لماذا تتجاوز كاميرات الذكاء الاصطناعي ميزانيات الطاقة الشمسية المصممة لكاميرات IP التقليدية؟

عملت مقطورة مراقبة تعمل بالطاقة الشمسية لثلاثة مواسم في ساحة مواد دون أن تنقطع عنها الكهرباء ولو لمرة واحدة. تتكون من لوحين شمسيين على السطح، وبطارية ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4) بجهد 24 فولت في الصندوق الموجود أسفلها، وأربع كاميرات ثابتة على الصاري.

قام أحدهم باستبدال الكاميرات الأربع بنماذج أحدث مزودة بتقنية الذكاء الاصطناعي للكشف. نفس الشركة المصنعة، نفس محول PoE، نفس اللوحات، نفس البطارية.

تعطلت المقطورة في اليوم الرابع.

لم يحدث أي عطل. كان بنك الطاقة سليماً، والألواح نظيفة، وجهاز التحكم بالشحن يعمل تماماً كما هو مصمم له. تغير الحمل بطريقة لم يكن من الممكن رصدها في حسابات الحجم الأصلية.

هذا ليس خطأ في التثبيت. إنها مشكلة حسابية، وتظهر بشكل متكرر بما يكفي لتستحق مراجعة المشكلة بدقة.

الأرقام التي توقفت عن العمل

إذا كنت قد حددت أنظمة كاميرات خارج الشبكة من قبل، فستحمل معك بعض الأرقام.

تستهلك كاميرا ثابتة بدقة 4 ميجابكسل تعمل بترميز H.265 ما بين 5 و7 واط. وعند تشغيل مصابيح الأشعة تحت الحمراء، يرتفع الاستهلاك إلى 9 أو 11 واط. وبإضافة موزع طاقة PoE صغير وجهاز توجيه خلوي، يصل استهلاك مقطورة بأربع كاميرات إلى حوالي 35 واط نهارًا، و50 واط ليلًا.

ظلت تلك الأرقام ثابتة لعقد من الزمن لأن العمل الذي يقف وراءها لم يتغير. تقوم كاميرا IP التقليدية بقراءة بيانات المستشعر، ثم تُمرر الصورة عبر معالج ذي وظيفة ثابتة، وتُرسل بثًا مُشفّرًا إلى الشبكة. تُنفّذ جميع هذه العمليات الثلاث على شريحة سيليكون مُخصصة مصممة لأداء مهمة واحدة بتكلفة منخفضة. وبالتالي، فإن التكلفة الإجمالية ثابتة تقريبًا.

تقوم الكاميرا التي تقوم بالكشف المدمج بتشغيل عملية استدلال عصبي فوق كل ذلك. ثلاث خصائص لهذه العملية تؤثر على استهلاك الطاقة:

إنها تعمل باستمرار. الكاميرا لا تنتظر إشارة الحركة ثم تفكر. بل تعالج الإطارات باستمرار، لأن هذه هي الطريقة التي تحدد بها ما إذا كان الشيء شخصًا أو مركبة أو كيسًا بلاستيكيًا.

يؤدي ذلك إلى رفع معدل الإطارات ودقة الصورة. يتراجع مستوى الكشف عند معدلات الإطارات المنخفضة، وتحتاج الأجسام الصغيرة إلى عدد كبير من البكسلات، لذا فإن الكاميرا التي كانت تبث 10 إطارات في الثانية بدقة 4 ميجابكسل، أصبحت الآن تبث 20 أو 30 إطارًا في الثانية بدقة 8 ميجابكسل. يتطور كل من المستشعر والمشفّر ومحرك الاستدلال بشكل متزامن.

يتتبع نظامها ما يحدث في المشهد. فمثلاً، ينتج عن استخدام نفس الكاميرا المثبتة على نفس الحامل قراءات طاقة مختلفة في مكان هادئ الساعة الثالثة صباحاً، وفي مكان عاصف مليء بالأغصان المتحركة.

