الحفر داخل كاميرا حرارية ذكية بميكروبولومتر

تعد شركة Hikvision الصينية أحد الموردين الرئيسيين لكاميرات المراقبة في السوق العالمية ، والتي نمت رسملتها إلى 20 مليار دولار العام الماضي.



نما الطلب على أنظمة المراقبة بالفيديو بشكل كبير في السنوات القليلة الماضية في كل من الصين وحول العالم. يعتقد قادة العديد من المناطق والشركات أن الكاميرات لا غنى عنها لبناء ما يسمى "المدن الذكية" مع مراقبة واسعة النطاق.



لفتت كاميرا Hikvision الحرارية التي تم إصدارها في عام 2016 انتباه System Plus Consulting لسبب واحد بسيط: AI.



ابتكرت Hikvision أول كاميرا بنظام ذكاء اصطناعي متكامل ، يجمع بين حلول البرامج والأجهزة في منتجها. دفع ذلك شركة System Plus Consulting ، إحدى أقسام Yole Développement ، إلى النظر تحت غطاء هذه الكاميرا لفهم "الحلول التكنولوجية الكامنة وراءها".



أبرزها ، تجسد هذه الكاميرا أفضل ما في عوالم الشرق والغرب - "مقياس الميكروبولومتر الصيني والمعالج" جنبًا إلى جنب مع "المكونات والأجهزة التناظرية غير الصينية للذكاء الاصطناعي".



من بين منافسي Hikvision في هذا التخصص ، Dahua و Uniview ومقرهما في الصين ، Bosch (ألمانيا) و Axis (السويد).



تختلف Hikvision عنهم في أن "هذه الشركة يمكنها تصميم وتصنيع منتجاتها الخاصة". تمتلك الشركة الصينية خط إنتاج MEMS الخاص بها ، والتغليف والاختبار ، وتركيب السطح ، والتجميع النهائي للمكونات.



توفر Intel و Hikvision و Movidius (الآن Intel) ثلاثة مكونات رئيسية فريدة للكاميرا المعنية:

• وحدة ضبط إنتل بلتيير لمعالجة الإشارات الرقمية بعد الميكرولومتر والتحكم في درجة الحرارة
• طورت Hikvision نفسها شريحة لمعالجة إشارات الصور وتشفير وتشفير الفيديو ووظائف الشبكة
• يدعم معالج Movidius الذكاء الاصطناعي لمعالجة الصور

علاوة على ذلك في النص ، سيقوم متخصصون من System Plus Consulting بتفكيك هذه الكاميرا وإخبارهم عنها بالتفصيل.

غرفة حرارية

الكاميرا الحرارية قادرة على الكشف عن الحرارة التي يولدها جسم الإنسان وتحويلها إلى صورة باستخدام عملية تحليل إشارة متطورة. يتم إعادة إنتاج الصور عن طريق الكشف عن درجات الحرارة وتحليلها. في السنوات القليلة الماضية ، وجد التصوير الحراري طريقه إلى تطبيقات منخفضة التكلفة بفضل المقاييس الدقيقة.



Microbolometer هي أجهزة استشعار تكتشف الأشعة تحت الحمراء. وهي تتكون من شبكة من نقاط الاستشعار (تسمى "البكسلات") تتكون من طبقات مختلفة ومواد ماصة مختلفة مثل أكسيد الفاناديوم أو السيليكون غير المتبلور (α-Si).



في محادثة مع System Plus Consulting ، ناقشنا الجوانب الفنية والهيكلية لكاميرا Hikvision DS-2TD2166-15 / V1 للتصوير الحراري للشبكة. تحدث المتخصصون الفنيون في شركة سيستم بلس للاستشارات عن الهيكل الإلكتروني والعتاد لمعدات النظام ، وسلطوا الضوء على العناصر المختلفة التي تتكون منها.



