發布日期：2022-04-17 點擊率：86
我不認識你，但我對我們集體的未來越來越擔心。最近我們經常聽到“可持續性”一詞，但它實際上意味著什么呢？一種看法是，可持續性指的是人類和地球生物圈共存的能力。在聯合國于 1987 年10月發布的《我們共同的未來》（又稱《布倫特蘭報告》）中，可持續性被略帶諷刺地定義為”...滿足當代人的需求而不損害后代人滿足其需求的能力”。
我們實現可持續性的能力受到了人口增長和現有資源低效利用的挑戰。有鑒于此，Terasic 與 Intel、Analog Devices Inc. (ADI) 和 Microsoft 合作，共同發起了 2021-2022 InnovateFPGA 設計大賽主題——連接邊緣，實現可持續的未來（運用技術應對全球挑戰）。
比賽的目標是激發和創造可持續的解決方案，減少我們對環境的影響。讓我們來看看其中一些創意：肯定會讓你遐想聯翩，重新審視自己的所做所能。
對可持續性產生負面影響的事情之一是地球上的人口數量。以著名的吉薩金字塔為例，它大約建于公元前 2550 年至 2490 年，在我撰寫這些文字時，距今只有約 4500 年。在過去的那些日子里，地球上只有大約 2000 萬人口。相比之下，在寫這篇文章的時候，估計我們有 79 億人，而這個數字預計到 2030 年將上升到 85 億1，到 2040 年將上升到 92 億2，到 2050 年將上升到近 100 億3。
從正面看，能夠對可持續性產生積極影響的事情之一是我們構思和實施社會和技術解決方案來解決我們問題的能力。
我喜歡科幻小說和科學幻想。作為 20 世紀 60 年代末和 70 年代初的一個年輕小伙子，我記得我讀過美國科幻作家、航空工程師和海軍軍官 Robert Anson Heinlein 1952 年發表的科幻小說《The Rolling Stones》（在英國出版書名為《Space Family Stone》）。在這個故事中，作為月球居民的斯通家族購買并重建了一艘二手宇宙飛船，圍繞太陽系進行觀光旅游。作為旅行的一部分，他們訪問了小行星帶，那里正在進行相當于加利福尼亞淘金熱 (1848-1855) 的活動，小行星礦工正在勘探各種材料，包括放射性礦石。
雖然這對許多人來說可能仍然是科幻小說中的內容，但有趣的是，就在 2017 年，科羅拉多礦業學院推出了一個多學科的研究生項目，提供小行星采礦方面的學士后證書、科學碩士和博士學位（他們稱之為“空間資源”，但他們沒有欺騙任何人——我們知道他們的意思）。
問題是，地球是一個封閉的系統。可用的材料數量有限。我們今天所擁有的就是我們明天和后天要擁有的。盡管人們在認真討論從月球、近地天體和小行星上開采原材料（例如，鐵、鎳、銥、鈀、鉑、金、鎂，以及可能的水），但真正做到這一點估計至少要等 20 年以后。即使這一點真的實現了，將這些材料送回地球的能源、時間和資源方面的成本巨大，意味著在未來許多年里，其數量仍將微不足道。底線是，我們不能指望在可預見的未來能獲得大量額外的原材料，所以我們有必須以最佳方式利用好我們的已有資源。
受到像聯合國發展基金 (UNDF) 實施的全球環境基金 (GEF) 小額贈款計劃之類組織所確定的問題和需求的啟發，上述所有因素都會將我們導向 InnovateFPGA 設計競賽（圖 1）。
圖 1：能夠對可持續性產生積極影響的事情之一是我們構思和實施社會和技術解決方案來解決我們問題的能力。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
為了迎接可持續發展的挑戰，Terasic、Intel、ADI 和 Microsoft 發起了目前的 2021-2022 InnovateFPGA 設計大賽，重點關注在邊緣對 FPGA 的智能使用，以減少對地球資源的需求。
FPGA 對這種應用特別有用，因為它們既靈活又可重新配置。另外，本次競賽中的許多設計都是基于復雜算法的使用，如人工智能 (AI) 和機器視覺 (MV)，需要大量的計算。FPGA 的可編程結構可以配置成以大規模并行方式進行操作，從而允許它們在本地實時執行計算密集型算法，同時消耗相對較少的功率。
