摘要：WANG Rujing. Agricultural Sensor: Research Progress, Challenges and Perspectives[J]. Smart Agriculture, 2024, 6(1): 1-17.

本文节选自：

王儒敬. 农业传感器：研究进展、挑战与展望[J]. 智慧农业(中英文), 2024, 6(1): 1-17.

WANG Rujing. Agricultural Sensor: Research Progress, Challenges and Perspectives[J]. Smart Agriculture, 2024, 6(1): 1-17.

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动植物生命信息传感器研究进展

动植物生命信息传感器是利用信息感知技术获取农业类动植物的各项生命体征、生理生化、行为动作等信息，并按照一定规律转换成可识别信号，对目标生物进行信息感知、识别动植物状况的一种装置。相对于农业环境传感器，动植物生命信息传感器起步较晚，除了耳标、图像等传感器进入产业化被广泛使用，其余种类的传感器在农业生产端应用进展较慢。依据传感器监测动植物对象的位置可分为非接触式动植物生命信息传感器、可穿戴式动植物生命信息传感器与植入式体内动植物生命信息传感器。

1 动物生命信息传感器

动物生命信息传感器主要用于监测动物的生长运动状态（体型、体重、叫声、运动轨迹和采食量等）、生理参数（体温、呼吸频率和血压等）及生化参数（激素水平和血糖等）。常见的包括：心率传感器、体温传感器、定位传感器、运动监测传感器（如步数计数器、加速度传感器等）、睡眠监测传感器和呼吸监测传感器等。

数字表型阅读器是一种典型的多指标动物生命信息检测传感器，可以收集和传递特定的指标，如体温、心血管功能水平、活动水平和社交行为等。Neethirajan和Kemp使用多模态传感器技术在农场上收集了大量的动物数据，通过皮肤/体表温度测量、心血管健康监测、出汗率和成分分析、饮食健康评估、呼吸健康监测、睡眠质量和活动监测等模态技术实现监测动物的活动、养殖条件、饲料摄入量和健康状况，能够对动物状况实时、连续评估。未来的研究应该为数字表型选项设计提供依据，为农民提供可靠、稳健的信息，长期目标是建立共享的数据标准和存储。

声学检测是一种简单有效的非接触式判断动物健康状况的方法。Li等通过在聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）基底上加载还原氧化石墨烯（reduced Graphene Oxide, rGO）薄膜开发了一种基于裂纹的应变传感器，rGO传感器具有方向性，因此该传感器具有良好的抗干扰能力，在110~5 000 Hz的宽频率范围内具有较高的灵敏度，将rGO传感器应用于猪的声音识别，测量结果与原始音频吻合较好，实现对养殖场猪健康状况的实时监控和早期预警。Yin等开发了一种基于微调AlexNet模型和频谱图特征以及概率神经网络的猪咳嗽声分类算法，总体识别准确率分别达到96.8%。Zhao等基于深度神经网络-隐马尔可夫模型构建连续猪咳嗽声音识别的声学模型，通过基于小波阈值的多窗谱Wiener算法消除连续猪声中的噪声，从去噪后的连续猪声中获得实验语料库，平均词错误率为8.03%，具有极高的稳定性和可靠性。

动物糖尿病影响动物生活质量与养殖场财产安全，兽医通常通过测量血糖水平和其他相关的生化指标来确定动物是否患有糖尿病。Gough等开发出一种能够通过无线遥测技术长期监测动物组织内葡萄糖浓度的植入式传感器，在猪的皮下组织中植入传感器遥测系统实现长期的组织葡萄糖监测。这些实验结果以及从动物实验中获得的对传感器功能的理解为向人类临床研究的转化提供了基础。

近年来，科研人员不断改进动物生命信息传感器的设计和性能，使其能够更全面地识别和监测各种动物的生理状态。动物生命信息传感器在取得显著进展的同时，也面临一些问题和挑战，包括专用养殖动物生命传感器缺乏、传感器准确性不高、动物适应性差，以及部分传感器的制造和维护成本高等。因此，未来研究动物生命指标传感器首要目标在于各类专用动物生命传感器的研制与突破，其次集中提升传感器的准确性和适用性，探索自供能技术、多模态传感器融合，以及智能化数据处理算法。重点关注实时监测系统的建立、数据隐私和伦理问题的考虑，促进动物生命信息传感器大规模应用和标准化，同时推动跨学科合作，以全面推动动物健康监测技术的创新和发展。

