InnovateFPGA 設計競賽優勝者
InnovateFPGA 這場全球設計競賽,旨在鼓勵團隊採用 Intel® FPGA 開發以永續性為題的專案。 260 支參賽團隊開發 FPGA 型雲端連線邊緣應用程式,以更聰明智慧的方式運用全球資源。 透過今年的前幾名團隊,瞭解計劃如何運用 Intel FPGA。
2022 年得獎專案
2022 年競賽優勝者
珊瑚礁復原
Jose Filho (King Abdullah University of Science and Technology)
問題:: 健康的珊瑚礁是 25% 海洋生物賴以為生的來源,然而海洋溫度越來越高正導致部分珊瑚白化。珊瑚將棲息於組織中的藻類排出時,便會發生白化的過程。這種藻類是珊瑚存活的關鍵。 解決方案:: 實驗室研究顯示,某些有益的珊瑚微生物(BMC)可阻止白化過程,並且讓珊瑚恢復原狀。這個系統可在海洋環境提供珊瑚益生菌,並且監測其長期效益。 計劃詳細資訊:: FPGA 支援彈性且可重新配置的實驗平台。FPGA 收集來自攝影機和溫度感測器的資料,以及來自 Analog Devices Ultralow Power Light Recognition System 的資料。FPGA 利用人工智慧準確判斷白化階段,並且快速決定有效運用 BMC。這項實驗由太陽能供電,部署於近岸,能夠將 4G 資料傳送至 Microsoft Azure,視覺化及管理復育過程。太陽能轉換器的雲端型管理
Daniel Chavez (Universidad Nacional de Ingenieria)
問題:: 隨著可再生能源發電功能越來越廣泛,例如太陽能與風力,在電網分配電力負載的過程也漸趨複雜。電力需求與發電之間經常發生的不相稱問題有待管理。 解決方案:: 這個系統的設計會從可用來控制發電的許多來源,以更有效率的方式收集當地使用端的能源資料。這份資料會回報至雲端型系統,接著可結合電網政策,以更完善的方式將電力需求與發電最佳化。 計劃詳細資訊:: FPGA 直接測量及控制單相雙向 DABRS 轉換器的調變,並且以無線方式將資料傳遞至雲端型 Azure 伺服器 MariaDB 資料庫。由於資料是由 FPGA 在本機處理,因此可儘量減少必須回傳雲端型中央控制的遙測。消費性迷你溫室系統
Pahan Mendis(University of Moratuwa,斯里蘭卡)
問題:: 消費者意識逐漸抬頭,他們瞭解某些農作物的大規模農業和運輸,可能對環境造成負面影響。消費者越來越希望自行種植食物,一來是為了環境問題,二來是為了改善品質和食物安全。然而,這群懷抱雄心壯志的農民缺乏知識或能力,無法以有效率的方式種植。 解決方案:: 這個智慧型自動迷你溫室系統,鎖定可能農業知識貧乏的都會社區消費者食物生產。系統可提供灌溉、施肥、通風和光線方面的指引。 隨附的人工智慧功能可預測產量,並且識別異常生長行為。 計劃詳細資訊::系統擷取攝影機和各種 Analog Devices 感測器的資料(測量空氣濕度和溫度、土壤 pH 值/濕度/溫度、二氧化碳濃度,以及光強度)。FPGA 會與感測器資料並行,加速 CNN 人工智慧型影像處理。這個多樣化的資料集會傳送至 Microsoft Azure IoT 中樞,進行長時間的儲存、處理及預測結果。美洲
無人機宅配安全性
Foale Aerospace Inc.
