Un rimorchio per la videosorveglianza a energia solare ha funzionato per tre stagioni in un deposito di materiali senza mai spegnersi. Due pannelli sul tetto, una batteria LiFePO4 da 24 V nel vano sottostante e quattro telecamere fisse sul palo.
Qualcuno ha sostituito le quattro telecamere con modelli più recenti dotati di rilevamento AI integrato. Stesso produttore, stesso switch PoE, stessi pannelli, stessa batteria.
Il rimorchio si è rotto al quarto giorno.
Non si era verificato alcun guasto. Il banco batterie era in buone condizioni, i pannelli erano puliti e il regolatore di carica svolgeva esattamente la sua funzione. Il carico era cambiato in un modo che il calcolo di dimensionamento iniziale non era in grado di prevedere.
Non si tratta di un errore di installazione. È un problema di calcolo, e si presenta con una frequenza tale da giustificare un'analisi approfondita.
I numeri che hanno smesso di funzionare
Se in passato avete specificato sistemi di telecamere off-grid, avrete sicuramente a portata di mano alcuni dati.
Una telecamera fissa da 4 MP con codec H.265 consuma dai 5 ai 7 watt. Accendendo gli illuminatori a infrarossi, il consumo sale a 9 o 11 watt. Aggiungendo un piccolo switch PoE e un router cellulare, un rimorchio con quattro telecamere consuma circa 35 watt di giorno e 50 di notte.
Questi numeri sono rimasti invariati per un decennio perché il lavoro alla base non è mai cambiato. Una telecamera IP tradizionale legge un sensore, invia l'immagine attraverso un processore a funzione fissa e trasmette un flusso codificato alla rete. Tutte e tre le operazioni vengono eseguite su chip dedicati, progettati per svolgere un'unica funzione a basso costo. Il consumo energetico è pressoché costante.
Una telecamera che esegue il rilevamento integrato sta eseguendo un carico di lavoro di inferenza neurale in aggiunta a tutto ciò. Tre proprietà di questo carico di lavoro sono importanti per il consumo energetico:
Funziona ininterrottamente. La telecamera non aspetta di rilevare un movimento per poi elaborare le immagini. Elabora i fotogrammi costantemente, perché è così che decide se si tratta di una persona, un veicolo o un sacchetto di plastica.
Ciò comporta un aumento della frequenza dei fotogrammi e della risoluzione. Il rilevamento si degrada a basse frequenze di fotogrammi e gli oggetti piccoli necessitano di pixel, quindi una telecamera che prima trasmetteva a 10 fps a 4 MP ora funziona a 20 o 30 fps a 8 MP. Sensore, codificatore e motore di inferenza scalano insieme.
Il suo segnale rileva ciò che accade nella scena. Un lotto tranquillo alle 3 del mattino e un lotto ventoso pieno di rami in movimento producono valori di potenza diversi con la stessa telecamera montata sullo stesso supporto.
Nella scheda tecnica tutto ciò appare come un'unica riga. La telecamera è passata dalla classe PoE 3 alla classe 4.
Peak non ti dice nulla di utile qui
La classe 3 eroga fino a 12.95 W al dispositivo alimentato. La classe 4 eroga fino a 25.5 W. Quindi il numero sul foglio è raddoppiato, ed è allettante raddoppiare il numero nel foglio di calcolo e andare avanti.
Il dimensionamento degli impianti solari non si basa sui watt di picco, bensì sui wattora giornalieri, e la differenza tra picco e media è diversa per i due tipi di telecamera.
Una telecamera fissa con infrarossi ha un rapporto picco/media di circa 1.2. Si mantiene vicino al suo valore medio quasi sempre.
Una telecamera che esegue l'inferenza continua si avvicina a 1.5 o 2.0, perché il motore di inferenza riduce la sua velocità in base all'attività della scena.
Ciò rende la targhetta errata in entrambe le direzioni. Se si dimensiona in base alla classificazione di Classe 4, si sovradimensiona l'array. Se si dimensiona in base alla vecchia media, si sottodimensiona il banco di fotocellule. Nessuno dei due valori risponde all'unica domanda che conta, ovvero quanti wattora consuma la telecamera nell'arco di 24 ore nella scena in cui verrà effettivamente utilizzata.
Il carico si spostò nell'oscurità
La progettazione off-grid si basa su un presupposto rassicurante: la produzione diurna copre il fabbisogno giornaliero con un surplus residuo, e la batteria deve solo far fronte al fabbisogno notturno.
Ora pensate a quando il carico di lavoro di rilevamento è più intenso.
