Интеллектуальные технологии умных домов и решения для их моделирования

Аватар пользователя Денисов Дмитрий
0 278

Концепция "автоматизированного умного дома" была впервые представлена более 80 лет назад и с тех пор сталкивается с различными техническими ограничениями.
Недавно поставщики услуг и производители бытовой техники запустили новую инициативу, чтобы воплотить концепцию умных домов в реальность, позволяющую абонентам удаленно управлять и контролировать различные домашние устройства из любого места с помощью смартфонов или через Интернет.

С продолжением развития широкополосных интернет-соединений и беспроводной технологии, идея умного дома была реальностью где все приборы соединены через беспроводную сеть. Технология умного дома станет будущим жилой технологии, которая предназначена для доставки и распределения услуг передачи данных как внутри так и снаружи дома через беспроводные устройства, в которых взаимодействуют все различные приложения.
В современном мире умный дом - это система, в которой энергоэффективность является ключевым фактором. Интернет вещей (ioT) предоставляет сильный инструмент, который соединяет не только беспроводные устройства связи, но и беспроводные датчики для отопления / охлаждения или любые необходимые утилиты в доме, чтобы лучше управлять потреблением энергии, а также повысить уровень комфорта в современных домах.
Недавние работы по моделированию были выполнены с использованием продуктов ANSYS (ANSYS - универсальная программная система конечно-элементного анализа), в которых была проанализирована домашняя CAD-модель, чтобы продемонстрировать комплексные исследования по моделированию снижения потребляемой энергии для освещения, а также охлаждения и отопления дома, как показано на рисунке 1. Различные мультифизические моделирования были проведены в кухонной комнате с использованием Продукты ANSYS.

Рисунок 1 - Модель умного дома

Также в последнее время широко развивается интеграция различных интеллектуальных технологий, в том числе связи SmartWatch с блоком управления домом, в качестве примера настройки Умного дома для пользовательского приложений, рисунок 2.

Рисунок 2 - Умные часы с антенной дальнего воздействия

Камера/датчик движения были использованы как часть домашней системы безопасности, помещенной на входе кухни, и были соединены с домашним светом и системой управления HVAC (англ. Heating, Ventilation, Air Conditioning, рус. ОВК - отопление, вентиляция и кондиционирование), расположенной в средней области, чтобы удаленно включать/выключать свет и включать/выключать систему отопления/охлаждения, когда человек входит или выходит из комнаты.
Наконец, исследуется связь и радиочастотные помехи (RFI-фр. Radio France internationale) между антеннами, соединенными в интеллектуальные устройства дома. Поэтому для целостности системы необходимо изучать поля, генерируемые различными антеннами, используя ANSYS HFSS, для интеллектуальных устройств: трехдиапазонный блок управления энергией (900 МГц, 2,45 ГГц, 5,8 ГГц), датчик безопасности движения и камеру наблюдения (5,8 ГГц), светодиодные лампы (2,45 ГГц) и привод заслонок канала HVAC (900 МГц). На рисунке 3 показаны различные модели антенн с коэффициентами отражения антенн и диаграммами усиления дальнего поля.

Рисунок-3 Конструкция с моделируемым коэффициентом отражения и результатами дальнего поля а) общий датчик антенны движения; b) общая ламповая антенна; c) чувствительная антенна привода

Антенна блока управления энергией предназначена для покрытия всех трех полос частот, как показано на рисунке 4

Рисунок-4 а) Трехдиапазонная модель антенны блока управления энергией на основе коэффициента усиления антенны дальнего поля при: b) 900 МГц; с) 2,45 ГГц; d) 5,8 ГГц