تظهر كل هذه المعلومات في ورقة البيانات كسطر واحد. انتقلت الكاميرا من فئة PoE 3 إلى الفئة 4.

لا يقدم لك بيك أي معلومات مفيدة هنا

توفر الفئة 3 طاقة تصل إلى 12.95 واط للجهاز المُشغَّل. بينما توفر الفئة 4 طاقة تصل إلى 25.5 واط. لذا، تضاعف الرقم في الورقة، وقد يغريك الأمر بمضاعفة الرقم في جدول البيانات والمضي قدمًا.

لا يعتمد حساب حجم الطاقة الشمسية على ذروة استهلاك الطاقة بالواط، بل يعتمد على ساعات الواط في اليوم، والفرق بين ذروة الاستهلاك والمتوسط ​​يختلف باختلاف نوعي الكاميرا.

تتمتع الكاميرا الثابتة المزودة بالأشعة تحت الحمراء بنسبة ذروة إلى متوسط ​​تبلغ حوالي 1.2. وهي تبقى قريبة من متوسطها طوال الوقت تقريبًا.

الكاميرا التي تعمل بالاستدلال المستمر تقترب من 1.5 أو 2.0، لأن محرك الاستدلال يخفض سرعته مع نشاط المشهد.

وهذا يجعل لوحة البيانات خاطئة في كلا الاتجاهين. إذا اعتمدت على تصنيف الفئة 4، فستزيد من سعة المصفوفة. أما إذا اعتمدت على المتوسط ​​القديم، فستقلل من سعة البطارية. لا يجيب أي من الرقمين على السؤال الوحيد المهم، وهو كم واط ساعة تستهلك الكاميرا على مدار 24 ساعة في المشهد الذي ستُستخدم فيه فعليًا.

انتقلت الحمولة إلى الظلام

يعتمد التصميم خارج الشبكة على افتراض مريح: يغطي توليد الطاقة خلال النهار الحمل النهاري مع فائض متبقٍ، ولا يتعين على البطارية سوى العمل خلال الليل.

والآن فكر في الوقت الذي يكون فيه عبء عمل الكشف أكثر ازدحامًا.

تكون المواقع الأمنية هادئة خلال ساعات العمل، وتنشط بعدها. تصل المركبات في الساعة الثانية صباحًا. تتسبب الرياح وأضواء السيارات والحيوانات في تشغيل جهاز التصنيف بين منتصف الليل والخامسة صباحًا. وتعمل أجهزة الإضاءة بالأشعة تحت الحمراء بكامل طاقتها خلال كل ذلك.

لذا، تقع فترة الاستهلاك الأثقل داخل نافذة لا يوجد فيها أي مدخلات. ينمو جانب الليل من الميزانية بشكل أسرع من جانب النهار، مما يعني ضغطًا أكبر لكل دورة حتى قبل احتساب إجمالي الاستهلاك اليومي الأعلى. قد ينتج عن ترقية مبنى ما حمل ليلي يزيد بنسبة 30% عن الحمل النهاري، في موقع كان فيه الحملان متساويين تقريبًا.

يؤدي الطقس إلى زيادة الطلب وانخفاض العرض في الوقت نفسه

لهذا السبب تصمد الإعلانات الترويجية في يوليو وتفشل في نوفمبر.

يُضفي المطر والثلج والضباب والحطام المتطاير حركةً على المشهد. يعمل المصنف الذي يراقب تساقط الثلج بجهد أكبر بكثير من المصنف الذي يراقب ساحة حصى فارغة، لذا يرتفع معدل الاستدلال ويرتفع الرسم تبعًا لذلك.

يؤدي نفس الطقس إلى خفض محصولك إلى جزء ضئيل من إنتاج السماء الصافية.

يتحرك العرض والطلب في اتجاهين متعاكسين، في الوقت نفسه، وللسبب نفسه. لا تأخذ حسابات الاحتياطي هذا الأمر في الحسبان لأنها تتعامل مع الحمل كثابت ومع الإنتاج كمتغير. بمجرد أن يرتبط الحمل بغطاء السحب، تتوقف الحسابات القائمة على أساس استقلالية لمدة خمسة أيام عن الصمود.

