2021 年 InnovateFPGA 創新大賽：富有創意的設計人員展示如何達成永續性

我不知道您是否與我一樣，越來越擔心我們共同的未來。最近我們常聽到「永續性」一詞，但它到底是什麼意思？一種說法是永續性是指人類和地球生物圈共存的限度。聯合國於 1987 年 10 月發布的《我們共同的未來》(也稱為《布倫特蘭報告》) 中指出，永續性在某種程度上被深刻地定義為「人類的發展在滿足當前需要的同時，亦不應危害後世子孫滿足其需要的能力。」

我們達到永續性的能力受到人口成長和可用資源使用效率低下的挑戰。因此，由 Terasic 發起，並與 Intel、Analog Devices Inc. (ADI) 和 Microsoft 合作的 2021-22 年 InnovateFPGA 創新大賽 的主題為「連接邊緣達到永續性未來 (運用技術因應全球挑戰)」。

比賽的目標是激發和建立永續性解決方案，減少我們對環境的影響。讓我們來看看一些想法，必定能讓您思考您可以些做什麼。

人口與資源的較量

對永續性產生負面影響的因素之一是地球上的人口數量。以著名的吉薩金字塔為例，其建於公元前 2550 年至 2490 年左右，那只是在我動筆寫下這些話的 4,500 年前而已。當時，地球上只有大約 2000 萬人。相比之下，在撰寫本文時估計全球已有 79 億人，預計到 2030 年這一數字將增至 85 億¹，到 2040 年將增至 92 億²，到 2050 年將接近 100 億³。

從好的方面來說，我們能夠構思和實施社會和技術解決方案來解決我們的問題，這對永續性有正向影響。

我喜歡科幻小說和科學奇幻。在 1960 年代末和 1970 年代初我還是個小伙子時，我記得讀過 1952 年美國科幻小說作家暨航空工程師和海軍軍官 Robert Anson Heinlein 的科幻小說《滾石家族遊太空》(在英國以 Space Family Stone 之名出版)。在這個故事中，居住在月球上的石家購買並重建了一艘二手太空船，並在太陽系周圍進行了一次觀光旅行。其中，他們造訪了相當於加州淘金熱 (1848-1855) 的小行星帶，小行星礦工在那裡尋找各種材料，包括放射性礦石。

儘管對許多人來說這似乎僅是科幻小說的內容，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研究生課程，提供學士後證書、理學碩士和博士小行星採礦學位(他們稱之為「太空資源」，但他們是認真的，我們都知道)。

問題在於，地球是一個封閉的系統。可用的原料數量有限。我們今天擁有的是我們明天和後天所僅有的。儘管有人認真談論從月球、近地天體和小行星中開採原材料（例如鐵、鎳、銥、鈀、鉑、金、鎂，以及可能有水），但實際上估計至少在 20 年後才能達到。即使這真的成功了，將這些材料送回地球所需的能源、時間和資源成本，代表其數量在未來多年的計劃中將會是微不足道。最重要的是，在可預見的未來，我們不能期望獲得大量額外的原料，因此我們有必要充分利用我們所擁有的資源。

力挽狂瀾：2021-22 年 InnovateFPGA 創新大賽

受聯合國發展基金 (UNDF) 實施的全球環境基金 (GEF) 小額贈款計劃等組織判定的問題和需求所啟發，致使我們舉辦 InnovateFPGA 創新大賽 (圖 1)。

圖 1：我們能夠構思和實施社會和技術解決方案來解決我們的問題，這對永續性有正向影響。(圖片來源：DigiKey)

面對永續性挑戰，Terasic、Intel、ADI、Microsoft 發起當前的 2021-22 年 InnovateFPGA 創新大賽 ，強調在邊緣妥善運用 FPGA，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。此外，本次比賽的許多設計都基於複雜的運算法，例如人工智慧 (AI) 和機器視覺 (MV)，兩者都需要大量運算。FPGA 的可編程結構可配置為以大規模平行方式作業，允許本機即時執行運算密集型演算法，同時消耗相對較少的功率。