تم تجهيز كاميرا الشبكة الحرارية Hikvision DS-2TD2166-15 / V1 بجهاز استشعار للصور يعتمد على صفائف المستوى البؤري لأكسيد الفاناديوم غير المبردة (الشكل 1). يدعم خوارزميات التحليل الذكي للعديد من البنى التحتية الحيوية مثل المطارات والسكك الحديدية وما إلى ذلك. تعتمد كاميرا التصوير الحراري هذه على عدة شرائح مثل ميكروبولومتر RTD6171MR مع 640 × 512 بكسل (17 ميكرومتر) ؛ FPGA Cyclone V 550 ميجا هرتز 224I / O (FBGA484) ؛ SDRAM 2 جيجابايت (128 م × 16) 800 ميجاهرتز 13.75 نانو ثانية (TFBGA96) ؛ جهاز التحكم بدرجة الحرارة لوحدة بلتيير (TQFN48) ؛ نظام على شريحة لكاميرات HD IP الاحترافية ؛ ماشين فيجن بروسيسور 2x32 بت RISC. 4 جيجا بايت LPDDR3 ؛ و DDR4 DRAM 8 جيجابايت (512 م × 16) 2400 ميجابت في الثانية.



تجعل الميزات الفنية والتصميمية هذه الكاميرا مثالية لمنع الحرائق والكشف السريع عن تغيرات درجة الحرارة الزائدة ودرجة الحرارة في المصانع وعمليات التصنيع.



تسمح تقنيات تحليل الصور في هذه الكاميرا باكتشاف الأحداث في المكان والزمان من دفق فيديو مستمر. تحتوي الكاميرا على 4 أنواع من القواعد لتحليل محتوى الفيديو (عبور الخطوط والتطفل والدخول إلى منطقة والخروج منها) ويمكن تنفيذ 4 أنواع أخرى.



تلتقط الكاميرا صورًا حرارية تمكن المستخدمين من اكتشاف الأشخاص والأشياء والحوادث في الظلام الدامس والظروف الصعبة. نظرًا لأن الكاميرا حساسة فقط للأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأجسام ، فإن قدرتها على عرض الصور وتسجيلها لا تتأثر بالضوء في المشهد الذي يتم تسجيله.



يمكن للكاميرا أيضًا قياس درجة الحرارة الفعلية للمنطقة المراقبة. يعطي الجهاز إنذارًا عندما تتجاوز درجة الحرارة عتبة. دعنا نلقي نظرة على أجهزة هذه الكاميرا.







الشكل 1: هيكفيجن DS-2TD2166-15 / V1.

أجهزة Hikvision

يتكون المصور الحراري من 6 لوحات ، كل منها مصمم لتحقيق غرض معين. دعونا نلقي نظرة على بعض الأجزاء (الشكلان 2 و 3). FPGA Cyclone V SoC مبني على تقنية TSMC ذات الطاقة المنخفضة 28 نانومتر (28LP) ؛ وهو يتألف من معالج ARM Cortex-A9 MPCore ثنائي النواة ومجموعة متنوعة من الأجهزة الطرفية ووحدة تحكم SDRAM متعددة المنافذ. يوفر استخدام هذا النظام توفيرًا للطاقة ويدعم ذروة الإنتاجية التي تزيد عن 100 جيجابت في الثانية ومفاوضات نقل البيانات بين المعالج و FPGA.







الشكل 2: بعض اللوحات من هيكفيجن.







الشكل 3: هيكفيجن ثنائي الفينيل متعدد الكلور 2.



يتكون مكون تشكيل / تضخيم الإشارة من دوائر دقيقة مختلفة ، ولا سيما مضخم الأغراض العامة AD8605ARTZ-REEL ، ومكبر الصوت المزدوج LT6203IMS8 100 ميجا هرتز ومكبر الصوت التفاضلي LT1994IMS8 بسرعة 70 ميجا هرتز. يتميز AD8605ARTZ بجهد إزاحة منخفض جدًا ، وجهد منخفض للضوضاء ، ونطاق ترددي مرتفع. تستخدم شركة Analog Devices، Inc. الحاصلة على براءة اختراع. تقنية DigiTrim تقليم تضبط أداء الدائرة عن طريق برمجة المصادر الحالية.



يتميز LT6202 بجهد ضوضاء يبلغ 1.9nV / Hz ويسحب فقط 2.5mA لكل مضخم. يجمع مكبر الصوت هذا بين الضوضاء المنخفضة والسحب الحالي مع عرض نطاق كسب 100 ميجاهرتز ، ومعدل دوران 25 فولت / ميكرو ثانية ، وهو مُحسَّن للأنظمة ذات تشكيل الإدخال المنخفض. التشويه التوافقي أقل من -80 ديسيبل عند 1 ميجاهرتز ، مما يجعل هذه المكبرات مناسبة للاستخدام في أنظمة اكتساب الطاقة المنخفضة مثل هذه الغرفة الحرارية.



