可穿戴式田间作物生理信息传感器

一、成果概述

Overview

1.1成果总体构成

本成果是课题"天空地一体化"监测体系中的"地"层感知装备，由"传感器—节点—网关—云端—终端"五部分组成：在感知端，针对新疆特色优势作物棉花研制了可穿戴式茎流传感器、植物叶面温湿度传感器和作物茎秆直径生长数据监测采集系统 3 套感知装备；在传输端，构建了基于 LoRa 的田间传感器通讯与控制系统，包括传感器节点模块、LoRa 网关、太阳能供电模块、云服务器和微信小程序；在应用端，基于长期原位监测数据建立了棉花全生育期需水规律、"光照—茎流"协同响应的水分胁迫诊断方法、基于 LSTM 的实时需水模型和基于茎流的节水灌溉模型，形成"感知—决策—执行"的闭环。

1.2成果简介

二、成果技术体系构成

Technical Architecture

本成果不是单一传感器，而是"柔性感知器件—田间节点与网关—云端服务—移动终端—作物水分模型"贯通的原位感知技术体系，以数据流为驱动，实现作物生理信息从底层采集、多路汇聚、跨网传输到云端处理和智能服务的全流程协同。

2.1感知层：三类可穿戴作物生理传感器

2.2传输层：田间传感器通讯与控制系统

系统采用"节点—网关—云端—终端"层级化架构。田间低功耗感知节点完成茎流、茎秆生长率等指标同步采样后，以 LoRa 无线扩频方式将报文传至局域网核心网关，再经运营商网络上传云端服务器，由手机端微信小程序和远程显示终端提供查询与服务。选择 LoRa 是为了发挥其传输距离远、功耗低、抗干扰强的优势，适配新疆农田地势开阔、覆盖尺度大且存在环境噪声的场景；田间通讯设备由太阳能板供电。

2.3模型层：棉花水分生理与灌溉决策模型

三、解决的关键瓶颈技术

Bottlenecks Resolved

本成果针对新疆干旱区棉花生产中作物生理信息"测不到、测不准、用不上"的问题开展攻关，形成以下六个方向的实质性进展。每一方向均标注佐证材料来源。

3.1瓶颈一：刚性传感器难以与作物柔软、生长的表面长期贴合

问题实质。常规传感器由无机刚性材料制造，弹性模量高，无法贴合农作物柔软、弯曲、持续生长的茎叶表面，需要复杂的机械支撑，安装过程易对植株造成物理损伤或机械应力干扰，难以实现长期、无损的活体监测。

技术路线。采用超低弹性模量基材的柔性电子器件，针对棉花茎秆的表面形貌、纹理特征和物理特性进行专门设计；通过仿真分析和实验验证研究柔性器件与茎秆表面接触后的应力/应变分布等耦合行为，并创新材料与夹持部件设计，使传感器能自适应幼苗期、伸蔓期等不同物候期的茎秆。

突破意义。传感器可直接、保形地贴附于棉花茎秆和叶片表面，实现全生育期无损监测；第三方检测确认茎流传感器可适配 Φ3 mm 棉花茎秆、叶面温湿度传感器可适配 2 mm 叶宽，重量分别仅为 2.3 g 和 1.10 g。

佐证。验收总结报告第三章 1.1 节；检测报告 2511311317、2611307622。

3.2瓶颈二：窄茎作物茎流监测缺乏低成本自主装备

问题实质。茎流是蒸腾的直接指标，但现有监测设备多为进口科研仪器，单只传感器价格超过万元，体积重量大，主要面向大型乔木，无法适应棉花等茎秆狭窄的小型作物。

技术路线。传感器集成加热电阻，在局部发热模式下使附近茎秆组织升温；静态时热量各向同性扩散，存在茎流时热量随木质部水流向下游输运，呈现各向异性传导。红外热成像验证了热量沿水流方向累积的现象；监测加热后上下游传感器达到最大温度变化的时间差 Δt 和稳态温差 ΔT，二者与茎流速率高度线性相关，据此确定茎流速率。

突破意义。第三方检测在 5、10、20 及 200～400 μL/min 流速下验证了传感器温差响应，计算得最低检测限 3.6 μL/min，优于技术要求（≤4 μL/min）。验收总结报告将自研传感器与 SGB9-WS、EMS64、EXO-Skin（SGEX-25）三款进口产品对比，自研产品在重量、体积、检测限和适用作物范围上均有优势，生产成本约为其售价的 1/10（见第五章）。