問題: 宅配是智慧城市基礎架構不可或缺的一環,然而代價卻是交通壅塞與二氧化碳排放,也就是導致全球暖化的主要因素。到了 2050 年,最後一哩宅配每年產生的二氧化碳可能超過 200 萬噸。 解決方法: 這項計畫旨在開發空中無人機宅配系統,不僅採用可再生能源供電,還可將城市中現今仰賴二氧化碳排放服務的最後一分鐘點到點快遞服務取而代之。這項計劃可偵測及傳達強烈或突然的大氣運動變化,並且建立「數位分身」進行開發。這個作法可促進無人機以及附近人員與財產的安全性。 計劃詳細資訊: FPGA 可重新程式化的 DSP 開發功能,讓無人機可回應 8 個測量無人機旋轉與加速的協同類比頻道。HPS 向 Microsoft Azure IoT 中樞提供危險活動遙測,並新增「數位分身」功能,可利用 Analog Devices DC2025A-A DAC 為演算法開發重現真實事件。太陽能轉換器的雲端型管理
Daniel Chavez (Universidad Nacional de Ingenieria)
問題:: 隨著可再生能源發電功能越來越廣泛,例如太陽能與風力,在電網分配電力負載的過程也漸趨複雜。電力需求與發電之間經常發生的不相稱問題有待管理。 解決方案:: 這個系統的設計會從可用來控制發電的許多來源,以更有效率的方式收集當地使用端的能源資料。這份資料會回報至雲端型系統,接著可結合電網政策,以更完善的方式將電力需求與發電最佳化。 計劃詳細資訊:: FPGA 直接測量及控制單相雙向 DABRS 轉換器的調變,並且以無線方式將資料傳遞至雲端型 Azure 伺服器 MariaDB 資料庫。由於資料是由 FPGA 在本機處理,因此可儘量減少必須回傳雲端型中央控制的遙測。水果廢棄物減少系統
Nixon Fernando Ortiz De La Cruz (Universidad Nacional de Ingenieria and Nacional Mayor de San Marcos)
問題:: 小型農業企業通常缺乏資源,無法儘量減少農產品分銷及運輸過程中產生的廢棄物。由於缺乏高品質的儲存與運輸系統,很高比例的農產品在最終配送至消費者手上之前早已腐敗。祕魯 80% 的芒果產量來自小型家族經營農場。 解決方案:: 這個智慧系統會監測、回報及管理儲存和運輸條件,減少變質的量。 計劃詳細資訊:: FPGA 彙總來自各種感測器的資料。它還會控制調整空氣條件(亦即二氧化碳)和溫度的致動器,減少水果早熟。FPGA 會預先處理攝影機傳來的影片影像,然後傳送至雲端,分析與果實成熟度相關的顏色資料。這個多樣化的資料集會傳送至 Microsoft Azure IoT 中樞,進行儲存、處理、預測以及控制智慧水果儲存/運輸容器。由於 FPGA 包辦了多數的處理工作,因此可儘量減少傳送至雲端的資料,並且降低傳輸大量資料的成本。亞太和日本地區
智慧型農業最佳化工具
Jyotsna Bavisetti(Rajiv Gandhi University of Knowledge Technologies,努茲維德)
問題:: 農民往往是在資訊貧乏的情況下選擇作物,而且搭配傳統耕作方式時通常並不恰當。由於對水質和土壤改良劑不甚瞭解,因此會導致作物產量和品質降低。開發中國家的食物供應尤其不堪一擊。 解決方案:: 這個全方位的農民輔助工具,可根據該地區的土壤條件、氣候及可用水量,推薦合適的作物。它可控制及最佳化灌溉、偵測植物疾病、偵測雜草,並且為農民提供指引。 計劃詳細資訊:: FPGA 彙總攝影機以及各式各樣 Analog Devices 感測器的資料。它可測量氮、磷、鉀、pH 值、水位、土壤水分和溫度。這個多樣化的資料集會傳送至 Microsoft Azure IoT 中樞進行儲存、分析、顯示及提供農民指引。機器學習演算法會針對條件預測最合適的作物,並且控制灌溉。物件偵測模型可辨識雜草,經過訓練的人工智慧型演算法可辨識疾病,推薦治療方式。消費性迷你溫室系統
