、傳感器成本和類型，但也取決于優(yōu)化生長(zhǎng)條件的控制參數(shù)。

在未來幾十年里，我們預(yù)計(jì)在農(nóng)業(yè)中將逐漸實(shí)現(xiàn)各種IoP網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施。傳感器技術(shù)將經(jīng)歷成熟和徹底的測(cè)試，經(jīng)歷一個(gè)進(jìn)化過程，在這個(gè)過程中，提供最有價(jià)值數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)傳感器將存活并進(jìn)化。知識(shí)和技術(shù)將不斷發(fā)展，需要集成多個(gè)傳感器與控制策略，使得精確的植物數(shù)據(jù)能夠以優(yōu)化作物產(chǎn)量的分辨率進(jìn)行收集。最終，這些進(jìn)步將導(dǎo)致根據(jù)用戶需求量身定制的農(nóng)業(yè)傳感器解決方案。這些集體努力將大大增加農(nóng)業(yè)中傳感器的應(yīng)用，確保在21世紀(jì)及以后實(shí)現(xiàn)可靠和可持續(xù)的食品生產(chǎn)。