يعتبر LT1994 مثاليًا للإشارات المتغيرة المستوى لدفع الإدخال التفاضلي و ADC أحادي الإمداد. جهد الخرج للوضع المشترك LT1994 مستقل عن الجهد ويتم تنظيمه من خلال تطبيق الجهد على دبوس VOCM كما هو موضح في ورقة البيانات الخاصة به.



تدعم ADCs ADS1112IDGSR و LT3042IDD ذات 16 بت الاتصالات المتسقة مع FPGAs. تم تصميم DS1112 لتطبيقات القياس عالية الدقة حيث يجب مراعاة استهلاك الذاكرة والطاقة. LT3042IDD عبارة عن منظم جهد خطي منخفض التسرب مصمم لتشغيل تطبيقات التردد اللاسلكي الحساسة للضوضاء. هناك دوائر متكاملة أخرى على اللوحين 3 و 1 لدعم إمداد الطاقة للأنظمة الفرعية المتكاملة الخاصة بكل منها مثل المنظمين الخطيين ومحولات باك.



التفاصيل الرئيسية التي تحدد 80٪ من التكلفة هي مقياس الميكروبولومتر (أكسيد الفاناديوم). وهو مدعوم بمكون بلتيير بدائرة تحكم في درجة الحرارة.

العدسات

تتكون الوحدة الرئيسية الداعمة للميكروبولومتر من عدسات مختلفة لتحسين الأشعة تحت الحمراء على المستشعرات. في الشكلين 4 و 5 ، نرى عدسة جرمانيوم بقطر 19.6 مم وعدستين مصنوعتين من الزرنيخ ثلاثي الأقطار (As2Se3) بأقطار مختلفة - 17.6 مم و 27.6 مم.







الشكل 4: وحدة الكاميرا.







الشكل 5: وحدة العدسة.



في البصريات ، يوجد شيء مثل رقم الفتحة (يسمى أحيانًا النسبة البؤرية أو الفتحة النسبية) ، والذي يعبر عن منطقة إدراك الضوء. أي ، البعد البؤري مقسومًا على قطر الفتحة.



تسمح العدسة ذات قطر الفتحة الأكبر بمرور المزيد من الضوء أو الأشعة تحت الحمراء. ومن ثم ، فإن المزيد من الأشعة تحت الحمراء تحسن القياسات من حيث نسبة الإشارة إلى الضوضاء. المعلمة التي تحدد جودة القياس تسمى "NETD" أو "فرق درجة الحرارة المكافئة للضوضاء". عادة ما يتم التعبير عنه بالمللي كلفن (mK) ويعبر عن مدى قدرة كاشف الصورة الحرارية على التمييز بين الاختلافات الصغيرة في الصورة الحرارية. القيم النموذجية لكاميرات التصوير الحراري غير المبردة ذات المقاييس الدقيقة هي في حدود 45 مللي كلفن.

ميكروبولومتر

تشكل شبكات مقاومة البكسل مستشعرات غير مبردة. تسمى أجهزة الاستشعار هذه بالميكروبولومترات. أي إشعاع يدخل جهاز الامتصاص يرفع درجة حرارته فوق درجة حرارة المقاوم. كلما زاد استهلاك الطاقة ، زاد ارتفاع درجة الحرارة. تتغير قيمة المقاوم اعتمادًا على الإشعاع الساقط (يكون تأثير الأشعة تحت الحمراء ، الذي يسخن السطح قويًا بشكل خاص). يتم تمثيل كل بكسل بواسطة خلية إدخال CMOS (دائرة متكاملة للقراءة- ROIC) ومعالجتها بواسطة الدائرة الدقيقة لإنشاء صورة على جهاز كمبيوتر أو شاشة باستخدام FPGA (الشكلان 6 و 7). عادةً ما يتم تحسين بنية الميكروبولومترات للحصول على حساسية أعلى في النطاق الطيفي من 8-14 ميكرومتر. يستخدم Hikvision DS-2TD2166-15 / V1 مستشعر IRAY RTD6171MR بدقة 640 × 512 بكسل (خطوة 17 ميكرومتر) ،60 هرتز (خرج تناظري) و SMD.