I siti di sicurezza sono tranquilli durante l'orario di lavoro e attivi dopo. I veicoli arrivano alle 2 del mattino. Vento, fari e animali attivano il classificatore tra mezzanotte e le 5 del mattino. Gli illuminatori a infrarossi lavorano a pieno regime in tutte queste condizioni.
Quindi il periodo di consumo più elevato si colloca all'interno della finestra temporale con input pari a zero. La parte notturna del budget cresce più velocemente di quella diurna, il che significa un maggiore carico per ciclo anche prima di considerare il totale giornaliero più elevato. Un impianto, dopo un aggiornamento, può presentare un carico notturno superiore del 30% rispetto al carico diurno, in un sito in cui i due valori erano pressoché uguali.
Le condizioni meteorologiche aumentano la domanda e riducono l'offerta allo stesso tempo
Ecco perché i rimorchi resistono a luglio e falliscono a novembre.
Pioggia, neve, nebbia e detriti trasportati dal vento introducono movimento nell'immagine. Un classificatore che osserva la neve che cade lavora considerevolmente di più rispetto a uno che osserva un piazzale di ghiaia vuoto, quindi il ciclo di lavoro dell'inferenza aumenta e con esso anche il tempo di elaborazione.
Le stesse condizioni meteorologiche riducono il raccolto a una frazione di quello che si otterrebbe con cielo sereno.
Domanda e offerta si muovono in direzioni opposte, contemporaneamente e per la stessa ragione. I calcoli delle riserve non tengono conto di questo fenomeno perché considerano il carico come una costante e la produzione come una variabile. Quando il carico è correlato alla copertura nuvolosa, i calcoli basati su un'autonomia di cinque giorni non sono più validi.
Cicli più profondi, banca più corta
Lasciate la batteria attuale e il sistema continuerà a funzionare. Semplicemente, si scaricherà più a fondo ogni giorno.
LifePO4 La durata del ciclo di vita è strettamente legata alla profondità di scarico, e la penalità per passare dal 30% al 60% non è trascurabile. Un impianto dimensionato per cinque anni con cicli di scarico superficiali può ridursi a due o tre anni con cicli di scarico più profondi. Il rimorchio continua a funzionare, il cliente resta soddisfatto e la fattura per la sostituzione arriva anni prima di quanto previsto.
Stesso trailer, due generazioni di telecamere
Stesso sito, stessa architettura a 24 V. Cambiano solo le telecamere e la potenza di calcolo. I dati seguenti provengono da Coram rimorchio per videosorveglianza solare Le configurazioni e rappresentano un punto di riferimento piuttosto che una specifica, poiché ogni sito calcola i prezzi in modo diverso.
Costruzione legacy
| Caricare | Giorno (mercoledì) | Notte (O) |
|---|---|---|
| 4 telecamere fisse da 4 MP, H.265 | 24 (6 ciascuno) | 40 (10 ciascuno, IR acceso) |
| Switch PoE | 5 | 5 |
| Router cellulare | 7 | 7 |
| Totale | 36 | 52 |
Dodici ore a tratta: 1,056 Wh al giorno
sviluppo di una fotocamera basata sull'intelligenza artificiale
| Caricare | Giorno (mercoledì) | Notte (O) |
|---|---|---|
| Telecamera AI 4x, inferenza integrata | 50 (12.5 ciascuno in media) | 70 (17.5 ciascuno in media, IR attivo) |
| Interruttore PoE+ | 8 | 8 |
| Router cellulare | 7 | 7 |
| Totale | 65 | 85 |
Dodici ore a tratta: 1,800 Wh al giorno
Si tratta di un fattore di 1.7x, che sposta tutto a valle. Dimensionamento per quattro giorni di autonomia con una profondità di scarico utilizzabile dell'80%:
| Eredità | Telecamere AI | |
|---|---|---|
| Consumo giornaliero | 1,056 Wh | 1,800 Wh |
| Riserva di quattro giorni | 4.22 kWh | 7.20 kWh |
| Banca nominale all'80% del Dipartimento della Difesa | 5.28 kWh | 9.00 kWh |
| Capacità a 24 V | 220 Ah XNUMX Ah | 375 Ah XNUMX Ah |
| Array con 4.5 ore di sole di picco, declassamento 0.75 | 313 W | 533 W |
| Array con 2.5 ore di sole di picco, declassamento 0.75 | 563 W | 960 W |
L'ultima fila è quella più problematica. L'impianto invernale passa da due a cinque pannelli, su un telaio trainabile dove ora bisogna tenere conto del carico del vento, dello spazio libero sotto l'albero e del peso sul timone. In più, il vano batteria deve contenere quasi il doppio della capacità.
