Главная » Хабрахабр » Беспроводная HD-видеокамера без батарейки

Беспроводная HD-видеокамера без батарейки


ASIC беспроводной HD-видеокамеры. Фото: Вашингтонский университет

Оно традиционно используется в астрономии, фотографии и УЗИ. Обратное рассеяние (backscattering) — физическое явление, при котором происходит отражение волн, частиц или сигналов в обратном направлении, то есть в сторону источника. Но оказывается, что это явление можно использовать для электроники, сенсоров и радиопередатчиков.

Это в 1000−10000 раз меньше, чем у существующих беспроводных камер. В лаборатории сенсорных систем Вашингтонского университета разработали HD-видеомодуль, который передаёт видеопоток 720p и 1080p на 60 FPS с энергопотреблением 321 и 806 мкВт, соответственно. Другими словами, модулю вполне хватит энергии, извлекаемой из окружающей среды (WiFi, свет, вибрация, разница температур, излучение СВЧ и проч.).

Сигнал с сенсора передаётся в аналоговом виде через широтно-импульсный модулятор с обратным рассеянием.
Представьте, что у нас беспроводная видеокамера, например, видеокамера наблюдения, «умные» очки или другой гаджет из интернета вещей. Этого удалось добиться за счёт устранения из устройства «лишней» электроники, в том числе АЦП и видеокодера. Если вкратце, то беспроводная видеокамера работает следующим образом:

  • фотоны поступают на фотодиоды светочувствительной матрицы, которые преобразуют свет в электрический заряд;
  • малошумящий усилитель (LNA) усиливает сигнал;
  • модуль автоматического регулирования усиления (AGC) проверяет, что получившийся сигнал не выходит за пределы диапазона, обрабатываемого аналогово-цифровым преобразователем (АЦП или ADC);
  • АЦП выполняет дискретизацию и преобразует аналоговые скачки напряжения в цифровую форму;
  • видеокодер сжимает цифровой видеосигнал;
  • радиопередатчик транслирует цифровой видеосигнал на базу.

Львиная доля энергопотребления в таком гаджете приходится не на фоточувствительный сенсор, а на остальную электронику. Доказано, что сам сенсор 128×128 может работать всего на 1,2 микроваттах.

Так вот, инженеры из лаборатории сенсорных систем ради снижения энергопотребления вынесли АЦП вместе с другими электронными компонентами за пределы модуля.


Схема обычной видеокамеры с передатчиком цифрового сигнала


Схема видеокамеры с передатчиком аналогового сигнала через обратное рассеяние, где остальная электроника вынесена за пределы модуля

Вместо обычного радиопередатчика используется широтно-импульсный модулятор (PWM) с обратным рассеянием. Как видим, из мобильной части на сторону приёмника перенесены малошумящий усилитель (LNA), модуль автоматического регулирования (AGC), аналогово-цифровой преобразователь (ADC) и видеокодер.


Схема широтно-импульсного модулятора с обратным рассеянием

Идея в том, что значения соседних пикселей мало отличаются друг от друга. Интересно, что PWM выполняет также компрессию аналогового сигнала в опорных кадрах. Эксперименты показали, что это позволяет снизить полосу радиопередачи. Поэтому вместо обычного построчного сканирования матрицы здесь реализовали зигзагообразное сканирование, когда чётные строчки сканируются слева направо, а нечётные — справа налево.

В таблице указана ширина полосы для передачи видео с отношением пикового сигнала к шуму на стороне приёмника более 30 dB (указаны средний и худший результаты по результатам сотни экспериментов для каждого сценария).

На диаграмме показаны результаты лабораторного эксперимента на расстоянии от 4 до 16 футов (от 1,22 до 4,88 м). Качество передачи, то есть показатель Effective Number of Bits (ENOB), зависит от расстояния между видеокамерой и приёмником сигнала. Для примера приводится также сравнение качества кадра при разных потерях (ENOB от 3 до 7 бит).

Ранее они разработали open source платформу WISP (Wireless Identification and Sensing Platform). В лаборатории сенсорных систем давно экспериментируют, применяя обратное рассеяние в различных микросхемах. Он передаёт данные через высокочастотный сканер радиометок UHF RFID и получаёт энергию от него же, то есть вообще не нуждается в батарейках. Это RFID-сенсоры EPC Class 1 Generation 2 на платформе open source с программируемым 16-битным контроллером, который совместим с различными датчиками. В отличие от обычных RFID, на платформе WISP радиометки программируются на выполнение произвольных компьютерных программ.


Платформа WISP

д. Миниатюрные устройства почти не потребляют энергию, поэтому идеально подходят для работы в системах мониторинга, камерах видеонаблюдения, носимых гаджетах и т. Подробнее о «пассивном WiFi» можно почитать в научных статьях, ранее опубликованных специалистами Вашингтонского университета: Вообще, использование обратного рассеяния в электронике может привести к тому, что в будущем многие мобильные устройства избавятся от батареек.

Безопасность Интернета вещей начинается с PKI

GlobalSign сотрудничает с разработчиками, партнерами, производителями устройств и отраслевыми сообществами, что позволяет быстро развертывать системы идентификации и защиты в экосистемах Интернета вещей с минимальными капитальными вложениями и временем выхода на рынок.

Свяжитесь с нами по электронному адресу info-ru@globalsign.com, чтобы узнать, как мы можем быть вам полезны.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Как за 1 день QA-инженеру получить оффер в Москве (и дорого ли тут жить)

Всем привет! С одной стороны, такой процесс требует большой единовременной мобилизации усилий ребят из разных команд, но с другой — даёт возможность быстрого большого найма. В последние годы российские компании перенимают западную практику «хайринг ивентов» (hiring event), когда кандидат проходит ...

Облачно, вероятна неотключаемая реклама на звездном небе

Сложный путь должен быть пройден от идеи создания до реального сотворения рукотворных звезд и картин в ночном небе.Рукотворная звезда А все началось… со звезды из Новой Зеландии. 21 января 2018 года в Новой Зеландии впервые в истории страны успешно вывели ...