Konsktruksjonskurransen InnovateFPGA 2021: Kreative designere viser oss hvordan vi takler bærekraft

Jeg vet ikke med deg, men jeg blir stadig mer bekymret for vår kollektive fremtid. Vi hører ofte begrepet «bærekraft» i disse dager, men hva betyr det egentlig? Vel, en måte å se det på er at bærekraft refererer til evnen for mennesker og jordens biosfære til å sameksistere. I Vår felles fremtid, også kjent som Brundtland-rapporten, som ble utgitt av FN i oktober 1987, ble bærekraft noe gripende definert som «… å dekke den nåværende generasjonens behov uten å gå på akkord med fremtidige generasjoners evne til å dekke sine behov.»

Vår evne til å oppnå bærekraft utfordres av befolkningsvekst og ineffektiv bruk av tilgjengelige ressurser. Som en anerkjennelse av dette er temaet for konsktruksjonskurransen InnovateFPGA 2021-22 – lansert av Terasic, som samarbeider med Intel, Analog Devices Inc. (ADI) og Microsoft – «Connecting the Edge for a Sustainable Future (Applying Technology to Address Global Challenges)».

Målet med konkurransen er å inspirere og skape bærekraftige løsninger som reduserer miljøpåvirkningen. La oss ta en titt på noen av ideene: de vil garantert få deg til å tenke på hva du kan gjøre.

Kampen om befolkning kontra ressurser

En av de tingene som påvirker bærekraften negativt, er antallet mennesker på planeten. Tenk for eksempel på de berømte pyramidene i Giza, som ble bygget fra rundt 2550 til 2490 f.Kr. Det er bare rundt 4500 år siden når jeg skriver disse ordene. På den tiden var det bare rundt 20 millioner mennesker på planeten. Til sammenligning, i skrivende stund er det estimert 7,9 milliarder av oss, og dette tallet er spådd å stige til 8,5 milliarder innen 2030¹, 9,2 milliarder innen 2040², og nesten 10 milliarder innen 2050³.

På den positive siden er en av de tingene som kan påvirke bærekraften positivt, vår evne til å utarbeide og implementere sosiale og teknologiske løsninger på våre problemer.

Jeg elsker science fiction og science fantasy. Som ung gutt på slutten av 1960-tallet og begynnelsen av 1970-tallet husker jeg at jeg leste science fiction-romanen The Rolling Stones fra 1952 (også utgitt under navnet Space Family Stone i Storbritannia) av den amerikanske science fiction-forfatteren, flyingeniøren og marineoffiseren Robert Anson Heinlein. I denne fortellingen kjøper og gjenoppbygger familien Stone, som er månens innbyggere, et brukt romskip og drar på en sightseeingtur rundt solsystemet. Som en del av dette besøker de asteroidebeltet hvor tilsvarende av California Gold Rush (1848–1855) pågår, med asteroidegruvearbeidere som leter etter ulike materialer, inkludert radioaktive malmer.

Selv om dette fortsatt kan synes å være science fiction for mange, er det interessant å merke seg at så sent som i 2017 lanserte Colorado School of Mines et tverrfaglig utdanningsprogram som tilbyr Post-Baccalaureate Certificate, Master of Science og Ph.D. grader i asteroideutvinning (de kaller det «Romressurser», men de lurer ingen – vi vet hva de mener).

Problemet er at Jorden er et lukket system. Det er en begrenset mengde materiale tilgjengelig. Det vi har i dag, er det vi skal ha i morgen og i overmorgen. Selv om det er alvorlig snakk om å utvinne råvarer (f.eks. jern, nikkel, iridium, palladium, platina, gull, magnesium og muligens vann) fra månen, nærjordiske objekter og asteroider, anslås det å gjøre det å være minst 20 år i fremtiden. Selv når dette skjer, betyr kostnadene i form av energi, tid og ressurser til å returnere disse materialene til jorden at deres mengder vil være minimale i tingenes ordning i mange år fremover. Poenget er at vi ikke kan forvente å motta betydelige mengder ekstra råvarer i overskuelig fremtid, så det er opp til oss å utnytte det vi har best mulig.

