Danas ćemo razgledati od čega se sastoje kineske CCTV Wi-Fi IP PTZ nadzorne kamere koje su u posljednje vrijeme široko dostupne po cijeni od oko 20 eura. Same kamere ovog tipa rijetko dolaze s oznakom modela, no sve one zapravo sadrže gotovo identičnu optiku, mehaniku i elektroniku, a razlike se očituju tek u dizajnu vanjskog kućišta te broju i rasporedu elemenata za osvjetljavanje (infracrvene i bijele LED diode).
IP (Internet Protocol) video kamere su digitalne kamere koje šalju i primaju podatke preko LAN mreže i/ili preko interneta (žično ili bežično preko Wi-Fi mreže). Kamere koje ovdje opisujemo mogu se spajati na LAN i Wi-Fi (WLAN) mrežu. Naziv CCTV (Closed-circuit television) zapravo je drugi naziv za video nadzorne kamere, a potječe još od prvih modela televizijskih nadzornih kamera koje su se počele koristiti u 2. svjetskom ratu.
Naše nadzorne kamere nisu fiksne (poput web-kamera) nego su postavljene na rotirajuće platforme. Rotacija je moguća horizontalno u punom krugu od 360° (Pan) i okomito u rasponu od 90° (Tilt). Takve kamere se obično zovu PTZ kamere (Pan, Tilt, Zoom) gdje Pan označava panoramsku (horizontalnu) rotaciju, Tilt je pomicanje kamere po okomici (gore-dolje), a Zoom je mogućnost zumiranja (približavanja, udaljavanja) promatranog područja. Kod naših kamera zumiranje je digitalno. To znači da se ne kontroliraju leće objektiva (one su fiksne) nego se slika povećava softverski, jednako kao bilo koje drugo povećavanje slike na nekom računalnom monitoru. Jasno da je softversko zumiranje ograničeno rezolucijom originalne slike, te što više povećavamo sliku ili dio slike time više pada i rezolucija (oštrina) tog prikaza.
Nabavili smo jednu novu kameru i dvije kamere koje su aktivno radile na vanjskom zidu zgrade oko dvije godine, dakle potpuno izložene vremenskim uvjetima. Jedna od kamera je nakon te dvije godine rada počela prikazivati neke simptome neispravnosti (restartanje i gubitak konekcije sa mrežom), a druga je i dalje ispravna, no s obzirom na cijenu vlasnik je odlučio zamijeniti obje kamere. Tako smo dobili priliku pogledati od čega se iste sastoje, pa idemo onda prvo rastaviti ove rabljene kamere. Kasnije ćemo zaviriti i u novu kameru čisto da vidimo ima li kakve razlike u tehnologiji, no to je malo vjerojatno jer su oba modela i dalje u prodaji i imaju iste tehničke specifikacije.
U prvom dijelu kućišta nalazi se pločica sa 2,4 GHz WLAN/USB adapterom i regulatorima napona napajanja.
Na prvoj slici su dolazne žice napajanja, LAN konektora i antena (jedna žica antene je lažna i nije nigdje spojena). Na slijedećoj slici se vidi koračni elektromotor za Pan rotaciju, te žice za napajanje modula kamere i podatkovni vodovi u obliku flat-trake. Elektromotor ima u svojem kućištu integrirani mehanički reduktor tako da nisu potrebni vanjski prijenosi čime je konstrukcija kućišta bitno pojednostavljenja.
U prvom dijelu kućišta nalazi se pločica sa 2,4 GHz WLAN/USB adapterom koji se bazira na Realtek RTL8188FTV integriranom krugu.
Naš čip Realtek RTL8188FTV (ETV) podržava IEEE 802.11b/g/n 1T1R WLAN standarde prijenosa podataka. Odmah ćemo reći da su 802.11b i 802.11g danas uglavnom zastarjeli što se tiče WLAN komunikacije jer za današnje zahtjeve omogućuju male brzine prijenosa (do 11, odnosno do 54 Mbps).
