A 2021-es évi InnovateFPGA verseny: kreatív tervezők válaszai a fenntarthatósági kihívásokra

Nem tudom, Önök hogy vannak ezzel, de én egyre jobban aggódom közös jövőnk miatt. Manapság sokat halljuk a „fenntarthatóság” kifejezést, de mit is jelent ez valójában? Nos, az egyik nézőpont szerint a fenntarthatóság alatt az ember és a földi bioszféra együttélési képessége értendő. Az ENSZ által 1987 októberében közzétett Közös jövőnk, vagy másik nevén a Brundtland-jelentés a fenntarthatóságot egyértelműen és lényegbevágóan úgy határozta meg, hogy: „...a jelen generáció szükségleteinek kielégítése anélkül, hogy az veszélyeztetné a jövő generációk azon lehetőségét, hogy ők a saját szükségleteiket kielégítsék.”

Jelen korunkban a fenntarthatóságot a népességnövekedés és a rendelkezésre álló erőforrások nem hatékony felhasználása veszélyezteti. Ezen problémának az előtérbe helyezéseként a Terasic az Intel, az Analog Devices Inc. (ADI) és a Microsoft vállalatokkal közreműködve a 2021/2022-es évi InnovateFPGA tervezői verseny témájaként a fenntartható jövő szellemében végezett peremhálózati megoldások kifejlesztését kérte a nevezőktől, vagyis olyan technológiai megoldásokat, amelyekkel e globális problémák kezelhetők (Connecting the Edge for a Sustainable Future (Applying Technology to Address Global Challenges).

A verseny célja az volt, hogy olyan fenntartható megoldások kifejlesztésére és megépítésére ösztönözze a résztvevőke, amelyekkel az emberiség környezetre gyakorolt hatása csökkenthető. Nézzük meg néhányat a versenyen bemutatott ötletek közül, melyek hatására biztosan Ön is el fog majd gondolkodni azon, hogy személyesen mit tehetne ezen ügy előmozdítása érdekében.

A népesség gyarapodása a rendelkezésre álló erőforrások fogyásával szemben

Az egyik tényező, amely negatívan befolyásolja a fenntarthatóságot, az a bolygón élő emberek száma. Példaként vehetjük az i. e. 2550 és 2490 között épült híres gízai piramisokat. Ezen szavak képernyőre kerülésekor ez csak körülbelül 4500 évvel ezelőtt volt. Azokban a régi időkben csupán körülbelül 20 millió ember élt a bolygón. Összehasonlításképpen, e sorok írásakor a becslések szerint 7,9 milliárdan vagyunk, és ez a szám az előrejelzések szerint 2030-ra 8,5 milliárdra¹, 2040-re 9,2 milliárdra², 2050-re pedig majdnem 10 milliárdra³ fog emelkedni.

Pozitívum az egészben, hogy az emberiségnek megvan az a tulajdonsága, hogy képes pozitívan befolyásolni a fenntarthatóságot – társadalmi és technológiai megoldások kitalálásával és megvalósításával orvosolni képes a problémákat.

Kedvelem a sci-fit és a tudományos fantasztikumot. Fiatal fiúként az 1960-as évek végén és az 1970-es évek elején emlékszem, hogy olvastam Robert Anson Heinlein amerikai sci-fi író, repülőmérnök és tengerésztiszt 1952-ben megjelent The Rolling Stones (az Egyesült Királyságban Space Family Stone néven is megjelent) című sci-fi regényét. Ebben a mesében a Holdon lakó Stone család megvásárol és átépít egy használt űrhajót, és turistaútra indul a Naprendszeren belül. Ennek részeként ellátogatnak az aszteroidaövezetbe is, ahol éppen a kaliforniai aranyláz (1848-1855) megfelelője zajlik olyan formában, hogy az aszteroidabányászok különböző anyagok, köztük radioaktív ércek után kutatnak.