La sostituzione della telecamera ha richiesto due ore di lavoro. Le conseguenze si ripercuotono sul telaio.
Il numero invernale è il numero di modello
La media annuale è inutile in questo caso. Il sistema viene definito dal suo mese peggiore.
Nella metà settentrionale degli Stati Uniti, ciò significa che il periodo va da fine novembre a gennaio, quando le ore di sole massime si riducono a 2 o 2.5, il cielo è costantemente nuvoloso e le giornate corte costringono gli illuminatori a infrarossi a rimanere accesi per 15 ore anziché 12.
Esegui il calcolo per quel mese, poi eseguilo di nuovo aggiungendo una settimana di cielo nuvoloso. Se superi entrambe le condizioni, il resto dell'anno si sistemerà da solo.
La trappola di ricarica a freddo
Con l'abbassarsi della temperatura, accadono due cose che agiscono in modo contrapposto.
La capacità utilizzabile diminuisce. Una batteria al litio ferro fosfato (LiFePO4) a 0°C offre una capacità sensibilmente inferiore a quella dichiarata, quindi quattro giorni di riserva si riducono silenziosamente a tre.
Ancora più importante, le celle LiFePO4 standard non dovrebbero essere caricate al di sotto dello zero e una costruita correttamente BMS bloccherà la corrente di carica per proteggerli. Ciò significa che in una fredda mattina limpida si può avere un impianto completo, un sole splendente, un regolatore di carica funzionante e nessuna ricarica in corso. Questo problema trae in inganno le persone perché tutti gli indicatori sembrano corretti.
Ci sono due possibili soluzioni. La prima è aggiungere un riscaldatore, che consuma wattora, una percentuale già al limite del budget giornaliero, solitamente dal 10 al 15%. In alternativa, si possono utilizzare celle progettate per la ricarica a bassa temperatura, che comportano un costo iniziale maggiore ma consentono di risparmiare sul riscaldatore e sul potenziale punto di guasto. In un sistema che già supporta un carico energetico molto più elevato rispetto al precedente, la seconda opzione risulta spesso più conveniente nel complesso.
La terza opzione non viene calcolata in termini di costi
Esiste un modo per aggiungere la funzione di rilevamento senza modificare il carico delle telecamere: lasciare le telecamere a bassa potenza sul palo ed eseguire l'inferenza su un dispositivo a valle.
La soluzione proposta è un carico fisso di 24 ore anziché un carico variabile distribuito su quattro telecamere. La sua convenienza dipenderà interamente dal consumo dell'apparecchio.
| Costruiamo | Giornaliero Wh | Banco a 24V | Serie invernale |
|---|---|---|---|
| Telecamere obsolete, nessun rilevamento | 1,056 | 220 Ah XNUMX Ah | 563 W |
| Telecamere esistenti più apparecchio da 15 W | 1,416 | 295 Ah XNUMX Ah | 755 W |
| Telecamere esistenti più apparecchio da 25 W | 1,656 | 345 Ah XNUMX Ah | 883 W |
| Quattro telecamere con intelligenza artificiale | 1,800 | 375 Ah XNUMX Ah | 960 W |
Il punto di pareggio si aggira intorno ai 31 W. Un apparecchio che consuma più di questo valore su quattro canali annulla completamente il vantaggio, quindi si tratta di un calcolo da effettuare piuttosto che di un'ipotesi da prendere alla lettera. In un sistema a quattro telecamere, la soluzione con l'apparecchio è solitamente la più conveniente. Il margine si riduce all'aumentare del numero di canali.
Quattro cose da obiettare:
Il costo della decodifica aumenta con il numero di canali e la risoluzione. Il dispositivo deve decodificare ogni flusso prima di poterlo analizzare, quindi il vantaggio si riduce con l'aumentare del numero di telecamere. Con otto o dodici telecamere, il vantaggio può addirittura scomparire.
Si tratta di un singolo punto di guasto. Se si guasta una telecamera, si perde una visuale. Se si guasta l'apparecchio, si perde il rilevamento ovunque.
Una telecamera più vecchia non è stata progettata per alimentare un modello. Frequenza dei fotogrammi inferiore, sensore in condizioni di scarsa illuminazione meno performante, maggiori artefatti di compressione. La qualità del rilevamento con una telecamera di cinque anni può essere peggiore di quella di una progettata appositamente, e nessuna quantità di elaborazione a valle può risolvere il problema di un flusso video rumoroso a 10 fps.
L'apparecchio necessita di un margine termico sufficiente all'interno di un involucro sigillato. A volte ciò significa installare una ventola, che consuma più watt e rappresenta un'ulteriore parte mobile.