WLAN 802.11b/g/n standard raspoloživi frekvencijski opseg na 2.4 GHz dijeli na 14 kanala. Razmak između kanala je 5 MHz, osim između posljednja dva gdje je razmak 12 MHz. Međutim, širina jednog kanala je 22 MHz što znači da se kanali međusobno preklapaju. Najbolje je to prikazati grafički.
Vidimo da je od svih kanala moguće naći samo tri različita kanala koji se međusobno frekvencijski ne preklapaju pa komunikacija može ići na najviše tri kanala. Nekada su se radni kanali postavljali ručno, a na modernim WLAN modemima se to vrši automatski. Ovisno o regiji svijeta postoje i neka odstupanja od ove sheme pa se tako u Europi ne koristi 14. kanal (ETSI standard), u Americi se ne koriste zadnja tri kanala (FCC standard), a u Japanu se 14. kanal koristi samo za 802.11b standard. Također, i neke zemlje imaju neke svoje dodatne restrikcije za korištenje pojedinih kanala pa je tako primjerice u Španjolskoj zabranjena upotreba 10. i 11. kanala, a u Francuskoj 10. do 13. kanala. U nekim zemljama je definirano korištenje isključivo tri kanala (1, 7 i 13).
Standard IEEE 802.11n dozvoljava mogućnost upotrebe širine kanala od 20 MHz ili 40 MHz i teoretsku brzinu prijenosa do 600 Mbps te se koristi na 2,4 GHz i 5 GHz mrežama. Povećana širina kanala od 40 MHz smanjuje broj kanala koji se ne preklapaju na svega dva. Naš čip na širini kanala od 20 MHz omogućuje maksimalnu brzinu prijenosa do 72,2 Mbps, a na širini od 40 MHz teoretska maksimalna brzina je 150 Mbps. Međutim, glavna značajka ove norme je mogućnost korištenja diverziti (diversity) načina odašiljanja i prijema kod kojeg se koriste dvije ili više antena u svrhu poboljšanja kvalitete i bolje iskoristivosti radijske veze.
Što se tiče modulacija digitalnih (binarnih) podataka, u 802.11b/g/n WLAN standardima se koriste BPSK, QPSK, 16-QAM i 64-QAM modulacije. Svaka od binarnih i kvadraturnih faznih i amplitudnih modulacijskih tehnika (BPSK, QPSK, 16-QAM i 64-QAM) omogućuje različitu brzinu prijenosa podataka (različitu iskoristivost spektra) te će WLAN odašiljač i prijemnik samo odabrati koji modulacijski postupak će koristiti, ovisno o uvjetima propusnosti kanala. Prilikom modulacije, binarni podaci se razbijaju u male pakete i zasebno moduliraju vlastitim nosećim frekvencijama unutar odabranog kanala. Na kanalu širine 20 MHz istovremeno se modulira 64 nosioca, a na kanalu širine 40 MHz modulira se 128 nosioca. S obzirom da svaki nosioc prenosi samo mali dio ukupne informacije, to prijenos čini otpornijim na smetnje jer se lakše nadoknadi djelić izgubljene informacije nego čitava informacija. Tih 64 ili 128 nosioca mora se zatim opet modulirati u jedan zajednički signal za slanje radijskim putem. U tu svrhu se koristi DSSS tehnika (kod 802.11b standarda) ili OFDM multipleksiranje (kod 802.11g/n standarda). Za potpuno razumijevanje DSSS (direct-sequence spread spectrum) i OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) modulacija kakve se koriste u Wi-Fi prijenosu podataka potrebno je puno učenja. Što više proučavate način WLAN prijenosa podataka to se stvari sve više usložnjavaju.