Bár ez sokak számára még mindig sci-fi kategóriának tűnhet, érdekes, hogy a kolorádói bányászati iskola (Colorado School of Mines) nemrég, 2017-ben indított egy multidiszciplináris graduális programot, amely érettségi utáni tanúsítványt, mesterképzést és doktori fokozatot kínál aszteroidabányászat terén(a hivatalos megfogalmazás szerint „űrben található erőforrások”, bár ezzel nem csapnak be senkit – tudható, mire gondolnak).

A probléma az, hogy a Föld egy zárt rendszer, tehát korlátozott mennyiségű anyag áll rendelkezésre. Amennyi ma van, annyi lesz holnap és holnapután is. Bár komolyan gondolkodnak a nyersanyagok (pl. vas, nikkel, irídium, palládium, platina, arany, magnézium és esetleg víz) Holdból, földközeli objektumokból és aszteroidákból való kibányászásáról, ezek tényleges megvalósítása becslések szerint legalább 20 év múlva várható. Még ha ez meg is valósul, az energia-, idő- és erőforrásköltségek, amelyekre ezen anyagoknak a Földre való visszajuttatásához kell azt jelentik, hogy az általuk kapott mennyiség még sok éven át csak elenyésző tényező lesz a dolgok mindenkori állása szerint. A lényeg az, hogy belátható időn belül nem számíthatunk jelentős mennyiségű további nyersanyagra, ezért a lehető legjobban kell kihasználnunk azt, amink van.

Remény a fordulatra: a 2021/2022 évi InnovateFPGA tervezői verseny

A Globális Környezeti Alap (GEF) szervezet által megalkotott, és az Egyesült Nemzetek Fejlesztési Alapja (UNDF) által végrehajtott „Small Grants Program” keretén belül azonosított problémák és szükségletek a fentiekkel együtt elvezetnek bennünket az InnovateFPGA tervezői versenyhez (1. ábra).

1. ábra: A fenntarthatóságot pozitívan befolyásoló dolgok egyike az emberiség azon képessége, hogy társadalmi és technológiai megoldások kitalálásával és megvalósításával orvosolni tudja a problémákat (kép: DigiKey)

A Terasic, az Intel, az ADI és a Microsoft a fenntarthatósági kihívásra válaszolva elindította a jelenlegi InnovateFPGA Design Contest 2021-22 elnevezésű versenyt, amely az FPGA-k intelligens felhasználását helyezi előtérbe a Földet terhelő erőforrásigény csökkentése érdekében.

Az FPGA-k erre a célra különösen alkalmasak, mivel rugalmasak és újrakonfigurálhatók. A versenyen részt vevő tervek nagy része kifinomult algoritmusok, mint például a mesterséges intelligencia (AI) és a gépi látás (MV) használatán alapul, amelyek hatalmas mennyiségű számítást igényelnek. Az FPGA-k programozható struktúrája viszont konfigurálható úgy, hogy a műveleteket tömegesen és párhuzamosan hajtsa végre, ezáltal lehetővé téve a számításigényes algoritmusok helyi, valós idejű végrehajtását, viszonylag kis energiafogyasztás mellett.

A versenyzőket arra kérték, hogy egytől három személyből álló, ugyanarról a földrajzi területről származó csapatokként nevezzenek. Ezek a csapatok számára a Terasic P0685 DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit felhőcsatlakozási készletének használatát javasolták, amely a rendkívül népszerű P0496 DE10-Nano Kit és a P0499 RFS kiegészítő kártya kombinációjára épül (2. ábra).

A DE10 Nano egy Intel Cyclone V SE FPGA-n alapul, amelyet 1 Gbyte DDR3 SDRAM, egy (Uno R3 kompatibilis) Arduino bővítő foglalat, egy full HD HDMI kimenet, egy UART-to-USB, egy USB On-the-Go (OTG) port, egy Micro SD kártya foglalat, Gigabit Ethernet és GPIO foglalatok egészítenek ki. A Cyclone V system-on-chip (SoC) FPGA képességei közül megemlíthető a 110 000 logikai elemből (LE-ből) álló programozható struktúra és a két 32 bites Arm® Cortex®-A9 processzormag kombinációja.

