Cavando dentro de uma câmera térmica inteligente com um microbolômetro

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A empresa chinesa Hikvision é uma das principais fornecedoras de câmeras de vigilância no mercado global, que capitalizou no ano passado em US $ 20 bilhões.



A demanda por sistemas de vigilância por vídeo cresceu dramaticamente nos últimos anos, tanto na China como em todo o mundo. Os dirigentes de muitas regiões e corporações acreditam que as câmeras são indispensáveis ​​na construção das chamadas “cidades inteligentes” com vigilância generalizada.



A câmera térmica da Hikvision lançada em 2016 chamou a atenção da System Plus Consulting por um motivo simples: IA.



A Hikvision criou a primeira câmera com um sistema integrado de IA, combinando soluções de software e hardware em seu produto. Isso levou a System Plus Consulting, uma divisão da Yole Développement, a olhar sob o capô desta câmera para entender “quais são as soluções tecnológicas por trás dela”.



Mais notavelmente, esta câmera incorpora o melhor dos mundos do Oriente e do Ocidente - "Microbolômetro e processador chineses" junto com "componentes analógicos não chineses e dispositivos para IA".



Entre os concorrentes da Hikvision nesta especialidade estão Dahua e Uniview sediadas na China, Bosch (Alemanha) e Axis (Suécia).



Hikvision difere deles porque "esta empresa pode projetar e fabricar seus próprios produtos." A empresa chinesa possui sua própria linha de produção de MEMS, embalagem e teste, montagem em superfície e montagem final de componentes.



Intel, Hikvision e Movidius (agora Intel) fornecem três componentes principais exclusivos para a câmera em questão:



  • Módulo sintonizável Intel Peltier para processamento de sinal digital pós-microbolômetro e controle de temperatura
  • A própria Hikvision desenvolveu um chip para processamento de sinal de imagem, codificação e criptografia de vídeo e funcionalidade de rede
  • Processador Movidius potencia IA para processamento de imagem




Mais adiante no texto, especialistas da System Plus Consulting vão desmontar esta câmera e falar sobre ela em detalhes.



Câmara térmica



Uma câmera térmica é capaz de detectar o calor gerado pelo corpo humano e convertê-lo em uma imagem usando um sofisticado processo de análise de sinal. As imagens são reproduzidas detectando e analisando as temperaturas. Nos últimos anos, a imagem térmica encontrou seu caminho em aplicações de baixo custo graças aos microbolômetros.



Microbolômetros são sensores que detectam radiação infravermelha. Eles são formados por uma rede de pontos de detecção (chamados de "pixels") compostos por diferentes camadas e diferentes materiais absorventes, como óxido de vanádio ou silício amorfo (α-Si).



Em uma conversa com a System Plus Consulting, discutimos os aspectos técnicos e estruturais da câmera de imagem térmica de rede Hikvision DS-2TD2166-15 / V1. Especialistas técnicos da System Plus Consulting falaram sobre a estrutura eletrônica e de hardware dos equipamentos do sistema, destacando os diversos elementos que os compõem.



A câmera de rede térmica Hikvision DS-2TD2166-15 / V1 é equipada com um sensor de imagem baseado em matrizes de plano focal de óxido de vanádio não resfriadas (Figura 1). Ele suporta algoritmos de análise inteligente para várias infraestruturas críticas, como aeroportos, ferrovias, etc. Esta câmera de imagem térmica é baseada em vários chipsets, como o microbolômetro RTD6171MR com 640 × 512 pixels (pitch 17 μm); FPGA Cyclone V 550 MHz 224I / O (FBGA484); SDRAM 2 GB (128Mx16) 800 MHz 13,75 ns (TFBGA96); Controlador de temperatura para módulo Peltier (TQFN48); Sistema em um chip para câmeras profissionais HD IP; Machine Vision Processor 2x32Bit RISC Proc. 4Gb LPDDR3; e DDR4 DRAM 8 GB (512Mx16) 2400 Mbps.