Na početku teksta naveli smo da naš čip Realtek RTL8188FTV podržava 1T1R standard. To znači da ima jedan predajnik (T) i jedan prijemnik (R). Bolji čipovi imaju dva prijemnika i dva predajnika (2T2R). Tu već ulazimo u razmatranje različitih sustava odašiljanja i prijema moduliranih podataka. Ovisno koliko radijski sustav ima prijemnika i predajnika za istovremeni prijem i slanje podataka razlikujemo SISO, SIMO, MISO i MIMO sustave (S-single, M-multiple, I-input, O-output). Paralelni prijenos naravno povećava kapacitet prijenosnog kanala. SISO sustav (single input, single output) poput našeg (1T1R) je naravno najjednostavniji no i ovdje se u određenoj mjeri može povećati kapacitet kanala upotrebom diverziti tehnike. Povećanje kapaciteta (brzine) prijenosa se ovdje očituje samo u poboljšanom odnosu signal/šum radijske veze što se postiže sa više antena, no sam tok podataka ostaje isti.
Izvod iz tehničke dokumentacije za integrirani krug RTL8188FTV. Gore je konfiguracija sa jednom zajedničkom antenom, a ispod su konfiguracije za diverziti sustave sa dvije antene. U prvom slučaju i prijemnik i predajnik rade sa dvije antene, a u drugom slučaju samo prijemnik radi sa dvije antene.
Generalno gledano, kako rastu zahtjevi za količinom digitalnih podataka koje potrebno prenijeti u jedinici vremena tako se razvijaju nove modulacijske tehnike za radijski prijenos i višestruki paralelni sustavi prijenosa podataka da se što bolje iskoristiti kapacitet radnog kanala. Pri velikim brzinama prijenosa podataka proporcionalno se povećava mogućnost greške i osjetljivost na smetnje u radijskom komunikacijskom kanalu. Stoga su razvijeni vrlo složeni algoritmi raspodjele, modulacije i provjere slanja digitalnih podataka. Sa 5G mrežom širina kanala se povećava na 80 i 160 MHz, brzine modulacija sa 64-QAM rastu na 256-QAM, uvode se više-korisnički MIMO sustavi sa više paralelnih sljedova podataka, što povećava teoretsku brzinu prijenosa na 6,93 Gbps. Propisane su već norme i za 6G mrežu koja ide do 1024-QAM i 9,6 Gbps.
Uglavnom, onaj tko malo prati WLAN i Wi-Fi tehnologiju zna barem toliko da ako neki uređaj ima više antena to znači da koristi napredniju, bržu i pouzdaniju tehnologiju prijenosa. Na našim kamerama su dvije antene, no jedna je nažalost lažna. Ipak, proizvođača teško možete tužiti za prevaru jer nigdje u specifikacijama ne navodi da je ugrađen diverziti sustav. Takav sustav je posve izvediv sa ugrađenim čipom Realtek RTL8188FTV no modul na kojem se nalazi mora imati drugačije antenske balun-dupleksere. Posve je normalna praksa da različite inačice elektroničkih uređaja imaju posve identičan vanjski izgled kućišta, no to ne mora značiti da je u unutrašnjosti ugrađen isti hardver.
Jedna antena kod naših kamera je lažna (desno) i sadrži samo komadić žice koji nije nigdje spojen. Žica je stavljena samo iz razloga jer bi se na jednom dijelu izvana (na pregibu antene) vidjelo kako ista nedostaje i da antena nema funkciju.
Antena je izvedena kao vertikalni poluvalni dipol, gdje donji dio u obliku bakrene cijevi (lončića) istovremeno služi i kao lonac za prilagodbu impedancije i simetriranje. Valna duljina frekvencije 2,4 GHz je 125 mm, tako da dipoli imaju duljinu 31 mm (četvrtina valne duljine). U našem slučaju donji dipol (lonac) je nešto kraći i iznosi oko 20 mm. Ovdje je vjerojatno uračunat faktor skraćenja zbog većeg kapacitivnog opterećenja donjeg kraja dipola. Konektor je UFL/IPEX tipa.