دورات أعمق، فترة سداد أقصر

احتفظ بالبطارية الحالية وسيظل النظام يعمل. لكن دورة الشحن والتفريغ تتعمق أكثر كل يوم.

LiFePO4 يرتبط عمر الدورة ارتباطًا وثيقًا بعمق التفريغ، والفرق بين 30% و60% ليس بالهين. قد يتحول خزان مصمم لخمس سنوات في دورات التفريغ الضحلة إلى خزان لا يدوم سوى سنتين أو ثلاث سنوات في دورات التفريغ العميقة. يستمر تشغيل المقطورة، ويبقى العميل راضيًا، وتصل فاتورة الاستبدال قبل سنوات من الموعد المتوقع.

نفس المقطورة، جيلان من الكاميرات

نفس الموقع، نفس بنية 24 فولت. التغيير الوحيد هو في الكاميرات والحاسوب. الأرقام أدناه مأخوذة من كورام. مقطورة للمراقبة بالطاقة الشمسية تُعتبر هذه المباني نقطة مرجعية وليست مواصفات، لأن كل موقع يحدد الأسعار بشكل مختلف.

بناء الإرث

اثنا عشر ساعة في كل اتجاه: 1,056 واط في اليوم

تصميم كاميرا الذكاء الاصطناعي

اثنا عشر ساعة في كل اتجاه: 1,800 واط في اليوم

هذا يعادل 1.7 ضعف، وينقل كل شيء إلى أسفل المجرى. تحديد الحجم لأربعة أيام من التشغيل الذاتي عند 80% من عمق التصريف القابل للاستخدام:

الصف الأخير هو الأكثر إيلاماً. إذ يرتفع عدد الألواح الشمسية الشتوية من لوحين إلى خمسة، على هيكل قابل للجر، ما يستدعي مراعاة أحمال الرياح، وارتفاع الصاري، ووزن اللسان. إضافةً إلى صندوق بطارية يجب أن يستوعب ضعف السعة تقريباً.

استغرقت عملية استبدال الكاميرا ساعتين. ووصلت عواقبها إلى هيكل السيارة.

رقم الشتاء هو رقم التصميم

المتوسط ​​السنوي غير مجدٍ هنا. يتم تحديد نظامك بناءً على أسوأ شهر له.

في النصف الشمالي من الولايات المتحدة، يعني ذلك أواخر نوفمبر وحتى يناير، عندما تنخفض ساعات ذروة الشمس إلى ساعتين أو ساعتين ونصف، ويكون الجو غائماً باستمرار، وتؤدي الأيام القصيرة إلى تشغيل أجهزة الإضاءة بالأشعة تحت الحمراء لمدة 15 ساعة بدلاً من 12 ساعة.

أجرِ الحسابات لذلك الشهر، ثم أجرِها مرة أخرى مع إضافة أسبوع من الغيوم. إذا نجحت في كلتا الحالتين، فسيسير باقي العام على ما يرام.

مصيدة الشحن البارد

يحدث شيئان مع انخفاض درجة الحرارة، وهما يعملان ضد بعضهما البعض.

تنخفض السعة القابلة للاستخدام. فبطارية ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4) عند درجة حرارة 0 مئوية تعطيك كمية أقل بشكل ملحوظ من قيمتها المقدرة، لذا فإن أربعة أيام من الاحتياطي تصبح ثلاثة أيام فقط.

والأهم من ذلك، لا ينبغي شحن خلايا LiFePO4 القياسية تحت درجة التجمد، ويجب أن تكون مصممة بشكل صحيح BMS سيمنع هذا النظام تيار الشحن لحمايتها. وهذا يعني أنه في صباح بارد صافٍ، قد يكون لديك نظام شمسي كامل، وشمس ساطعة، ووحدة تحكم تعمل، ولكن دون أي شحن على الإطلاق. هذا النظام يخدع الناس لأن جميع المؤشرات تبدو صحيحة.