2. ábra: Az FPGA Cloud Connectivity Kit az Intel Cyclone V SoC FPGA gazdag funkcióit és sokoldalúságát egyesíti a felhőcsatlakozás előnyeivel. További érzékelők csatlakoztathatók Arduino kompatibilis foglalatok vagy az ADI QuikEval foglalat segítségével (kép: Terasic)

Emellett, az RFS kiegészítő kártyája Wi-Fi és Bluetooth kommunikációt, valamint számos érzékelőt, például kilenctengelyes gyorsulásmérőt, giroszkópot és magnetométert, valamint környezeti fény-, hőmérséklet- és páratartalom-érzékelőt is tartalmaz.

Bármennyire is nagy teljesítményű a DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit, önmagában természetesen csak korlátozottan használható. „Senki sem sziget önmagában” írta John Donne angol költő a 17. században, ami azt jelenti, hogy senki sem igazán önellátó, és mindenkinek mások társaságára és segítségére kell támaszkodnia ahhoz, hogy boldoguljon. Ezt esetünkre vonatkoztatva előfordulhat, hogy a DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit-et további érzékelőkkel kell kiegészíteni, és szükség lehet a felhővel való kommunikáció biztosítására is.

Ezért, a 2021/2022 évi InnovateFPGA tervezői verseny támogatására a kiválasztott résztvevő csapatok ingyenesen megkapják ezeket a készleteket az Analog Devices kis mennyiségű plug-in kártyájával együtt, valamint kreditmennyiséget ill. korlátozott idejű hozzáférést kapnak a Microsoft Azure felhőszolgáltatásaihoz.

Az Analog Devices saját fejlesztői kártyáit és referenciaterveit tartalmazó széleskörű portfóliójával tud segíteni a fejlesztők rendszerszintű alkalmazási problémáinak megoldásában. Ilyenek például az EVAL-CN0398-ARDZ (talajnedvesség-, pH- és hőmérsékletmérés), az EVAL-CN0397-ARDZ (háromcsatornás fényérzékelés intelligens mezőgazdasághoz) és a DC1338B (I²C hőmérséklet-, áram- és feszültségfigyelő). Ezek a kártyák az Arduino-kompatibilis foglalatok vagy az ADI QuikEval Header segítségével csatlakoztathatók a DE10 Nanohoz

Közelítés a fenntarthatósághoz: szemezgetés a 261 benevezett projektből

Természetesen nem tudtam megállni, hogy ne böngésszek egy kicsit a rengeteg benevezett projekt között. 261 olyan projektről van szó, amelyek az alkalmazási területek óriási skáláját ölelik fel, így ha az olvasó úgy dönt, hogy saját maga is megnézi őket, érdemes felszerelkeznie valami innivalóval és vinni egy kis harapnivalót is mellé, mert egy jó ideig boldogan el lesz merülve ebben a világban.

Korallzátonyok helyreállítása és automatikus szemétgyűjtés: Azonnal felkeltette a figyelmemet például az EM043 projekt, amely egy víz alatti, mélytanuló, intelligens mikróba-bejuttató rendszert javasol a korallzátony-élőhelyek helyreállítására (3. ábra), valamint a tárgyak azonosítására és osztályozására képes AS034 intelligens szemétgyűjtő, amely meg tudja határozni, hogy mi az ami újrahasznosítható, és mi nem.

