2021 InnovateFPGA-tävling: Kreativa formgivare visar oss hur vi ska ta itu med hållbarhet

Jag vet inte hur du känner, men jag blir alltmer orolig för vår gemensamma framtid. Vi hör ofta begreppet "hållbarhet" i dag, men vad betyder det egentligen? Ett sätt att se saken är att hållbarhet avser människans och jordens biosfärs förmåga att samexistera. I Vår gemensamma framtid, även känd som Brundtlandrapporten, som publicerades av FN i oktober 1987, definierades hållbarhet på ett gripande sätt som "...att tillgodose den nuvarande generationens behov utan att äventyra kommande generationers möjligheter att tillgodose sina behov."

Vår förmåga att uppnå hållbarhet utmanas av befolkningstillväxten och ineffektiv användning av tillgängliga resurser. Som ett erkännande av detta är ämnet för InnovateFPGA-designtävlingen 2021-22 - som arrangeras av Terasic i samarbete med Intel, Analog Devices Inc. (ADI) och Microsoft - "Connecting the Edge for a Sustainable Future (Applying Technology to Address Global Challenges)"

Målet med tävlingen är att inspirera och skapa hållbara lösningar som minskar vår miljöpåverkan. Låt oss ta en titt på några av idéerna: de kommer säkert få dig att tänka på vad du kan göra.

Kampen mellan befolkning och resurser

En av de saker som påverkar hållbarheten negativt är antalet människor på planeten. Betänk exempelvis de berömda pyramiderna i Giza, som byggdes mellan 2550 och 2490 f.Kr. Det är bara cirka 4 500 år sedan när jag skriver dessa ord. På den tiden fanns det bara omkring 20 miljoner människor på jorden. Som jämförelse kan nämnas att vi i skrivande stund beräknas vara 7,9 miljarder människor och att antalet beräknas öka till 8,5 miljarder år 2030¹, 9,2 miljarder år 2040² och nästan 10 miljarder år 2050³.

En av de saker som kan ha en positiv inverkan på hållbarheten är vår förmåga att utforma och genomföra sociala och tekniska lösningar på våra problem.

Jag älskar science fiction och science fantasy. Som ung pojke i slutet av 1960-talet och början av 1970-talet minns jag att jag läste science fiction-romanen The Rolling Stones från 1952 (även publicerad under namnet Space Family Stone i Storbritannien) av den amerikanske science fiction-författaren, flygingenjören och marinofficeren Robert Anson Heinlein. I denna berättelse köper och bygger familjen Stone, som bor på månen, ett begagnat rymdskepp och åker på en rundtur i solsystemet. Som en del av detta besöker de asteroidbältet där en motsvarighet till Kaliforniens guldrush (1848-1855) pågår, med asteroidutgrävare som letar efter olika material, inklusive radioaktiv malm.

Även om detta fortfarande kan verka vara science fiction för många, är det intressant att notera att Colorado School of Mines så sent som 2017 lanserade ett tvärvetenskapligt forskarprogram som erbjuder en Post-Baccalaureate, en Master of Science och en doktorsexameni asteroidbrytning (de kallar det "rymdresurser", men de lurar ingen - vi vet vad de menar).

Problemet är att jorden är ett slutet system. Det finns en begränsad mängd material att tillgå. Det vi har i dag är vad vi kommer att ha i morgon och i övermorgon. Även om det talas mycket om att utvinna råvaror (t.ex. järn, nickel, iridium, palladium, platina, guld, magnesium och eventuellt vatten) från månen, jordnära objekt och asteroider, beräknas det dröja minst 20 år innan det verkligen blir verklighet. Även om detta skulle inträffa innebär kostnaden i form av energi, tid och resurser för att återföra dessa material till jorden att deras mängd kommer att vara obetydlig i det stora hela under många år framöver. Summan av kardemumman är att vi inte kan förvänta oss att få några betydande nya mängder råvaror inom en överskådlig framtid, så det vilar på oss att utnyttja det vi har på bästa sätt.