Snu utviklingen: Konsktruksjonskurransen InnovateFPGA 2021-22

Inspirert av problemene og behovene identifisert av organisasjoner som Global Environment Facility (GEF) Small Grants Program, som er implementert av FNs utviklingsfond (UNDF), leder alt det ovennevnte oss til konsktruksjonskurransen InnovateFPGA 2021-22 (figur 1).

Figur 1: En av tingene som kan påvirke bærekraft positivt er vår evne til å tenke ut og implementere sosiale og teknologiske løsninger på problemene våre. (Bildekilde: DigiKey)

Terasic, Intel, ADI og Microsoft har lansert den nåværende konsktruksjonskurransen InnovateFPGA 2021-22, som legger vekt på intelligent bruk av FPGA-er på inngangspunktet (edge-en) for å redusere etterspørselen på jordens ressurser.

FPGA-er er spesielt nyttige for denne utrustningen siden de er både fleksible og rekonfigurerbare. Mange av konstruksjonene i denne konkurransen er også basert på bruk av sofistikerte algoritmer som kunstig intelligens (AI) og maskinsyn (MV), som krever store mengder beregning. En FPGAs programmerbare stoff kan konfigureres til å implementere operasjoner på en massivt parallell måte, og dermed tillate dem å utføre beregningsintensive algoritmer i sanntid lokalt, mens de bruker relativt lite strøm.

Deltakerne ble invitert til å registrere seg som lag bestående av en til tre personer som befinner seg innenfor samme geografiske område. Disse lagene ble invitert til å bruke enP0685 DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit fra Terasic, som er basert på kombinasjonen av det ekstremt populæreP0496 DE10-Nano Kit og et P0499 RFS-datterkort (Figur 2).

DE10 Nano er basert på en Intel Cyclone V SE FPGA forsterket med 1 gigabyte (Gbyte) DDR3 SDRAM, en Arduino Expansion Header (Uno R3-kompatibel), full HD HDMI-utgang, UART-til-USB, en USB On-the-Go (OTG) -port, en Micro SD-kortkontakt, Gigabit Ethernet og GPIO-stiftlister. Cyclone V system-on-chip (SoC) FPGA har kombinasjonen av programmerbart stoff (110 000 logiske elementer (LE)) og doble 32-bits Arm® Cortex® -A9-prosessorkjerner.

Figur 2: FPGA Cloud Connectivity Kit kombinerer de rike funksjonene og allsidigheten til en Intel Cyclone V SoC FPGA med fordelene med skytilkobling. Ytterligere sensorer kan kobles til ved hjelp av Arduino-kompatible hoder eller ADI QuikEval-stiftlisten. (Bildekilde: Terasic)

I mellomtiden legger RFS-datterkortet til Wi-Fi og Bluetooth-kommunikasjon, samt et bredt spekter av sensorer som et ni-akset akselerometer, gyroskop og magnetometer, sammen med omgivelseslys-, temperatur- og fuktighetssensorer.

Siden det er så kraftig, er selvsagt DE10-Nano FPGA Cloud-tilkoblingssettet til begrenset bruk på egen hånd. «Ingen mann er en øy,» som den engelske dikteren John Donne så berømt skrev på 1600-tallet, noe som betyr at ingen virkelig er selvforsynt, og alle må stole på andres selskap og trøst for å trives. I dette tilfellet må kanskje DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit utvides med flere sensorer. Det kan også være nødvendig å kommunisere med skyen.

For å støtte konsktruksjonskurransen InnovateFPGA 2021-22, vil disse settene bli gitt til utvalgte deltakende team uten kostnad, sammen med en liten mengde plug-in-kort fra Analog Devices, og begrenset tilgang til Microsofts Azure Cloud Services.

