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农作物种植是一个需要精准操作的行业，而农业的长期趋势是朝着机械化方向发展。Directed Machines公司的土地护理机器人（Land Care Robot），基于Raspberry Pi4和RP2040构建，是解放稀缺人力资本的一种经济高效方式。 Directed Machines公司：https://directedmachines.com/ 解决方案：Raspberry Pi 4，RP2040 企业规模：中小型 行业：农业机器人 随着全球人口的稳步增长，优化农业生产力和土地利用以种植足够的食物成为一个越来越紧迫的问题。农作物种植不仅要求精准，而且农民还不断面临压力，要在有限的土地上提高产量以满足对食物的需求，同时保持成本竞争力，以维持与主要客户——超市之间的合作关系。最大限度地减少农药和化肥的使用对于保持利润和防止土壤退化至关重要，而播种和收割作物的劳动力却越来越短缺。虽然可以通过从其他州或国家引进临时工来缓解季节性劳动力短缺问题，但更大的趋势是农业机械化和工业化的增加。 Directed Machines是日益增长的农业机器人领域中的一个虽小但重要的参与者，为各种垂直市场开发并销售土地护理机器人（LCRs）。Raspberry Pi是公司成功设计中的一个关键部分。 挑战 在拥有21年软件开发成功经验的乔治·克里斯安塔科普洛斯（George Chrysanthakopoulos）渴望利用他对机器人技术的深入了解进行创业。在加入VMware并成为研究员之前，他曾是微软一个大型、秘密的消费者机器人项目的技术负责人。在退出行业后，他开始设计太阳能驱动的机器人，以帮助应对每年的降雪。与邻近的小型农民交谈后，乔治很快意识到机器人在农业中有无数的潜在用途，而且市场上对能够帮助解决农药和植物管理问题的低成本机械化助手有着巨大的需求。小农场的利润空间尤其狭窄，农民需要他们的机器人能够执行多项任务，并能够在现场进行维修，这意味着必须采用易于获得的部件和相当简单但坚固的硬件。尽管如此，市场对相对低成本、重型、太阳能驱动的自主机器似乎仍有需求。 机器人在整个生长季节中可以有多种用途——整地、施肥和喷洒农药、播种、除草、将幼苗从一地运往另一地准备种植，以及收割作物。为了证明机器人的成本合理，并真正成为难以找到的季节性人力的替代品，这些任务中的每一项都需要精确执行。在农业行业中，维修权是一个大问题，因此对于复杂机械的维护和保养有重要的考虑。 解决方案 克里斯安塔科普洛斯着手开发一种模块化机器人，可用于各种农业任务。Directed Machines品牌的首款产品——激光引导的自主除草机器人——的原型机在2018年初进行了田间试验，随后推出了功能更强大的基于Raspberry Pi的土地护理机器人——Directed Machines模块化产品的基础单元。 除了Raspberry Pi4之外，土地护理机器人还使用了一块带有Raspberry Pi旗舰微控制器RP2040的板，以及Adafruit IMU作为传感器协处理器，以支持自主导航。第二块RP2040微控制器板作为低功耗电子协处理器，监测和调节太阳能充电。 为何选择 Raspberry Pi ？ 土地护理机器人采用Raspberry Pi构建，主要出于成本考虑以及硬件的可靠性和可用性。公司认为，由于Raspberry Pi拥有庞大的用户基础和活跃的社区，因此在Raspberry Pi单元中发现错误的可能性极小。这对于可能位于偏远地区且需要客户自行更新或更换的机器来说至关重要。“如果你能在Raspberry Pi上实现，那么这样做有巨大的优势，”Directed Machines的联合创始人兼首席运营官丹·艾布拉姆森（Dan Abramson）表示，“你已经售出了数百万台设备，出现错误的可能性真的非常低。”