2021 InnovateFPGA Contest: Creatieve ontwerpers tonen ons hoe we duurzaamheid kunnen aanpakken

Ik weet niet hoe het met u zit, maar ik maak me steeds meer zorgen over onze collectieve toekomst. We horen de term "duurzaamheid" tegenwoordig vaak, maar wat betekent het eigenlijk? Welnu, één manier om het te bekijken is dat duurzaamheid verwijst naar het vermogen van de mens en de biosfeer van de aarde om naast elkaar te bestaan. In Our Common Future, ook bekend als het Brundtland-rapport, dat in oktober 1987 door de Verenigde Naties werd gepubliceerd, werd duurzaamheid enigszins treffend gedefinieerd als "...voldoen aan de behoeften van de huidige generatie zonder het vermogen van toekomstige generaties om in hun behoeften te voorzien in gevaar te brengen"

Ons vermogen om duurzaamheid te bereiken wordt op de proef gesteld door bevolkingsgroei en inefficiënt gebruik van de beschikbare hulpbronnen. Daarom is het thema van de InnovateFPGA Design Contest 2021-22, diedoor Terasic in samenwerking met Intel, Analog Devices Inc. (ADI) en Microsoft - is "Connecting the Edge for a Sustainable Future (Applying Technology to Address Global Challenges)"

Het doel van de wedstrijd is te inspireren en duurzame oplossingen te creëren die onze milieu-impact verminderen. Laten we eens kijken naar enkele van de ideeën: ze zullen u zeker aan het denken zetten over wat u kunt doen.

De strijd tussen bevolking en middelen

Een van de dingen die duurzaamheid negatief beïnvloeden, is het aantal mensen op de planeet. Neem bijvoorbeeld de beroemde piramiden van Gizeh, die werden gebouwd van ongeveer 2550 tot 2490 v. Chr. Dat is slechts ongeveer 4.500 jaar geleden, nu ik deze woorden schrijf. In die dagen van weleer, waren er maar ongeveer 20 miljoen mensen op de planeet. Ter vergelijking: op het moment van dit schrijven zijn we met naar schatting 7,9 miljard mensen, en de voorspelling is dat dit aantal zal stijgen tot 8,5 miljard in 2030¹ , 9,2 miljard in 2040², en bijna 10 miljard in 2050³.

Positief is dat een van de dingen die duurzaamheid positief kunnen beïnvloeden, ons vermogen is om sociale en technologische oplossingen voor onze problemen te bedenken en toe te passen.

Ik hou van science fiction en science fantasy. Als jonge knaap aan het eind van de jaren zestig en het begin van de jaren zeventig herinner ik mij het lezen van de sciencefictionroman The Rolling Stones uit 1952 (ook gepubliceerd onder de naam Space Family Stone in het Verenigd Koninkrijk) van de Amerikaanse sciencefictionschrijver, luchtvaartingenieur en marineofficier Robert Anson Heinlein. In dit verhaal koopt de familie Stone, die bewoners van de maan zijn, een gebruikt ruimteschip en bouwen het om, waarna ze een rondreis door het zonnestelsel maken. Als onderdeel hiervan bezoeken zij de asteroïdengordel waar het equivalent van de California Gold Rush (1848-1855) aan de gang is, met asteroïdenmijnwerkers die naar verschillende materialen zoeken, waaronder radioactieve ertsen.

Hoewel dit voor veel mensen nog steeds sciencefiction lijkt, is het interessant om op te merken dat de Colorado School of Mines in 2017 een multidisciplinair afstudeerprogramma heeft gelanceerd met een post-baccalaureaatcertificaat, master of science,en doctoraat graden in asteroïde-mijnbouw (ze noemen het 'Space Resources', maar ze houden niemand voor de gek - we weten wat ze bedoelen).

Het probleem is dat de aarde een gesloten systeem is. Er is een beperkte hoeveelheid materiaal beschikbaar. Wat we vandaag hebben, is wat we morgen en overmorgen zullen hebben. Hoewel er serieus wordt gesproken over het delven van grondstoffen (b.v. ijzer, nikkel, iridium, palladium, platina, goud, magnesium, en - mogelijk - water) van de maan, van objecten in de buurt van de aarde en van asteroïden, zal het nog minstens 20 jaar duren voordat dit daadwerkelijk zal gebeuren. Zelfs wanneer het zover komt, zullen de kosten in termen van energie, tijd en hulpbronnen om deze materialen naar de aarde terug te brengen, betekenen dat de hoeveelheden ervan nog vele jaren minuscuul zullen zijn in het geheel der dingen. Het komt erop neer dat wij in de afzienbare toekomst geen grote hoeveelheden extra grondstoffen kunnen verwachten, zodat wij zo goed mogelijk gebruik moeten maken van wat wij hebben.