Os recursos técnicos e de design tornam esta câmera ideal para evitar incêndios e detectar rapidamente o superaquecimento e as mudanças de temperatura em fábricas e processos de fabricação.



As técnicas de análise de imagem nesta câmera permitem a detecção de eventos no espaço e no tempo a partir de um fluxo de vídeo contínuo. A câmera possui 4 tipos de regras para análise de conteúdo de vídeo (cruzamento de linha, intrusão, entrada e saída de uma região) e mais 4 podem ser implementadas.



A câmera captura imagens térmicas que permitem aos usuários detectar pessoas, objetos e acidentes na escuridão total e em condições difíceis. Como a câmera só é sensível à radiação infravermelha emitida pelos corpos, sua capacidade de visualizar e gravar imagens não é afetada pela luz na cena sendo gravada.



A câmera também pode medir a temperatura real do local monitorado. O dispositivo emite um alarme quando a temperatura ultrapassa um limite. Vamos dar uma olhada no hardware desta câmera.



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Figura 1: Hikvision DS-2TD2166-15 / V1.



Hardware Hikvision



O termovisor consiste em 6 placas, cada uma delas projetada para atender a uma finalidade específica. Vejamos algumas partes (Figuras 2 e 3). FPGA Cyclone V SoC baseado na tecnologia de processo de 28nm de baixa potência (28LP) da TSMC; Ele consiste em um processador ARM Cortex-A9 MPCore dual-core, uma variedade de periféricos e um controlador SDRAM multiporta. O uso desse esquema fornece economia de energia e suporta pico de rendimento acima de 100 Gbps e negociação de transferência de dados entre o processador e o FPGA.



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Figura 2: Algumas placas da Hikvision.



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Figura 3: Hikvision PCB 2.



O componente de modelagem / amplificação de sinal consiste em vários microcircuitos, em particular o amplificador de uso geral AD8605ARTZ-REEL, o amplificador duplo LT6203IMS8 100 MHz e o amplificador diferencial LT1994IMS8 de 70 MHz. O AD8605ARTZ apresenta tensão de deslocamento muito baixa, baixa tensão de entrada e ruído e alta largura de banda. Ele usa o patenteado Analog Devices, Inc. uma técnica de compensação DigiTrim que ajusta o desempenho do circuito programando as fontes de corrente.



O LT6202 tem uma tensão de ruído de 1,9 nV / √Hz e consome apenas 2,5 mA por amplificador. Este amplificador combina baixo ruído e consumo de corrente com largura de banda de ganho de 100 MHz, taxa de variação de 25 V / μs e é otimizado para sistemas com baixa conformação de entrada. A distorção harmônica é inferior a -80 dBc a 1 MHz, tornando esses amplificadores adequados para uso em sistemas de aquisição de baixa potência, como esta câmara térmica.



O LT1994 é ideal para sinais de nível deslocado para conduzir entrada diferencial e ADCs de fonte única. A tensão de saída de modo comum do LT1994 é independente da tensão e é regulada pela aplicação de tensão ao pino VOCM, conforme descrito em sua folha de dados.



Os ADCs ADS1112IDGSR e LT3042IDD de 16 bits suportam comunicação consistente com FPGAs. O DS1112 foi projetado para aplicações que requerem medições de alta resolução onde a memória e o consumo de energia devem ser considerados. O LT3042IDD é um regulador linear de baixa tensão projetado para alimentar aplicações de RF sensíveis ao ruído. Existem outros CIs nas placas 3 e 1 para suportar o fornecimento de energia para seus respectivos subsistemas integrados, como reguladores lineares e conversores Buck.



O principal detalhe que determina 80% do custo é um microbolômetro (óxido de vanádio). É apoiado por um componente Peltier com um circuito de controle de temperatura.



Lentes



O módulo principal de suporte ao microbolômetro consiste em várias lentes para otimizar os raios infravermelhos nos sensores. Nas Figuras 4 e 5, vemos uma lente de germânio com diâmetro de 19,6 mm e duas lentes feitas de trisseleneto de arsênio (As2Se3) de diâmetros diferentes - 17,6 mm e 27,6 mm.



