Une remorque de surveillance solaire a fonctionné sans interruption pendant trois saisons sur un site de stockage de matériaux. Elle était équipée de deux panneaux sur le toit, d'une batterie LiFePO4 de 24 V dans le boîtier situé en dessous et de quatre caméras fixes sur le mât.
Quelqu'un a remplacé les quatre caméras par des modèles plus récents dotés d'une détection par IA intégrée. Même fabricant, même commutateur PoE, mêmes panneaux, même batterie.
La remorque est tombée en panne au bout de quatre jours.
Rien n'avait dysfonctionné. La batterie était en bon état, les panneaux étaient propres, le régulateur de charge fonctionnait parfaitement. La charge avait évolué d'une manière que le dimensionnement initial n'avait pas pu anticiper.
Il ne s'agit pas d'une erreur d'installation, mais d'un problème de calcul, et il est suffisamment fréquent pour justifier une analyse approfondie.
Les numéros qui ont cessé de fonctionner
Si vous avez déjà spécifié des systèmes de caméras hors réseau, vous avez certainement quelques chiffres en tête.
Une caméra fixe de 4 mégapixels fonctionnant en H.265 consomme entre 5 et 7 watts. L'activation des illuminateurs infrarouges fait grimper la consommation à 9 ou 11 watts. Avec l'ajout d'un petit commutateur PoE et d'un routeur cellulaire, une remorque équipée de quatre caméras consomme environ 35 watts le jour et 50 watts la nuit.
Ces chiffres sont restés stables pendant une décennie car le fonctionnement sous-jacent est resté inchangé. Une caméra IP classique lit une image captée par un capteur, la traite via un processeur à fonction fixe, puis transmet un flux encodé au réseau. Ces trois opérations sont réalisées sur des puces dédiées, conçues à moindre coût pour accomplir une tâche précise. La consommation est donc quasiment constante.
Une caméra effectuant une détection embarquée exécute en plus une charge de travail d'inférence neuronale. Trois propriétés de cette charge de travail ont une incidence sur la consommation d'énergie :
Elle fonctionne en continu. La caméra n'attend pas un déclencheur de mouvement pour ensuite analyser la situation. Elle traite les images en permanence, car c'est ainsi qu'elle détermine s'il s'agit d'une personne, d'un véhicule ou d'un sac en plastique.
Cela augmente la fréquence d'images et la résolution. La détection se dégrade à basse fréquence d'images et les petits objets nécessitent des pixels ; ainsi, une caméra qui diffusait auparavant à 10 images/s en 4 MP fonctionne désormais à 20 ou 30 images/s en 8 MP. Le capteur, l'encodeur et le moteur d'inférence sont mis à l'échelle de manière conjointe.
Son capteur suit l'évolution de la scène. Un terrain calme à 3 heures du matin et un terrain venteux avec des branches qui bougent produisent des valeurs de puissance différentes, avec la même caméra montée sur le même support.
Sur la fiche technique, tout cela apparaît sur une seule ligne. La caméra est passée de la classe PoE 3 à la classe 4.
Peak ne vous apprend rien d'utile ici.
La classe 3 fournit jusqu'à 12.95 W à l'appareil alimenté. La classe 4 fournit jusqu'à 25.5 W. Le chiffre indiqué a donc doublé, et la tentation est grande de doubler également le chiffre dans le tableur et de passer à autre chose.
Le dimensionnement solaire ne se base pas sur la puissance de crête, mais sur la consommation en wattheures par jour. L'écart entre la puissance de crête et la puissance moyenne diffère selon le type de caméra.
Une caméra fixe avec infrarouge présente un rapport crête/moyenne d'environ 1.2. Elle se situe presque toujours près de sa moyenne.
Une caméra exécutant une inférence continue se rapproche davantage de 1.5 ou 2.0, car le moteur d'inférence s'adapte à l'activité de la scène.
Ce qui rend la plaque signalétique erronée dans les deux sens. Si l'on dimensionne le générateur en fonction de la classe 4, on le surdimensionne. Si l'on dimensionne le générateur en fonction de l'ancienne moyenne, on le sous-dimensionne. Aucune de ces valeurs ne répond à la seule question qui compte : la consommation en wattheures de la caméra sur 24 heures dans son environnement d'utilisation réel.
Le chargement s'enfonça dans l'obscurité.
La conception hors réseau repose sur une hypothèse rassurante : la production diurne couvre la consommation de jour avec un surplus, et la batterie n’a à prendre le relais que la nuit.
