2021 InnovateFPGA Contest: Kreative Entwickler zeigen uns, wie Nachhaltigkeit angepackt wird

Ich weiß nicht, wie es Ihnen geht, aber ich mache mir zunehmend Sorgen um unsere gemeinsame Zukunft. Wir hören den Begriff „Nachhaltigkeit“ heutzutage sehr oft, aber was bedeutet er eigentlich? Nun, eine Sichtweise ist, dass sich Nachhaltigkeit auf die Fähigkeit des Menschen und der Biosphäre der Erde bezieht, nebeneinander zu existieren. In Unsere gemeinsame Zukunft, auch bekannt als Brundtland-Bericht, der im Oktober 1987 von den Vereinten Nationen veröffentlicht wurde, wird Nachhaltigkeit treffend definiert als eine Entwicklung „... die den Bedürfnissen der heutigen Generation entspricht, ohne die Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen“.

Unsere Fähigkeit, Nachhaltigkeit zu erreichen, wird durch das Bevölkerungswachstum und die ineffiziente Nutzung der verfügbaren Ressourcen in Frage gestellt. In Anerkennung dieser Tatsache lautet das Thema des InnovateFPGA Design Contest 2021-22, der von Terasic in Zusammenarbeit mit Intel, Analog Devices Inc. (ADI) und Microsoft initiiert wurde, „Connecting the Edge for a Sustainable Future (Applying Technology to Address Global Challenges)“.

Ziel des Wettbewerbs ist es, nachhaltige Lösungen zu entwickeln, die unsere Umweltbelastung verringern. Werfen wir einen Blick auf einige der Ideen: Sie werden Sie sicher zum Nachdenken darüber anregen, was Sie tun können.

Der Kampf zwischen Bevölkerung und Ressourcen

Einer der Faktoren, die sich negativ auf die Nachhaltigkeit auswirken, ist die Zahl der Menschen auf dem Planeten. Nehmen wir zum Beispiel die berühmten Pyramiden von Gizeh, die zwischen 2550 und 2490 v. Chr. erbaut wurden. Das ist nur etwa 4.500 Jahre her, während ich diese Zeilen schreibe. Damals gab es nur etwa 20 Millionen Menschen auf der Erde. Zum Vergleich: Zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Berichts gibt es schätzungsweise 7,9 Milliarden von uns, und diese Zahl wird bis 2030¹ auf 8,5 Milliarden, bis 2040² auf 9,2 Milliarden und bis 2050³ auf fast 10 Milliarden ansteigen.

Positiv zu vermerken ist, dass sich unsere Fähigkeit, soziale und technologische Lösungen für unsere Probleme zu finden und umzusetzen, positiv auf die Nachhaltigkeit auswirken kann.

Ich liebe Science Fiction und Science Fantasy. Ich erinnere mich, dass ich als junger Bursche in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren den 1952 erschienenen Science-Fiction-Roman The Rolling Stones (in Deutschland unter dem Titel Zweimal Pluto und zurück veröffentlicht) des amerikanischen Science-Fiction-Autors, Luftfahrtingenieurs und Marineoffiziers Robert Anson Heinlein las. In dieser Geschichte kauft die Familie Stone, die auf dem Mond lebt, ein gebrauchtes Raumschiff, baut es um und begibt sich auf eine Besichtigungstour durch das Sonnensystem. Dabei besuchen sie den Asteroidengürtel, in dem das Äquivalent zum kalifornischen Goldrausch (1848-1855) im Gange ist, bei dem Asteroidenschürfer nach verschiedenen Materialien, darunter auch radioaktiven Erzen, schürfen.

Auch wenn dies für viele Menschen immer noch Science-Fiction zu sein scheint, ist es interessant, dass die Colorado School of Mines 2017 einen multidisziplinären Studiengang eingeführt hat, der ein Post-Baccalaureate Certificate, einen Master of Science und eine Promotionim Asteroidenbergbau (sie nennen es „Weltraumressourcen“, aber sie machen niemandem etwas vor - wir wissen, was sie meinen) anbietet.

