2021 InnovateFPGA 设计大赛：创意设计师向我们展示如何解决可持续性问题

我不认识你，但我对我们集体的未来越来越担心。最近我们经常听到“可持续性”一词，但它实际上意味着什么呢？一种看法是，可持续性指的是人类和地球生物圈共存的能力。在联合国于 1987 年10月发布的《我们共同的未来》（又称《布伦特兰报告》）中，可持续性被略带讽刺地定义为”...满足当代人的需求而不损害后代人满足其需求的能力”。

我们实现可持续性的能力受到了人口增长和现有资源低效利用的挑战。有鉴于此，Terasic 与 Intel、Analog Devices Inc. (ADI) 和 Microsoft 合作，共同发起了 2021-2022 InnovateFPGA 设计大赛主题——连接边缘，实现可持续的未来（运用技术应对全球挑战）。

比赛的目标是激发和创造可持续的解决方案，减少我们对环境的影响。让我们来看看其中一些创意：肯定会让你遐想联翩，重新审视自己的所做所能。

人口与资源之争

对可持续性产生负面影响的事情之一是地球上的人口数量。以著名的吉萨金字塔为例，它大约建于公元前 2550 年至 2490 年，在我撰写这些文字时，距今只有约 4500 年。在过去的那些日子里，地球上只有大约 2000 万人口。相比之下，在写这篇文章的时候，估计我们有 79 亿人，而这个数字预计到 2030 年将上升到 85 亿¹，到 2040 年将上升到 92 亿²，到 2050 年将上升到近 100 亿³。

从正面看，能够对可持续性产生积极影响的事情之一是我们构思和实施社会和技术解决方案来解决我们问题的能力。

我喜欢科幻小说和科学幻想。作为 20 世纪 60 年代末和 70 年代初的一个年轻小伙子，我记得我读过美国科幻作家、航空工程师和海军军官 Robert Anson Heinlein 1952 年发表的科幻小说《The Rolling Stones》（在英国出版书名为《Space Family Stone》）。在这个故事中，作为月球居民的斯通家族购买并重建了一艘二手宇宙飞船，围绕太阳系进行观光旅游。作为旅行的一部分，他们访问了小行星带，那里正在进行相当于加利福尼亚淘金热 (1848-1855) 的活动，小行星矿工正在勘探各种材料，包括放射性矿石。

虽然这对许多人来说可能仍然是科幻小说中的内容，但有趣的是，就在 2017 年，科罗拉多矿业学院推出了一个多学科的研究生项目，提供小行星采矿方面的学士后证书、科学硕士和博士学位（他们称之为“空间资源”，但他们没有欺骗任何人——我们知道他们的意思）。

问题是，地球是一个封闭的系统。可用的材料数量有限。我们今天所拥有的就是我们明天和后天要拥有的。尽管人们在认真讨论从月球、近地天体和小行星上开采原材料（例如，铁、镍、铱、钯、铂、金、镁，以及可能的水），但真正做到这一点估计至少要等 20 年以后。即使这一点真的实现了，将这些材料送回地球的能源、时间和资源方面的成本巨大，意味着在未来许多年里，其数量仍将微不足道。底线是，我们不能指望在可预见的未来能获得大量额外的原材料，所以我们有必须以最佳方式利用好我们的已有资源。

扭转趋势：2021-2022 InnovateFPGA 设计大赛

受到像联合国发展基金 (UNDF) 实施的全球环境基金 (GEF) 小额赠款计划之类组织所确定的问题和需求的启发，上述所有因素都会将我们导向 InnovateFPGA 设计竞赛（图 1）。

图 1：能够对可持续性产生积极影响的事情之一是我们构思和实施社会和技术解决方案来解决我们问题的能力。（图片来源：DigiKey）

为了迎接可持续发展的挑战，Terasic、Intel、ADI 和 Microsoft 发起了目前的 2021-2022 InnovateFPGA 设计大赛，重点关注在边缘对 FPGA 的智能使用，以减少对地球资源的需求。

FPGA 对这种应用特别有用，因为它们既灵活又可重新配置。另外，本次竞赛中的许多设计都是基于复杂算法的使用，如人工智能 (AI) 和机器视觉 (MV)，需要大量的计算。FPGA 的可编程结构可以配置成以大规模并行方式进行操作，从而允许它们在本地实时执行计算密集型算法，同时消耗相对较少的功率。