Na istoj pločici sa WLAN modulom su i integrirani regulatori napona, JWH6J za 5 V i AMS1117 za 3,3 V potrebnih za rad WLAN adaptera i ostalih elektroničkih sklopova kamere. Uređaj se inače napaja preko mrežnog adaptera 12V / 2A, a taj napon se izravno koristi samo za pogon LED dioda.
Mrežni adapter kakav se isporučuje uz naše kamere.
U drugi dio kućišta u obliku kugle smješten je koračni elektromotor za Tilt pomak, mikrofon, zvučnik, LED diode i senzor osvjetljenja, te digitalna kamera sa centralnom elektronikom.
Koračni elektromotori za Pan i Tilt rotacije su istih karakteristika i sadrže integrirane mehaničke reduktore brzine vrtnje.
Četiri LED sa žućkastim tonom daju vidljivo bijelo svjetlo, a šest prozirnih LED iznad njih su za infracrveno osvjetljenje. Na sredini je LDR otpornik kao senzor vanjskog osvjetljenja (dan/noć).
Naša kamera je opremljena sa 4 LED diode za vidljivu bijelu svjetlost i sa 6 LED infracrvenih dioda. Infracrvene diode su za noćno, oku nevidljivo, a kameri vidljivo osvjetljenje. Ovo osvjetljenje se automatski pali kad padne mrak, a senzor za prepoznavanje intenziteta vanjskog svjetla je mali LDR otpornik smješten na sredini između IC LED dioda. Bijele LED diode (vidljivo svjetlo) mogu se također koristiti po mraku ili pak služe kao alarmno svjetlo, odnosno upaliti će se ako se u mraku detektira neki pokret ispred kamere.
Modul CMOS kamere sa centralnom elektronikom.
U naše nadzorne kamere ugrađen je CMOS senzor od 2MP što daje sliku rezolucije 1080p (1920 x 1080 točaka). Trenutno postoje dvije tehnologije za izradu poluvodičkih slikovnih senzora: CCD i CMOS. Osnovna razlika u te dvije tehnologije je što CCD (Charge-coupled Device) kao izlaznu veličinu daje analogni napon pa mu je potrebna relativno kompleksna vanjska elektronika za obradu signala slike. S druge strane, CMOS (Complementary Metal-oxide Semiconductor) već u samom senzoru ima implementirana pojačala, A/D konvertere i često krugove za dodatnu obradu slikovnih signala. Stoga su kamere sa CMOS senzorima puno jeftinije za proizvodnju i troše manje struje, međutim kvaliteta slike je u više elemenata nešto lošija od one sa CCD senzora. Ipak, CMOS senzori se stalno razvijaju, sve više se po kvaliteti slike izjednačavaju sa CCD senzorima i sve više su zastupljeni u raznim optoelektroničkim uređajima.
CMOS slikovni senzor kamere (U7).
Ovdje možemo identificirati integrirane krugove i po tome zaključiti koje sklopove sadrži ovaj modul:
- Anyka AK3918 – IP Camera SoC (system-on-chip) – glavni video procesor za slikovni senzor kamere i izlazno video sučelje
- QH64AHIG – FLASH memorija 64MBit
- FT24C02A – EEPROM memorija 2 kBit
- IP101GR – LAN kontroler
- PM44-11BP – LAN filtar i izolacijski transformator
- BA6208 – driver za promjenu smjera vrtnje elektromotora
- ULN2803AG – tranzistorski driveri
- JWA5J – regulator napona
- LPA2010 – audio pojačalo 3 W
Kao što se vidi, glavnina svih procesa odvija se u integriranom krugu AK3918 (Anyka). Unutar ovog čipa vrše se sva video i audio procesuiranja i preko njega se povezuju sva vanjska sučelja kamere. Potpora mu je samo u vanjskoj RAM i ROM memoriji, a ostali čipovi su praktično samo kontroleri, driveri i pojačala za priključenu periferiju (LAN, MMC/SD, mikrofon, zvučnik, elektromotori, LED). Slikovni procesor unutar AK3918 također je zadužen i za detekciju pokreta što uključuje alarm i/ili automatsko praćenje objekta koji se kreće u polju snimanja kamere. U tu svrhu se ne koriste nikakvi posebni vanjski senzori (PIR ili slično) već se vrši samo softverska analiza svake slike (promjena grupe piksela) gdje se onda pomoću posebnih računalnih algoritama prepoznaje kretanje i smjer kretanja nekog objekta koji uzrokuje specifičnu promjenu piksela slike.