佐证。验收总结报告第三章 1.1 节、表 2；检测报告 2511311317。

3.3瓶颈三：大尺度农田中传感器的供电与数据回传

问题实质。可穿戴设备受重量、体积和资源的严格约束，在大面积农田中长期供电和数据通讯困难；新疆农田地势开阔、覆盖尺度大，且存在高温、强辐射、风沙等恶劣条件。

技术路线。工程上采用 LoRa 节点 + 网关 + 运营商网络 + 云端的层级通讯架构，网关由太阳能供电。研究上提出向日葵式自供能植物可穿戴传感探头：以可折叠太阳能板和全柔性电子元件实现能量自持，受萤火虫启发设计超低能耗光通讯机制，由搭载相机的无人机结合 YOLOv5 等深度学习算法解码编码光信号，实现大田多设备数据的高效回收。

突破意义。论文报告：使用 66 mW LED，无人机可在 12 m 距离以 100% 准确率解读光信号；储能可支撑连续 7 个阴雨天维持基本功能；探头安装 30 天后植株仍保持健康生长。工程系统则在 2023～2024 年大田部署中验证了传感器在高温、强辐射、风沙环境下的稳定性。

佐证。验收总结报告第三章 1.2、1.3 节；论文 Wang S. et al., Sci. Adv. 10, eads1136 (2024)。

3.4瓶颈四：基于土壤含水率的干旱诊断存在滞后

问题实质。传统以土壤含水率（SWC）判断作物缺水，受土壤物理过程影响存在固有滞后，易出现"假阴性"判别和决策迟滞，不能直接反映作物本身的水分状态。

技术路线。基于大样本数据相关性分析，发现棉花茎流与光照强度的耦合效力呈显著日内波动，以此作为时间分段依据，提出基于"光照—茎流"协同变化规律的水分胁迫诊断算法：水分充足时光强与茎流高度正相关（"需求驱动"状态），水分降至生理临界点以下时根系阻力增大、气孔导度下调，相关性显著衰减。

突破意义。验收总结报告给出该方法对干旱识别的灵敏度与准确率可达 100%，传统 SWC 方法为 67%。

佐证。验收总结报告第三章 1.5 节、图 6、图 7。

3.5瓶颈五：灌溉决策依赖经验与固定时间表

问题实质。新疆棉田灌溉多按区域经验和固定时间表执行（关键期约 10 天一次、每次约 30 m³/亩），未根据作物实时生理需求调整，水资源浪费明显。

技术路线。以无胁迫历史数据训练 LSTM 模型，建立环境特征向量到理论茎流量的非线性映射；将实测茎流与理论值动态比对，识别作物初显缺水状态，在相关系数偏离的"生理拐点"触发灌溉，形成事件驱动的精准灌溉决策。

突破意义。2024 年全生育期对比试验中，生理反馈组在单次定额不变的前提下灌水次数由 10 次减为 7 次，总灌水量由 264.2 降至 204，节水 60.2，节水率 22.79%（详见 4.4 节）。

佐证。验收总结报告第三章 1.6、1.7 节，表 3、图 11。

3.6瓶颈六：作物水分运移机理认识不足

问题实质。传统"源—库"理论将果实视为单向接收水分的"库"，但果实向营养器官的反向液流现象缺乏有效的连续观测手段，机理尚不清楚。

技术路线。将植物可穿戴传感器的实时茎流测量与同步环境监测结合，建立多模态数据框架，以西瓜为对象系统解析反向液流的内源成因和外部触发因素。

突破意义。研究表明植株水分供需失衡是反向液流的核心内因，强光骤增和土壤干旱是两类外部触发因素；长期干旱胁迫试验显示果实反向液流通过全株水分再分配增强植株抗旱性。该研究体现了可穿戴茎流传感器作为植物生理研究工具的价值。

佐证。论文 Chai Y. et al., Plants 2026, 15, 105（标注 2022A02011-1 资助）。

四、取得的重大科技成果

Major Achievements

4.1研制 3 套作物生理传感器并全部通过第三方检测

三类传感器均委托浙江方圆检测集团股份有限公司检测，检测依据包括 GB/T 6587-2012《电子测量仪器通用规范》、GB/T 3177-2009 及委托方提供的产品技术要求，结论均为所检项目全部符合判定依据要求。

