Soutěž InnovateFPGA 2021: Kreativní konstruktéři nám ukazují, jak se vypořádat s udržitelností

Nevím jak vy, ale já mám čím dál větší obavy o naši společnou budoucnost. Termín „udržitelnost“ slýcháme v dnešní době hodně, ale co to vlastně znamená? Jedním ze způsobů, jak se na to dívat, je, že udržitelnost se týká schopnosti vzájemné koexistence lidí a zemské biosféry. V článku Naše společná budoucnost, známém také jako Brundtlandova zpráva, který byl zveřejněn Organizací spojených národů v říjnu 1987, byla udržitelnost poněkud palčivě definována jako „…uspokojování potřeb současné generace, aniž by byla ohrožena schopnost budoucích generací uspokojovat jejich potřeby."

Naše schopnost dosáhnout udržitelnosti je narušována růstem populace a neefektivním využíváním dostupných zdrojů. Jako uznání této skutečnosti se tématem pro Soutěž InnovateFPGA Design Contest 2021-22 - zahájené společností Terasic ve spolupráci se společnostmi Intel, Analog Devices Inc. (ADI) a Microsoft - stalo „Připojení okraje pro udržitelnou budoucnost (Aplikace technologie k řešení globálních výzev).“

Cílem soutěže je inspirovat a vytvářet udržitelná řešení, která snižují náš dopad na životní prostředí. Pojďme se podívat na některé nápady: určitě vás přimějí přemýšlet o tom, co vy může udělat.

Bitva populace versus zdroje

Jedním z faktorů, který negativně ovlivňuje udržitelnost, je počet lidí na planetě. Vezměme si například slavné pyramidy v Gíze, které byly postaveny v letech 2550 až 2490 př. n. l. To je jen asi před 4 500 lety, když píšu tato slova. V těch dobách bylo na planetě jen asi 20 milionů lidí. Pro srovnání, v době psaní tohoto článku se náš počet odhaduje na 7,9 miliardy a předpovídá se, že toto číslo vzroste do roku 2030 na 8,5 miliardy¹, 9,2 miliardy do roku 2040², a téměř 10 miliard do roku 2050³.

Na druhou stranu, jedním z faktorů, který může kladně ovlivnit udržitelnost, je naše schopnost koncipovat a implementovat sociální a technologická řešení našich problémů.

Miluji sci-fi a science fantasy. Jako mladý chlapec na přelomu 60. a 70. let si pamatuji, že jsem četl sci-fi román z roku 1952 The Rolling Stones (publikováno také pod názvem Vesmírný rodinný kámen ve Velké Británii) od amerického autora sci-fi, leteckého inženýra a námořního důstojníka Roberta Ansona Heinleina. V tomto příběhu rodina Stoneů, kteří jsou obyvateli Měsíce, zakoupí a přestaví použitou vesmírnou loď a vydá se na okružní jízdu po sluneční soustavě. V rámci toho navštíví pás asteroidů, kde probíhá ekvivalent kalifornské zlaté horečky (1848-1855), kde těžaři na asteroidech hledají různé materiály, včetně radioaktivních rud.

Ačkoli se to stále může mnoha lidem zdát jako sci-fi, je zajímavé poznamenat, že nedávno v roce 2017 zahájila škola Colorado School of Mines multidisciplinární postgraduální program nabízející post-bakalářský certifikát stupně Master of Science a Ph.D. v těžbě asteroidů (říkají tomu „vesmírné zdroje“, ale nikoho neklamou - víme, co tím myslí).

Problém je v tom, že Země je uzavřený systém. K dispozici je omezené množství materiálu. To, co máme dnes, je to, co budeme mít zítra i pozítří. I když se vážně mluví o těžbě surovin (např. železa, niklu, iridia, palladia, platiny, zlata, hořčíku a - možná - vody) z Měsíce, objektů v blízkosti Země a z asteroidů, ve skutečnosti se realizace odhaduje minimálně na 20 let do budoucnosti. I když k tomu dojde, náklady na energii, čas a zdroje na vrácení těchto materiálů na Zemi znamenají, že jejich množství bude v uspořádání světa po mnoho let mizivé. Pointou je, že nemůžeme očekávat, že v dohledné době obdržíme významná množství dalších surovin, takže je na nás, abychom co nejlépe využili to, co máme.