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Figura 4: Módulo da câmera.



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Figura 5: Módulo de lente.



Na óptica, existe o número da abertura (às vezes chamado de razão focal ou abertura relativa), que expressa a área de percepção da luz. Ou seja, a distância focal dividida pelo diâmetro da abertura.



Uma lente com um diâmetro de abertura maior permite que mais luz ou radiação infravermelha passe. Consequentemente, mais radiação infravermelha melhora as medições em termos de relação sinal-ruído. O parâmetro que determina a qualidade da medição é denominado "NETD" ou "Diferença de temperatura equivalente de ruído". Geralmente é expresso em mili-Kelvin (mK) e expressa o quão bem o detector de imagem térmica pode distinguir pequenas diferenças na imagem térmica. Os valores típicos para câmeras de imagem térmica não resfriadas com microbolômetros são da ordem de 45 mK.



Microbolômetro



As grades do resistor de pixel formam sensores não resfriados. Esses sensores são chamados de microbolômetros. Qualquer radiação que entra no absorvedor aumenta sua temperatura acima da temperatura do resistor. Quanto maior o consumo de energia, maior o aumento de temperatura. O valor do resistor muda dependendo da radiação incidente (a influência da radiação infravermelha, que aquece a superfície, é especialmente forte). Cada pixel é representado por uma célula CMOS de entrada (circuito integrado de leitura -ROIC) e processado pelo microcircuito para criar uma imagem em um computador ou monitor usando um FPGA (Figuras 6 e 7). Normalmente, a estrutura dos microbolômetros é otimizada para maior sensibilidade na faixa espectral de 8–14 µm. Hikvision DS-2TD2166-15 / V1 usa sensor IRAY RTD6171MR com resolução de 640 × 512 pixels (passo de 17 μm),60 Hz (saída analógica) e SMD.



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Figura 6: Microbolômetro - IRAY RTD6171MR.



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Figura: 7. Microbolômetro RTD6171MR 17 mícrons - desmontagem.



O getter reduz significativamente a evolução do gás e mantém uma baixa pressão na cavidade corporal.



O System Plus destacou as características físicas do microbolômetro, resumidas a seguir:



  • Área da matriz: 175,2 mm² (13,6 x 12,8 mm)
  • Área do pixel: 96,4 mm² (10,9 x 8,85 mm)
  • Matriz de pixels: 641 x 520
  • Matriz de Pixel Ativo: 640 x 512
  • Número de substratos: 107
  • Conexão do fio: 32




Ao analisá-lo por dentro, podemos ver que o refletor está localizado sob o material absorvente e está em contato com o substrato, que redireciona a luz para otimizar o sinal. O material absorvente é "suspenso" do substrato para fornecer isolamento térmico, enquanto a grade de pixels é selada a vácuo para aumentar a durabilidade e confiabilidade. A maioria dos microbolômetros usados ​​em câmeras térmicas usa óxido de vanádio como material absorvente por causa do melhor contraste térmico, que fornece imagens mais precisas e claras.



Os detectores de óxido de vanádio têm uma impedância de cerca de 100 kΩ para o resistor do meio, ao contrário dos detectores de α-Si, que geralmente têm uma impedância de cerca de 30 MΩ. Nessas condições, o óxido de vanádio tem uma tensão de ruído Johnson mais baixa e, portanto, as medições serão menos ruidosas. A tensão de ruído Johnson depende de três condições: classificação do resistor, largura de banda do circuito e temperatura.



A câmara está equipada com um sistema de estabilização de temperatura de referência e Peltier, equipado com um DAC AD5645RBRUZ de quatro canais de 14 bits com referência integrada e controlador de temperatura MAX1978ETM + T para o componente Peltier.



Os elementos Peltier são dispositivos termoelétricos baratos usados ​​para geradores de energia, resfriamento e controle preciso da temperatura e, como acontece com esta câmara, para manter a temperatura constante de um objeto em um determinado nível. Os elementos Peltier são baseados em fenômenos termoelétricos. Esses fenômenos são baseados na formação de uma diferença de nível de tensão nas junções PN de dois materiais metálicos diferentes.



