摘要：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.
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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农业水体传感器和农业气体传感器
1 农业水体传感器
农业水体传感器主要用于农业场景各类水体信息监测，监测对象包括大田灌溉用水、设施农业肥水、稻田水、水产养殖水体、牲畜饲养水体、面源污染水体等，主要监测水中总氮总磷、可溶性无机盐、微生物、污染物、溶解氧等指标。
氮是所有动植物生长的基本元素，是蛋白质供应的主要成分。为了现场、精准、快速获取水肥系统中养分离子含量，张俊卿等研究设计了一套针对水肥溶液与浇灌尾水中K+343-等四种养分离子的快检装置。该装置结合了毛细管电泳技术和电容耦合非接触电导检测技术，在10 min 内即可完成单个指标检测，为水肥系统的养分离子检测提供了新的方法与装置。然而，如果水中的硝酸盐浓度超过一定的阈值，会危害农业生产和人体健康。水体中NO3-N浓度过高会刺激有害藻类和水生植物的生长，改变水体的pH并造成较低的氧浓度，影响鱼类等水生生物正常生长。Alahi等开发了一种可作为独立设备现场使用的便携式水中的硝酸盐浓度传感系统，采用电化学阻抗谱技术，通过评估浸泡在地表水样品中的叉指换能器读取的阻抗变化来检测和显示硝酸盐浓度，该系统能够测量水中0.01~0.5 mg/L范围内的硝酸盐浓度。Zhang等以聚吡咯聚合物为膜材料的硝酸盐离子选择性电极作为传感单元，用于低成本、快速的硝酸盐污染检测，在10-4~10-1mol/L的硝酸盐浓度范围内。有机磷农药在工业和农业中的广泛使用造成了生态系统和水的污染。Bahamon-Pinzon等研究了一种对草甘膦具有较高分析灵敏度的电化学传感器，用于环境水样中有机磷农药的安培法测定。该传感器由激光刻写的铜纳米颗粒修饰的石墨烯电极组成，对草甘膦的检测限为3.42 ± 1.69 μM，且不受天然水样中常见离子和有机分子的干扰影响。Jang等利用MEMS技术，基于电化学原理工作研制了专门用于测量磷酸盐水平、氧化还原电位、选择性离子测量（如硝酸盐和pH）以及使用环保材料（如铋，而非汞）测量重金属浓度的传感器。
对于水产养殖溶解氧监测传感器，Lin等提出了一种新型的无线多传感器系统，将温度、pH、溶解氧和电导率传感器等集成在一起，用于监测淡水养殖的水质，直接获取水位的传感数据和盐度信息，对淡水养殖水质监测具有足够的精度、可靠的置信度和良好的耐受性。顾浩等基于荧光淬灭原理，利用自制备溶氧敏感膜，经激发光照射后产生红色荧光，然后利用光信号敏感器件设计光电转化电路实现光信号感知；再以STM32F103微处理器作为主控芯片，利用相敏检波原理以及快速傅里叶变换计算激发光与参照光的相位差，进而转化为溶解氧浓度，实现溶解氧的测量，测量范围是0~20 mg/L，响应延迟小于2 s。
农业水体传感器的发展与应用同样存在一些问题。一是农业水体传感器需要具有环境适应性。农业水体环境复杂多变，水质、温度、压力、流速等多个因素影响水分传感器的精度，传感器设计需要克服干扰因素和提高传感器的精准度，增加了研发的难度；二是农业水体传感器可靠性要求更高。农业水体传感器需要长期浸泡在水中进行监测，水体环境温湿度、酸碱度和微生物等会缩短传感器寿命，因此需要具备良好的耐久性和稳定性，这对传感器的材料和结构提出了挑战。针对上述问题，未来农业水体传感器的发展应结合传感技术、材料科学、水质学等领域的专业知识，不断改进传感器的设计和性能，研发方向应更专注于微型化和智能化，通过与计算机、物联网结合，实现水体环境信息的实时监测与自动诊定，以满足农业水体监测和管理的需求。
2 农业气体传感器
农业气体传感器主要用于农业场景各类气体信息的监测，常见的检测对象包括与农业生产相关的二氧化碳（CO24CO2监测可以帮助优化生产环境、提高作物产量和质量、控制温室气体排放、防治病虫害等，促进可持续农业发展。马淑英等设计了基于红外CO222NH3是农业生产中常见的气体，对于畜禽养殖等场所来说，监测NH332424检测可以帮助优化果蔬采摘和储存、调控作物生长、改善贮运管理和防治病虫害，提高农产品的产量和质量。Das等合成了氧化锌（ZnO）纳米晶用作C24242气体中分别表现出27%和92%的高响应。Yang等设计了一种用于快速、便携地检测果实储藏空间中C2H4的光纤传感器，该传感器由一台15 mW@ 365 nm荧光信号激光器组成，以及一个双向光纤系统用于将信号从探头传送至智能手机，搭配一个标记有吡啶的格拉布斯催化剂探针，具有350 ppm的宽线性范围，检测限为0.6 ppm。CH4是一种强效温室气体，对全球气候变化产生重要影响。在农业领域，CH4主要来自于牲畜消化过程、稻田水稻种植和沼气发酵等。实时监测CH4浓度有助于促进农业生产的可持续发展和环境保护。陈友安等设计了一种基于红外光谱吸收的农田CH44传感器为核心，能够在0~5%量程内对CH4浓度进行实时在线精确监测，满足水稻田环境下CH4排放速率及单位面积的排放通量的实时监测。Komarudin等开发了一种基于网络物理系统技术的稻田和湿地的CH44的自动化远程监测。总体来看，农业气体传感器研发正处于快速发展阶段，技术创新和应用拓展并行，智能化和产业化趋势明显，政策支持和市场潜力巨大，未来有望在智慧农业发展中发挥更加关键的作用。但是，灵敏度弱、选择性差、耐久性和稳定性不足，以及成本高等缺陷限制了其广泛应用于实际农业场景。需要改善的方面包括：一是灵敏度和稳定性需要提高。农业生产过程中释放的气体成分复杂，且浓度较低，这就要求传感器必须具有极高的灵敏度以检测到微量的气体，并且在长时间内保持稳定可靠的性能，不受温度、湿度、灰尘等环境因素的影响。二是需要提高响应速度和降低恢复时间。在农业生产过程中，需要传感器能快速响应气体浓度的变化，并迅速恢复到稳定状态，以满足实时监测的需求。三是智能化和网络化水平需提高。随着物联网技术的发展，农业气体传感器需要与智能系统相结合，实现数据的远程传输和处理，以及与其他智能设备的互联互通。同时，气体传感器在保证性能的同时，还需要考虑成本、便携性以及集成性等因素，使传感器能够被广泛接受并在农业领域大规模应用。随着微处理器、信号处理技术等多学科综合技术的发展，智能化、微型化、集成化、多气体同时检测成为气体传感器的重要研究方向；同时，通用化和新材料的研发应用也能够提高传感器性能，拓宽其应用场景和发展领域。
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来源：智慧农业资讯