Obracíme vývoj: The InnovateFPGA Design Contest 2021-22

Vlivem inspirace problémy a potřebami identifikovanými organizacemi, jako je program malých grantů Global Environment Facility (GEF), který realizuje Rozvojový fond OSN (UNDF), nás všechny výše uvedené skutečnosti vedou k soutěži InnovateFPGA Design Contest (obrázek 1).

Obrázek 1: Jedna z věcí, které mohou pozitivně ovlivnit udržitelnost, je naše schopnost koncipovat a implementovat sociální a technologická řešení našich problémů. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Společnosti Terasic, Intel, ADI a Microsoft, které čelily výzvě udržitelnosti, zahájily aktuální soutěž InnovateFPGA Design Contest 2021-22, která klade důraz na inteligentní využití FPGA na okraji ke snížení poptávky po zdrojích Země.

Pole FPGA jsou pro tuto aplikaci zvláště užitečné, protože jsou flexibilní a rekonfigurovatelné. Mnoho návrhů v této soutěži je také založeno na použití sofistikovaných algoritmů, jako je umělá inteligence (AI) a strojové vidění (MV), které vyžadují obrovské množství výpočtů. Programovatelná struktura pole FPGA může být konfigurována tak, aby implementovala operace masivně paralelním způsobem, což jim umožňuje provádět výpočetně náročné algoritmy lokálně v reálném čase při relativně nízké spotřebě energie.

Soutěžící byli vyzváni, aby se zaregistrovali jako týmy složené z jednoho až tří lidí nacházejících se ve stejné geografické oblasti. Tyto týmy byly vyzvány, aby využily sadu cloudové konektivity P0685 DE10-Nano FPGA od společnosti Terasic založenou na kombinaci extrémně populární sady P0496 DE10-Nano a dceřiné karty P0499 RFS (obrázek 2).

Sada DE10 Nano je založena na poli Intel Cyclone V SE FPGA rozšířeném o 1 gigabajt (Gbyte) paměti DDR3 SDRAM, rozšiřující patici Arduino (kompatibilní s Uno R3), výstupu Full HD HDMI, rozhraní UART na USB, portu USB On-the-Go (OTG), zásuvce pro kartu Micro SD, gigabitovém Ethernetu a paticích GPIO. Pole FPGA se systémem na čipu (SoC) Cyclone V se vyznačuje kombinací programovatelné struktury (110 000 logických prvků (LE)) a duálních 32bitových procesorových jader Arm® Cortex®-A9.

Obrázek 2: Sada FPGA Cloud Connectivity kombinuje bohaté funkce a všestrannost programovatelného hradlové pole (FPGA) Intel Cyclone V SoC s výhodami cloudové konektivity. Další senzory lze připojit pomocí Arduino kompatibilních patic nebo ekvivalentní patice ADI QuikEval. (Zdroj obrázku: Terasic)

Dceřiná karta RFS mezitím přidává Wi-Fi a Bluetooth komunikaci a také širokou škálu senzorů, jako je devítiosý akcelerometr, gyroskop a magnetometr, společně se senzory okolního světla, teploty a vlhkosti.

Samozřejmě, i když je sada DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity výkonná, má sama o sobě omezené použití. „Žádný člověk není ostrov,“ jak slavně napsal anglický básník John Donne v 17. století, což znamená, že nikdo není skutečně soběstačný a každý se musí spoléhat na společnost a pohodlí druhých, aby mohl prosperovat. V tomto případě může být nutné sadu DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity rozšířit o další senzory; také může potřebovat komunikovat s cloudem.

Na podporu soutěže InnovateFPGA Design Contest 2021-22 budou tedy tyto sady poskytovány vybraným zúčastněným týmům zdarma, společně s malým počtem zásuvných karet od společnosti Analog Devices a kredity/časově omezeným přístupem ke službám Azure Cloud společnosti Microsoft.