Non dare per scontato che spostare la potenza di calcolo sposti anche la potenza di calcolo.
Una domanda successiva del tutto ragionevole è: perché non inviare tutto al cloud ed elaborarlo lì?
A volte ha ragione, spesso no, e il motivo è il modem.
Un modem cellulare inattivo consuma pochissima energia. Uno che mantiene una connessione in upload continua consuma molta più energia, e il consumo aumenta proporzionalmente all'intensità con cui il modem si sforza di mantenere la connessione. In una stazione remota con due tacche di segnale, la sola potenza di trasmissione può eguagliare il consumo del motore di inferenza.
L'elaborazione edge serve in parte a consentire l'invio di metadati e brevi clip anziché di un flusso continuo. Ciò si traduce in un risparmio di larghezza di banda e, quando si utilizza la batteria, solitamente anche in un risparmio energetico.
È opportuno aggiungere che un'antenna direzionale puntata verso la torre giusta ottimizza la potenza, non solo la connettività. Un segnale migliore significa minore potenza di trasmissione e quindi meno wattora di consumo.
Cosa cambiare
Misurare, non specificare. Posiziona la telecamera su un alimentatore da banco, puntala verso una scena con attività realistiche e registra i wattora consumati nell'arco di 24 ore. Questo semplice passaggio permette di individuare la maggior parte degli errori di dimensionamento.
Crea due profili di carico. Sito tranquillo e sito affollato. Le dimensioni sono indicate per il sito affollato. Il sito tranquillo ti rivela il tuo reale margine di sicurezza.
Modella il giorno e la notte come blocchi separati. Non calcolarne la media, ma utilizza la ripartizione oraria del mese peggiore.
Progettare la profondità di scarica in base all'obiettivo di durata di servizio, Non solo il tuo obiettivo di autonomia. Una banca a cinque anni significa cicli meno intensi e maggiore capacità.
Regolate le zone di rilevamento in base alla potenza, non solo in base ai falsi allarmi. Nascondere una strada trafficata ai margini dell'inquadratura riduce il ciclo di lavoro dell'inferenza. Molti lo fanno per ridurre i falsi allarmi senza nemmeno accorgersi del risparmio energetico. È la soluzione più economica disponibile ed è la prima cosa da verificare su un sito con risorse limitate.
Utilizzare MPPT. Il divario di raccolta rispetto al PWM si amplia con l'aumentare del carico e diventa cruciale soprattutto nelle condizioni di freddo e scarsa illuminazione che caratterizzano il mese peggiore.
Prevedi un budget specifico per la radio e il riscaldamento. Entrambi vengono costantemente omessi dai fogli di calcolo e, insieme, possono rappresentare un quinto del consumo giornaliero.
Due cose da non fare. Non riutilizzare il vecchio banco batterie solo perché il rimorchio funziona ancora, dato che si carica e scarica due volte più spesso e si guasterà prematuramente. E non aggiungere pannelli invece di aumentare la capacità: una maggiore quantità di pannelli è utile in una giornata di sole, ma non serve a nulla durante una serie di cinque giorni nuvolosi, perché l'autonomia dipende dalla batteria.
Foglio informativo
| La Domanda | Risposta funzionante |
|---|---|
| Presupposto di partenza per la creazione di una fotocamera basata sull'intelligenza artificiale. | Da 1.5x a 2x una build equivalente senza IA, quindi misurare |
| Valore di picco-medio, telecamera fissa | A proposito di 1.2 |
| Inferenza continua dal valore massimo alla media | Informazioni su 1.5 su 2.0 |
| Per quale mese progettare | La peggiore, più una settimana di cielo coperto |
| Progettare il Dipartimento della Difesa per una banca quinquennale | 50% o meno profondo |
| Indennità per riscaldamento in climi freddi | Dal 10 al 15% del fabbisogno giornaliero di wattora |
| Punto di pareggio dell'inferenza centralizzata, quattro canali | L'apparecchio assorbe circa 31 W. |
| Regolatore di carica | MPPT |
Linea di fondo
Il passaggio da telecamere fisse a telecamere con rilevamento integrato sembra un semplice scambio. In termini di consumo energetico, si tratta di una diversa classe di carico: più elevato in media, variabile in base all'attività della scena, ponderato nelle ore senza sole e correlato alle condizioni meteorologiche che interrompono la produzione di energia.
Un buon punto di partenza dovrebbe essere un valore compreso tra 1.5 e 2 volte il consumo giornaliero di wattora. Dopodiché, misurate, perché il moltiplicatore applicato alla vostra fotocamera nella scena in questione è l'unico dato che conta.