Das Problem ist, dass die Erde ein geschlossenes System ist. Es ist nur eine begrenzte Menge an Material verfügbar. Was wir heute haben, werden wir auch morgen und übermorgen haben. Es wird zwar ernsthaft über den Abbau von Rohstoffen (z. B. Eisen, Nickel, Iridium, Palladium, Platin, Gold, Magnesium und - möglicherweise - Wasser) auf dem Mond, erdnahen Objekten und Asteroiden nachgedacht, aber die tatsächliche Umsetzung liegt schätzungsweise noch mindestens 20 Jahre in der Zukunft. Selbst wenn dies der Fall sein sollte, werden die Kosten bezogen auf Energie, Zeit und Ressourcen für die Rückführung dieser Materialien auf die Erde dazu führen, dass ihre Mengen noch viele Jahre lang unbedeutend sein werden. Die Quintessenz ist, dass wir in absehbarer Zeit keine nennenswerten Mengen an zusätzlichen Rohstoffen erwarten können, so dass wir das Beste aus dem machen müssen, was wir haben.

Das Blatt wenden: Der InnovateFPGA Design Contest 2021-22

Inspiriert von den Problemen und Bedürfnissen, die von Organisationen wie dem Global Environment Facility (GEF) Small Grants Program, das vom Entwicklungsfonds der Vereinten Nationen (United Nations Development Fund, UNDF) durchgeführt wird, identifiziert wurden, führte uns all dies zum InnovateFPGA Design Contest (Abbildung 1).

Abbildung 1: Einer der Faktoren, die sich positiv auf die Nachhaltigkeit auswirken können, ist unsere Fähigkeit, soziale und technologische Lösungen für unsere Probleme zu konzipieren und umzusetzen. (Bildquelle: DigiKey)

Terasic, Intel, ADI und Microsoft haben sich der Herausforderung der Nachhaltigkeit gestellt und den aktuellen InnovateFPGA Design Contest 2021-22 ins Leben gerufen, der den intelligenten Einsatz von FPGAs an der Schwelle zur Verringerung der Nachfrage nach den Ressourcen der Erde betont.

FPGAs sind für diese Anwendung besonders geeignet, da sie sowohl flexibel als auch rekonfigurierbar sind. Außerdem beruhen viele der Entwürfe in diesem Wettbewerb auf dem Einsatz hochentwickelter Algorithmen wie künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Sehen, die große Mengen an Rechenleistung erfordern. Die programmierbare Struktur eines FPGAs kann so konfiguriert werden, dass Operationen massiv parallel ausgeführt werden, wodurch sie rechenintensive Algorithmen lokal in Echtzeit ausführen können, während sie relativ wenig Strom verbrauchen.

Die Teilnehmer wurden aufgefordert, sich als Teams zu registrieren, die aus ein bis drei Personen aus demselben geografischen Gebiet bestanden. Diese Teams wurden eingeladen, ein DE10-Nano-FPGA-Cloud-Konnektivitätskit P0685 von Terasic zu verwenden, das auf der Kombination des äußerst beliebten DE10-Nano-Kit P0496 und einer RFS-Tochterkarte P0499 basiert (Abbildung 2).

Der DE10 Nano basiert auf einem Intel Cyclone V SE FPGA, ergänzt durch 1 Gigabyte (GByte) DDR3 SDRAM, eine Arduino-Erweiterungssteckleiste (Uno R3-kompatibel), Full-HD-HDMI-Ausgang, UART-zu-USB, einen USB-On-the-Go-(OTG)-Port, einen MicroSD-Karteneinschub, Gigabit-Ethernet und GPIO-Steckleisten. Der System-on-Chip-(SoC)-FPGA Cyclone V bietet eine Kombination aus programmierbarer Struktur (110.000 Logikelemente (LEs)) und zwei 32-Bit-Arm®-Cortex®-A9-Prozessorkernen.