Společnost Analog Devices má rozsáhlé portfolio vyhodnocovacích desek a referenčních návrhů, které pomáhají řešit vývojářům aplikační výzvy na systémové úrovni. Jako příklady lze uvést desky EVAL-CN0398-ARDZ (měření půdní vlhkosti, pH a teploty), EVAL-CN0397-ARDZ (tříkanálová detekce světla pro chytré zemědělství) a DC1338B (I²C monitorování teploty, proudu a napětí). Tyto desky lze připojit k sadě DE10 Nano pomocí jejích Arduino kompatibilních patic nebo ekvivalentní patice ADI QuikEval.

Tvar udržitelnosti: Vzorek 261 projektových příspěvků

Samozřejmě jsem nemohl odolat a projít množství přihlášených projektů. Hovoříme o 261 projektech, které pokrývají obrovskou škálu oblastí použití, takže pokud se rozhodnete podívat se sami, možná budete chtít vybavit se něčím k pití a zabalit svačinu, protože budete šťastně zasnoubeni nějakou dobu.

Obnova korálových útesů a automatizovaný sběr odpadu: Z projektů, které mě okamžitě zaujaly, mohu jako příklady uvést EM043, který překládá podvodní, hluboce se učící, inteligentní mikrobiální doručovací systém pro obnovu biotopů korálových útesů (obrázek 3) a AS034 - inteligentní odpadkový koš, který bude schopen identifikovat a klasifikovat předměty a určit, který lze nebo nelze recyklovat.

Obrázek 3: Projekt EM043 je systém obnovy biotopů korálových útesů, který bude schopen dodávat korálová probiotika a monitorovat jejich účinnost. Dodávka bude přesně regulována sítí hlubokého učení, která sleduje barevné změny korálů. (Zdroj obrázku: InnovateFPGA)

Projekt EM043 se zaměřuje na zvrácení bělení korálových útesů způsobené změnami teploty, které vedou k tomu, že útesy vypudí řasy žijící v jejich tkáních. Jedná se o řasy, které nejen zajišťují zbarvení, ale také umožňují korálům provádět fotosyntézu nezbytnou k udržení života a udržení ekosystému.

Existují různé prospěšné mikroorganismy pro korály (BMC), které mohou zpomalit nebo dokonce zastavit proces bělení, ale které z nich a správnou směs je třeba určit pomocí zdlouhavého prototypování a testování na okraji. Projekt EM043 kombinuje sadu Cloud Connectivity s mobilním 4G routerem, solárním panelem, kamerou, teplotním senzorem, hladinovým senzorem a algoritmy hlubokého učení pro provádění analýzy a regulaci dodávky BMC pomocí specializovaného modulu (obrázek 4).

Obrázek 4: Projekt EM043 kombinuje analýzu hlubokého učení se senzory, solární energií, 4G routerem a doručovacím mechanismem BMC s DE10 jako centrální platformou pro zpracování. (Zdroj obrázku: InnovateFPGA)

Cloud Microsoft Azure je připojen pomocí 4G routeru a dokáže vzdáleně ovládat doručovací systém a vizuálně sledovat stav korálů.

Systém, jak je navržen, umožňuje mořským výzkumníkům provádět přesné a spolehlivé monitorovací experimenty s účinností organismů BMC na snižování bělícího účinku, čímž přispívá k významnému dopadu na obnovu ekosystému korálových útesů.

Odstranění organického CO₂: Dalším projektem, který se mi líbí pro jeho jednoduchost a škálovatelnost, je EM003. Vyznačuje se speciální pokojovou rostlinou zvanou modlitba (maranta leuconeura), což je nízko rostoucí tropická rostlina pocházející z Jižní Ameriky. Různé studie a experimenty prokázaly schopnost této rostliny velmi účinně absorbovat skleníkové plyny ve srovnání s podobnými pokojovými rostlinami. Ve skutečnosti tvůrci projektu poznamenávají, že pouze jedna z těchto rostlin může snížit množství CO₂ v jednolůžkovém pokoji o 14,40 % za 24 hodin.