4.1.1可穿戴式棉花茎流传感器检测明细

注：检测中以微量泵调节茎流流速（5、10、20、200～400 μL/min），传感器测量频率 2 Hz，通过温差响应确认运行状态，最低检测限由计算获得。

4.1.2叶面温湿度传感器与茎秆生长监测系统检测明细

4.2建成田间传感器通讯与控制系统

研制传感器节点模块、LoRa 网关、太阳能供电模块、云服务器和微信小程序构成的通讯控制系统 1 套，可在真实田间环境下对多种传感器同步采集和可靠传输，实现整个生育期棉花多参数指标的实时、连续动态监测。茎流传感器检测报告确认系统由传感器探头、节点设备、通讯设备和远程显示终端组成，数据可上传服务器计算并在远程终端显示。

4.3完成跨年度大田连续监测

• 2023 年 8～9 月：在昌吉华兴农场开展初步验证，通过短期连续监测评估传感器对瞬态环境波动的响应灵敏度。
• 2024 年 5 月初～10 月初：监测覆盖棉花苗期、蕾期、花铃期到吐絮成熟期的完整物候阶段，同步获取光合辐射数据，为构建灌溉决策模型提供长时序训练样本。

4.4开展基于茎流的节水灌溉对比试验

试验在新疆典型内陆干旱区实施，供试品种为"新陆早 42 号"，采用随机区组设计，小区面积 7 m × 15 m，种植模式为"一膜三管六行"，全程水肥一体化（随水滴施尿素 600 kg/hm²、磷酸二氢钾 600 kg/hm²），对照组全生育期灌溉定额 4500 m³/hm²。设传统经验灌溉组和生理反馈精准灌溉组，各 3 个重复。

结果显示：两组株高无显著差异，纤维长度、强力等 8 项品质指标基本持平；籽棉产量对照组 522.3 kg/亩、处理组 493.8 kg/亩，降幅约 5.46%。验收总结报告认为，在极端干旱区以小幅减产换取超过 20% 的节水，同时降低水费、泵站能耗和人工维护成本，具有较好的水—产出权衡。

4.5形成高水平学术成果

围绕本成果发表 SCI 论文 4 篇（均标注 2022A02011-1 资助），其中《Science Advances》论文为新疆农业大学首次以第一完成单位在 Science 子刊发表的研究成果（验收总结报告表述）。

五、技术经济指标与国际国内同类技术/产品的比较

Benchmarking

5.1茎流传感器与进口同类产品对比

注：* 仅为传感器售价；# 为包含传感器、通讯、供电、控制模块的生产成本。

5.2水分胁迫诊断方法比较

5.3灌溉效益比较

六、知识产权与权益归属

Intellectual Property

本成果的研发单位为新疆农业大学（科技项目成果信息表），合作形式为独立研究；课题合同书约定子课题一由新疆农业大学机电工程学院承担。成果信息表登记的证书编号为第三方检测报告 2511311317、2511308223，批准机关为浙江方圆检测集团有限公司，发证时间 2025 年 12 月 2 日，成果价值自评为"填补国际空白"。

七、试验基地与示范基地

Field Sites

• 昌吉华兴农场：新疆华兴投资集团有限公司为课题参与单位，负责提供试验场地设施；2023 年、2024 年在此开展传感器及通讯控制系统的连续田间监测。
• 节水灌溉对比试验区：位于新疆典型内陆干旱区，降水稀缺、蒸发旺盛、灌溉水矿化度高；按随机区组布设试验小区、水肥输配管网和传感器节点。
• 课题应用示范点：课题在乌鲁木齐市高新技术产业开发区建成应用示范点 1 个，包括 10 个田间监测站、1 个无人机起降场、1 个数据中心和 30 套土壤、气象与作物生长监测物联网设备（课题层面成果，与成果2共用）。

八、人才队伍建设

Talent

子课题一由课题负责人刘湘江（正高级，教育部青年长江学者）领衔，机电工程学院张静、周军、鄢金山、王爽等为项目骨干。合同约定子课题一培养高层次人才 4～5 名。课题整体培养技术骨干 15 人（系统开发 8 人、田间应用 7 人）、博士/硕士研究生 11 人（项目执行情况统计表：硕士毕业 11 人、在读 8 人，博士在读 3 人）；验收材料未单独列出子课题一的培养名单。

