2021 InnovateFPGA-konkurrence: Kreative designere viser os, hvordan man tackler bæredygtighed

Jeg ved ikke med dig, men jeg bliver mere og mere bekymret for vores fælles fremtid. Vi hører meget om begrebet "bæredygtighed" i disse dage, men hvad betyder det egentlig? En måde at se på det på er, at bæredygtighed henviser til menneskers og jordens biosfæres evne til at eksistere side om side. I Our Common Future, også kendt som Brundtland-rapporten, der blev offentliggjort af FN i oktober 1987, blev bæredygtighed på en lidt gribende måde defineret som "...at opfylde den nuværende generations behov uden at bringe fremtidige generationers evne til at opfylde deres behov i fare."

Vores evne til at opnå bæredygtighed er udfordret af befolkningstilvækst og ineffektiv udnyttelse af de tilgængelige ressourcer. I erkendelse af dette er temaet for InnovateFPGA Design Contest 2021-22 “Connecting the Edge for a Sustainable Future (Applying Technology to Address Global Challenges)”, lanceret af Terasic, der arbejder med Intel, Analog Devices Inc. (ADI), og Microsoft.

Målet med konkurrencen er at inspirere og skabe bæredygtige løsninger, der reducerer vores miljøpåvirkning. Lad os tage et kig på nogle af idéerne: De vil helt sikkert få dig til at tænke over, hvad du kan gøre.

Kampen mellem befolkning og ressourcer

En af de ting, der har en negativ indvirkning på bæredygtigheden, er antallet af mennesker på planeten. Tag for eksempel de berømte pyramider i Giza, som blev bygget fra omkring 2550 til 2490 f.Kr. Det er kun ca. 4.500 år siden, mens jeg skriver disse ord. I de gamle dage var der kun omkring 20 millioner mennesker på jorden. Til sammenligning anslås vi i skrivende stund at være 7,9 milliarder mennesker, og dette tal forventes at stige til 8,5 milliarder i 2030¹, 9.2 milliarder i 2040², og næsten 10 milliarder i 2050³.

På den anden side er en af de ting, der kan have en positiv indflydelse på bæredygtigheden, vores evne til at udtænke og gennemføre sociale og teknologiske løsninger på vores problemer.

Jeg elsker science fiction og science fantasy. Som ung knægt i slutningen af 1960'erne og begyndelsen af 1970'erne husker jeg, at jeg læste science fiction-romanen The Rolling Stones fra 1952 (også udgivet under navnet Space Family Stone i Storbritannien) af den amerikanske science fiction-forfatter, luftfartsingeniør og flådeofficer Robert Anson Heinlein. I denne fortælling køber og genopbygger familien Stone, som bor på Månen, et brugt rumskib og tager på en rundrejse i solsystemet. Som en del af dette besøg besøger de asteroidebæltet, hvor der foregår en tilsvarende guldfeber som i Californien (1848-1855), hvor minearbejdere på asteroider leder efter forskellige materialer, herunder radioaktive malme.

Selv om dette stadig kan virke som science fiction for mange mennesker, er det interessant at bemærke, at Colorado School of Mines så sent som i 2017 lancerede et tværfagligt graduate program, der tilbyder Post-Baccalaureate Certificate, Master of Science og Ph.D.-grader i asteroideudvinding (de kalder det "Space Resources", men de narrer ikke nogen - vi ved, hvad de mener).

Problemet er, at Jorden er et lukket system. Der er en begrænset mængde materiale til rådighed. Det, vi har i dag, er det, vi vil have i morgen og i overmorgen. Selv om der er seriøs snak om at udvinde råmaterialer (f.eks. jern, nikkel, iridium, palladium, platin, guld, magnesium og - muligvis - vand) fra Månen, jordnære objekter og asteroider, skønnes det at tage mindst 20 år om at gøre det rent faktisk. Selv når dette sker, vil omkostningerne i form af energi, tid og ressourcer til at sende disse materialer tilbage til Jorden betyde, at deres mængder vil være ubetydelige i mange år fremover. Det er en kendsgerning, at vi ikke kan forvente at modtage betydelige mængder af yderligere råvarer i en overskuelig fremtid, så det er vores opgave at udnytte det, vi har, bedst muligt.