Myšlenkou tohoto projektu je přinutit modlitební rostliny, aby absorbovaly maximální množství CO₂ možný. Toho bude dosaženo zaznamenáváním senzorických dat (teplota, vlhkost, okolní světlo, vlhkost půdy) v oblacích, experimentováním s cyklem zavlažování a analýzou výsledků. Konečným cílem je, aby tyto rostliny používaly milióny lidí a shromažďovali a analyzovali data od co největšího počtu osob. Kromě sady DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity tento projekt využívá snímač půdní vlhkosti a vodní čerpadlo se stejnosměrným pohonem (obrázek 5).

Obrázek 5: V projektu EM003 jsou všechna senzorická data předzpracována polem FPGA, které také řídí zavlažovací cyklus rostliny; zpracovaná data jsou poté odeslána do cloudu, kde jsou kombinována s daty z jiných rostlin určených l analýze. (Zdroj obrázku: (InnovateFPGA)

Dron pro analýzu vodního stresu v zemědělství: Nevím jak vy, ale já jsem blázen do všeho, co souvisí s drony, takže další projekt, který potřeboval prozkoumat, bylAP008 obsahující dron nazvaný „Agri-Bird“, který pomáhá detekovat vodní stres v zemědělských podmínkách (obrázek 6). Tento tým sídlí v Islámábádu v Pákistánu.

Podle týmu zemědělství využívá přibližně 90 % pákistánských zásob vody. Pokud budou věci pokračovat ve své současné cestě, vodní zdroje země by mohly být vyčerpány do roku 2040. Aby se tomu zabránilo a poskytlo řešení pro průměrného farmáře, projekt AP008 navrhuje použít kombinaci meteorologických dat, dat ze senzorů na zemi a vzdušných dat shromážděných dronem k vytvoření modelu předpovědi vodního stresu.

Obrázek 6: Pomocí dat shromážděných z dronu ve spojení s daty z jiných zdrojů lze výsledný model vodního stresu použít k prevenci (a) ztrát produkce v důsledku nedostatku vody, (b) ztrát půdních živin v důsledku nadměrného zalévání, (c) chybné regulace zavlažování a (d) lesních požárů. (Zdroj obrázku: InnovateFPGA)

Jak se zbavit plastového odpadu: Mohl bych pokračovat, ale jeden z posledních projektů, který mě osobně zajímá, je AP080 obsahující malého chytrého robota, který cestuje ulicemi města a sbírá odpadní plastové výrobky k recyklaci. Tenhle je opravdu trefný, protože v těchto dnech vidím plastový odpad všude, kam jdu (obrázek 7).

Obrázek 7: Nemusí to takto vypadat, pokud projekt AP080 oživí svého chytrého robota. I když je tento projekt zpočátku zaměřen na městské ulice, může být – nebo jiné podobné projekty – nakonec schopen zmírnit hrozbu plastového odpadu. (Zdroj obrázku: The Nature Conservatory)

Když jsem byl malý a moji rodiče mě vzali na dovolenou, po dni stráveném na pláži bylo naším rodinným pravidlem nechat všechno čistější, než jsme našli. To znamenalo, že jsme sbírali nejen vlastní odpadky, ale i jakýkoli jiný odpad, který jsme viděli v okolí. Děsím se, když vidím lidi, jak ledabyle odhazují odpadky při chůzi nebo je vyhazují z oken auta. Bude těžké přesvědčit takové lidi, aby přestali, ale jejich chování by se zmírnilo, kdybychom měli roboty, jako jsou ti navrhovaní tímto projektem, kteří za nimi uklízejí.

Děsivé je, že jakkoli jsou ukázkové projekty zde prezentované zajímavé a rozmanité, ani jsme se nedotkli všech možností, které nám příspěvky do této soutěže nabízejí. Jen procházení projektů na vysoké úrovni mě neustále přimělo volat „Září to!“ a zastavit se, abych se ponořil hlouběji. Ve skutečnosti se vrátím na další plavání, jakmile dopíšu tento sloupek.

Závěr

Všechny příspěvky do soutěže InnovateFPGA Design Contest 2021-22 jsou k dispozici. Týmy nyní tvrdě pracují na svých projektech se zaměřením na regionální finále, které se bude konat v březnu 2022, a velké finále, které je naplánováno na červen 2022. Nevím jak vy, ale já se nemohu dočkat, až uvidím výsledky této včasné a podnětné výzvy.