3. ábra: Az EM043 projekt egy korallzátony-élőhely helyreállításra szolgáló rendszer, amely korallok számára alkalmas probiotikumok bejuttatására és ennek hatékonyságának nyomon követésére képes. A bejuttatás szabályozását egy mélytanulási hálózat végzi precízen, a korallok színváltozása alapján (kép: InnovateFPGA)

Az EM043 projekt a hőmérséklet-változások által kiváltott korallzátony-elfehéredés visszafordítására összpontosít, mert az elfehéredés miatt a zátonyok kilökik magukból a szöveteikben élő algákat. Az algák nemcsak a színt adják, hanem a fotoszintetizáló képességet is biztosítják a korallok számára, ami az életben maradásukhoz és az ökoszisztéma fenntartásához szükséges.

Különböző, a korallok számára hasznos mikroorganizmus létezik, amelyek lassíthatják, vagy akár meg is állíthatják az elfehéredési folyamatot, de hogy pontosan milyeneket és milyen keverékben kell nekik számukra azt biztosítani, ahhoz hosszas prototípus-fejlesztés és terepen végzett tesztelés kell. Az EM043 projekt a Cloud Connectivity Kitet egy mobilhálózati 4G routerrel, napelemmel, kamerával, hőmérséklet- és szintérzékelővel, valamint mélytanulási algoritmusokkal kombinálja az elemzés végzéséhez, és egy speciális modul segítségével szabályozza a hasznos mikroorganizmusok bejuttatását (4. ábra).

4. ábra: Az EM043 projekt a mélytanulási elemzést kombinálja érzékelőkkel, napenergiával, 4G routerrel és mikroorganizmus-bejuttató mechanizmussal, míg központi feldolgozó platformként az egész a DE10-re épül (kép: InnovateFPGA)

A 4G router segítségével csatlakozik a Microsoft Azure felhőhöz, és távolról figyeli és vezérli a bejuttatási rendszert, valamint vizuálisan felügyeli a korall állapotát.

A javasolt rendszer segítségével a tengerkutatók pontos és megbízható megfigyelési kísérleteket végezhetnek a hasznos mikroorganizmusoknak a fehérítő hatás csökkentésére gyakorolt hatékonyságára vonatkozóan, és ezáltal jelentősen segíteni tudják a korallzátonyok ökoszisztémájának helyreállását.

CO₂ eltávolítás szerves úton: Egy másik projekt, amelyet egyszerűsége és méretezhetősége miatt kedvelek, az EM003. Ez egy különleges szobanövény, az imanövény (maranta leuconeura) hasznosítására épül, amely egy Dél-Amerikában őshonos, alacsony növésű trópusi növény. Különböző tanulmányok és kísérletek bizonyították, hogy ez a növény a hasonló szobanövényekhez képest nagyon hatékonyan képes elnyelni az üvegházhatású gázokat. Sőt, a projekt alkotói felhívják a figyelmet, hogy egyetlen ilyen növény 24 óra alatt 14,40%-kal képes csökkenteni a CO₂ mennyiségét egy helyiségben.

A projekt lényege, hogy az imanövényeket a lehető legnagyobb mennyiségű CO₂ elnyelésére késztessék. Ezt a környezeti adatoknak (hőmérséklet, páratartalom, környezeti fény, talajnedvesség) felhőben történő tárolásával, az öntözési ciklusokkal való kísérletezéssel és az eredmények elemzésével kívánják elérni. A végső cél az, hogy ezek a növények több millió ember közelében legyenek jelen, és hogy minél több embertől gyűjtsenek be és elemezhessék ki az adatokat. A DE10-Nano FPGA Cloud Connectivity Kit mellett ez a projekt egy talajnedvesség-érzékelőt és egy egyenáramú működtetővel ellátott vízszivattyút tartalmaz (5. ábra).