At vende strømmen: InnovateFPGA-designkonkurrence 2021-22

Inspireret af de spørgsmål og behov, der er identificeret af organisationer som Global Environment Facility (GEF) Small Grants Program, som gennemføres af FN's Udviklingsfond (UNDF), fører alt ovenstående os til InnovateFPGA Design Contest (Figur 1).

Figur 1: En af de ting, der kan have en positiv indflydelse på bæredygtighed, er vores evne til at udtænke og gennemføre sociale og teknologiske løsninger på vores problemer. (Billedkilde: DigiKey)

Terasic, Intel, ADI og Microsoft har taget udfordringen om bæredygtighed op og lanceret den aktuelle InnovateFPGA Design Contest 2021-22, som lægger vægt på intelligent brug af FPGA'er i edgen for at reducere efterspørgslen efter jordens ressourcer.

FPGA'er er særligt nyttige til denne anvendelse, da de er både fleksible og kan rekonfigures. Desuden er mange af designene i denne konkurrence baseret på brugen af sofistikerede algoritmer som f.eks. kunstig intelligens (AI) og maskinvision (MV), som kræver store mængder beregning. En FPGA's programmerbare del kan konfigureres til at implementere operationer massivt parallelt, hvilket gør det muligt at udføre beregningsintensive algoritmer lokalt i realtid og samtidig bruge relativt lidt strøm.

Deltagerne blev opfordret til at tilmelde sig som hold bestående af en til tre personer fra samme geografiske område. Disse hold blev opfordret til at bruge et P0685 DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit fra Terasic, som er baseret på en kombination af det ekstremt populære P0496 DE10-Nano Kit og et P0499 RFS-udviddelseskort (figur 2).

DE10-Nano er baseret på en Intel Cyclone V SE FPGA suppleret med 1 gigabyte (Gbyte) DDR3 SDRAM, en Arduino Expansion Header (Uno R3-kompatibel), fuld HD HDMI-udgang, UART-to-USB, en USB OTG-port (On-the-Go), et Micro SD-kort-stik, Gigabit Ethernet og GPIO-headere. Cyclone V SoC (system-on-chip) FPGA'en er udstyret med en kombination af en programmerbar del (110.000 logiske elementer (LE'er)) og dobbelt 32-bit Arm® Cortex®-A9 processorkerner med 32-bit processorkerne.

Figur 2: FPGA Cloud Connectivity Kit kombinerer de mange funktioner og den alsidighed, der er forbundet med en Intel Cyclone V SoC FPGA, med fordelene ved cloud-forbindelse. Der kan tilsluttes yderligere sensorer ved hjælp af Arduino-kompatible headere eller ADI QuikEval-headeret. (Billedkilde: Terasic)

I mellemtiden tilføjer RFS-udviddelseskortet Wi-Fi- og Bluetooth-kommunikation samt en bred vifte af sensorer såsom et ni-akset accelerometer, gyroskop og magnetometer samt sensorer for omgivende lys, temperatur og fugtighed.

Selvfølgelig er DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit, hvor kraftfuldt det end er, kun af begrænset nytte alene. "No man is an island", som den engelske digter John Donne skrev i det 17. århundrede, hvilket betyder, at ingen er virkelig selvforsynende, og at alle er afhængige af andres selskab og komfort for at kunne trives. I dette tilfælde skal DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit muligvis udvides med yderligere sensorer, og det kan også være nødvendigt at kommunikere med cloud'en.

For at støtte InnovateFPGA-designkonkurrencen 2021-22 vil disse kits derfor blive stillet gratis til rådighed for udvalgte deltagende hold sammen med et mindre antal plug-in-kort fra Analog Devices og kreditter/begrænset adgang til Microsofts Azure Cloud Services.