Vända utvecklingen: InnovateFPGA-designtävlingen 2021-22

Med inspiration från de frågor och behov som identifierats av organisationer som Global Environment Facility (GEF) Small Grants Program, som drivs av FN:s utvecklingsfond (UNDF), leder allt detta till InnovateFPGA Design Contest (figur 1).

Figur 1: En av de saker som kan påverka hållbarheten positivt är vår förmåga att utforma och genomföra sociala och tekniska lösningar på våra problem. (Bildkälla: DigiKey)

Terasic, Intel, ADI och Microsoft har tagit sig an hållbarhetsutmaningen och initierat den nuvarande InnovateFPGA-designtävlingen 2021-22, som betonar intelligent användning av FPGA:er i molnkanten för att minska efterfrågan på jordens resurser.

FPGA:er är särskilt användbara för denna tillämpning eftersom de är både flexibla och omkonfigurerbara. Många av konstruktionerna i tävlingen bygger dessutom på sofistikerade algoritmer som artificiell intelligens (AI) och maskinseende (MS), som kräver stora processresurser. En FPGA:s programmerbara struktur kan konfigureras för att genomföra operationer på ett massivt parallellt sätt, vilket gör det möjligt att göra beräkningsintensiva algoritmer lokalt i realtid och samtidigt förbruka relativt lite ström.

De tävlande uppmanades att anmäla sig som lag bestående av en till tre personer från samma geografiska område. Dessa team uppmanades att använda ett P0685 DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit från Terasic, som bygger på en kombination av det extremt populära P0496 DE10-Nano Kit och ett P0499 RFS-dotterkort (figur 2).

DE10 Nano är baserad på en Intel Cyclone V SE FPGA kompletterad med ett 1 Gbyte DDR3 SDRAM, ett Arduino expansionskontaktdon (Uno R3-kompatibelt), HDMI-utgång i full HD, UART-till-USB, ett USB On-the-Go-port (OTG), ett Micro SD-kortuttag, Gigabit Ethernet och GPIO-kontakter. Cyclone V-FPGA:n - ett System-on-Chip (SoC) - har en kombination av programmerbar struktur (110 000 logiska element) och dubbla 32-bitars Arm® Cortex®-A9-processorkärnor.

Figur 2: FPGA Cloud Connectivity Kit kombinerar de rika funktionerna och mångsidigheten hos en Intel Cyclone V SoC FPGA med fördelarna med molnuppkoppling. Fler sensorer kan anslutas med hjälp av Arduino-kompatibla stiftlister eller ADI QuikEval-stiftlisten. (Bildkälla: Terasic)

Samtidigt bidrar RFS-dotterkortet med Wi-Fi- och Bluetooth-kommunikation samt en mängd sensorer, t.ex. en nioaxlig accelerometer, ett gyroskop och en magnetometer, ihop med sensorer för omgivningsljus, temperatur och fuktighet.

DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit har förstås, trots sin imponerande prestanda, begränsad användbarhet i sig självt. "Ingen människa är en ö" skrev den engelske poeten John Donne på 1600-talet, vilket betyder att ingen är verkligt självförsörjande och att alla behöver andras sällskap och tröst för att må väl. I detta fall kan DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit behöva kompletteras med fler sensorer, och det kan också behöva kommunicera med molnet.

För att stödja InnovateFPGA-konstruktionstävlingen 2021-22 kommer dessa kit att tillhandahållas kostnadsfritt till utvalda deltagande team, tillsammans med en liten mängd plug-in-kort från Analog Devices och krediter eller tidsbegränsad tillgång till Microsofts Azure Cloud Services.