Het tij keren: de InnovateFPGA Design Contest 2021-22

Geïnspireerd door de problemen en behoeften die zijn vastgesteld door organisaties als het Global Environment Facility (GEF) Small Grants Program, dat wordt uitgevoerd door het Ontwikkelingsfonds van de Verenigde Naties (UNDF), leidt dit alles ons naar de InnovateFPGA Design Contest (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een van de dingen die duurzaamheid positief kunnen beïnvloeden, is ons vermogen om sociale en technologische oplossingen voor onze problemen te bedenken en toe te passen. (Bron afbeelding: DigiKey)

Terasic, Intel, ADI en Microsoft zijn de uitdaging van duurzaamheid aangegaan en hebben de huidige InnovateFPGA Design Contest 2021-22 gelanceerd, die de nadruk legt op het intelligente gebruik van FPGA's aan de rand van de wereld om de vraag naar hulpbronnen te verminderen.

FPGA's zijn bijzonder nuttig voor deze toepassing omdat zij zowel flexibel als herconfigureerbaar zijn. Ook zijn veel van de ontwerpen in deze wedstrijd gebaseerd op het gebruik van geavanceerde algoritmen, zoals kunstmatige intelligentie (AI) en machine vision (MV), waarvoor enorme hoeveelheden rekenkracht nodig zijn. De programmeerbare structuur van een FPGA kan worden geconfigureerd om bewerkingen op massaal parallelle wijze uit te voeren, waardoor zij rekenintensieve algoritmen lokaal en in real time kunnen uitvoeren terwijl zij relatief weinig stroom verbruiken.

De deelnemers werden uitgenodigd zich in te schrijven als teams bestaande uit één tot drie personen die zich in hetzelfde geografische gebied bevinden. Deze teams werden uitgenodigd om gebruik te maken van een P0685 DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit van Terasic, die is gebaseerd op de combinatie van de uiterst populaire P0496 DE10-Nano Kit en een P0499 RFS-dochterkaart (Afbeelding 2).

De DE10 Nano is gebaseerd op een Intel Cyclone V SE FPGA, aangevuld met 1 gigabyte (Gbyte) DDR3 SDRAM, een Arduino-uitbreidingsheader (Uno R3-compatibel), full HD HDMI-uitgang, UART-naar-USB, een USB On-the-Go (OTG)-poort, een Micro SD-kaartaansluiting, Gigabit Ethernet en GPIO-kopjes. De Cyclone V system-on-chip (SoC) FPGA beschikt over de combinatie van programmeerbare fabric (110.000 logic elements (LE's)) en dubbele 32-bit Arm® Cortex®-A9-processorkernen.

Afbeelding 2: De FPGA Cloud Connectivity Kit combineert de rijke functies en veelzijdigheid van een Intel Cyclone V SoC FPGA met de voordelen van cloudconnectiviteit. Extra sensoren kunnen worden aangesloten door middel van de Arduino-compatibele headers of de ADI QuikEval Header. (Bron afbeelding: Terasic)

Ondertussen voegt de RFS dochterkaart Wi-Fi en Bluetooth communicatie toe, evenals een breed scala aan sensoren zoals een negen-assige versnellingsmeter, gyroscoop, en magnetometer, samen met omgevingslicht, temperatuur, en vochtigheidssensoren.

Natuurlijk is de DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit, hoe krachtig deze ook is, op zichzelf slechts van beperkt nut. "Niemand is een eiland", zoals de beroemde Engelse dichter John Donne in de 17e eeuw schreef, waarmee hij bedoelde dat niemand echt zelfvoorzienend is, en dat iedereen afhankelijk is van het gezelschap en het comfort van anderen om te kunnen gedijen. In dit geval kan het nodig zijn de DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit uit te breiden met extra sensoren; ook kan het nodig zijn te communiceren met de cloud.

Om de InnovateFPGA Design Contest 2021-22 te ondersteunen, worden deze kits gratis ter beschikking gesteld van geselecteerde deelnemende teams, samen met een kleine hoeveelheid insteekkaarten van Analog Devices, en kredieten/gelimiteerde toegang tot Microsofts Azure Cloud Services.