Analog Devices har en omfattende portefølje af evalueringskort og referencedesigns til at hjælpe med at løse udviklernes udfordringer med applikationer på systemniveau. Eksempler er EVAL-CN0398-ARDZ (måling af jordfugtighed, pH-værdi og temperatur), EVAL-CN0397-ARDZ (tre-kanals lysdetektion til intelligent landbrug) og DC1338B (I²C temperatur-, strøm- og spændingsovervågning). Disse kort kan tilsluttes til DE10 Nano ved hjælp af de Arduino-kompatible hoveddele eller ADI QuikEval-hoveddele.

Bæredygtighedens form: Et udsnit af de 261 projekt bidrag

Jeg kunne naturligvis ikke lade være med at gå en tur gennem de mange indsendte projekter. Der er tale om 261 projekter, som spænder over en enorm række anvendelsesområder, så hvis du beslutter dig for at tage et kig selv, kan du med fordel forsyne dig selv med noget at drikke og pakke en snack, for du vil blive optaget i et stykke tid.

Genopretning af koralrev og automatisk opsamling af affald: Eksempler på projekter, der straks fangede mit blik, var EM043, som foreslår et intelligent mikrobielt leveringssystem med deep-learning, under vandet til genopretning af koralrevets levesteder (figur 3), og AS034, en intelligent skraldespand, som vil kunne identificere og klassificere genstande for at afgøre, hvad der kan genbruges og hvad der ikke kan genbruges.

Figur 3: Projekt EM043 er et system til genopretning af koralrevshabitater, som vil kunne levere probiotika til koraller og overvåge deres effektivitet. Leveringen vil blive reguleret præcist af et deep learning-netværk, der overvåger koralernes farveændringer. (Billedkilde: InnovateFPGA)

Projekt EM043 fokuserer på at vende blegningen af koralrev, der skyldes temperaturændringer, som resulterer i, at koralrevene udstøder de alger, der lever i deres væv. Det er algerne, der ikke blot giver korallen farve, men også gør det muligt for korallen at udføre den fotosyntese, der er nødvendig for at holde den i live og opretholde økosystemet.

Der findes forskellige gavnlige mikroorganismer for koraller (BMC'er), som kan bremse eller endog stoppe blegningsprocessen, men hvilke og hvilken blanding der er den rigtige, skal bestemmes gennem langvarig prototypeudvikling og testning i udkanten. Projekt EM043 kombinerer Cloud Connectivity Kit med en mobil 4G-router, et solpanel, et kamera, en temperatursensor, en niveausensor og deep-learning-algoritmer til at udføre analysen og regulere BMC-leveringen ved hjælp af et specialiseret modul (figur 4).

Figur 4: Projekt EM043 kombinerer deep-learning-analyse med sensorer, solenergi, en 4G-router og en BMC-leveringsmekanisme med DE10 som den centrale behandlingsplatform. (Billedkilde: InnovateFPGA)

Microsoft Azure cloud er forbundet via 4G-routeren og kan fjernstyre leveringssystemet og visuelt overvåge koralforholdene.

Det foreslåede system gør det muligt for havforskere at foretage præcise og pålidelige overvågningseksperimenter om BMC'ernes effektivitet med hensyn til at reducere blegningseffekten og dermed bidrage til en betydelig indvirkning på genoprettelsen af et koralrevøkosystem.

Fjernelse af organisk CO₂:: Et andet projekt, som jeg godt kan lide på grund af dets enkelhed og skalerbarhed, er EM003. Her er der en særlig stueplante kaldet bønneplanten (maranta leuconeura), som er en lavvoksende tropisk plante, der stammer fra Sydamerika. Forskellige undersøgelser og eksperimenter har vist, at denne plante kan absorbere drivhusgasser meget effektivt i forhold til lignende indendørs planter. Faktisk bemærker projektets skabere, at blot én af disse planter kan reducere mængden af CO₂ i et enkelt rum med 14,40 % i løbet af et døgn.