Analog Devices har en omfattande portfölj av utvärderingskort och referenskonstruktioner som bidrar till att lösa utvecklares utmaningar med applikationer på systemnivå. Exempel är EVAL-CN0398-ARDZ (mätning av markfuktighet, pH-värde och temperatur), EVAL-CN0397-ARDZ (ljusdetektering med tre kanaler för smart jordbruk) och DC1338B (I²C-temperatur-, ström- och spänningsövervakning). Dessa kort kan anslutas till DE10 Nano med hjälp av dess Arduino-kompatibla stiftlister eller ADI QuikEval-stiftlisten.

Hållbarhetens form: Ett urval av 261 projektbidrag

Naturligtvis kunde jag inte motstå att ta en promenad genom de många projektförslagen. Vi talar om 261 projekt som spänner över ett enormt antal tillämpningsområden, så om du bestämmer dig för att ta en titt själv, kanske du vill ta med dig något att dricka och äta, för du kommer vara uppslukad under en lång tid.

Återställande av korallrev och automatisk sophämtning: Exempel på projekt som omedelbart fångade min uppmärksamhet var EM043, som bygger på ett intelligent mikrobiellt leveranssystem under vatten med djupinlärning för återställande av livsmiljöer i korallrev (figur 3), och AS034, en smart soptunna som kommer kunna identifiera och klassificera föremål för att avgöra vad som kan återvinnas och vad som inte kan återvinnas.

Figur 3: Projekt EM043 är ett system för återställande av livsmiljöer i korallrev som kommer kunna leverera probiotika till koraller och övervaka dess effektivitet. Leveransen regleras exakt av ett neuralt nät med djupinlärning som övervakar korallernas färgförändringar. (Bildkälla: InnovateFPGA)

Projekt EM043 är inriktat på att vända blekningen av korallrev till följd av temperaturförändringar, vilket leder till att korallreven stöter ut de alger som lever i deras vävnader. Det är algerna som inte bara ger korallen färg, utan också gör det möjligt för korallen att utföra den fotosyntes som krävs för att hålla den vid liv och upprätthålla ekosystemet.

Det finns olika nyttiga mikroorganismer för koraller (BMC) som kan bromsa eller till och med stoppa blekningsprocessen, men vilka och vilken blandning som är den rätta måste fastställas genom utdragen prototypframtagning och tester på plats. Projekt EM043 kombinerar Cloud Connectivity Kit med en mobil 4G-router, solpanel, kamera, temperatursensor, nivåsensor och djupinlärningsalgoritmer för att utföra analysen och reglera BMC-leveransen med hjälp av en specialiserad modul (figur 4).

Figur 4: Projekt EM043 kombinerar djupinlärningsanalys med sensorer, solenergi, en 4G-router och en BMC-leveransmekanism, med DE10 som central bearbetningsplattform. (Bildkälla: InnovateFPGA)

Microsoft Azure-molnet är anslutet via 4G-routern för att fjärrstyra leveranssystemet och visuellt övervaka korallförhållandena.

Det framtagna systemet gör det möjligt för havsforskare att utföra exakta och tillförlitliga övervakningsexperiment om mikroorganismernas effektivitet när det gäller att minska blekningseffekten, och därmed bidra till ett betydande återställande av ett korallrevekosystem.

Avlägsnande av organisk _koldioxid: Ett annat projekt som jag gillar för sin enkelhet och skalbarhet är EM003. Här finns en speciell krukväxt som kallas moses stentavlor (maranta leuconeura), som är en lågväxande tropisk växt som är hemmahörande i Sydamerika. Olika studier och experiment har visat att denna växt kan absorbera växthusgaser mycket effektivt i jämförelse med liknande inomhusväxter. Projektets skapare konstaterar att en enda av dessa växter kan minska mängden _koldioxid i ett enda rum med 14,40 % under en 24-timmarsperiod.