Strukturna blok shema iz tehničke dokumentacije za integrirani krug AK3918.
Objektiv kamere, osim samog sistema optičkih leća, opremljen je sa još dva mala dodatka. Jedan je u vidu deblje spužvice koja paralelno sa rubom objektiva nasjeda na zaštitno staklo kućišta kamere i sprječava višestruki odraz (refleksiju) svjetla preko zaštitnog stakla na ulaznu leću kamere. Drugi dodatak je infracrveni filtar koji sprječava ulazak infracrvenog zračenja na senzor kamere kada se vrši snimanje na dnevnoj svjetlosti.
Poluvodički slikovni senzori (CCD i CMOS) su osim na vidljivu svjetlost osjetljivi su i na bliski infracrveni dio spektra. Sva tijela i predmeti na temperaturi višoj od apsolutne nule prirodno zrače infracrveno (IC) zračenje, a ono je jače što je tijelo više zagrijano. U noći je energija IC zračenja većine predmeta i tijela premala da bi ih slikovni senzori mogli detektirati. Stoga se koristi umjetno IC osvjetljavanje, obično pomoću infracrvenih dioda.
Po danu pak Sunce postaje vrlo jak prirodni izvor infracrvenog zračenja, te tada na slikovne senzore pada vidljivo i pojačano IC zračenje. Međutim, mi po danu želimo sa kamere dobiti prirodan izgled kolor slike kako to vidi ljudsko oko, dakle samo u intenzitetu vidljivog svjetla. Ovdje pak pribrojena IC energija remeti intenzitete svjetlosti pojedinih točaka (piksela) slike koje bi stvarala samo vidljiva svjetlost. Stoga se po danu ispred slikovnog senzora ubacuje filtar za blokadu infracrvenog zračenja (Infrared cut-off filter). To je optički filtar koji, ovisno o tipu, reflektira ili apsorbira dolazno IC zračenje, a na slikovni senzor propušta samo vidljivu svjetlost.
Infrared cut-off filter na našoj kameri se pod određenim kutom vidi u crvenoj nijansi. Ispod njega je prozirni filtar za vidljivu svjetlost. Ova dva filtra se pomoću malog elektromagneta postavljaju između sistema leća objektiva kamere, ovisno da li se snima pod infracrvenim (noćnim) osvjetljenjem ili pod vidljivom (dnevnom) svjetlošću.
Na gornje dvije slike vide se sve optičke, elektroničke i električne komponente ugrađene u nadzornu kameru. Sada idemo to usporediti sa novim modelom kupljenim nedavno po cijeni od 20 eura.
Odmah po otvaranju vidi se da je konstrukcija elektroničkih sklopova kompaktnija (jedna umjesto dvije tiskane pločice) i također vidimo samo jednu žicu iz antene što znači da je druga antena i ovdje lažna. Ušteda je postignuta u dizajnu plastičnog kućišta antene gdje se više ne vidi žica, pa ovdje nije potrebno stavljati “lažnu” žicu.
Koračni elektromotori su isti kao i na prethodnoj kameri, no ovdje Pan motor ima dodatni plastični reduktor. Čini se kao dodatak koji poskupljuje konstrukciju, no prethodna kamera je umjesto toga imala metalni kuglični ležaj.