Analog Devices har en omfattende portefølje av evalueringskort og referansedesign for å hjelpe utviklere med å løse utfordringer for utrustninger på systemnivå. Eksempler erEVAL-CN0398-ARDZ (måling av jordfuktighet, pH og temperatur).EVAL-CN0397-ARDZ (tre-kanals lysdeteksjon for smart landbruk), ogDC1338B (I²C temperatur-, strøm- og spenningsmonitor). Disse kortene kan kobles til DE10 Nano ved hjelp av sine Arduino-kompatible stiftlister eller ADI QuikEval-stiftlisten.

Bærekraftens form: Et utvalg av de 261 prosjektoppføringene

Selvfølgelig kunne jeg ikke motstå å ta et raskt overblikk over et rikt omfang innsendte prosjeker. Vi snakker om 261 prosjekter som spenner over et enormt spekter av forskjellige typer utrustninger, så hvis du bestemmer deg for å ta en titt selv, kan du måtte utstyre deg med noe å drikke og en matbit, fordi du kommer til å bli lykkelig engasjert i ganske lang tid.

Gjenvinning av korallrev og automatisert søppelinnsamling: Eksempler på prosjekter som umiddelbart fanget meg varEM043 , som foreslår et undervanns dyp-læring, intelligent mikrobielt leveringssystem for korallrevhabitatgjenoppretting (figur 3), ogAS034 , en smart søppelbøtte som vil kunne identifisere og klassifisere objekter for å finne ut hva som kan og ikke kan resirkuleres.

Figur 3: Prosjekt EM043 er et gjenvinningssystem for korallrevhabitater som vil kunne levere korallprobiotika og overvåke effektiviteten deres. Leveransen vil bli nøyaktig regulert av et dypt læringsnettverk som overvåker fargeendringene til korallene. (Bildekilde: InnovateFPGA)

Prosjekt EM043 fokuserer på å reversere bleking av korallrev forårsaket av temperaturendringer, som resulterer i at revene driver ut algene som lever i vevet. Det er algene som ikke bare gir farge, men også gjør det mulig for korallen å utføre fotosyntesen, som er nødvendig for å holde den i live og opprettholde økosystemet.

Det er forskjellige fordelaktige mikroorganismer for koraller (beneficial microorganisms for corals – BMC-er) som kan bremse, eller til og med stoppe blekeprosessen, men hvilke og riktig blanding må bestemmes gjennom langvarig prototyping og testing på plassen (på inngangspunktet – edge-en). Prosjekt EM043 kombinerer skytilkoblingssettet med en mobil 4G-ruter, solcellepanel, kamera, temperatursensor, en nivåsensor og dyplæringsalgoritmer for å utføre analysen og regulere BMC-levering ved hjelp av en spesialisert modul (figur 4).

Figur 4: Prosjekt EM043 kombinerer dyplæringsanalyse med sensorer, solenergi, en 4G-ruter og en BMC-leveringsmekanisme, med DE10 som sentral prosesseringsplattform. (Bildekilde: InnovateFPGA)

Microsoft Azure-skyen er koblet til ved hjelp av 4G-ruteren, og for å fjernstyre leveringssystemet og visuelt overvåke korallforholdene.

Systemet, slik det er foreslått, gjør det mulig for havforskere å utføre presise og pålitelige overvåkingsforsøk på BMCs effektivitet med hensyn til å redusere blekeeffekten, og bidrar dermed til en betydelig innvirkning på gjenopprettelsen av et korallrevøkosystem.

Økologisk CO₂ -fjerning: Et annet prosjekt som jeg liker for sin enkelhet og skalerbarhet er EM003. Dette har en spesiell stueplante som kalles bønneplante (maranta leuconeura), som er en lavtvoksende tropisk plante hjemmehørende i Syd-Amerika. Forskjellige studier og eksperimenter har vist denne plantens evne til å absorbere klimagasser svært effektivt sammenlignet med lignende innendørs planter. Faktisk merker skaperne av prosjektet at bare én av disse plantene kan redusere mengden CO₂ i enkeltrom med 14,40 % over en 24-timers periode.

