為確保可持續的未來并對抗食物短缺，我們必須提高農業生產力，增強氣候韌性并優化資源使用。在農業中，尚未充分利用的密集無線傳感器網絡可以在與智能決策和控制系統連接時增加產量并支持韌性生產。

傳感器技術已迅速發展，現在在消費電子產品中得到了廣泛的應用。然而，它們在農業中的應用進展較慢。即使在現代溫室園藝中，每約1000平方米也通常只有一個傳感器盒，用來測量溫度、濕度、CO2濃度和輻射度等環境參數。采用密集的農業傳感器和執行器網絡可以顯著提高農業生產率和氣候韌性，同時也減少排放和自然資源的使用。這些傳感器網絡，被稱為植物互聯網(IoP)，可以作為農民的眼睛、鼻子和觸覺，能夠測量人類無法檢測的參數（圖1）。功能性的IoP傳感器網絡必須能夠以高空間和時間分辨率感知各種環境參數并監測植物生理。通過將IoP網絡與控制植物氣候、灌溉和營養的系統相結合，它們可以為農民提供有價值的見解、可行的建議，甚至實現自主的作物管理。為了使IoP網絡得到廣泛的采納，它們需要具有低成本、易于實施、穩健和有效性。然而，證明它們的有效性既耗時又困難，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，并討論實施過程中的挑戰。

植物的生長受環境強烈影響，對環境參數的準確、高分辨率信息對于預測和管理生物量生產至關重要。氣象傳感器測量氣壓、溫度、輻射和濕度，因為它們被集成在移動設備中所以成本低廉（約每個傳感器1歐元）。用于測量CO2水平和揮發性有機化合物的氣體傳感器也逐漸普及，成本稍高（約每個傳感器10歐元），主要用于室內氣候控制。為評估植被層內的氣流速率，可以使用中等成本的風速儀。同樣，通過使用電氣、重力和微波技術的土壤濕度傳感器可以評估根生長介質。導電和光學技術可以提供關于土壤pH值和離子成分的見解。盡管有各種各樣的傳感器技術可以滿足植物傳感網絡的需求，但要確?？煽康牟僮魍瑫r保持足夠低的成本仍然是一個挑戰。

人類健康傳感器的進步，例如測量各種生命體征的智能手表，已經促進了更健康的生活方式。同樣，農業中新興的植物生理傳感器有潛力徹底改變作物生產。這些傳感器，一旦完全開發和實施，可以為作物對環境的反應提供實時見解，檢測減少生長的應激因子。目前的作物監測傳感器的例子包括重量測量設備、用于評估植物蒸騰的汁液流動傳感器、莖直徑傳感器、多光譜攝像機和葉綠素熒光分析設備。電生理和超聲波傳感器正在出現，用于表征植物健康并檢測生物和非生物應激?？梢孕嵊X或品嘗疾病、昆蟲侵害和/或植物防御化學品的電子鼻子有可能增強食品安全，尤其是由于氣候變化導致的極端天氣事件的增加可能會放大農業害蟲。

實現高空間分辨率對于準確表示田間變化條件至關重要。為了實現密集的傳感器網絡，安裝和操作的簡便性是關鍵。理想情況下，傳感器模塊應該能夠自主運行并通過無線方式通信，使用低功耗電子設備，由電池供電，能量采集模塊可以使用太陽能或基于植物衍生的電化學能量的更先進的方法。IoP網絡可以使用為物聯網應用設計的通信技術和天線，并且可能還會從協同優勢中受益，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業操作是具有挑戰性的?？赡艿慕鉀Q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，溫室或垂直農場環境為實施此類傳感器網絡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機器人或無人機進行作物監測。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，并可能由于采樣頻率降低導致數據的時間分辨率降低。

開發一個連續測量各種環境和與植物相關參數的網絡本身就是具有挑戰性的。另一個值得注意的困難在于有效地使用這些信息來增加作物產量。為了解決這個挑戰，需要增加植物科學家、農民、電氣工程師和傳感器專家之間的合作。應該鼓勵像4TU Plantenna項目這樣的項目來促進這種合作。鑒于基因型和環境之間的相互作用的復雜性，預測環境參數和植物生長之間的確切關系是具有挑戰性的。因此，需要使用密集的傳感器網絡進行綜合研究。這樣的研究將確定各種傳感器的預測價值，使傳感器技術人員能夠專注于進一步開發最有用的農業傳感器。

另一個復雜的問題是如何使用IoP傳感器數據來優化作物生長條件，并以經濟和環境可持續的方式最大化產量。這個問題可以通過IoP研究來解決，這些研究涉及先進的植物生長模型的開發，包括使用機器學習方法。這些問題的答案將取決于植物生理學、傳感器成本和類型，但也取決于優化生長條件的控制參數。

在未來幾十年里，我們預計在農業中將逐漸實現各種IoP網絡的實施。傳感器技術將經歷成熟和徹底的測試，經歷一個進化過程，在這個過程中，提供最有價值數據的農業傳感器將存活并進化。知識和技術將不斷發展，需要集成多個傳感器與控制策略，使得精確的植物數據能夠以優化作物產量的分辨率進行收集。最終，這些進步將導致根據用戶需求量身定制的農業傳感器解決方案。這些集體努力將大大增加農業中傳感器的應用，確保在21世紀及以后實現可靠和可持續的食品生產。