Tanken bakom projektet är att tvinga bönväxter att absorbera så mycket_koldioxid som möjligt. Detta uppnås genom att registrera sensordata (temperatur, fuktighet, omgivande ljus, markfuktighet) i molnet, experimentera med bevattningscykeln och analysera resultaten. Det slutliga målet är att miljontals människor ska använda dessa växter och att samla in och analysera data från så många som möjligt. Förutom DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit används i detta projekt en markfuktighetssensor och en vattenpump med ett likströmsställdon (figur 5).

Figur 5: I projekt EM003 förbehandlas alla sensordata av FPGA:n, som också styr växtens bevattningscykel. Den bearbetade datan skickas sedan till molnet för att kombineras med data från andra växter och analyseras. (Bildkälla: (InnovateFPGA)

Drönare för analys av vattenstress inom jordbruket: Alla kanske inte delar min vurm, men jag är fascinerad av allt som har med drönare att göra, så ett annat projekt som pockade på mitt intresse var AP008, som innehåller en drönare som kallas "Agri-Bird" och som hjälper till att upptäcka vattenstress i jordbruksmiljöer (figur 6). Teamet är baserat i Islamabad, Pakistan.

Enligt teamet använder jordbruket cirka 90 procent av Pakistans vattenförsörjning. Om utvecklingen fortsätter som hittills kan landets vattenresurser vara uttömda år 2040. För att undvika detta och finna på lösningar för vanliga jordbrukare vill konstruktörerna bakom projekt AP008 använda en kombination av meteorologisk data, data från sensorer på marken och flygdata som samlas in av en drönare för att bygga en modell för att förutsäga vattenstress.

Figur 6: Genom att använda data från en drönare tillsammans med data från andra källor kan den resulterande modellen för vattenstress användas för att förhindra a) att grödor går förlorade till följd av vattenbrist, b) förlust av marknäringsämnen på grund av överdriven bevattning, c) dålig reglering av bevattningen och d) skogsbränder. (Bildkälla: InnovateFPGA)

Att bli av med plastavfall: Jag skulle kunna fortsätta uppräkningen, men ett slutprojekt som är av personligt intresse för mig är AP080. Det handlar om en liten smart robot som åker runt på stadens gator för att upptäcka och samla in plastavfall för återvinning. Denna fråga är verkligen viktig eftersom jag ser plastavfall var jag än går nuförtiden (figur 7).

Figur 7: Det behöver inte vara så här om projekt AP080 lyckas förverkliga sin smarta robot. Även om detta projekt till en början är inriktat på stadsgator kan detta - eller andra liknande projekt - i slutändan komma att minska gisslet med plastavfall. (Bildkälla: The Nature Conservatory)

När jag var liten och mina föräldrar tog med mig på semester var vår familjs tumregel att alltid lämna stranden renare än vad den var när vi kom. Detta innebar att vi plockade upp inte bara vårt eget skräp, utan även allt annat skräp vi kunde se i närheten. Jag blir rädd när jag ser människor slänga skräp på gatan eller kasta det ut genom bilfönstret. Det kommer att bli svårt att övertala denna typ av personer att sluta, men effekterna av deras beteende skulle mildras om vi hade robotar som de som beskrivs i detta projekt som städar upp efter dem.

Det skrämmande är att även om de exempelprojekt som presenteras här är superintressanta och varierande, har vi inte ens skrapat på ytan av alla de möjligheter som presenteras i tävlingen. Att bara ögna igenom projekten på en ytlig nivå fick mig att utbrista "Vad cool!" och stanna upp för att göra en djupare genomläsning. Faktum är att jag ska ta en simtur igen så snart jag har skrivit klart den här krönikan.

Sammanfattning

Alla bidrag till konstruktionstävlingen InnovateFPGA 2021-22 har kommit in. Lagen arbetar nu intensivt med sina projekt med siktet inställt på de regionala finalerna, vilka kommer att äga rum i mars 2022, och den stora finalen, som är planerad till juni 2022. Jag vet inte hur det är med er, men jag kan knappt vänta på att se resultatet av denna vältajmade och tankeväckande utmaning.