Tanken bak dette prosjektet er å tvinge anlegg med bønneplanter til å absorbere så mye CO₂ som mulig. Dette oppnås ved å registrere sensoriske data (temperatur, fuktighet, omgivelseslys, jordfuktighet) i skyen, eksperimentere med vanningssyklusen og analysere resultatene. Det endelige målet er å ha millioner av mennesker som bruker disse plantene, og å samle og analysere data fra så mange som mulig. I tillegg til DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit benytter dette prosjektet en jordfuktighetssensor og en vannpumpe med en DC-aktuator (figur 5).

Figur 5: I prosjekt EM003 er alle sensoriske data forhåndsbehandlet av FPGA, som også styrer anleggets vanningssyklus; de behandlede dataene sendes deretter til skyen for å kombineres med data fra andre anlegg som skal analyseres. (Bildekilde: (InnovateFPGA)

Drone for vannstressanalyse i landbruket: Jeg vet ikke med deg, men jeg er en suger på alt som har med droner å gjøre, så et annet prosjekt som krevde etterforskning varAP008 , som har en drone kalt en "Agri-Bird" som hjelper til med å oppdage vannstress i landbruksmiljøer (Figur 6). Dette teamet holder til i Islamabad i Pakistan.

Ifølge teamet bruker landbruket omtrent 90 % av Pakistans vannforsyning. Hvis ting fortsetter som i dag, kan landets vannressurser være oppbrukt innen 2040. For å unngå dette og gi løsninger for den gjennomsnittlige bonden, foreslår prosjekt AP008 å bruke kombinasjonen av meteorologiske data, data fra sensorer på bakken og flydata samlet inn av en drone for å lage en modell for forutsigelsesmodell for vannstress.

Figur 6: Ved hjelp av data samlet inn fra en drone i forbindelse med data fra andre kilder, kan den resulterende vannstressmodellen brukes til å forhindre; (a) tap av produksjon på grunn av vannunderskudd, (b) tap av næringsstoffer i jorden på grunn av overdreven vanning, (c) dårlig regulering av vanning og (d) skogbranner. (Bildekilde: InnovateFPGA)

Bli kvitt plastavfall: Jeg kunne fortsette, men et siste prosjekt som er av personlig interesse for meg er AP080, som involverer en liten smart robot som reiser gjennom byens gater og ser og samler plastavfallsprodukter for resirkulering. Dette er veldig interessant, fordi jeg ser plastavfall uansett hvor jeg går (figur 7).

Figur 7: Det trenger ikke bli slik, hvis det blir en realitet av roboten til AP080-prosjektet. Selv om dette prosjektet i utgangspunktet er innrettet mot bygater, kan det – eller andre slike prosjekter – på sikt være i stand til å minske plagen med plastavfall. (Bildekilde: The Nature Conservatory)

Da jeg var liten og foreldrene mine tok meg med på strandenferie, var familiens regel å forlate alt være renere enn når vi kom. Dette involverte at vi ikke bare samlet vårt eget kull, men også alt annet søppel vi kunne se i nærheten. Det knyter seg i meg når jeg ser folk kaster søppel mens de går, eller kaster det ut av bilvinduene sine. Det kommer til å bli vanskelig å overtale den typen personer til å slutte, men søppelmengden fra oppførselen deres ville blitt redusert om vi hadde robotene som er foreslåtte i dette prosjektet, til å rydde opp etter dem.

Det skumle er at selv om eksemplene på prosjekter som presenteres her er interessante og mangfoldige, har vi ikke engang skrapt i overflaten på alle mulighetene som presenteres av bidragene til denne konkurransen. Bare det å bla gjennom oversikten av prosjektene fikk meg til stadig å utbryte “Så kuult!”, og stoppe opp for å ta et dypere dykk. Jeg skal faktisk ta en tur til gjennom prosjektene, så snart jeg er ferdig med å skrive denne spalten.

Konklusjon

Alle bidragene til konsktruksjonskurransen InnovateFPGA 2021-22 er innleverte. Lagene jobber nå intenst med prosjektene sine, med sikte på den regionale finalen, den vil finne sted i mars 2022. Den store finalen er planlagt til juni 2022. Jeg vet ikke hvordan det er med deg, men jeg gleder meg til å se resultatene av denne betimelige og tankevekkende utfordringen.