Abbildung 2: Das FPGA-Cloud-Konnektivitätskit kombiniert die umfangreichen Funktionen und die Vielseitigkeit eines SoC-FPGA Cyclone V von Intel mit den Vorteilen der Cloud-Konnektivität. Zusätzliche Sensoren können über die Arduino-kompatiblen Steckleisten oder die QuikEval-Steckleiste von ADI angeschlossen werden. (Bildquelle: Terasic)

Die RFS-Tochterkarte bietet Wi-Fi- und Bluetooth-Kommunikation sowie eine Vielzahl von Sensoren wie einen neunachsigen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop und ein Magnetometer sowie Sensoren für Umgebungslicht, -temperatur und -luftfeuchtigkeit.

Natürlich ist das DE10-Nano-FPGA-Cloud-Konnektivitätskit, so leistungsfähig es auch sein mag, für sich allein genommen nur von begrenztem Nutzen. „Kein Mensch ist eine Insel“, schrieb der englische Dichter John Donne im 17. Jahrhundert und meinte damit, dass niemand wirklich auf sich allein gestellt ist und jeder auf die Gesellschaft und den Beistand anderer angewiesen ist, um zu gedeihen. In diesem Fall muss das DE10-Nano-FPGA-Cloud-Konnektivitätskit möglicherweise um zusätzliche Sensoren erweitert werden; außerdem muss es eventuell mit der Cloud kommunizieren.

Zur Unterstützung des InnovateFPGA Design Contest 2021-22 werden diese Kits ausgewählten teilnehmenden Teams kostenlos zur Verfügung gestellt, zusammen mit einer kleinen Menge an Steckkarten von Analog Devices und Gutschriften/befristetem Zugang zu den Azure Cloud Services von Microsoft.

Analog Devices verfügt über ein umfangreiches Portfolio an Evaluierungsboards und Referenzdesigns, die Entwicklern bei der Lösung von Anwendungsproblemen auf Systemebene helfen. Beispiele sind das EVAL-CN0398-ARDZ (Bodenfeuchte-, pH- und Temperaturmessung), das EVAL-CN0397-ARDZ (Dreikanal-Lichterkennung für die intelligente Landwirtschaft) und das DC1338B (I²C-Temperatur-, Strom- und Spannungsüberwachung). Diese Boards können über die Arduino-kompatiblen Steckleisten oder den QuikEval-Steckleiste von ADI mit dem DE10 Nano verbunden werden.

Die Form der Nachhaltigkeit: Eine Auswahl der 261 Projekteinreichungen

Natürlich konnte ich nicht widerstehen, einen Blick auf die Fülle der eingereichten Projekte zu werfen. Es handelt sich um 261 Projekte, die eine enorme Bandbreite an Anwendungsbereichen abdecken. Wenn Sie sich also selbst ein Bild machen wollen, sollten Sie sich etwas zu trinken und einen Snack mitbringen, denn Sie werden eine ganze Weile beschäftigt sein.

Wiederherstellung von Korallenriffen und automatische Müllsammlung: Beispiele für Projekte, die mir sofort ins Auge fielen, waren EM043, das ein Deep-Learning-fähiges, intelligentes Mikrobenabgabesystem für die Wiederherstellung von Korallenriffhabitaten vorschlägt (Abbildung 3), und AS034, ein intelligenter Mülleimer, der in der Lage ist, Objekte zu identifizieren und zu klassifizieren, um festzustellen, was recycelt werden kann und was nicht.

Abbildung 3: Das Projekt EM043 ist ein System zur Wiederherstellung von Korallenriffhabitaten, das Probiotika für Korallen abgeben und deren Wirksamkeit überwachen kann. Die Abgabe wird durch ein Deep-Learning-Netzwerk, das die Farbveränderungen der Korallen überwacht, genau gesteuert. (Bildquelle: InnovateFPGA)

Das Projekt EM043 konzentriert sich auf die Umkehrung der Bleiche von Korallenriffen, die durch Temperaturschwankungen verursacht wird. Diese führen dazu, dass die Riffe die in ihrem Gewebe lebenden Algen abstoßen. Die Algen sorgen nicht nur für die Färbung, sondern ermöglichen der Koralle auch die Photosynthese, die notwendig ist, um sie am Leben zu halten und das Ökosystem zu erhalten.