Pahan Mendis(University of Moratuwa,斯里蘭卡)
問題:: 消費者意識逐漸抬頭,他們瞭解某些農作物的大規模農業和運輸,可能對環境造成負面影響。消費者越來越希望自行種植食物,一來是為了環境問題,二來是為了改善品質和食物安全。然而,這群懷抱雄心壯志的農民缺乏知識或能力,無法以有效率的方式種植。 解決方案:: 這個智慧型自動迷你溫室系統,鎖定可能農業知識貧乏的都會社區消費者食物生產。系統可提供灌溉、施肥、通風和光線方面的指引。 隨附的人工智慧功能可預測產量,並且識別異常生長行為。 計劃詳細資訊::系統擷取攝影機和各種 Analog Devices 感測器的資料(測量空氣濕度和溫度、土壤 pH 值/濕度/溫度、二氧化碳濃度,以及光強度)。FPGA 會與感測器資料並行,加速 CNN 人工智慧型影像處理。這個多樣化的資料集會傳送至 Microsoft Azure IoT 中樞,進行長時間的儲存、處理及預測結果。心理健康顧問
Sudhamshu B N (Dayananda Sagar College of Engineering)
問題:: 在全球健康問題中,心理和行為案例的比例越來越高。然而,這類案例在傳統公衛統計數字(側重死亡率相對於其他因素,例如功能障礙)卻依舊代表性不足。 解決方案:: 收集各種人體和環境參數的智慧手套,可供機器學習模型分析各種目標心理健康情況的症狀,並且予以分類。根據使用者健康和心理狀態,以「建議」的方式將正面建議及時回傳給消費者。心理健康與身體健康一樣重要。 計劃詳細資訊:: FPGA 彙總智慧手套感測器傳來的資料,例如氣溫和體溫、汗腺活動、光照條件,以及空氣品質。接著,它會利用機器學習歸納資料的特徵,並且建立資料與心理狀態的相關性。攝影機輸入的患者即時影片,傳輸至影片情緒辨識模型,將資料與 5 種特徵(憤怒、焦慮、開心、中立與悲傷)建立相關性。這個多樣化的資料集會傳送至 Microsoft Azure IoT 中樞進行儲存與機器學習處理。建議會回傳至使用者的行動手機應用程式。EMEA
珊瑚礁復原
Jose Filho (King Abdullah University of Science and Technology)
問題:: 健康的珊瑚礁是 25% 海洋生物賴以為生的來源,然而海洋溫度越來越高正導致部分珊瑚白化。珊瑚將棲息於組織中的藻類排出時,便會發生白化的過程。這種藻類是珊瑚存活的關鍵。 解決方案:: 實驗室研究顯示,某些有益的珊瑚微生物(BMC)可阻止白化過程,並且讓珊瑚恢復原狀。這個系統可在海洋環境提供珊瑚益生菌,並且監測其長期效益。 計劃詳細資訊:: FPGA 支援彈性且可重新配置的實驗平台。FPGA 收集來自攝影機和溫度感測器的資料,以及來自 Analog Devices Ultralow Power Light Recognition System 的資料。FPGA 利用人工智慧準確判斷白化階段,並且快速決定有效運用 BMC。這項實驗由太陽能供電,部署於近岸,能夠將 4G 資料傳送至 Microsoft Azure,視覺化及管理復育過程。室內空氣品質管理
Ricardo Núñez Prieto (NVISION s.l./ Institute of Microelectronics of Barcelona (CSIC) / UAB)