Ovdje je WLAN modul montiran na glavnu pločicu kamere, čime se uštedjelo na poveznim vodovima i konektorima te čitava montaža izgleda urednije.
WLAN i IP Camera SoC čipovi su potpuno jednaki kao i na prethodnoj kameri. Ostali pomoćni čipovi se malo razlikuju po tipu:
- Anyka AK3918 – IP Camera SoC (system-on-chip) – glavni video procesor za slikovni senzor kamere i izlazno video sučelje
- 25Q64ASSIG – FLASH memorija 64MBit
- SZ18201 – LAN kontroler
- H1601SG – LAN filtar i izolacijski transformator
- ULN2803L – tranzistorski driveri
- DS=J2T, DE=A1D – regulatori napona
- LM4890S – audio pojačalo 1 W
- CH422G – proširenje I/O portova u serijskoj komunikaciji (I2C, SPI)
Može se primijetiti da ovdje nema vanjske EEPROM memorije, no nije isključeno da je taj čip montiran ispod objektiva kamere. Mi objektiv ovdje nećemo skidati jer bilo kakvo i najsitnije zrnce prašine ili druge nečistoće koje padne na slikovni senzor uzrokuje zamućenje, prigušenje ili potpuno zatamnjenje velikog broja piksela. Stoga, ako kamera nije za otpis, optiku je najbolje ne dirati. Moguće da je softver ovdje nešto unaprijeđen te nije potreban poseban čip za promjenu smjera vrtnje elektromotora, no oba ta čipa koje ovdje nismo našli su vrlo mala (MSOP-8) te se moguće nalaze ispod kućišta objektiva.
U opisane CCTV PTZ Wi-Fi IP nadzorne kamere za 20 eura ugrađena je istina tehnologija koja podržava minimalne kapacitete s obzirom na današnje mogućnosti WLAN mreža i s obzirom na rezolucije današnjih video kamera. Međutim, treba biti svjestan da nadzorna kamera nije profesionalna filmska ili TV kamera i zahtjevi za kvalitetom slike kod nadzornih kamera su daleko niži od drugih vrsta kamera. IP nadzorne kamere su prije petnaestak godina koštale pravo malo bogatstvo, a mogućnosti im nisu bile ni blizu ovdje opisanim kamerama. Danas ih može imati svatko i to po nekoliko.
Za video nadzor rezolucija slike veća od 2 MP u većini slučajeva nije potrebna, a uz podržanu brzinu ugrađenog WLAN modema (realno oko 50-100 Mbps) slika je dovoljno protočna (broj sličica u sekundi) da posve zadovoljava potrebe. Vidjeli smo na blok shemi da slikovni procesor Anyka AK3918 kodira video u H.264 formatu i u MJPEG formatu. Za glatki prijenos videa rezolucije 2 MP (1920×1080) kodiranog u H.264 formatu potrebna je brzina prijenosa od 4 Mbps, a za MJPEG format 12 Mbps. Time ovdje nema nikakve potrebe za bržim WLAN linkovima.
Osobno koristim zadnje dvije godine jednu takvu kameru i nemam nikakvih zamjerki na njezin rad, posebice uz takvu cijenu. Kao i kod sve druge robe široke potrošnje, naravno da ovdje ništa ne može garantirati vijek trajanja elektromotornih pogona i prijenosa kao ni same elektronike koja se bazira na prilično kompleksnim čipovima. Moja iskustva za sad govore da ove kamere mogu raditi nekoliko godina bez problema, barem u većini slučajeva. Kako god bilo, mogućnost da bilo gdje u svijetu (gdje ima interneta) možete bilo kada na mobitelu pogledati i čuti što se dešava u vašem dvorištu/objektu, čak što više sustav vas sam upozori ako se nešto dešava pa onda još i omogući dvosmjernu komunikaciju, prije samo nekoliko godina zvučalo je kao znanstvena fantastika. Danas sve to eto možete imati za cijenu jednog prosječnog ručka 🙂