Es gibt verschiedene Nutzmikroorganismen für Korallen, die den Bleichprozess verlangsamen oder sogar stoppen können, aber welche und welche Mischung die richtige ist, muss durch langwierige Prototypenentwicklung und Tests an vorderster Front ermittelt werden. Das Projekt EM043 kombiniert das Cloud-Konnektivitätskit mit einem 4G-Mobilfunk-Router, einem Solarpanel, einer Kamera, einem Temperatursensor, einem Füllstandssensor und Deep-Learning-Algorithmen, um die Analyse durchzuführen und die Abgabe der Nutzmikroben über ein spezielles Modul zu steuern (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das Projekt EM043 kombiniert Deep-Learning-Analysen mit Sensoren, Solarenergie, einem 4G-Router und einem Mechanismus zur Nutzmikrobenabgabe, wobei der DE10 die zentrale Verarbeitungsplattform darstellt. (Bildquelle: InnovateFPGA)

Die Microsoft Azure-Cloud ist über den 4G-Router verbunden, um das Abgabesystem aus der Ferne zu steuern und die Korallenbedingungen visuell zu überwachen.

Das vorgeschlagene System ermöglicht es Meeresforschern, präzise und zuverlässige Überwachungsexperimente zur Wirksamkeit von Nutzmikroben bei der Verringerung der Bleichwirkung durchzuführen und damit einen wesentlichen Beitrag zur Wiederherstellung eines Korallenriff-Ökosystems zu leisten.

Organische CO₂-Entfernung: Ein weiteres Projekt, das mir wegen seiner Einfachheit und Skalierbarkeit gefällt, ist EM003. Es handelt sich um eine besondere Zimmerpflanze, die Gebetspflanze (Maranta leuconeura), eine niedrig wachsende tropische Pflanze, die in Südamerika beheimatet ist. Verschiedene Studien und Experimente haben bewiesen, dass diese Pflanze im Vergleich zu ähnlichen Zimmerpflanzen sehr effizient Treibhausgase absorbieren kann. Die Initiatoren des Projekts stellen fest, dass eine einzige dieser Pflanzen die CO₂-Menge in einem Raum innerhalb von 24 Stunden um 14,40 % senken kann.

Die Idee hinter diesem Projekt ist es, Gebetspflanzen zu zwingen, die größtmögliche Menge an CO₂ aufzunehmen. Dazu werden sensorische Daten (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Umgebungslicht, Bodenfeuchte) in der Cloud aufgezeichnet, mit dem Bewässerungszyklus experimentiert und die Ergebnisse analysiert. Ziel ist es, dass Millionen von Menschen diese Pflanzen nutzen und dass von möglichst vielen Menschen Daten gesammelt und analysiert werden. Zusätzlich zum DE10-Nano-FPGA-Cloud-Konnektivitätskit werden in diesem Projekt ein Bodenfeuchtesensor und eine Wasserpumpe mit einem Gleichstromantrieb eingesetzt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Im Projekt EM003 werden alle sensorischen Daten durch den FPGA vorverarbeitet, der auch den Bewässerungszyklus der Pflanze steuert; die verarbeiteten Daten werden dann an die Cloud gesendet, um mit Daten anderer Pflanzen kombiniert und analysiert zu werden. (Bildquelle: (InnovateFPGA)

Drohne zur Analyse der Belastung der Wasserversorgung durch die Landwirtschaft: Ich weiß nicht, wie es Ihnen geht, aber ich habe eine Schwäche für alles, was mit Drohnen zu tun hat. Ein weiteres Projekt, das es zu untersuchen galt, war AP008, bei dem eine Drohne namens „Agri-Bird“ eingesetzt wird, um die Belastung der Wasserversorgung durch die Landwirtschaft zu erkennen (Abbildung 6). Dieses Team befindet sich in Islamabad, Pakistan.