Analog Devices heeft een uitgebreide portfolio van evaluatiekaarten en referentieontwerpen om de uitdagingen van ontwikkelaars op systeemniveau te helpen oplossen. Voorbeelden zijn de EVAL-CN0398-ARDZ (bodemvocht-, pH- en temperatuurmeting), de EVAL-CN0397-ARDZ (driekanaals lichtdetectie voor slimme landbouw), en de DC1338B (I²C temperatuur-, stroom-, en spanningsmonitor). Deze kaarten kunnen op de DE10 Nano worden aangesloten via de Arduino-compatibele headers of de ADI QuikEval Header.

De vorm van duurzaamheid: Een greep uit de 261 projectinzendingen

Natuurlijk kon ik het niet laten een wandeling te maken door de rijkdom van de ingediende projecten. Het gaat om 261 projecten die een enorme verscheidenheid aan toepassingsgebieden bestrijken, dus als u besluit zelf een kijkje te nemen, kunt u zich beter voorzien van iets te drinken en een snack, want u zult geruime tijd met plezier bezig zijn.

Herstel van koraalriffen en geautomatiseerde vuilnisophaling: Voorbeeldprojecten die onmiddellijk mijn aandacht trokken waren EM043, waarin een onderwater intelligent microbieel leveringssysteem met diepgaande leerprocessen wordt voorgesteld voor het herstel van de habitat van koraalriffen (figuur 3), en AS034, een slimme vuilnisbak die in staat zal zijn voorwerpen te identificeren en te classificeren om te bepalen wat wel en wat niet kan worden gerecycleerd.

Afbeelding 3: Project EM043 is een systeem voor het herstel van de habitat van koraalriffen dat koraalprobiotica kan toedienen en de doeltreffendheid ervan kan controleren. De levering zal nauwkeurig worden geregeld door een deep learning netwerk dat de kleurveranderingen van de koralen in de gaten houdt. (Bron afbeelding: InnovateFPGA)

Project EM043 is erop gericht het verbleken van koraalriffen tegen te gaan dat wordt veroorzaakt door temperatuursveranderingen die tot gevolg hebben dat de riffen de in hun weefsels levende algen verdrijven. De algen zorgen niet alleen voor de kleur, maar stellen het koraal ook in staat de fotosynthese uit te voeren die nodig is om het in leven te houden en het ecosysteem in stand te houden.

Er zijn verschillende nuttige micro-organismen voor koralen (BMC's) die het verblekingsproces kunnen vertragen of zelfs stopzetten, maar welke dat zijn en de juiste mix moeten worden bepaald door langdurige prototypering en tests aan de rand. Project EM043 combineert de Cloud Connectivity Kit met een mobiele 4G router, een zonnepaneel, een camera, een temperatuursensor, een niveausensor, en deep-learning algoritmen om de analyse uit te voeren, en regelt de BMC-levering met behulp van een gespecialiseerde module (figuur 4).

Afbeelding 4: Project EM043 combineert deep-learning analyse met sensoren, zonne-energie, een 4G-router en een BMC-leveringsmechanisme, met de DE10 als het centrale verwerkingsplatform. (Bron afbeelding: InnovateFPGA)

De Microsoft Azure-cloud is verbonden via de 4G-router, en om het leveringssysteem op afstand te bedienen en de toestand van het koraal visueel te controleren.

Het voorgestelde systeem maakt het mogelijk voor mariene onderzoekers om nauwkeurige en betrouwbare monitoringexperimenten uit te voeren over de doeltreffendheid van BMC's bij het verminderen van het verblekingseffect, en zo bij te dragen tot een belangrijk effect op het herstel van een ecosysteem van koraalriffen.

Organische CO₂-verwijdering: Een ander project dat ik waardeer vanwege zijn eenvoud en schaalbaarheid is EM003. Het gaat om een bijzondere kamerplant, de gebedsplant (maranta leuconeura), een laaggroeiende tropische plant die oorspronkelijk uit Zuid-Amerika komt. Verschillende studies en experimenten hebben aangetoond dat deze plant zeer efficiënt broeikasgassen kan absorberen in vergelijking met soortgelijke kamerplanten. De ontwerpers van het project merken op dat slechts één van deze planten de hoeveelheid CO₂ in één kamer met 14,40% kan doen dalen over een periode van 24 uur.