參賽者將以位於同一地理區域內的一到三人團隊進行註冊。這些團隊將使用 Terasic 的 P0685 DE10-Nano FPGA 雲端連接套件，該套件基於極受歡迎的 P0496 DE10-Nano 套件和 P0499 RFS 子卡 (圖 2)。

DE10 Nano 基於 Intel 的 Cyclone V SE FPGA，增加了 1 GB DDR3 SDRAM、Arduino 擴充排針座(Uno R3 相容)、超高畫質 HDMI 輸出、UART 轉 USB、USB On-the-Go (OTG) 連接埠、Micro SD 卡插槽、Gigabit 乙太網路和 GPIO 排針座。Cyclone V 系統單晶片 (SoC) FPGA 結合可編程結構 (110,000 個邏輯元件 (LE)) 和雙 32 位元 Arm® Cortex®-A9 處理器核心。

圖 2：FPGA 雲端連接套件結合 Intel Cyclone V SoC FPGA 的豐富特性、多功能性，以及雲端連接的優勢。可以透過 Arduino 相容排針座或 ADI QuikEval 排針座連接其他感測器。(圖片來源：Terasic)

同時，RFS 子卡增加了 Wi-Fi 和藍牙通訊及各種感測器，如九軸加速度計、陀螺儀和磁力計，以及環境光、溫度和濕度感測器。

當然，儘管功能強大，但 DE10-Nano FPGA 雲端連接套件本身的用途有限。「沒有人是一座孤島」是英國詩人John Donne 在 17 世紀所寫的名言，意思是沒有人能真正自給自足，每個人都必須依靠他人的陪伴和慰藉才能茁壯成長。對 DE10-Nano FPGA 雲端連接套件而言，可能需要增加額外的感測器；此外，還可能需要與雲端進行通訊。

因此，為了支援 2021-22 年 InnovateFPGA 創意大賽 ，這些套件將免費提供給選定的參賽團隊，除此之外，也提供少量的 Analog Devices 的插入卡，以及對 Microsoft Azure 雲端服務的點數／限時存取。

Analog Devices 擁有豐富的評估板和公版設計產品組合，有助於解決開發人員面臨的系統級應用挑戰。例如 EVAL-CN0398-ARDZ (土壤濕度、pH 值和溫度測量)、EVAL-CN0397-ARDZ (智慧農業的三通道光偵測)，以及 DC1338B (I²C 溫度、電流和電壓監測器)。這些板件可以透過 Arduino 相容排針座或 ADI QuikEval 排針座連接到 DE10 Nano。

永續性的模樣：261 個專案條目的樣本

當然，我忍不住瀏覽大量的專案交件。我是指跨越廣泛應用領域的 261 個專案，因此如果您決定自己看看，可能需要先準備一些飲料和零食，因為您會度過一段很長的快樂時光。

珊瑚礁恢復和自動垃圾收集： 立即引起我注意的專案像是 EM043，提出一種用於珊瑚礁棲息地恢復的水下深度學習、智慧微生物輸送系統 (圖 3) 和 AS034 智慧垃圾桶，能夠識別和分類物體，確定是否可以回收。

圖 3：EM043 專案是珊瑚礁棲息地恢復系統，將能夠遞送珊瑚益生菌並監測其功效。遞送量將會透過深度學習網路偵測珊瑚顏色變化進行精準的調整。(圖片來源：InnovateFPGA)

EM043 專案著重在扭轉因溫度變化導致珊瑚礁失去生活在其組織中的藻類而導致的珊瑚礁白化現象。這些藻類不僅提供顏色，更能讓珊瑚進行必要的光合作用，以維持其生命和生態系統。

有多種對珊瑚有益的微生物 (BMC) 可以減緩甚至停止白化過程，但需要透過漫長的原型設計和邊緣測試來確定類型和正確的組合。EM043 專案將雲端連接套件與行動 4G 路由器、太陽能面板、攝影機、溫度感測器、液位感測器和深度學習算法相結合，使用專用模組執行分析和調節 BMC 交付 (圖 4)。

圖 4：EM043 專案將深度學習分析與感測器、太陽能、4G 路由器和 BMC 交付機制相結合，以 DE10 為中央處理平台。(圖片來源：InnovateFPGA)