Réfléchissez maintenant aux moments où la charge de travail de détection est la plus importante.
Les sites de sécurité sont calmes pendant les heures de bureau et actifs après. Des véhicules arrivent à 2 h du matin. Le vent, les phares et les animaux déclenchent le système de classification entre minuit et 5 h. Les illuminateurs infrarouges fonctionnent à pleine puissance en permanence.
La période de consommation la plus élevée se situe donc dans la fenêtre sans consommation. Le budget nocturne augmente plus rapidement que le budget diurne, ce qui signifie une charge plus importante par cycle, même avant de prendre en compte le total journalier plus élevé. Une installation peut ainsi présenter, après une mise à niveau, une charge nocturne supérieure de 30 % à la charge diurne, sur un site où les deux étaient auparavant quasiment égales.
Les conditions météorologiques augmentent la demande et réduisent l'offre simultanément.
Voilà pourquoi les bandes-annonces survivent en juillet et échouent en novembre.
La pluie, la neige, le brouillard et les débris emportés par le vent animent l'image. Un classificateur observant une chute de neige travaille beaucoup plus qu'un classificateur observant un terrain vague rempli de gravier ; par conséquent, le cycle de charge d'inférence augmente, et le temps d'affichage aussi.
Les mêmes conditions météorologiques réduisent votre récolte à une fraction de celle obtenue par temps clair.
L'offre et la demande évoluent en sens inverse, simultanément, pour une même raison. Les calculs de réserve ne tiennent pas compte de ce phénomène car ils considèrent la charge comme une constante et la production comme la variable. Dès lors que la charge est corrélée à la couverture nuageuse, le calcul d'une autonomie de cinq jours n'est plus valable.
Cycles plus profonds, banque plus courte
Conservez la batterie actuelle, le système fonctionnera toujours. Il se déchargera simplement plus profondément chaque jour.
LiFePO4 La durée de vie du système est étroitement liée à la profondeur de déversement, et le passage de 30 % à 60 % a un impact non négligeable. Une capacité de stockage prévue pour cinq ans avec des cycles peu profonds peut se réduire à deux ou trois ans avec des cycles plus profonds. La remorque continue de fonctionner, le client reste satisfait, et la facture de remplacement arrive des années plus tôt que prévu.
Même remorque, deux générations de caméras
Même site, même architecture 24 V. Seuls les caméras et les ordinateurs changent. Les chiffres ci-dessous proviennent de Coram. Remorque de surveillance solaire Les constructions sont un point de référence plutôt qu'une spécification, car chaque site établit ses prix différemment.
Build hérité
| Charge | Jour (W) | Nuit (W) |
|---|---|---|
| Caméra fixe quadruple de 4 MP, H.265 | 24 (6 chacun) | 40 (10 chacun, IR activé) |
| Commutateur PoE | 5 | 5 |
| Routeur cellulaire | 7 | 7 |
| Total | 36 | 52 |
Douze heures aller-retour : 27 000 Wh par jour
Conception de caméra IA
| Charge | Jour (W) | Nuit (W) |
|---|---|---|
| Caméra IA 4x, inférence embarquée | 50 (12.5 chacun en moyenne) | 70 (17.5 chacun en moyenne, IR activé) |
| Commutateur PoE+ | 8 | 8 |
| Routeur cellulaire | 7 | 7 |
| Total | 65 | 85 |
Douze heures aller-retour : 27 000 Wh par jour
Cela représente 1.7 fois plus, et cela déplace tout vers l'aval. Dimensionnement pour quatre jours d'autonomie à 80 % de la profondeur de déversement utile :
| Legacy | Caméras IA | |
|---|---|---|
| Consommation quotidienne | 1,056 Wh | 1,800 Wh |
| Réserve de quatre jours | 4.22 kWh | 7.20 kWh |
| Banque nominale à 80 % du DoD | 5.28 kWh | 9.00 kWh |
| Capacité à 24 V | Ah 220 | Ah 375 |
| Panneau à 4.5 heures d'ensoleillement maximal, réduction de puissance de 0.75 | 313 W | 533 W |
| Panneau à 2.5 heures d'ensoleillement maximal, réduction de puissance de 0.75 | 563 W | 960 W |
C'est la dernière rangée qui pose problème. Le système hivernal passe de deux à cinq panneaux, sur un châssis remorquable où il faut désormais prendre en compte la charge du vent, le dégagement du mât et le poids sur la flèche. Sans oublier le boîtier de batterie qui doit avoir une capacité presque doublée.
