Блог

Решения для моделирования технологий «умного дома»

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

ANSYS Решения для моделирования технологий «умного дома»

Концепция автоматизированного дома («умного дома») была озвучена более 80 лет назад, но попытки технической реализации этой идеи сталкивались с техническими трудностями, которые не всегда могли быть эффективно преодолены при текущем уровне развития техники. В настоящее время производители предметов домашнего быта достаточно активно пытаются принести идею умного дома в массы. Умный дом позволит клиентам забыть о разделяющих хозяина и помещение расстояниях. С помощью смартфонов или других сетевых устройств умным домом можно управлять удалённо.

ANSYS Решения для моделирования технологий «умного дома»

С развитием массового широкополосного доступа в интернет и беспроводных коммуникаций, концепция умного дома обогатилась возможностью связи всех устройств по беспроводной сети. Технологии умного дома стали важной частью концепции жилого пространства будущего, в рамках которого интегрированы различные услуги, предоставляемые посредством сетевых технологий и устройств как внутри, так и снаружи жилища. Это устройства широкого спектра применения, воплощающие в себе разработки из сферы высоких технологий.

В современном мире крайне важны вопросы энергоэффективности, при этом технологии умного дома являются хотя и не достаточным, но весьма необходимым элементом энергоэффективного жилища. Интернет вещей является очень мощным инструментом, который обеспечивает не только беспроводную коммуникацию, но и связь между различными датчиками систем отопления, вентиляции и прочих систем жизнеобеспечения дома. Это позволяет более эффективно использовать энергию, а также повысить уровень комфорта в современных домах.

На рисунке 1 показан пример комплексного расчёта модели дома в ANSYS. Целью расчётов было снижение расходов энергии, потребляемой на освещение, кондиционирование и отопление дома. Для модели кухни был решен ряд связанных задач.

ANSYS Модель умного дома

Также были исследованы вопросы интеграции различных технологий умного дома, возникающие при адаптации систем к различным интерфейсам взаимодействия с пользователем. В частности, на рисунке 2 представлены модель и результаты расчёта электромагнитных полей, возникающих при передаче информации между умными часами и контроллером умного дома.

ANSYS Расчёт характеристик антенны умных часов в дальней зоне

Одним из элементов умного дома является камера с датчиком движения, расположенная на входе в кухню. Сигнал с этой камеры передаётся в контроллеры систем освещения и климат-контроля, что позволяет автоматически включать и выключать освещение, отопление и кондиционер, отслеживая нахождение людей на кухне.

Наконец, был проведен расчёт электромагнитных помех (RFI – radio-frequency interference) в каналах связи между антеннами различных устройств, расположенных в умном доме. Для того, чтобы доказать стабильность работы системы в целом, с помощью ANSYS HFSS были рассчитаны поля от антенн контроллера (три рабочих частоты: 900 МГц, 2,45 ГГц, 5,8 ГГц), камеры системы видеонаблюдения с датчиком движения (5,8 ГГц), светодиодных ламп (2,45 ГГц) и привода задвижки системы отопления и вентиляции (HVAC – heating, ventilation & air conditioning, рабочая частота 900 МГц). На рисунке 3 представлены модели этих антенн, коэффициенты отражения и диаграммы направленности в дальней зоне.

ANSYS Модели антенн, рассчитанные коэффициенты отражения и диаграммы направленности в дальней зоне: (a) антенна датчика движения, (b) антенна светодиодной лампы, (c) антенна привода

Антенна контроллера умного дома спроектирована для работы на трёх рабочих частотах. Результаты расчёта для неё показаны на рисунке 4.