الشكل 6: ميكروبولومتر - IRAY RTD6171MR.







الشكل: 7. Microbolometer RTD6171MR 17 ميكرون - التفكيك.



يقلل جامع الغاز بشكل كبير من تطور الغاز ويحافظ على ضغط منخفض في تجويف الجسم.



سلط System Plus الضوء على الخصائص الفيزيائية للميكروبولومتر ، ملخصة أدناه:

• منطقة القالب: 175.2 مم² (13.6 × 12.8 مم)
• منطقة البكسل: 96.4 ملم² (10.9 × 8.85 ملم)
• مجموعة البكسل: 641 × 520
• مصفوفة البكسل النشط: 640 × 512
• عدد الركائز: 107
• توصيل الأسلاك: 32

من خلال تحليله من الداخل ، يمكننا أن نرى أن العاكس يقع تحت المادة الماصة وهو على اتصال مع الركيزة ، والتي تعيد توجيه الضوء لتحسين الإشارة. يتم "تعليق" المادة الماصة من الركيزة لتوفير العزل الحراري ، بينما تكون شبكة البكسل محكمة الغلق بالفراغ لتعزيز المتانة والموثوقية. تستخدم معظم المقاييس الدقيقة المستخدمة في الكاميرات الحرارية أكسيد الفاناديوم كمادة ماصة بسبب التباين الحراري الأفضل ، والذي يوفر صورًا أكثر دقة ووضوحًا.



تمتلك كاشفات أكسيد الفاناديوم مقاومة تبلغ حوالي 100 كيلو أوم للمقاوم الأوسط ، على عكس كاشفات α-Si ، والتي عادةً ما يكون لها مقاومة تبلغ حوالي 30 ميغا أوم. في ظل هذه الظروف ، يكون لأكسيد الفاناديوم جهد ضوضاء أقل من جونسون ، وبالتالي ستكون القياسات أقل ضوضاء. يعتمد جهد ضوضاء جونسون على ثلاثة شروط: تصنيف المقاوم وعرض النطاق الترددي للدائرة ودرجة الحرارة.



تم تجهيز الغرفة بدرجة حرارة مرجعية ونظام استقرار درجة حرارة بلتيير ، ومجهزة بأربع قنوات AD5645RBRUZ DAC ذات 14 بت مع مرجع متكامل ووحدة تحكم في درجة الحرارة MAX1978ETM + T لمكون بلتيير.



عناصر بلتيير هي أجهزة كهروحرارية غير مكلفة تستخدم في مولدات الطاقة والتبريد والتحكم الدقيق في درجة الحرارة ، كما هو الحال مع هذه الغرفة ، للحفاظ على درجة حرارة ثابتة للجسم عند مستوى معين. تعتمد عناصر بلتيير على الظواهر الكهروحرارية. تستند هذه الظواهر إلى تكوين فرق مستوى الجهد في تقاطعات PN لمادتين معدنيتين مختلفتين.



يحتوي MAX1978 على ترانزستورات ذات تأثير مجال طاقة مدمج ودائرة إدارة حرارية تقلل المكونات الخارجية مع الحفاظ على الكفاءة العالية. يوفر مضخم الانجراف المنخفض للغاية استقرارًا لدرجة الحرارة تبلغ ± 0.001 درجة مئوية. يقع مستشعر درجة الحرارة في وحدة العدسة ويعتمد على الثرمستور NTC / PTC. يراقب مستشعر درجة الحرارة الرقمي الاختياري ، TMP75AIDRG4 ، درجة حرارة النظام (البيئة) التي يتم التحكم فيها بشكل مباشر بواسطة FPGA.



على عكس الأنواع الأخرى من معدات الكشف بالأشعة تحت الحمراء ، فإن أجهزة قياس ميكروبولومتر أكسيد الفاناديوم لا تتطلب التبريد. يتصرف أكسيد الفاناديوم بشكل مختلف حسب درجة الحرارة. الزجاج المطلي يحجب الأشعة تحت الحمراء (ولكن ليس الضوء المرئي) عند درجات حرارة معينة ، مما يسمح لإلكترونيات الكاميرا بمعالجة صورة من الطيف الكهرومغناطيسي وإعادة إنتاجها بألوان زائفة.