2 植物生命信息传感器

植物生命信息传感器是一种用于监测植物生长状态和健康的设备，这些传感器可以测量多种植物参数，如叶片可挥发性有机化合物、叶片表面温湿度及植物激素等，用以评估植物的生理状况。植物表型的多样性使得植物个体生理特征测量具有较大需求。

柔性可穿戴植物传感器是一种新型传感器技术，专用于监测和收集植物生长数据，具有柔性设计、多参数感知、实时监测、无创等特点。由于刚性传感器与柔软、脆弱且弯曲的植物表面不匹配，传统硅基传感器技术难以对植物内部生理状态进行连续实时监测。Chai等报道了首个柔性电子传感装置，该装置具有薄、柔软、轻便、透气、透光等特征，可以无害地与植物共存，并连续监测其茎液流，进而分析植物健康，生长状态，水分消耗、营养物质的分布和运输的关键植物生理特征。Qu等介绍了一种基于液态金属的植物电子文身，通过可溶性静电纺丝膜实现双面导电，有效解决了电子器件刚性界面与静止植物表面不匹配的问题，实现无害地连续监测水分含量和植物电信号，对于深入了解植物的干旱适应机制和开发抗旱品种具有重要意义。当植物叶片气孔打开时，水蒸气从叶片中逸出，增加了叶片表面的局部湿度。因此，通过在不同叶片上安装多个相对湿度传感器可以动态监测叶片表面的相对湿度变化，跟踪叶片发生大量失水的关键时间点，从而量化通过木质部从根部到每片被测叶片的水分运输时间。

植物生长的精确定量测量是理解植物生长调控机制的基础。植物生长是一个高度动态的过程，可以在几秒钟内开始或停止，但由于现有的传感器分辨率不足，因此能够提供的动态生长信息很少。Tang等研发了一种用于可穿戴的低成本高灵敏度应变传感器，可以评估从纳米级到厘米级的植物生长信息。在对茄子和西葫芦的监测中捕捉到了果实节律性生长模式的证据，决定系数为0.989。石墨和碳纳米管传感器是一种对用户友好的可穿戴应变传感器，并能够实时无损测量植物生长。Oren等制造了一种胶带式石墨烯相对湿度传感器，可用于估算植物体内水分从根部向上部和下部叶片移动所需时间。该传感器通过使用独特的“滴铸-干燥-粘贴-剥离”方法在PDMS基底表面创建石墨烯图案，随后通过易于实现的“粘贴-转移”过程将生成的石墨烯图案转移到最终的粘胶带上，测得石墨烯图案的特征尺寸小至几微米。

高通量表型分析技术在揭示植物关键性状并在育种方面发挥重要作用。在众多的植物表型分析方法中，高光谱成像和三维激光传感器是发展快、前途广的方法。目前已有多种类型的高光谱成像和三维激光传感器可供使用，同样的传感器可以在不同的平台上以不同的方式进行设置和校准，以测量不同的植物参数，并对可能对植物发育、营养、健康和疾病提供信息的特征进行分类，表面和体积的三维重建可以实现功能和机理分析。

植物生命指标传感器具备实时监测植物生理状态和生长状况的能力，为智慧农业和生态环境检测等领域提供了强大支持。然而，目前大多数植物传感器仍停留在实验室阶段，且其供电系统尚未完全实现柔性化和微型化，严重限制了植物柔性传感器的应用场景。植物的生长发育受到多种因素的影响，多指标检测通常需要整合和叠加多个检测元件，因此抗信号串扰、实现准确测量是亟待解决的问题。此外，传感器材料或渗出的化学物质可能对植物生长发育产生影响。植物的快速生长也可能导致传感器失配，这些都是植物生命指标传感器应用所面临的挑战。针对这些问题，后续研究应重点关注优选材料、优化传感器制备工艺和适合的传感器结构设计。

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来源：智慧农业资讯