ANSYS Рисунок 4 – Расчёт характеристик трёхчастотной антенны контроллера умного дома: (a) модель антенны; (b) диаграмма направленности на 900 МГц; (c) диаграмма направленности на 2,45 ГГц; (d) диаграмма направленности на 5,8 ГГц

После расчёта характеристик антенны в модуле ANSYS HFSS с помощью модуля ANSYS EMIT можно оценить характеристики датчиков умного дома. В модуле ANSYS EMIT встроена библиотека моделей типовых датчиков. В рассматриваемом случае датчики работают на нелицензируемых частотах 900 МГц, 2,45 ГГц и 5,8 ГГц по открытым протоколам, таким как Zigbee. Для начала были рассчитаны запасы линии связи (link margin) между датчиками и контроллером умного дома (HCU – home control unit) в условиях отсутствия прочих источников электромагнитного излучения.

Результаты расчётов представлены в таблице 1. Желаемый запас линии связи для разрабатываемого беспроводного канала составляет 10 дБ без учета посторонних источников электромагнитного излучения, что обеспечит хороший запас для реальных условий. Результаты расчёта показывают, что для канала связи между приводом и HCU-контроллером запас линии связи составляет 14,6 дБ. Для датчика движения канал связи имеет избыточный запас в 40 дБ. Конечно, такой запас обеспечит устойчивую работу канала, но с другой стороны, его следует перепроектировать для уменьшения негативного влияния на другие каналы связи и для снижения энергопотребления.

Наконец, запас канала связи светодиодной лампы с HCU-контроллером составляет всего 2,2 дБ, что ниже желаемого значения в 10 дБ. Такой результат является проблемным, особенно учитывая, что этот канал связи работает на частоте 2,45 ГГц, где он будет испытывать негативное влияние от интерференции с другими радиосигналами либо при изменениях параметров канала.

Канал связи Запас канала связи (желаемое значение – 10 дБ)
Привод ↔ HCU 14,6  дБ
Светодиодная лампа ↔ HCU 2,2  дБ
Датчик движения ↔ HCU 40  дБ
Таблица 1 – Результаты расчётов запасов каналов связи между датчиками и контроллером умного дома (HCU)

С помощью модуля ANSYS EMIT был также выполнен расчёт интерференции различных радиоустройств умного дома. К примеру, можно оценить влияние типовой модели беспроводных колонок. На рисунке 5(а) показано расположение беспроводной колонки, выполненной на чипе Texas Instruments PurePathTM Wireless Audio. Расчёт свидетельствует о том, что колонка будет приводить к некоторой интерференции в канале связи светодиодной лампы с контроллером умного дома (см. выделенную красным квадратом ячейку на рисунке 5(b)), но не будет мешать остальным каналам связи (они показаны зелёными ячейками). Значение запаса помехозащищённости в 21,2 дБ является довольно существенным и требует дальнейшего изучения распространения радиосигналов в умном доме.

ANSYS (a) блок-схема каналов связи радиоустройств, проверенных на интерференцию с беспроводной колонкой, (b) расчётные случаи интерференции различных каналов связи в модуле ANSYS EMIT, цветом показана интенсивность интерференции

Для получения более детальной информации о расчётах и способах снижения интерференции радиоустройств вы можете скачать брошюру RF Cosite and Coexistence.

С другой стороны, использование умных светодиодных ламп освещения со встроенной антенной обеспечивает высокую энергоэффективность не только собственно источника света, но и – благодаря беспроводной связи с другими устройствами – всего дома в целом. Достаточно важной задачей является оценка характеристик светодиодной лампы в различных условиях эксплуатации. При повышении температуры рабочая частота антенны смещается относительно своего номинального значения из-за изменений электропроводности металлов и диэлектрических характеристик элементов, расположенных на печатной плате.

Кроме того, негативное влияние на эффективность антенны могут оказать тепловые нагрузки, вызывающие деформации как антенны, так и элементов на печатной плате. С помощью ANSYS Icepak был выполнен тепловой расчёт светодиодной лампы, смонтированной на потолке кухни. Тепло от светодиода рассеивается теплопередачей на конструкцию потолка, конвекцией и излучением. Для точного моделирования путей теплопередачи была использована детализированная модель печатной платы. Полученные распределения температур были использованы в расчёте электромагнитных полей для уточнения свойств диэлектрических и токопроводящих материалов. В результате был выявлен дрейф в рабочей частоте антенны.