参赛者受邀时要求以团队形式报名，团队由同一地理区域内的 1 至 3 人组成。邀请时要求这些团队使用 Terasic 的 P0685 DE10-Nano FPGA 云端连接套件，该套件基于极受欢迎的 P0496 DE10-Nano 套件与 P0499 RFS 子卡的组合（图 2）。

DE10 Nano 以 Intel Cyclone V SE FPGA 为基础，增加了 1 千兆字节 (Gb) 的 DDR3 SDRAM、Arduino 扩展针座（兼容 Uno R3）、全高清 HDMI 输出、UART 转 USB、USB On-the-Go (OTG) 端口、Micro SD 卡插槽、千兆位以太网和 GPIO 针座。Cyclone V 片上系统 (SoC) FPGA 采用的是可编程结构（11 万个逻辑元件 (LE)）与双 32 位 Arm® Cortex®-A9 处理器内核的组合。

图 2：FPGA 云连接套件集 Intel Cyclone V SoC FPGA 的丰富特性和多功能性与云连接的优势于一体。同时可以通过 Arduino 兼容针座或 ADI QuikEval 舆论连接其他传感器。（图片来源：Terasic）

与此同时，RFS 子卡增加了 Wi-Fi 和蓝牙通信以及各种传感器，如九轴加速计、陀螺仪和磁力仪，还有环境光、温度和湿度传感器。

当然，虽然功能强大，但 DE10-Nano FPGA 云连接套件本身的作用有限。英国诗人约翰•多恩在 17 世纪写下了名言“没有人是一座孤岛”，这意味着没有人是真正自给自足的，每个人都必须依赖他人的陪伴和安慰才能健康成长。同理，DE10-Nano FPGA 云连接套件也可能需要增加额外的传感器；同时，它可能需要与云进行通信。

因此，为了支持 2021-2022 InnovateFPGA 设计大赛，这些套件将免费提供给入选的参赛团队，同时还有 Analog Devices 提供的少量插卡，以及 Microsoft Azure 云服务的流量/限时接入。

Analog Devices 拥有广泛的评估板和参考设计组合，可帮助开发者解决系统级应用的挑战。例如 EVAL-CN0398-ARDZ（土壤湿度、pH 值和温度测量）、EVAL-CN0397-ARDZ（用于智能农业的三通道光检测）和 DC1338B（I²C 温度、电流和电压监控器）。这些板子可以通过其 Arduino 兼容针座或 ADI QuikEval 针座连接到 DE10 Nano。

可持续性的形态：261 个项目的抽样调查

提交的项目如此丰富多种，当然我忍不住要先看一看。这些项目数量多达 261 个，跨越庞大的应用领域，所以如果你决定要自己看一看，最好为自己准备一些饮料和点心，因为项目数量多、内容精彩，会让你流连忘返，不知不觉用去相当长的一段时间。

珊瑚礁恢复和自动垃圾收集：这是一个立即引起我注意的实例项目，编号 EM043，提出了一个用于珊瑚礁生态环境恢复的水下深度学习、智能微生物给送系统（图 3），以及 AS034 项目，一个智能垃圾桶，它将能够识别和分类物体，以确定什么可以回收和什么不能回收。

图 3： EM043 项目是一个珊瑚礁生态环境恢复系统，能够进行珊瑚益生菌给送并监测其功效。益生菌给送将由一个监测珊瑚颜色变化的深度学习网络精确调节。（图片来源：InnovateFPGA）

EM043 项目的重点是扭转因温度变化引起的珊瑚礁白化现象，这种变化会导致珊瑚礁排斥生活在其组织中的藻类。正是这些藻类不仅提供了颜色，而且能使珊瑚进行必要的光合作用，以保持其生命并维持生态系统。

各种对珊瑚有益的微生物 (BMC) 可以减缓甚至阻止白化过程，但需要哪些微生物以及如何组合需要通过长时间的原型设计和边缘测试来确定。EM043 项目将云连接套件与移动 4G 路由器、太阳能板、摄像头、温度传感器、液位传感器和深度学习算法结合起来进行分析，并使用专门的模块调节 BMC 的给送（图 4）。

图 4：EM043 项目将深度学习分析与传感器、太阳能、4G 路由器和 BMC 给送机构结合在一起，以 DE10 为中央处理平台。（图片来源：InnovateFPGA）