Het idee achter dit project is om gebedsplanten te dwingen een zo groot mogelijke hoeveelheid CO₂ op te nemen. Dit zal worden bereikt door sensorische gegevens (temperatuur, vochtigheid, omgevingslicht, bodemvochtigheid) in de wolk te registreren, met de irrigatiecyclus te experimenteren, en de resultaten te analyseren. Het uiteindelijke doel is miljoenen mensen deze planten te laten gebruiken en gegevens van zo veel mogelijk mensen te verzamelen en te analyseren. Naast de DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit wordt in dit project gebruik gemaakt van een bodemvochtsensor en een waterpomp met een DC-actuator (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: In project EM003 worden alle zintuiglijke gegevens voorbewerkt door de FPGA, die ook de irrigatiecyclus van de plant controleert; de verwerkte gegevens worden vervolgens naar de cloud gestuurd om te worden gecombineerd met gegevens van andere planten en te worden geanalyseerd. (Bron afbeelding: (InnovateFPGA)

Drone voor analyse van waterstress in de landbouw: Ik weet niet hoe het met u zit, maar ik heb een zwak voor alles wat met drones te maken heeft, dus een ander project dat om onderzoek vroeg was AP008, met een drone die "Agri-Bird" wordt genoemd en die helpt bij het opsporen van waterstress in landbouwomgevingen (Afbeelding 6). Dit team is gevestigd in Islamabad, Pakistan.

Volgens het team gebruikt de landbouw ongeveer 90% van de watervoorraad van Pakistan. Als de huidige trend doorzet, kunnen de watervoorraden van het land tegen 2040 uitgeput zijn. Om dit te vermijden en oplossingen aan te reiken voor de gemiddelde landbouwer, stelt project AP008 voor de combinatie van meteorologische gegevens, gegevens van sensoren op de grond en door een drone verzamelde gegevens vanuit de lucht te gebruiken om een voorspellingsmodel voor waterstress op te stellen.

Afbeelding 6: Door gegevens van een drone te combineren met gegevens van andere bronnen, kan het resulterende waterstressmodel worden gebruikt om a) verlies van producten door watertekort, b) verlies van bodemvoedingsstoffen door overmatige besproeiing, c) slechte regeling van irrigatie, en d) natuurbranden te voorkomen. (Bron afbeelding: InnovateFPGA)

Het wegwerken van plastic afval: Ik zou nog wel even door kunnen gaan, maar een laatste project dat mij persoonlijk interesseert is AP080, waarbij een kleine slimme robot door de straten van de stad reist om plastic afval te zoeken en te verzamelen voor recycling. Dit is echt een schot in de roos omdat ik tegenwoordig overal waar ik kom plastic afval zie (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Zo hoeft het niet te gaan als project AP080 zijn slimme robot tot leven wekt. Hoewel dit project in eerste instantie gericht is op straten in de stad, kan het - of andere soortgelijke projecten - uiteindelijk de plaag van het plastic afval verlichten. (Bron foto: The Nature Conservatory)

Toen ik klein was en mijn ouders me mee op vakantie namen, was het onze familieregel om na een dag op het strand alles schoner achter te laten dan we het aantroffen. Dit hield in dat we niet alleen ons eigen zwerfvuil verzamelden, maar ook al het andere afval dat we in de buurt zagen. Ik krijg de kriebels als ik mensen achteloos afval zie weggooien door het te laten vallen terwijl ze lopen of door het uit het raam van hun auto te gooien. Het zal moeilijk zijn om dat soort mensen te overtuigen om te stoppen, maar hun gedrag zou worden afgezwakt als we robots hadden zoals die welke in dit project worden voorgesteld, die achter hen opruimen.

Het angstaanjagende is dat, hoe interessant en divers de hier gepresenteerde voorbeeldprojecten ook zijn, we nog niet eens de oppervlakte hebben bereikt van alle mogelijkheden die de inzendingen voor deze wedstrijd bieden. Alleen al bij het doorbladeren van de projecten op hoog niveau riep ik voortdurend "Ooh, Shiny!", en pauzeerde ik om er dieper in te duiken. Ik ga zelfs nog een keer zwemmen zodra ik klaar ben met deze column.

Conclusie

Alle inzendingen voor de InnovateFPGA Design Contest 2021-22 zijn binnen. De teams werken nu koortsachtig aan hun projecten en hebben hun zinnen gezet op de regionale finales, die in maart 2022 zullen plaatsvinden, en de grote finale, die in juni 2022 zal worden gehouden. Ik weet niet hoe het met u zit, maar ik kan in ieder geval niet wachten om de resultaten te zien van deze actuele en tot nadenken stemmende uitdaging.