Microsoft Azure 雲端使用 4G 路由器連接，並遠端控制交付系統且可視覺化監測珊瑚狀況。

根據提議，該系統讓海洋研究人員能夠對 BMC 在降低白化效應方面的功效進行精確可靠的監測實驗，進而對恢復珊瑚礁生態系統產生重大影響。

移除有機 CO₂：我喜歡的另一個專案是 EM003，因其簡單性和可擴展性。這採用一種稱為祈禱植物 (豹紋竹芋) 的特殊室內植物，是一種原產於南美洲的低矮熱帶植物。不同的研究和實驗證明，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，該專案的建立者指出，只要一棵就可以在 24 小時內將一個房間中的 CO₂ 量減少 14.40%。

該專案背後的想法是迫使祈禱植物盡可能多吸收 CO₂。這將透過記錄雲端的感測數據 (溫度、濕度、環境光、土壤濕度)、試驗灌溉週期並分析結果來達成。最終目標是讓數百萬人使用這些植物，並盡可能收集和分析越多的數據。除了 DE10-Nano FPGA 雲端連接套件，該專案還採用土壤濕度感測器和含直​​流致動器的水幫浦 (圖 5)。

圖5：在 EM003 專案中，所有的感測資料都由 FPGA 預處理，FPGA 也控制植物的灌溉週期；然後將處理後的資料傳送到雲端，與來自其他廠房的資料結合進行分析。(圖片來源：InnovateFPGA)

用於農業用水壓力分析的無人機：不知道您是不是和我一樣對無人機一竅不通？另一個我想調查瞭解的專案是 AP008，其中搭載一款名為「Agri-Bird」的無人機，有助於檢測農業環境的用水壓力 (圖 6)。該團隊位於巴基斯坦伊斯蘭堡。

據該團隊稱，巴基斯坦的農業使用約 90% 的全國供水。如果按照目前的情況發展，該國的水資源可能會在 2040 年枯竭。為了避免這種情形並為一般農民提供解決方案，AP008 專案建議結合氣象資料、地面感測器資料和無人機收集的航空資料來建立水資源壓力預測模型。

圖 6：將無人機收集的資料與其他來源的資料結合，由此產生的水資源壓力模型可用於防止 (a) 由於缺水而造成的農產品損失；(b)由於過度澆水導致的土壤養分流失；(c) 灌溉管理不善，以及 (d) 野火。(圖片來源：InnovateFPGA)

清除塑膠垃圾： 我可以一直說下去，但我個人感興趣的最後一個專案是 AP080，它涉及在城市街道上行走的小型智慧機器人，可收集廢塑膠製品進行回收。這個真的很有用，因為最近無論我走到哪裡都能看到塑膠垃圾 (圖 7)。

圖 7：如果 AP080 專案實現智慧機器人，就不會到處都是塑膠垃圾。雖然這個專案最初是針對城市街道，但此專案或其他類似專案最終可能能夠減輕塑膠垃圾造成的危害。(圖片來源：大自然保護協會)

我還小的時候，每當父母帶我去度假，在海灘上度過了一天之後，我們的家規是讓所有到過的地方比之前更乾淨。這表示我們不僅要收集自己的垃圾，還要收集在附近看得到的任何其他垃圾。當我看到人們走路時隨意丟棄垃圾或從車窗里扔出垃圾時，我感到難受。很難說服他們不再這樣做，但如果我們有像這個專案中的機器人在後面清理，他們的行為對環境的影響就會較小。

可怕的是，儘管以上展示的各種案例既有趣又多樣化，我們才只說到九牛一毛。只是稍微瀏覽一下所有專案，就讓我不斷地驚呼「哦，太有趣了！」，然後停下來進行更深入的研究。事實上，我一寫完這篇專欄就要回去再逛逛看看。

結論

2021-22 年 InnovateFPGA 創新大賽的所有參賽作品均已交件。這些團隊目前正在為各自的專案努力投入，將目標訂於將於 2022 年 3 月舉行的地區總決賽和定於 2022 年 6 月舉行的總決賽。我不知道您是否也像我一樣迫不及待地想看到即時且有啟發性的挑戰的結果。