Microsoft Azure 云使用 4G 路由器连接，并远程控制给送系统，直观地监测珊瑚状况。

所提出的系统能够让海洋研究人员对 BMC 在减少白化效应方面的功效进行精确、可靠的监测实验，从而为恢复珊瑚礁生态系统做出重大贡献。

生物式 CO₂ 去除：另一个我喜欢的项目是 EM003，因为它简单、可扩展。这是一种特殊的家庭植物，叫做祈祷植物（纹竹芋），这是一种低矮的热带植物，原产于南美洲。不同的研究和实验已经证明，与类似的室内植物相比，这种植物能够非常有效地吸收温室气体。事实上，该项目的创建者指出，仅仅一株这样的植物就可以在 24 小时内将一个房间的 CO₂ 量减少 14.40%。

这个项目背后的想法是促使祈祷植物尽可能地吸收最大数量的 CO₂。这将通过在云端记录感官数据（温度、湿度、环境光、土壤湿度），实验灌溉周期，并分析结果来实现。最终的目标是让数百万人都使用这些植物，并从尽可能多的人那里收集和分析数据。除了 DE10-Nano FPGA 云连接套件外，该项目还采用了一个土壤湿度传感器和一个带有直流执行器的水泵（图 5）。

图 5：在 EM003 项目中，所有感官数据都由 FPGA 进行预处理，它也控制着植物的灌溉周期；然后将处理后的数据发送到云端，与其他植物的数据结合起来进行分析。（图片来源：InnovateFPGA）

用于农用水分胁迫分析的无人机：我不知道大家怎么想，但我很喜欢任何与无人机有关的东西，所以另一个需要调查的项目是 AP008，它使用是一台名为“Agri-Bird”的无人机，帮助检测农业环境中的水分胁迫（图 6）。这个团队来自巴基斯坦的伊斯兰堡。

据该小组称，农业使用了巴基斯坦约 90% 的供水。如果事情继续按照目前的路径发展，该国的水资源可能在 2040 年之前耗尽。为了避免这种情况，并为普通农民提供解决方案，AP008 项目建议组合利用气象数据、地面传感器数据和无人机收集的空中数据，建立一个水分胁迫预测模型。

图 6：利用无人机收集的数据和其他来源的数据构造的水分胁迫力模型可用于防止 (a) 因缺水造成的农产品损失；(b) 因浇水过多造成的土壤养分损失；(c) 灌溉调节不当，以及 (d) 野火。（图片来源：InnovateFPGA）

摆脱塑料垃圾：项目太多无法说尽，我个人感兴趣的一个最后一个项目是 AP080，它涉及一个小型智能机器人，在城市街道上穿梭，发现并收集废弃的塑料制品进行回收。这个问题真的很有说服力，因为这些天我走到哪里都能看到塑料垃圾（图 7）。

图 7：如果 AP080 项目能够成功将智能机器人带入生活，那就不必这样了。虽然这个项目最初是针对城市街道的，但它（或其他此类项目）最终可能会缓解塑料垃圾的危害。（图片来源：The Nature Conservatory）

当我还是个孩子时，父母带我去度假，在海滩上呆了一天后，我们家有一条规矩，就是要保持所有东西比以之前更整洁。这就要求我们不仅要收集自己的垃圾，而且还要收集我们在附近看到的任何其他垃圾。当我看到人们随意丢弃垃圾，边走边丢，或从车窗扔出去时，我感到很难过。要说服这种人不要这样做是很难的，但如果我们有像这个项目所提议的机器人，在他们身后打扫卫生，他们的行为就会得到缓解。

可怕的是，尽管这里介绍的项目实例非常有趣和多样化，但我们甚至还没有触及本次竞赛提交的所有可能性的冰山之一角。仅仅总体浏览一下这些项目，我就不断地发出“哇，这个好！”之类感叹，并促使我停下来进行更深入的研究。事实上，我一写完这篇专栏，就会立即回去拜读这些项目。

结语

2021-2022 InnovateFPGA 设计大赛的所有参赛作品都已提交。各个参赛团队正在马不停蹄忙于项目设计，他们的目标是参加 2022 年 3 月举行的区域决赛和 2022 年 6 月举行的总决赛。不知各位看官看么想，反正我已经是迫不及待地想看到这个时间紧迫、激发思考的挑战的结果了。