參賽者受邀時要求以團隊形式報名，團隊由同一地理區域內的 1 至 3 人組成。邀請時要求這些團隊使用 Terasic 的 P0685 DE10-Nano FPGA 云端連接套件，該套件基于極受歡迎的 P0496 DE10-Nano 套件與 P0499 RFS 子卡的組合（圖 2）。
DE10 Nano 以 Intel Cyclone V SE FPGA 為基礎，增加了 1 千兆字節 (Gb) 的 DDR3 SDRAM、Arduino 擴展針座（兼容 Uno R3）、全高清 HDMI 輸出、UART 轉 USB、USB On-the-Go (OTG) 端口、Micro SD 卡插槽、千兆位以太網和 GPIO 針座。Cyclone V 片上系統 (SoC) FPGA 采用的是可編程結構（11 萬個邏輯元件 (LE)）與雙 32 位 Arm? Cortex?-A9 處理器內核的組合。
圖 2：FPGA 云連接套件集 Intel Cyclone V SoC FPGA 的豐富特性和多功能性與云連接的優勢于一體。同時可以通過 Arduino 兼容針座或 ADI Quikeval 輿論連接其他傳感器。（圖片來源：Terasic）
與此同時，RFS 子卡增加了 Wi-Fi 和藍牙通信以及各種傳感器，如九軸加速計、陀螺儀和磁力儀，還有環境光、溫度和濕度傳感器。
當然，雖然功能強大，但 DE10-Nano FPGA 云連接套件本身的作用有限。英國詩人約翰?多恩在 17 世紀寫下了名言“沒有人是一座孤島”，這意味著沒有人是真正自給自足的，每個人都必須依賴他人的陪伴和安慰才能健康成長。同理，DE10-Nano FPGA 云連接套件也可能需要增加額外的傳感器；同時，它可能需要與云進行通信。
因此，為了支持 2021-2022 InnovateFPGA 設計大賽，這些套件將免費提供給入選的參賽團隊，同時還有 Analog Devices 提供的少量插卡，以及 Microsoft Azure 云服務的流量/限時接入。
Analog Devices 擁有廣泛的評估板和參考設計組合，可幫助開發者解決系統級應用的挑戰。例如 val-CN0398-ARDZ/eval-CN0398-ARDZ-ND/6557300">eval-CN0398-ARDZ（土壤濕度、pH 值和溫度測量）、val-CN0397-ARDZ/eval-CN0397-ARDZ-ND/6557299">eval-CN0397-ARDZ（用于智能農業的三通道光檢測）和 DC1338B（I2C 溫度、電流和電壓監控器）。這些板子可以通過其 Arduino 兼容針座或 ADI Quikeval 針座連接到 DE10 Nano。
提交的項目如此豐富多種，當然我忍不住要先看一看。這些項目數量多達 261 個，跨越龐大的應用領域，所以如果你決定要自己看一看，最好為自己準備一些飲料和點心，因為項目數量多、內容精彩，會讓你流連忘返，不知不覺用去相當長的一段時間。
珊瑚礁恢復和自動垃圾收集：這是一個立即引起我注意的實例項目，編號 EM043，提出了一個用于珊瑚礁生態環境恢復的水下深度學習、智能微生物給送系統（圖 3），以及 AS034 項目，一個智能垃圾桶，它將能夠識別和分類物體，以確定什么可以回收和什么不能回收。
圖 3： EM043 項目是一個珊瑚礁生態環境恢復系統，能夠進行珊瑚益生菌給送并監測其功效。益生菌給送將由一個監測珊瑚顏色變化的深度學習網絡精確調節。（圖片來源：InnovateFPGA）
EM043 項目的重點是扭轉因溫度變化引起的珊瑚礁白化現象，這種變化會導致珊瑚礁排斥生活在其組織中的藻類。正是這些藻類不僅提供了顏色，而且能使珊瑚進行必要的光合作用，以保持其生命并維持生態系統。
各種對珊瑚有益的微生物 (BMC) 可以減緩甚至阻止白化過程，但需要哪些微生物以及如何組合需要通過長時間的原型設計和邊緣測試來確定。EM043 項目將云連接套件與移動 4G 路由器、太陽能板、攝像頭、溫度傳感器、液位傳感器和深度學習算法結合起來進行分析，并使用專門的模塊調節 BMC 的給送（圖 4）。