Максимальная температура, полученная в расчёте теплового режима 13-ваттной светодиодной лампы, хорошо согласуется со значением, заявленным производителем лампы. Результаты расчёта представлены на рисунке 6. В дополнение к проведенным расчётам, с помощью ANSYS Mechanical были также найдены напряжения и деформации от тепловых нагрузок. На рисунке 6 (d) представлены результаты расчёта перемещений деталей внутри лампы, позволяющие судить о целостности и обеспечении нормальной работы драйвера.

ANSYS (a) распределение температур по поверхности лампы и направление потоков; (b) распределение температур по радиатору и корпусу светодиода; (c) тепловое состояние печатной платы; (d) перемещения деталей лампы

Наконец, для демонстрации работы зональной системы климат-контроля были выполнены расчёты воздушных потоков и распределения температур по кухне. Газодинамическая модель была построена в программе ANSYS FLUENT и учитывала имеющиеся в кухне вентиляционные установки и сообщение с соседними помещениями. В модели присутствовали два клапана: первый клапан (немного приоткрытый) на вертикальном воздуховоде, питающем второй этаж, и второй клапан на горизонтальном воздуховоде, регулирующий подачу воздуха в кухню.

Расчётная модель состояла из 3,9 миллионов ячеек и была разбита с помощью поэдрических элементов. В зонах у клапанов, в горизонтальном трубопроводе и у решеток вентиляции было задано два слоя призматических элементов. Для учёта турбулентности как в воздуховодах, так и в помещении, была использована модель турбулентности k-wSST. В начальное время расчёта (t = 0 с) в трубопроводе была задана температура 55 °F (13 градусов по Цельсию), соответствующая температуре воздуха, подаваемого системой кондиционирования. Начальная температура воздуха в кухне была задана равной 90 °F (32 °C), что соответствует типовой температуре воздуха в комнате в жаркий летний день. В начальный момент времени клапан подачи воздуха открывается на 90 градусов за полсекунды (угловая скорость – 30 оборотов в минуту). Начальный шаг по времени в данном расчёте составил 0,0055 с, что соответствует повороту клапана на 1 градус.

После полного открытия клапана (т.е. в момент времени t = 0,5 с) шаг по времени плавно увеличивается для обеспечения расчёта длительного периода стабилизации температуры до комфортного значения 72 °F (22 °С). Потоки воздуха и распределение температур в момент после полного открытия клапана показаны на рисунке 7.

ANSYS линии тока воздуха в помещении кухни в момент времени t = 36,6 с. В воздухе отображена изотермическая поверхность для 72 °F (22 °С), цвета на этой поверхности соответствуют скорости потока

Распределение линий тока в момент времени t = 36,6 c наглядно демонстрирует, как холодный воздух из системы кондиционирования распространяется по пространству кухни. Кроме линий тока, показана поверхность с постоянной температурой 72 °F (22 °С), цвета на этой поверхности соответствуют скорости потока. Такое изображение позволяет оценить интенсивность снижения температуры в комнате до заданного комфортного уровня в 72 °F (22 °С). Результаты CFD расчёта предоставляют ценную информацию о скорости работы системы кондиционирования при открытии или закрытии отдельных клапанов. Такие расчёты также позволяют оценить, обеспечивает ли разработанная на основе технологий «интернета вещей» система климат-контроля соблюдение заданных в проекте параметров температур, давлений, скоростей потоков как в внутри системы вентиляции, так и в помещениях.

Источник: http://www.ansys-blog.com/smart-home-technology-simulation
Автор: Laila Salman

Понравился материал? Подпишитесь, чтобы быть в курсе событий

Facebook

Linkedin

Софт Инжиниринг Групп