問題:: 證據顯示,長期曝露於低至 1000pm 的二氧化碳濃度,與多種人類健康失調息息相關。另外,研究也顯示,呼氣、交談與咳嗽時會釋放病毒,而且在室內環境傳播的可能性較高。 解決方案:: 測量呼出的二氧化碳,是評估空氣品質風險最佳的低成本方式。這項計劃可獲得二氧化碳濃度,並將可據以行動的資訊傳送至 Microsoft Azure 伺服器,管理警示與空氣流通。 計劃詳細資訊:: 這個系統使用來自 Analog Devices NDIR CO2 感測器系統的資料,該系統可測量 400-5000 ppm 範圍內的二氧化碳濃度,並且使用溫度感測器的資料。FPGA 是這類應用的絕佳選擇,因為它可彈性支援多個感測器,也可適應其他感測器類型、演算法與通訊協定。這項計劃在 FPGA 本機執行二氧化碳濃度演算法,已針對最低系統能源足跡最佳化,可儘量減少傳遞複雜的資料。智慧農場控制系統
Mohamed Abdelaziz Louhab (University M'hamed Bougara Boumerdes)
問題:: 儘量減少栽種錯誤至關重要,既可儘量降低成本,還可確保沒有最佳種植條件的地區,食物生產充足。火災、動物侵害或偷竊這類其他風險,可能對農田或社區影響甚鉅。 解決方案:: 這個智慧溫室整合的感測器,可利用氣溫、濕度和氧氣與二氧化碳等氣體這類環境因素監測植物健康。系統不僅能提供農民指引,還可控制灌溉、加熱和冷卻。 計劃詳細資訊:: FPGA 是太陽能供電系統的核心,使用 HPS 實作太陽能追蹤演算法,儘量提高太陽能光電模板的輸出量。這個溫室的設計可儘量減少栽種錯誤,利用 6 個不同的 Analog Devices 感測器監測及維持作物健康狀況,讓農產品更美味可口。系統利用紅外線與被動紅外線偵測動物出現,降低對作物損失的疑慮,並且能夠偵測及抑制火災。大中華地區
自動垃圾分類器
Longfei Yang (Hubei University)
問題:: 全球製造的垃圾量每年增加,並且污染土壤與水源。垃圾掩埋場可能含有危險的化學物質,或是其他有害物質,而且可能進入生態系統,對人類和環境造成傷害。 解決方案:: 自動垃圾分類機可協助減少環境污染、節省土地資源,並且促進資源回收。這個系統的設計可減少輕率棄置的可回收垃圾,而且廢棄物分類可儘量提高重新利用廢棄物的可能性,並且降低對當地生態環境造成的傷害。 計劃詳細資訊:: 這項計劃利用影像辨識將廢棄物分成 4 類:可回收、生物可降解、危險和其他。紅外線感測器偵測到新物品被棄置後,攝影機隨即將影像傳送至 FPGA。FPGA 實作稱為 VGG-16 的深度卷積神經網路(CNN)進行影像辨識。稱為 pipeCNN 的 OpenCL 型 FPGA 加速器則強化了辨識與分類。垃圾分類器以 95% 準確度將廢棄物移至合適的垃圾箱,辨識時間為 1.93 秒。路面損壞偵測系統
Dingwei Chen (Chongqing University)
問題:: 道路路面損壞不僅影響外觀和駕駛舒適度,而且如果未能發現並解決維修需求,路面和相關構造體會惡化,而且可能導致事故發生或甚至是命喪黃泉。利用混泥土或柏油鋪路,都會產生有害排放物與污染。 解決方案:: 這個自動偵測、位置和回報系統運用 3D 光學雷達與攝影機擷取即時路況資訊,經過分析之後即可判斷是否需要修補。準確的檢查資訊加上精確的位置,能夠有效管理維修,避免因為路面惡化而必須付出高昂的代價。 計劃詳細資訊:: 智慧道路損壞偵測系統利用光學雷達以及有 IMU(慣性量測元件)的攝影機,取得路面的點雲資料和影像資訊。系統可為點雲動態失真修正,而且能將光學雷達距離資訊與攝影機像素資訊同步。這項資料可供雲端應用程式使用,以結合損壞細節(缺陷的尺寸/形狀)與精確的地圖資料。維修人員便能將注意力放在安排及時修復。競賽開發平台
雲端連線讓 FPGA 型嵌入式應用程式徹底改變。
瞭解如何自行開發 FPGA 型應用程式,從雲端連線的物聯網設備收集資料,並且予以分析及回應。
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