圖 4：EM043 項目將深度學習分析與傳感器、太陽能、4G 路由器和 BMC 給送機構結合在一起，以 DE10 為中央處理平臺。（圖片來源：InnovateFPGA）
Microsoft Azure 云使用 4G 路由器連接，并遠程控制給送系統，直觀地監測珊瑚狀況。
所提出的系統能夠讓海洋研究人員對 BMC 在減少白化效應方面的功效進行精確、可靠的監測實驗，從而為恢復珊瑚礁生態系統做出重大貢獻。
生物式 CO2 去除：另一個我喜歡的項目是 EM003，因為它簡單、可擴展。這是一種特殊的家庭植物，叫做祈禱植物（紋竹芋），這是一種低矮的熱帶植物，原產于南美洲。不同的研究和實驗已經證明，與類似的室內植物相比，這種植物能夠非常有效地吸收溫室氣體。事實上，該項目的創建者指出，僅僅一株這樣的植物就可以在 24 小時內將一個房間的 CO2 量減少 14.40%。
這個項目背后的想法是促使祈禱植物盡可能地吸收最大數量的 CO2。這將通過在云端記錄感官數據（溫度、濕度、環境光、土壤濕度），實驗灌溉周期，并分析結果來實現。最終的目標是讓數百萬人都使用這些植物，并從盡可能多的人那里收集和分析數據。除了 DE10-Nano FPGA 云連接套件外，該項目還采用了一個土壤濕度傳感器和一個帶有直流執行器的水泵（圖 5）。
圖 5：在 EM003 項目中，所有感官數據都由 FPGA 進行預處理，它也控制著植物的灌溉周期；然后將處理后的數據發送到云端，與其他植物的數據結合起來進行分析。（圖片來源：InnovateFPGA）
用于農用水分脅迫分析的無人機：我不知道大家怎么想，但我很喜歡任何與無人機有關的東西，所以另一個需要調查的項目是 AP008，它使用是一臺名為“Agri-Bird”的無人機，幫助檢測農業環境中的水分脅迫（圖 6）。這個團隊來自巴基斯坦的伊斯蘭堡。
據該小組稱，農業使用了巴基斯坦約 90% 的供水。如果事情繼續按照目前的路徑發展，該國的水資源可能在 2040 年之前耗盡。為了避免這種情況，并為普通農民提供解決方案，AP008 項目建議組合利用氣象數據、地面傳感器數據和無人機收集的空中數據，建立一個水分脅迫預測模型。
圖 6：利用無人機收集的數據和其他來源的數據構造的水分脅迫力模型可用于防止 (a) 因缺水造成的農產品損失；(b) 因澆水過多造成的土壤養分損失；(c) 灌溉調節不當，以及 (d) 野火。（圖片來源：InnovateFPGA）
擺脫塑料垃圾：項目太多無法說盡，我個人感興趣的一個最后一個項目是 AP080，它涉及一個小型智能機器人，在城市街道上穿梭，發現并收集廢棄的塑料制品進行回收。這個問題真的很有說服力，因為這些天我走到哪里都能看到塑料垃圾（圖 7）。
圖 7：如果 AP080 項目能夠成功將智能機器人帶入生活，那就不必這樣了。雖然這個項目最初是針對城市街道的，但它（或其他此類項目）最終可能會緩解塑料垃圾的危害。（圖片來源：The Nature Conservatory）
當我還是個孩子時，父母帶我去度假，在海灘上呆了一天后，我們家有一條規矩，就是要保持所有東西比以之前更整潔。這就要求我們不僅要收集自己的垃圾，而且還要收集我們在附近看到的任何其他垃圾。當我看到人們隨意丟棄垃圾，邊走邊丟，或從車窗扔出去時，我感到很難過。要說服這種人不要這樣做是很難的，但如果我們有像這個項目所提議的機器人，在他們身后打掃衛生，他們的行為就會得到緩解。
可怕的是，盡管這里介紹的項目實例非常有趣和多樣化，但我們甚至還沒有觸及本次競賽提交的所有可能性的冰山之一角。僅僅總體瀏覽一下這些項目，我就不斷地發出“哇，這個好！”之類感嘆，并促使我停下來進行更深入的研究。事實上，我一寫完這篇專欄，就會立即回去拜讀這些項目。
2021-2022 InnovateFPGA 設計大賽的所有參賽作品都已提交。各個參賽團隊正在馬不停蹄忙于項目設計，他們的目標是參加 2022 年 3 月舉行的區域決賽和 2022 年 6 月舉行的總決賽。不知各位看官看么想，反正我已經是迫不及待地想看到這個時間緊迫、激發思考的挑戰的結果了。
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