九、成果综合评价与结论

Assessment & Conclusion

9.1成果创新性评价

第一，器件层面的柔性化与小型化。以柔性电子和结构耦合设计实现棉花窄茎（Φ3 mm）的保形贴附与全生育期无损监测，茎流传感器重 2.3 g、检测限 3.6 μL/min，突破了进口茎流计仅适用于大型乔木的局限。

第二，系统层面的田间适应性。以 LoRa 节点—网关—云端—小程序架构实现多传感器同步采集与可靠传输，并在自供能、光通讯与无人机回收等方向形成发表于 Science Advances 的原创方案。

第三，应用层面的生理驱动决策。以"光照—茎流"协同响应替代土壤含水率判断干旱，以 LSTM 茎流预测触发灌溉，推动灌溉由"环境经验决策"转向"作物生理驱动决策"。

9.2成果水平定位

• 器件性能：3 类传感器全部通过第三方检测；茎流传感器在重量、体积、检测限上优于对比的三款进口产品，成本约为其 1/10。
• 学术影响：Science 子刊 1 篇、npj Flexible Electronics 1 篇。
• 应用效果：单季对比试验节水 22.79%，品质持平、产量降约 5.46%。

9.3推广前景

我国农业传感器高度依赖进口，新疆干旱区节水需求迫切。本成果成本低、可适配棉花等小型作物，可作为低成本植物表型与水分监测工具，与成果2的天空地数据融合系统衔接，为水肥一体化精准调控提供"地"层生理数据。后续计划推动核心部件国产化、开发简易操作指南并联合地方农技部门开展培训。

9.4验收结论建议

本成果目标明确，器件、系统、模型三个层次的研究完整，第三方检测覆盖全部三类传感器，学术成果水平较高。建议认定本成果达到课题"研发作物关键生理参数（叶面温湿度、茎流等）的感知装备 1 套"的约束性指标。

9.5需补充完善的事项（如实列出）

1. 检测数据与报告正文不一致：验收总结报告表 2 及正文称茎流传感器重 2.2 g、检测限 4 μL/min，第三方检测结果为 2.3 g、3.6 μL/min；建议统一采用检测报告口径。
2. 叶面温湿度传感器检测时间：报告 2611307622 的检测日期为 2026 年 10 月 14 日、批准日期 10 月 16 日，晚于验收总结报告填报日期（2026 年 1 月 18 日）；成果信息表仅登记 2511311317、2511308223 两个编号。建议说明验收时所依据的叶面温湿度检测材料。
3. "茎秆生长率"检测范围：报告 2511308223 检测的是"作物茎秆直径生长数据监测采集系统"的尺寸、WiFi 上传、定时拍摄、联网与上传耗时、功耗，未包含茎秆直径或生长率的测量精度；建议补充测量精度验证。
4. 数值口径：节水率在报告中有 22.7% 与 22.79% 两种写法；诊断准确率"较传统方法提高 20% 以上"与"100% 对 67%"口径不同；"4500 m3/h m2""264.2 立方米/灌溉总量（m3/亩）"单位表述不统一；正文引用的"图 14""图 23(a)"与实际图号（图 7、图 11）不符。
5. 试验代表性：节水效果来自 2024 年单季、单品种、每组 3 个重复的小区试验，且产量下降 5.46%；建议扩大到多年、多地块试验并评估经济效益。
6. 论文统计与相关性：验收总结报告第三章称本成果"共发表 SCI 论文 4 篇，其中 2 篇……"，成果信息表称"共发表 SCI 论文 7 篇……2 篇"，口径不一；npj Flexible Electronics 论文以机器人人工皮肤为主，Sensors 论文为综述，Plants 论文研究对象为西瓜，与棉花传感器装备的直接关联度不同；报告所称该刊影响因子 15.5 未附证明。
7. 专利指标：合同约定子课题一"申请发明专利 1 件"，但附件 12～15 的 4 件发明专利均为遥感与数据处理方向，本成果尚无专利佐证；建议补充传感器结构或检测方法专利。

附录：佐证材料清单

Supporting Documents