هناك حلان. الأول هو إضافة سخان، مما يستهلك طاقة من ميزانيتك المحدودة أصلاً، والتي عادةً ما تتراوح بين 10 و15% من إجمالي الطاقة اليومية. أما الثاني فهو اختيار خلايا مصممة للشحن في درجات حرارة منخفضة، وهو ما يكلف أكثر في البداية ولكنه يوفر عليك تكلفة السخان ونقطة العطل الإضافية. في حالة الأجهزة التي تحمل بالفعل حملاً أثقل بكثير من سابقتها، غالباً ما يكون الخيار الثاني أوفر على المدى الطويل.

الخيار الثالث: لا أحد يدفع ثمنه

هناك طريقة لإضافة خاصية الكشف دون المساس بحمل الكاميرا على الإطلاق: اترك الكاميرات منخفضة الطاقة على الصاري وقم بتشغيل الاستدلال على جهاز واحد في اتجاه مجرى التيار.

يتمثل الحل في تحميل ثابت لمدة 24 ساعة بدلاً من تحميل متغير موزع على أربع كاميرات. ويعتمد نجاح هذا الحل كلياً على استهلاك الجهاز للطاقة.

تبلغ نقطة التعادل حوالي 31 واط. أي جهاز يستهلك طاقة أكثر من ذلك على أربع قنوات يُفقد الجهاز كامل ميزته، لذا يجب إجراء هذه الحسابات بدلاً من افتراضها. في نظام بأربع كاميرات، عادةً ما يكون استخدام الأجهزة هو الخيار الأفضل. ويتقلص هذا الفارق مع ازدياد عدد القنوات.

أربعة أمور يجب مراعاتها:

تتفاوت تكلفة فك التشفير تبعًا لعدد القنوات ودقة العرض. إذ يتعين على الجهاز فك تشفير كل بث قبل أن يتمكن من عرضه، لذا تتضاءل الميزة مع ازدياد حجم الموقع. وعند استخدام ثماني أو اثنتي عشرة كاميرا، قد تختفي هذه الميزة تمامًا.

إنها نقطة ضعف واحدة. فقدان كاميرا يعني فقدان رؤية واحدة. فقدان الجهاز يعني فقدان القدرة على الكشف في كل مكان.

لم تُصمم الكاميرات القديمة لتغذية نموذج ثلاثي الأبعاد. معدل إطارات أقل، ومستشعر إضاءة منخفضة أضعف، وتشوهات ضغط أكثر. قد تكون جودة الكشف من كاميرا عمرها خمس سنوات أسوأ من كاميرا مصممة خصيصًا لهذا الغرض، ولا يمكن لأي قدر من المعالجة اللاحقة إصلاح بث فيديو مشوش بمعدل 10 إطارات في الثانية.

يحتاج الجهاز إلى مساحة حرارية كافية داخل غلاف محكم الإغلاق. وهذا يعني أحيانًا وجود مروحة، مما يستهلك طاقة أكبر ويحتوي على جزء متحرك إضافي.

لا تفترض أن نقل جهاز الكمبيوتر ينقل الطاقة

السؤال المنطقي التالي: لماذا لا يتم إرسال كل شيء إلى السحابة ومعالجته هناك؟

أحيانًا يكون صحيحًا، وغالبًا ما يكون خاطئًا، والسبب هو المودم.

يستهلك مودم الهاتف المحمول في وضع الخمول طاقةً ضئيلةً جدًا. أما المودم الذي يحافظ على اتصال مستمر بالشبكة فيستهلك طاقةً أكبر بكثير، وتزداد هذه الطاقة مع الجهد المبذول للحفاظ على الاتصال. في موقع بعيد بإشارة ضعيفة (شريطين)، قد تعادل طاقة الإرسال وحدها الطاقة التي كان يستهلكها محرك الاستدلال.