Le remplacement de la caméra a nécessité deux heures de travail. Les conséquences se font sentir jusqu'au châssis.
Le numéro d'hiver est le numéro de conception
La moyenne annuelle n'a aucune valeur ici. Votre système est défini par son pire mois.
Dans la moitié nord des États-Unis, cela signifie de fin novembre à janvier, lorsque les heures d'ensoleillement maximales tombent à 2 ou 2.5, que le ciel est couvert de façon persistante et que les journées courtes permettent aux illuminateurs IR de fonctionner pendant 15 heures au lieu de 12.
Effectuez le calcul pour ce mois, puis relancez-le en ajoutant une semaine de ciel couvert. Si vous réussissez les deux, le reste de l'année se déroulera sans problème.
Le piège à charge froide
Deux choses se produisent lorsque la température baisse, et elles s'opposent l'une à l'autre.
La capacité utile diminue. Une batterie LiFePO4 à 0 °C offre une capacité nettement inférieure à sa valeur nominale ; ainsi, une réserve de quatre jours se réduit discrètement à trois.
Plus important encore, les cellules LiFePO4 standard ne doivent pas être chargées à des températures inférieures à zéro, et une cellule correctement construite BMS Le courant de charge est bloqué pour les protéger. Par conséquent, même par une matinée froide et ensoleillée, vous pouvez avoir une batterie pleine, un soleil éclatant, un contrôleur fonctionnel, et pourtant aucune charge. Ce procédé est trompeur car tous les indicateurs semblent corrects.
Deux solutions s'offrent à vous. Soit ajouter un élément chauffant, ce qui représente une part importante de votre budget (généralement 10 à 15 % de la consommation journalière totale), soit opter pour des cellules compatibles avec la charge à basse température. Ce choix, plus coûteux à l'achat, vous épargne la consommation liée à l'élément chauffant et un risque de panne supplémentaire. Sur une configuration supportant déjà une charge bien plus importante que la précédente, la seconde option s'avère souvent plus économique sur le long terme.
La troisième option, dont personne ne tire de conclusions, est une option dont personne ne se rend compte du coût.
Il existe un moyen d'ajouter la détection sans toucher à la charge de la caméra : laisser les caméras basse consommation sur le mât et exécuter l'inférence sur un appareil en aval.
Il s'agit d'une consommation fixe sur 24 heures au lieu d'une consommation variable répartie entre quatre caméras. Le choix de la meilleure solution dépendra entièrement de la consommation de l'appareil.
| Se construisent | Quotidien Wh | Banque à 24 V | Ensemble d'hiver |
|---|---|---|---|
| Caméras anciennes, aucune détection | 1,056 | Ah 220 | 563 W |
| Caméras existantes et appareil de 15 W | 1,416 | Ah 295 | 755 W |
| Caméras existantes et appareil de 25 W | 1,656 | Ah 345 | 883 W |
| Quatre caméras IA | 1,800 | Ah 375 | 960 W |
Le seuil de rentabilité se situe aux alentours de 31 W. Un appareil consommant davantage sur quatre canaux annule tout avantage ; il s'agit donc d'un calcul à effectuer plutôt que d'une simple supposition. Dans une configuration à quatre caméras, l'utilisation d'un appareil est généralement plus avantageuse. La marge se réduit à mesure que le nombre de canaux augmente.
Quatre arguments contre lui :
Le coût du décodage est proportionnel au nombre de canaux et à la résolution. L'appareil doit décoder chaque flux avant de pouvoir le visualiser ; l'avantage diminue donc à mesure que le site s'agrandit. À partir de huit ou douze caméras, il peut même disparaître.
Il s'agit d'un point de défaillance unique. Une caméra tombe en panne et vous perdez une vue. L'appareil tombe en panne et vous perdez la détection partout.
Une caméra ancienne n'est pas conçue pour alimenter un modèle. Fréquence d'images plus faible, capteur de faible luminosité moins performant, artefacts de compression plus importants. La qualité de détection d'une caméra vieille de cinq ans peut être inférieure à celle d'une caméra dédiée, et aucune puissance de calcul en aval ne peut corriger un flux vidéo bruité à 10 images par seconde.
L'appareil nécessite une marge thermique dans un boîtier étanche. Cela implique parfois la présence d'un ventilateur, ce qui augmente la consommation d'énergie et ajoute une pièce mobile.
Ne présumez pas que le déplacement des ordinateurs déplace la puissance
Question suivante, tout à fait pertinente : pourquoi ne pas tout envoyer dans le cloud et le traiter là-bas ?