他还提到了“Raspberry Pi生态系统的丰富性”以及相对较低的能耗要求。“因此，如果你能在Raspberry Pi上实现，那么有充分的理由选择它。” 艾布拉姆森补充说：“Raspberry Pi与我们的第一原则、算法架构哲学非常契合。我们不是通过蛮力计算能力来解决工程问题，而是利用问题内部的结构来降低与这些问题相关的计算要求……Raspberry Pi是一个很好的工具，一个很好的合作伙伴 ，用于执行我们需要执行的计算。” “使用Raspberry Pi生态系统的成本效益比，”艾布拉姆森说，“是无与伦比的。” 结果 Directed Machines过去两年一直在北美市场以有限的方式销售，这意味着进行了大量前期研究，以确保土地护理机器人能够适合每个客户的需求。开发过程完全在公司内部进行，仅用了两年时间就完成了机械开发、电气开发和所有软件开发。过去两年中，Directed Machines一直在市场上销售并部署土地护理机器人平台，“在各种有趣的使用案例和垂直领域中，”艾布拉姆森说，“它是一款自主机器人，你可以在我们的机器人上安装不同的工具，使其能够执行不同的任务。你可以给机器人安装一个割草机，让它割草；你可以安装一个除雪机，让它铲雪；你还可以安装一个拖车，让它拉你想拉的任何东西。” “我们的客户包括高尔夫球场、太阳能发电厂、农村地产和需要拖运大量盆栽植物的苗圃。LCR可以在各种地形环境中部署，从我们需要执行任务的非常平坦的地方，到我们在南加州的一个俯瞰太平洋、地形坡度达55度的地点。” 除了能够应对极具挑战性的地形外，土地护理机器人还具备完全自主的能力，能够无需用户干预地完成多项任务。“我们一直在为我们所做的添加新功能，并继续提高我们工程的鲁棒性，以及试验新的传感器。我们越来越多地使用Raspberry Pi生态系统中找到的传感器。” 布里特·弗莱彻（Britt Fletcher）是华盛顿州“叛军湾蓝莓农场”（Mutiny Bay Blues）的拥有者，该农场是一家遵循可持续原则的有机蓝莓农场，同时他也是“定向机械”（Directed Machines）的投资者。“定向机械”两年前找到了弗莱彻，希望将“叛军湾”作为测试其太阳能机器人机器的试验场。“土地护理机器人”（Land Care Robot）能够在不使用汽油的情况下，对结构化的成排环境以及许多开放区域进行除草，同时解放出一个农场工人去处理更困难的任务，这让我很容易就决定加入，”他说。在高风险的结构化环境中工作可能是一个特别的挑战，但土地护理机器人根据反馈进行更新以提高精度，这意味着“叛军湾”现在拥有一台弗莱彻信任的无监督工作机器：“成本大约是原来的四分之三，更重要的是，它解放了日益稀缺的人力资本。” 2021年，Blueweave Consulting估计智能农业市场的价值约为115亿美元，并预测到2028年这一数字将几乎翻一番，达到243亿美元，原因是精准农业的需求是推动这一增长的关键因素。达伦·里奇恩斯（Daren Richins）在犹他州经营着一家创业型农场企业。他认为农业的发展方向“相当明显”，劳动力短缺和资本支出增加给农民带来了沉重打击。“我认为解决这些挑战的答案在于机器人技术和科技。自从我有机会使用我的土地护理机器人以来，我已经能够窥见一个不太遥远的现实，这个现实非常依赖这种技术来满足我们今天在农业中面临的挑战。‘定向机械’一直是应对这一挑战的绝佳伙伴。” 关注上海晶珩，关注树莓派开发者，了解更多关于树莓派内容~