Nach Angaben des Teams verbraucht die Landwirtschaft etwa 90 % der pakistanischen Wasservorräte. Wenn die Entwicklung so weitergeht wie bisher, könnten die Wasserressourcen des Landes bis 2040 erschöpft sein. Um dies zu vermeiden und Lösungen für den durchschnittlichen Landwirt zu finden, schlägt das Projekt AP008 vor, eine Kombination aus meteorologischen Daten, Daten von Sensoren am Boden und von einer Drohne gesammelten Luftdaten zu verwenden, um ein Modell zur Vorhersage von Belastungen der Wasserversorgung zu erstellen.

Abbildung 6: Unter Verwendung der von einer Drohne gesammelten Daten in Verbindung mit Daten aus anderen Quellen kann das daraus resultierende Wasserversorgungsbelastungsmodell verwendet werden, um (a) Produktverluste aufgrund von Wasserdefiziten, (b) Verlust von Bodennährstoffen aufgrund von übermäßiger Bewässerung, (c) schlechte Regulierung der Bewässerung und (d) Waldbrände zu verhindern. (Bildquelle: InnovateFPGA)

Plastikmüll loswerden: Ich könnte so weiter machen, aber ein Abschlussprojekt, das mich persönlich sehr interessiert, ist AP080, ein kleiner intelligenter Roboter, der durch die Straßen der Stadt fährt, um Plastikabfälle aufzuspüren und zum Recycling einzusammeln. Dieses Thema trifft mich besonders, weil ich heutzutage überall, wo ich hinkomme, Plastikmüll sehe (Abbildung 7).

Abbildung 7: So muss es nicht sein, wenn das Projekt AP080 seinen intelligenten Roboter zum Leben erweckt. Auch wenn dieses Projekt zunächst auf städtische Straßen ausgerichtet ist, könnte es - wie auch andere Projekte dieser Art - letztendlich dazu beitragen, die Geißel des Plastikmülls zu beseitigen. (Bildquelle: The Nature Conservatory)

Als ich ein Kind war und meine Eltern mit mir in den Urlaub fuhren, war unsere Familienregel, nach einem Tag am Strand alles sauberer zu hinterlassen, als wir es vorgefunden hatten. Dazu mussten wir nicht nur unseren eigenen Müll einsammeln, sondern auch jeden anderen Müll, den wir in der Umgebung sahen. Ich erschaudere, wenn ich Leute sehe, die ihren Müll einfach so wegwerfen, indem sie ihn beim Gehen fallen lassen oder aus dem Autofenster werfen. Es wird schwer sein, diese Art von Menschen zum Aufhören zu bewegen, aber ihr Verhalten würde gemildert werden, wenn wir Roboter wie die in diesem Projekt vorgeschlagenen hätten, die hinter ihnen aufräumen.

Das Beängstigende ist, dass wir, so interessant und vielfältig die hier vorgestellten Beispielprojekte auch sind, noch nicht einmal an der Oberfläche all der Möglichkeiten gekratzt haben, die sich aus den Einsendungen zu diesem Wettbewerb ergeben. Schon beim Durchsehen der Projekte auf hohem Niveau rief ich ständig „Oh, super!“ und hielt inne, um tiefer einzutauchen. Sobald ich mit dem Schreiben dieser Kolumne fertig bin, werde ich noch einmal schmökern gehen.

Fazit:

Alle Einsendungen für den InnovateFPGA Design Contest 2021-22 sind eingegangen. Die Teams arbeiten nun mit Hochdruck an ihren Projekten und haben das Regionalfinale im März 2022 und das große Finale im Juni 2022 im Visier. Ich weiß nicht, wie es Ihnen geht, aber ich für meinen Teil kann es kaum erwarten, die Ergebnisse dieser zeitgemäßen und zum Nachdenken anregenden Herausforderung zu sehen.