Ideen bag dette projekt er at tvinge bønneplanter til at optage den størst mulige mængde CO_2. Dette opnås ved at registrere sensoriske data (temperatur, luftfugtighed, omgivende lys, jordfugtighed) i cloud'en, eksperimentere med vandingscyklusen og analysere resultaterne. Det endelige mål er at få millioner af mennesker til at bruge disse planter og at indsamle og analysere data fra så mange som muligt. Ud over DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit anvender dette projekt en jordfugtighedssensor og en vandpumpe med en DC-aktuator (Figur 5).

Figur 5: I projekt EM003 forbehandles alle sensoriske data af FPGA'en, som også styrer plantens vandingscyklus; de behandlede data sendes derefter til cloud'en for at blive kombineret med data fra andre planter, som analyseres. (Billedkilde: (InnovateFPGA)

Droner til analyse af vandstress i landbruget: Jeg ved ikke med dig, men jeg er vild med alt, hvad der har med droner at gøre, så et andet projekt, der krævede en undersøgelse, var AP008, som indeholder en drone kaldet en "Agri-Bird", der hjælper med at registrere vandstress i landbrugsmiljøer (figur 6). Dette hold har base i Islamabad, Pakistan.

I følge holdet bruger landbruget ca. 90 % af Pakistans vandforsyning. Hvis tingene fortsætter som hidtil, kan landets vandressourcer være opbrugt i 2040. For at undgå dette og give løsninger til den almindelige landmand foreslår projekt AP008 at bruge en kombination af meteorologiske data, data fra sensorer på jorden og data fra luften indsamlet af en drone til at skabe en model til forudsigelse af vandstress.

Figur 6: Ved at bruge data indsamlet fra en drone sammen med data fra andre kilder kan den resulterende model for vandstress bruges til at forebygge a) tab af produkter på grund af vandmangel, b) tab af jordnæringsstoffer på grund af overdreven vanding, c) dårlig regulering af vanding og d) skovbrande. (Billedkilde: InnovateFPGA)

Afskaffelse af plastikaffald: Jeg kunne blive ved, men et af de afsluttende projekter, som er af personlig interesse for mig, er AP080, som omfatter en lille smart robot, der bevæger sig rundt i byens gader og opsamler plastaffald til genbrug. Denne sag rammer mig virkelig lige i hjertet, fordi jeg ser plastaffald overalt, hvor jeg går i disse dage (figur 7).

Figur 7: Sådan behøver det ikke at være, hvis projekt AP080 fører sin intelligente robot ud i livet. Selv om dette projekt i første omgang er rettet mod byens gader, kan det - eller andre lignende projekter - i sidste ende være i stand til at afhjælpe den svøbe, som plastikaffald udgør. (Billedkilde: The Nature Conservatory)

Da jeg var barn, og mine forældre tog mig med på ferie, var det vores regel, at efter en dag på stranden skulle vi efterlade alting renere, end vi fandt det. Det betød, at vi ikke kun skulle samle vores eget affald, men også alt andet affald, som vi kunne se i nærheden. Jeg er rystet, når jeg ser folk smide affald ved at tabe det, mens de går, eller smide det ud af bilvinduerne. Det vil være svært at overtale den slags mennesker til at stoppe, men deres adfærd ville blive mindre, hvis vi havde robotter som dem, der foreslås i dette projekt, der rydder op bag dem.

Det skræmmende er, at selv om de eksempler på projekter, der er præsenteret her, er interessante og forskelligartede, har vi ikke engang skrabet på overfladen af alle de muligheder, som de indsendte forslag til denne konkurrence giver. Bare det at scanne projekterne igennem på et højt niveau fik mig til konstant at udbryde "Ooh, Shiny!" og holde pause for at dykke dybere ned. Jeg skal faktisk i vandet igen, lige så snart jeg er færdig med at skrive denne klumme.

Konklusion

Alle bidrag til InnovateFPGA-designkonkurrencen 2021-22 er modtaget. Holdene arbejder nu intenst på deres projekter med sigte på de regionale finaler, som finder sted i marts 2022, og den store finale, som er planlagt til juni 2022. Jeg ved ikke med dig, men jeg kan ikke vente med at se resultaterne af denne aktuelle og tankevækkende udfordring.