ANSYS. Моделирование применительно к технологии “умный дом”.

Концепция «умного дома» была впервые предложена более 80 лет назад и с тех пор её реализация сталкивается с различными техническими ограничениями.

Не так давно поставщики услуг и производители бытовой техники приступили к воплощению концепции интеллектуальных домов в реальность, позволяющую абонентам дистанционно управлять и контролировать различные домашние устройства из любого места через смартфоны или через интернет без каких-либо физических ограничений по расстоянию.

Благодаря постоянному развитию широкополосного интернет-соединения и беспроводных технологий, когда все устройства становятся интегрированы и взаимосвязаны через беспроводную сеть, концепция умного дома стала реальностью.

Недавно проводилось моделирование в САПР ANSYS, где была проанализирована модель дома, чтобы всесторонне продемонстрировать возможности по сокращению потребления энергии для освещения, а также для охлаждения и обогрева дома (Рисунок 1).

Интеграция различных интеллектуальных технологий также изучается, в том числе связь “умных часов” с домашним блоком управления (HCU - home control unit). (Рисунок 2)

Камера и датчик движения были использованы как часть системы домашней безопасности, размещенной у входа в кухню, и были соединены с системой управления освещением дома и системой ОВК (прим. технологии поддержания в заданных пределах параметров воздуха: температуры, влажности и химического состава в помещениях) - (HVAC (Heating, Ventilation, & Air Conditioning), расположенной в средней части, для дистанционного включения / выключения освещения и системы отопления/охлаждения, когда человек входит или выходит из комнаты.

Изучение полей, генерируемых различными антеннами жизненно важно для обеспечения целостности системы, поэтому исследована связь (ЭМС – электромагнитная совместимость) между антеннами, встроенными в интеллектуальные устройства дома. На рисунке 3 показаны результаты моделирования в САПР ANSYS HFSS трёх антенн для разных диапазонов: датчик движения и камера наблюдения (5,8 ГГц), светодиодные лампы (2,45 ГГц), система ОВК (900 МГц).

Антенна блока управления (HCU) предназначена для покрытия всех трех частотных диапазонов. Результаты моделирования такой антенны представлены на рисунке 4.

Моделируя антенны с помощью ANSYS HFSS, ANSYS EMIT можно использовать для имитации производительности датчиков “умного дома”. ANSYS EMIT предоставляет встроенные библиотеки и поведенческие модели для датчиков, используемых в доме. В данном случае датчики работают в нелицензионном спектре частот в полосах 900 МГц, 2,45 ГГц и 5,8 ГГц с использованием доступных протоколов, таких как Zigbee. Результаты полученные при моделировании антенны можно использовать совместно с доступными RF-моделями, чтобы сначала вычислить величину радиосвязи между датчиками и блоком управления (HCU) в доме без каких-либо других источников радиочастот (прим. т.е. без сторонних помех).

Результаты этого моделирования представлены в Таблице 1. Наша цель моделирования беспроводной системы заключалась в получении в этой среде без помех связь не менее 10 дБ (для обеспечения надёжной работы системы). Результаты показывают приемлемый запас линии 14,6 дБ для связи между приводом и HCU. Для канала датчик движения - HCU величина связи составила около 40 дБ. С одной стороны, такая величина связи обеспечило бы более чем устойчивую работу этой линии связи, но с другой - связь всё же чрезмерная, и в дальнейшем её необходимо уменьшить с целью уменьшения влияния этого канала на другие, а так же с целью снижения энергопотребления.

Наконец, связь освещение - HCU составляет всего 2,2 дБ, что, несмотря на неотрицательность величины, всё же не достаточна (цель 10 дБ), поскольку именно этот диапазон частот перегружен, а, следовательно, этот канал будет особенно восприимчив к помехам от других источников радиочастотной энергии в доме.

ANSYS EMIT также используется для оценки помех от других источников радиочастот внутри дома. В качестве примера мы можем оценить влияние типичной беспроводной акустической системы. В этом случае мы размещаем беспроводной динамик, который использует чипсет Texas Instruments PurePathTM Wireless Audio (рисунок 5а). Полученные результаты указывают на то, что акустическая система вызовет серьезные помехи на линии освещение / HCU (красный квадрат) - рисунок 5b, но не вызовет проблем в других каналах (зеленые квадраты).

Важно изучить работу “умных”- светодиодов (Smart LEDs) со встроенной антенной при различных условиях эксплуатации. При более высоких температурах рабочая частота антенны смещается от ее номинального значения из-за изменений диэлектрической постоянной подложки печатной платы, а также электрического сопротивления различных металлических деталей.

Кроме того, термическое напряжение может вызвать деформацию как для антенны, так и для компонентов схемы, что приводит к ухудшению характеристик излучения антенны. Термический анализ для светодиода выполняется с использованием ANSYS Icepak, установленном в потолке кухни. Светодиод рассеивает тепло через проводимость в материал потолка и через естественную конвекцию и излучение в окружающую среду. Вычисленное распределение температуры из термического анализа используется для переоценки свойств диэлектрических и проводящих материалов, используемых при проведении электромагнитного анализа. Посредством нового электромагнитного анализа определяется дрейф рабочей частоты антенны.

Максимальная температура светодиода в этом моделировании соответствует заявленным значениям (изготовителями светодиодов) для светодиодной лампы на 13 Вт (рисунок 6). Кроме того, анализ термического напряжения и деформации проводился с использованием ANSYS Mechanical. Суммарная деформация внутренних компонентов вычисляется и проверяется на предмет целостности конструкции (рисунок 6d).

Последним этапом была получена виртуальная модель распределения воздушных потоков в кухонной зоне дома с «зональной» системой охлаждения. Модель вычислительной гидродинамики (CFD) построена с использованием ANSYS FLUENT, которая включает в себя каналы от блока HVAC до кухни. В этой модели рассматриваются два вентиляционных канала; первый (вертикальный) канал слегка открыт и подает холодный воздух на второй этаж, а второй канал (горизонтальный) используется для охлаждения температуры в кухне.

Модель CFD имеет размер сетки 3,9 млн элементов. Сетка состоит из двух призматических слоёв на заслонках, горизонтальном канале и лопастях вентилятора. Для моделирования турбулентного потока в канале и непосредственно в объеме (дома) используется модель турбулентности SST k-w. Во время пуска (t = 0 сек) канал инициализируется с температурой 55 F, что соответствует температуре подачи холодного воздуха из блока HVAC. Температура кухни инициализируется 90 F, типичная комнатная температура в теплый летний день. Заслонка открывается в начале моделирования со скоростью 90 градусов за 0,5 с (30 об / мин). Начальный временной интервал модели составляет 0,0055 с (равный 1 градусу вращения).

После полного открывания заслонки (т. Е. T = 0,5 с) временный шаг постепенно увеличивается, чтобы получить результаты для более длительного времени работы (для стабилизации температуры в помещении до комфортной температуры, например, 72 F требуется гораздо больше времени). Модель CFD на рисунке 7 показано распределение воздушного потока и температуры в каналах и в кухне после открытия заслонки.

CFD моделирование может предоставить ценную информацию о времени отклика системы охлаждения на открытие или закрытие задвижки. Оно также может предоставить виртуальный инструмент для проверки того, удовлетворяет ли эта процедура приемлемым пределам температуры, давления и скорости потока в каналах и в жилых помещениях.

С полным текстом статьи вы можете познакомиться http://www.ansys-blog.com/smart-home-technology-simulation/