5. ábra: Az EM003 projektben az FPGA elvégzi az összes érzékelői adat előfeldolgozását és egyben vezérli is a növény öntözési ciklusát. A feldolgozott adatok ezután a felhőbe továbbítódnak, ahol más növények adataival kombinálva elemzik őket (kép: (InnovateFPGA)

Mezőgazdasági vízszükséglet-elemzés drónnal: Nem tudom Önök hogy vannak vele, de én odavagyok minden olyasmiért amiben van legalább egy drón, így egy másik projekt, amely azonnal megkapott, az AP008 volt, amely egy „Agri-Bird”-re keresztelt drón segítségével végzi a vízhiány kimutatását mezőgazdasági környezetben (6. ábra). A fejlesztőcsapat Iszlámábádban, Pakisztánban található.

Állításuk szerint a mezőgazdaság emészti fel Pakisztán vízkészletének mintegy 90%-át. Ha a dolgok a jelenlegi úton haladnak, az ország vízkészletei 2040-re kimerülhetnek. Ennek elkerülése és az átlagos gazdák számára nyújtandó megoldásként az AP008 projekt a meteorológiai adatok, a földi érzékelők adatai és egy drón által gyűjtött légi adatok kombinációját javasolja vízstressz-előrejelző modellek készítéséhez.

6. ábra: Drón segítségével gyűjtött adatokat más forrásokból származó adatokkal kombinálva az így kapott vízstresszmodell felhasználható a) a vízhiány miatti termésveszteség, b) a túlzott öntözés miatti talaj tápanyagveszteség, c) az öntözés rossz szabályozása és d) az erdőtüzek megelőzésére (kép: InnovateFPGA)

Megszabadulás a műanyaghulladéktól: Lehetne folytatni a felsorolást még tovább, de utolsó projektként, amely engem személyesen is megérint, megemlíteném a kis intelligens robotot tartalmazó AP080-t, amelyben az a város utcáin járva felismeri és összegyűjti a műanyaghulladékot újrahasznosítás céljából. Ez a kérdés azért is nagyon fontos számomra, mert manapság akárhol megfordulok mindenhol műanyaghulladékot látok (7. ábra).

7. ábra: Nem kell így lennie, ha az AP080 projektben lévő intelligens robot életre kel. Bár ez a projekt kezdetben a városi utcák megtisztítására irányul, ez – vagy más hasonló projektek – végső soron alkalmasak lehetnek az általános műanyaghulladék-mennyiség csökkentésére (kép: The Nature Conservatory)

Amikor gyerekként a szüleimmel nyaralni jártunk, a strandon töltött nap után az volt a családi szabály, hogy mindent tisztábban kell hagyni, mint ahogy találtuk. Ezért nemcsak a saját szemetünket kellett összegyűjtenünk, hanem minden más szemetet is, amit a környéken láttunk. Mindig görcsbe rándulok, amikor látom, hogy az emberek sétálás közben lazán eldobják a szemetet, vagy kidobják azt az autójuk ablakán. Nehéz meggyőzni az ilyen embereket, hogy hagyják ezt abba, de viselkedésük hatását enyhítené, ha léteznének ilyen utánuk feltakarító robotok, mint amilyeneket ez a projekt javasol.

Az ijesztő az, hogy bármennyire is érdekesek és nagymértékben eltérőek a fent bemutatott példaprojektek, még szinte a felszínt sem kapartuk meg a versenyre beérkezett pályázatok által kínált összes lehetőséget illetően. Már a projektek csupán gyors átfutásakor többször is felkiáltottam, hogy „Hű, de jó!”, és megálltam, hogy egy kicsit mélyebbre merüljek. Sőt, amint végeztem ennek a cikknek a megírásával, azonnal megyek is vissza tovább búvárkodni.

Összegzés

Az összes nevezés beérkezett a 2021/2022 évi InnovateFPGA tervezői versenyre. A csapatok most gőzerővel dolgoznak projektjeiken, és a fejlesztés mellett figyelmük a 2022 márciusában megrendezésre kerülő regionális döntőkre, valamint a 2022 júniusában esedékes nagydöntőre irányul. Nem tudom, Önök hogy vannak ezzel, de én már alig várom, hogy megláthassam ezen időszerű és gondolkodásra késztető fejlesztések eredményeit.