1.垂直农业 你知道吗，地球上1亿4800万平方公里的陆地中，只有大约3100万是可用于耕种的，而且目前可耕地面积还在以每年10万平方公里的速度流失。随着全球人口数量的不断增多和环境问题日益恶化，人类不得不开始面对食品缺乏和食品安全的危机。 垂直农业概念的提出，为解决这个问题提供了一个很好的方向。垂直农业也叫垂直农耕，是一种将资源与空间充分利用，使单位面积产量最大化的新型农业耕作方式。它使农作物在一年中任何时候任何地点都可以种植，配合物联网技术，使现代农民得以获得精准的种植环境监测与控制。 2.相关数据 虽然垂直农业由于成本的原因，在国内还方兴未艾，但在欧美国家却已经开始逐渐兴起。其中最大的原因在于，人们可以利用垂直农业，以更少的资源生产更多的食物。根据 agrilyst 公司与康奈尔大学、垂直农业协会等组织对2016年垂直农业的调查数据发现：垂直农业比常规农业在农产品生产收益上最高可超出约4000倍。 垂直农业如此之高的收益主要源自于以下3个因素： a. 全年可生产：在一年时间中，假设不考虑气候灾害损失，种植莴苣的农民在常规农业中可以收获4-5次农产品。而从事垂直农业的农民可以收获18次。 b. 平均产量高：常规农业中莴苣种植的平均产量为3万磅／英亩。垂直农业的莴苣种植平均产量为34万磅／英亩。两者的生产效率足足相差10倍。 c. 零售价值更高：根据美国农业部统计，2015年常规农业种植的莴苣平均价格为0.59美元，而垂直农业种植的莴苣属于不使用化肥和农药的有机食品，其平均价格为6.00美元。 3.实际案例 认识到垂直农业的价值与潜力，一些国际巨头公司开始进入该市场，甚至即使他们原本从未涉足农业。日本松下电子就拥有着新加坡最大的室内农场。自2014年开始，松下电子开始在新加坡的一个仓库内种植蔬菜，并将其售卖给当地的零售商与餐馆。当时这个2,670平方英尺的农场一年生产的产品仅有3.6吨，经过短短几年的发展与技术利用，这个数字已经达到了每年81吨。 松下电子在这个室内农场中，以LED光源作为阳光的替代品。LED光源会以最合适的光谱、频率以及强度，刺激农作物尽可能快地生长。 对于这类垂直农业LED解决方案，来自HWTrek平台的 轻农生态科技 可以提供很好的服务。 他们研究了农作物的不同生长阶段（萌芽、幼苗、绿叶等）所需的最优光照参数，组合多种光谱，以提供一系列LED产品。 在这个室内农场中，除了使用LED照明促进农作物生长，还使用了一系列传感器和设备监控室内环境因素，如温度、湿度、二氧化碳浓度等等，以确保无论在什么时候，农作物都在最合适的环境中。 对于这类室内环境监控的需求，河南 汉威电子 作为中国最大的气体传感器和仪表制造商，可以提供从数据采集、传输、到终端处理一整套的物联网系统级解决方案。 新加坡作为一个城市国家，其90%的食物依赖于进口。垂直农业将为这个国家带来优质且大量的食物，而且这些室内农作物比同等的进口产品要便宜得多。目前该农场种植了40多种农作物，包括各种萝卜、莴苣等。松下电子目标在2017年年底前，使该室内农场生产的食品占新加坡全国食品产量份额的5%。 4.前景展望 虽然垂直农业一直广受媒体关注，但到目前为止，投资者们似乎并没有对此表现出太多的热情。最主要的原因，是目前垂直农业相比传统农业成本过高。就从能源消耗上来说，即使是最先进的LED灯，其效率也只有50%，这意味着只有一半的电能被转化成农作物所需要的光能。但随着技术成本的降低、食品问题的紧迫和人们对食物品质需求的提高，或许你盘子里的食物很快将来自附近的某栋农业大楼。 *以上行业专家精选自HWTrek 关于HWTrek智造协作平台 HWTrek 致力于协助全球物联网企业，媒合对接制造合作伙伴、行业专家，管理产品开发、与销售渠道连接。截至 2017年2月，平台已吸引 11,000 多家物联网中小企业和 2,800 多个硬件项目，90%来自欧美。已汇聚 2,200 多位来自供应链的专家及 1,000 多个解决方案。