O MAX1978 possui transistores de efeito de campo de potência integrados e circuitos de gerenciamento térmico que minimizam os componentes externos, mantendo a alta eficiência. Um amplificador chopper de deriva ultrabaixa fornece estabilidade de temperatura de ± 0,001 ° C. O sensor de temperatura está localizado no módulo da lente e é baseado em um termistor NTC / PTC. Um sensor de temperatura digital opcional, TMP75AIDRG4, monitora a temperatura do sistema (ambiente) diretamente controlada pelo FPGA.



Ao contrário de outros tipos de equipamentos de detecção de infravermelho, os microbolômetros de óxido de vanádio não requerem refrigeração. O óxido de vanádio se comporta de maneira diferente dependendo da temperatura. O vidro revestido bloqueia a radiação infravermelha (mas não a luz visível) em temperaturas específicas, permitindo que a parte eletrônica da câmera processe uma imagem do espectro eletromagnético e a reproduza em pseudo cores.



Outros módulos



A câmera térmica suporta transmissão RS232 (via SP3232EEN-L) para interfaces industriais e transmissão Ethernet com suporte RTL8201FI-VC-CG. A placa 6, conforme mostrado na Figura 2, inclui um sistema de energia CA / CC com diodos de supressão de tensão transiente para proteger os componentes eletrônicos de transientes e ESD.



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Figura 2: Algumas das placas da Hikvision.



A câmera térmica também possui uma interface PoE embutida, que é compatível com a interface TPS2378DDDAR PoE PD de alta potência e o controlador Texas Instruments TL2845BDR-8. Este último fornece todas as funções necessárias para implementar esquemas de controle no modo DC com uma frequência fixa no modo autônomo ou DC com um número mínimo de componentes externos.



A baixa resistência do switch (0,5 ohm) do TPS2378DDAR, combinada com a dissipação de calor aprimorada do chassi PowerPAD, permite ao sistema PoE lidar continuamente com até 0,85 A. Power over Ethernet (PoE) é uma tecnologia que transfere energia por um cabo Ethernet: um dispositivo energizado é denominado unidade de fonte de alimentação (PSE) e um dispositivo energizado é denominado dispositivo energizado (PD). Quando um dispositivo energizado é conectado a uma fonte de alimentação, o padrão PoE determina uma corrente de pico para evitar grandes picos. Além disso, o padrão PoE fornece um handshake analógico (classificação) entre a fonte de alimentação e o dispositivo energizado para correspondência de energia.



O trabalho com vídeo na câmera é fornecido por um sistema baseado no HI3519 V111 SoC. Ele usa o codec de compressão de vídeo H.265 e apresenta baixo consumo de energia e design arquitetônico. Hi3519 V101 suporta rotação de 90 ° ou 270 °, correção de distorção de lente assistida por hardware, algoritmos para vários modelos de câmeras IP e codecs de áudio. Este SoC está equipado com dois pares de memória DDR4 de 4 GB cada e GD5F2GQ4UB9IGR Flash NAND 2 MB SPI.



Intel Movidius MA2450 VPU 2x32Bit RISC Proc. LPDDR3 4Gb a 933 MHz está localizado na placa 4 (Fig. 2) e permite que o sistema reconheça rapidamente objetos e pessoas, analise o número de pessoas, verifique os produtos manufaturados e muito mais. Um sistema de visão por computador usa aprendizado profundo para formar redes neurais que orientam os sistemas no processamento e análise de imagens.



Diversas câmaras térmicas com sensores resfriados e não resfriados se destacam no mercado. Os termovisores com sensores resfriados são mais caros. Muitas câmeras térmicas modernas possuem sensores integrados com resfriadores criogênicos.



Graças ao microbolômetro, a câmera de imagem térmica oferece boa precisão a um custo baixo. A câmera mede a temperatura superficial do calor emitido pelo objeto e o projeta como uma imagem.








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