تُستخدم المعالجة الطرفية جزئيًا لتمكين إرسال البيانات الوصفية ومقاطع الفيديو القصيرة بدلًا من البث المتواصل. وهذا يوفر عرض النطاق الترددي، كما أنه يوفر الطاقة عادةً عند استخدام البطارية.

جدير بالذكر أن الهوائي الموجه نحو البرج الصحيح يُعدّ تحسينًا للطاقة، وليس مجرد تحسين للاتصال. فإشارة أفضل تعني طاقة إرسال أقل، وبالتالي استهلاك أقل للطاقة.

ما الذي يجب تغييره؟

قم بالقياس، لا تحدد. ضع الكاميرا على طاولة العمل، ووجهها نحو مشهد ذي نشاط واقعي، وسجل استهلاك الطاقة بالواط/ساعة على مدار 24 ساعة كاملة. هذه الخطوة البسيطة تكشف معظم أخطاء القياس.

قم بإنشاء ملفي تعريف للحمل. موقع هادئ وموقع مزدحم. اختر الموقع المزدحم. الموقع الهادئ يُظهر لك المساحة الرأسية الحقيقية المتاحة.

قم بنمذجة النهار والليل ككتلتين منفصلتين. لا تقم بحساب متوسطها، واستخدم تقسيم الساعة من أسوأ شهر لديك.

صمم عمق التصريف بما يتناسب مع عمر الخدمة المستهدف، ليس هدفك الوحيد هو الاستقلالية. فالائتمان لمدة خمس سنوات يعني دورات قصيرة وقدرة أكبر.

اضبط مناطق الكشف حسب الطاقة، وليس فقط للتنبيهات المزعجة. يؤدي إخفاء طريق مزدحم على حافة الإطار إلى تقليل دورة عمل الاستدلال. يلجأ معظم المستخدمين إلى هذه الطريقة للحد من الإنذارات الكاذبة، دون أن يلاحظوا توفير الطاقة. إنها الطريقة الأرخص والأكثر فعالية، وأول ما يجب التحقق منه في موقع يعاني من ضغط عالٍ.

استخدم تقنية تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT). تتسع فجوة الحصاد مقارنةً بتقنية تعديل عرض النبضة مع ازدياد الحمل، وتكون أكثر أهمية في ظروف البرد والإضاءة المنخفضة التي تميز أسوأ شهر لديك.

خصص ميزانية محددة للراديو والمدفأة. يتم استبعاد كليهما باستمرار من جداول البيانات، ويمكن أن يمثلا معًا خُمس الاستهلاك اليومي.

هناك أمران يجب تجنبهما. أولاً، لا تعيد استخدام البطارية القديمة لمجرد أن المقطورة لا تزال تعمل، لأنها تقوم بدورات شحن وتفريغ مضاعفة وستتعطل مبكراً. ثانياً، لا تُضف ألواحاً شمسية بدلاً من زيادة سعة البطارية: فزيادة عدد الألواح يُفيد في يوم مشمس، ولكنه لا يُحدث فرقاً يُذكر خلال خمسة أيام غائمة، لأن مدى استقلالية النظام يعتمد على البطارية.

ورقة الغش

خِتاماً

يبدو الانتقال من الكاميرات الثابتة إلى الكاميرات المزودة بخاصية الكشف المدمج بمثابة تغيير جذري. أما من حيث استهلاك الطاقة، فهو يمثل فئة مختلفة من الأحمال: أعلى في المتوسط، ومتغيرة تبعًا لحركة المشهد، وتتأثر بشكل كبير بساعات غياب الشمس، وترتبط بالطقس الذي يخفض إنتاج الطاقة.

يُعدّ قياس استهلاك الطاقة اليومي بالواط/ساعة، والذي يتراوح بين 1.5 و2 ضعف، نقطة انطلاق جيدة. ثم قم بالقياس، لأنّ مُعامل الكاميرتك في المشهد هو الرقم الوحيد المهم.