وحدات أخرى

تدعم الكاميرا الحرارية إرسال RS232 (عبر SP3232EEN-L) للواجهات الصناعية ونقل Ethernet مع دعم RTL8201FI-VC-CG. يشتمل اللوح 6 ، كما هو موضح في الشكل 2 ، على نظام طاقة تيار متردد / تيار مستمر مع صمامات ثنائية لقمع الجهد العابر لحماية الإلكترونيات من العابرين و ESD.







الشكل 2: بعض اللوحات من هيكفيجن.



تحتوي الكاميرا الحرارية أيضًا على واجهة PoE مدمجة ، والتي تدعمها واجهة PD عالية الطاقة TPS2378DDDAR PoE ووحدة التحكم Texas Instruments TL2845BDR-8. يوفر الأخير جميع الوظائف اللازمة لتنفيذ دوائر التحكم في التيار المستمر ذات التردد الثابت في وضع مستقل أو وضع التيار المستمر مع الحد الأدنى من المكونات الخارجية.



تتيح مقاومة التبديل المنخفضة (0.5 أوم) لجهاز TPS2378DDAR ، جنبًا إلى جنب مع تبديد الحرارة المحسّن لهيكل PowerPAD ، لنظام PoE التعامل بشكل مستمر مع ما يصل إلى 0.85 أ. الطاقة عبر الإيثرنت (PoE) هي تقنية تنقل الطاقة عبر كابل Ethernet: يُطلق على الجهاز الذي يعمل بالطاقة وحدة إمداد الطاقة (PSE) ، ويسمى الجهاز الذي يعمل بالطاقة بالجهاز المزود بالطاقة (PD). عند توصيل جهاز يعمل بالطاقة بمصدر طاقة ، يحدد معيار PoE تيار تدفق لمنع حدوث ارتفاعات كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، يوفر معيار PoE مصافحة تناظرية (تصنيف) بين مصدر الطاقة والجهاز الذي يعمل بالطاقة لمطابقة الطاقة.



يتم توفير العمل مع الفيديو على الكاميرا من خلال نظام يعتمد على HI3519 V111 SoC. يستخدم برنامج ترميز ضغط الفيديو H.265 ، ويتميز باستهلاك منخفض للطاقة وتصميم معماري. يدعم Hi3519 V101 الدوران 90 درجة أو 270 درجة ، وتصحيح تشوه العدسة بمساعدة الأجهزة ، والخوارزميات لنماذج كاميرات IP المختلفة ، وبرامج ترميز الصوت تم تجهيز SoC بزوجين من ذاكرة DDR4 4 جيجا لكل منهما و GD5F2GQ4UB9IGR Flash NAND 2MB SPI.



معالج Intel Movidius MA2450 VPU 2x32Bit RISC. يقع LPDDR3 4Gb بسرعة 933 ميجاهرتز على اللوحة 4 (الشكل 2) ويسمح للنظام بالتعرف بسرعة على الأشياء والأشخاص وتحليل عدد الأشخاص والتحقق من المنتجات المصنعة وغير ذلك الكثير. يستخدم نظام الرؤية الحاسوبية التعلم العميق لتشكيل الشبكات العصبية التي توجه الأنظمة في معالجة الصور وتحليلها.



تبرز في السوق مجموعة متنوعة من الغرف الحرارية المزودة بأجهزة استشعار مبردة وغير مبردة. تعتبر أجهزة التصوير الحرارية ذات المستشعرات المبردة أكثر تكلفة. تحتوي العديد من الكاميرات الحرارية الحديثة على مستشعرات مدمجة مع مبردات تجميد.



بفضل مقياس الميكرولومتر ، توفر كاميرا التصوير الحراري دقة جيدة بتكلفة منخفضة. تقيس الكاميرا درجة حرارة سطح الحرارة المنبعثة من الجسم وتعرضه كصورة.

---

• أول نظام تحكم تسلسلي روسي لمحرك مزدوج الوقود مع فصل وظيفي لوحدات التحكم
• في السيارة الحديثة ، يوجد عدد من سطور التعليمات البرمجية أكثر من ...
• دورات مجانية عبر الإنترنت في السيارات والفضاء والروبوتات والهندسة (+50)
• ماكينزي: إعادة التفكير في برامج الإلكترونيات والهندسة المعمارية في السيارات