Parfois vrai, souvent faux, et la raison en est le modem.
Un modem cellulaire en veille consomme très peu d'énergie. Un modem assurant une liaison montante continue consomme beaucoup plus, et cette consommation est proportionnelle à l'effort fourni pour maintenir la connexion. Sur un site isolé avec une couverture réseau de deux barres, la puissance d'émission à elle seule peut égaler la consommation du processeur d'inférence.
Le traitement en périphérie permet notamment d'envoyer des métadonnées et de courts extraits vidéo au lieu d'un flux continu. Cela permet d'économiser de la bande passante et, généralement, de l'énergie sur batterie.
À noter : une antenne directionnelle pointée vers le pylône approprié optimise la consommation d’énergie, et pas seulement la connectivité. Un meilleur signal signifie une puissance d’émission plus faible et donc une consommation d’énergie réduite.
Que faut-il changer ?
Mesurez, sans préciser. Placez la caméra sur une alimentation de laboratoire, pointez-la vers une scène présentant une activité réaliste et enregistrez la consommation en wattheures sur 24 heures. Cette simple étape permet de corriger la plupart des erreurs de dimensionnement.
Créez deux profils de charge. Emplacement calme et emplacement fréquenté. Dimensions indiquées sur l'emplacement fréquenté. L'emplacement calme vous indique votre hauteur sous plafond réelle.
Modéliser le jour et la nuit comme des blocs séparés. Ne faites pas la moyenne, et utilisez la répartition horaire de votre pire mois.
Déterminez la profondeur de décharge en fonction de la durée de vie cible. Il ne s'agit pas seulement de votre objectif d'autonomie. Une réserve sur cinq ans signifie des cycles moins chargés et une capacité accrue.
Optimisez les zones de détection en fonction de la puissance, et pas seulement pour les alertes intempestives. Masquer une route très fréquentée en bordure de cadre réduit le cycle d'utilisation du système d'inférence. La plupart des utilisateurs procèdent ainsi pour limiter les fausses alertes sans même remarquer les économies d'énergie réalisées. C'est la solution la plus économique et la première chose à vérifier sur un site dont les ressources sont limitées.
Utilisez MPPT. L'écart de rendement par rapport au PWM s'accroît à mesure que la charge augmente et est le plus important dans les conditions froides et de faible luminosité qui caractérisent votre pire mois.
Intégrez explicitement le budget de la radio et du chauffage. Ces deux éléments sont constamment oubliés dans les feuilles de calcul, et à eux deux, ils peuvent représenter un cinquième de la consommation quotidienne.
Deux choses à ne pas faire. Ne réutilisez pas l'ancienne batterie sous prétexte qu'elle fonctionne encore, car elle est soumise à des cycles de charge/décharge deux fois plus profonds et tombera en panne prématurément. De même, n'ajoutez pas de panneaux au lieu d'augmenter la capacité : un plus grand nombre de panneaux est utile par temps ensoleillé, mais n'apporte rien sur une période de cinq jours de ciel couvert, car l'autonomie dépend de la batterie.
Aide-mémoire
| Questionne toi | Solution de travail |
|---|---|
| Hypothèse de départ pour la conception d'une caméra IA | 1.5 à 2 fois plus qu'une configuration équivalente sans IA, puis mesurer |
| pic à moyenne, caméra fixe | À propos de 1.2 |
| Inférence continue du pic à la moyenne | À propos de 1.5 à 2.0 |
| Pour quel mois concevoir | Le pire, et une semaine de ciel couvert. |
| Concevoir un ministère de la Défense pour une banque sur cinq ans | 50 % ou moins |
| allocation pour chauffage en climat froid | 10 à 15 % de la consommation quotidienne en wattheures |
| Seuil de rentabilité de l'inférence centralisée, quatre canaux | Consommation électrique d'environ 31 W |
| Contrôleur de charge | MPPT |
En résumé
Passer de caméras fixes à des caméras avec détection intégrée peut sembler un simple changement. En termes de consommation énergétique, il s'agit d'une charge différente : plus élevée en moyenne, variable selon l'activité sur scène, pondérée par les heures sans soleil et corrélée aux conditions météorologiques qui affectent la production d'énergie.
Une consommation d'énergie comprise entre 1.5 et 2 fois la consommation journalière en wattheures constitue un bon point de départ. Mesurez ensuite, car seul le facteur multiplicateur appliqué à votre caméra dans votre scène compte.