Спроектировав работу антенны с помощью ANSYS HFSS, ANSYS EMIT можно использовать для имитации работы датчиков интеллектуального дома. ANSYS EMIT предоставляет встроенную библиотеку и поведенческие модели для датчиков, используемых в доме. В этом случае датчики работают в нелицензионном спектре в диапазонах 900 МГц, 2,45 ГГц и 5,8 ГГц с использованием доступных протоколов, таких как Zigbee. Результаты работы антенны могут затем использоваться с доступными моделями RF для первого вычисления запаса связи RF между датчиками и домашним блоком управления (HCU) в доме без каких-либо других источников RF.
Результаты суммированы в таблице 1. Наша цель для беспроводной системы состояла в том, чтобы получить запас связи 10 дБ в этой среде без помех, чтобы обеспечить удобный запас.  Результаты показывают приемлемый запас связи 14,6 дБ для связи между приводом и HCU. Для датчика движения, допустимый предел соединения 40 дБ. Несмотря на то, что это обеспечило бы более чем достаточную производительность для данного канала, канал является перепроектированным, и изменения должны быть рассмотрены для уменьшения потенциала вредных помех для других каналов и снижения энергопотребления.
Наконец, линия Lightbulb-HCU составляет всего 2,2 дБ, что, хотя и не отрицательно, но не соответствует нашей цели в 10 дБ. Это несколько проблематично, особенно в перегруженной полосе 2,45 ГГц, поскольку линия будет особенно восприимчива к помехам от других источников радиочастотной энергии в доме или из-за колебаний в канале распространения.
ANSYS EMIT также используется для оценки помех от других радиочастотных источников в доме. В качестве примера мы можем оценить влияние типичной беспроводной акустической системы. В этом случае мы устанавливаем беспроводной динамик, использующий набор микросхем Texas Instruments PurePathTM Wireless Audio. Полученные результаты показывают, что акустическая система будет вызывать сильные помехи для линии лампочки / HCU, но не вызовет проблем с другими квадратами звеньев. Уровень EMI - 21,2 дБ является серьезным и требует дальнейшей оценки радиочастотной обстановки в доме.
С другой стороны, интеллектуальные светодиоды со встроенной антенной помогают не только повысить энергоэффективность, но и общую эффективность системы дома благодаря беспроводной связи с другими устройствами ioT. Важно изучить производительность светодиода при различных условиях эксплуатации. При более высоких температурах рабочая частота антенны смещается от своего номинального значения из-за изменений диэлектрической проницаемости подложки печатной платы, а также удельного электрического сопротивления различных металлических частей.
Кроме того, тепловое напряжение может вызвать деформацию как антенны, так и компонентов схемы, что приведет к снижению характеристик излучения антенны. Термический анализ выполняется с использованием ANSYS Icepak на светодиоде, установленном на потолке кухни. Светодиод рассеивает тепло посредством проводимости к потолку, а также посредством естественной конвекции и излучения в окружающую среду. Подробное расположение печатных плат импортируется для точного представления путей проводимости. Вычисленное распределение температуры по термическому анализу используется для переоценки свойств материалов диэлектрических и проводниковых материалов в установке электромагнитного анализа. Обновленный электромагнитный анализ определяет отклонение в рабочей частоте антенны.
Максимальная температура светодиода в этом моделировании соответствует заявленным значениям (изготовителями светодиодов) для 13-ваттной лампочки на светодиодах, как показано на рисунке 5. Кроме того, анализ тепловых напряжений и деформаций проводился с использованием ANSYS Mechanical. Общая деформация внутренних компонентов рассчитывается и проверяется на структурную целостность и производительность, как показано на рисунке 5d.

Рисунок -5 а) LED  температура контура и потока формирования поля b) Карта температуры радиатора и светодиодных источников c) Карта теплопроводности печатной платы d) Общая деформация твердого вещества

Наконец, виртуальная модель потока и распределения тепла в кухонной зоне дома с «зональной» системой охлаждения. Модель вычислительной гидродинамики (CFD) строится с использованием ANSYS FLUENT, который включает в себя воздуховод от блока HVAC к кухне и ее окрестностям. В этой модели рассматриваются две канальные заслонки (клапаны); первый демпфер (Де́мпфер — устройство для гашения (демпфирования) или предотвращения колебаний, возникающих в машинах, приборах, системах или сооружениях при их работе) в вертикальном воздуховоде слегка открыт и подает холодный воздух на второй этаж, в то время как второй демпфер установлен в горизонтальном воздуховоде и используется для охлаждения температуры кухни.
Модель CFD имеет 3,9 млн. вычислительных сеток с многогранными элементами. Сетка имеет два призменных слоя на заслонках, горизонтальный воздуховод и лопасти вентиляционного отверстия. K-W SST модель турбулентности используется для учета турбулентного потока в воздуховоде и в доме. Во время запуска (t = 0 секунд) воздуховод инициализируется с температурой 55 F, которая равна температуре подачи холодного воздуха от блока HVAC. Температура кухни инициализируется с 90 F, типичная температура в помещении в теплый летний день. Демпфер открывается в начале симуляции со скоростью 90 градусов/0,5 секунды (30 об/мин). Начальный временной шаг модели составляет 0,0055 с (равен 1 градусу вращения).
После того, как заслонка полностью открыта (то есть t = 0,5 с), шаг по времени постепенно увеличивается, чтобы зафиксировать более продолжительное время работы (требуется гораздо больше времени для стабилизации температуры в помещении до комфортной температуры, такой как 72 F). Модель CFD на рисунке 6 показывает детали потока и распределения температуры в воздуховодах и на кухне после открытия заслонки.

Рисунок- 6 Потоковое обтекание в системах вентиляции и кондиционирования воздуха HVAC при t = 36,6 сек. Поверхность в воздухе с температурой 72 F была показана и окрашена по ее значению скорости.

Линии скорости в домене при t = 36,6 сек показывают, как холодный воздух из блока HVAC рассеивается в кухонной зоне. Кроме того, показана поверхность в потоке с постоянной температурой 72 F, и ее цвет указывает скорость потока этой поверхности. Это обеспечивает обратную связь о том, как температура в помещении снижается до предполагаемой комфортной температуры 72 F. 
Вывод: модели CFD могут дать ценную информацию о времени реакции системы охлаждения на открытие или закрытие зональной заслонки. Он также может предоставить виртуальный инструмент для проверки того, удовлетворяет ли эта интеллектуальная процедура управления энергией на основе IoT приемлемым пределам температуры, давления и скорости потока в воздуховодах и в жилых помещениях.
 

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии