Вернуться к старой версии портала ПЕРЕЙТИ
Оставить отзыв
  1. Статьи
Заметки пользователей
27.11.2020 09:10
PDF
471
0

Пример моделирования IoT в системах умного дома

Интернет вещей (IoT) состоит из множества связанных между собой устройств. Существующие сегодня системы умного дома, машины и офисы включают в себя постоянно увеличивающееся количество элементов интернета вещей. Популярность систем умного дома приводит к тому, что многие застройщики устанавливают умные устройства для комфорта, энергоэффективности и безопасности жителей.

Будущее пользовательской автоматики представляется очень ярким, эксперты предсказывают увеличение числа продаваемых систем. Разработка с применением симуляций позволяет инженерам делать системы умного дома более надежными, недорогими и энергоэффективными. Ниже мы приведем описание того, как электромагнитное моделирование, созданное с помощью Ansys EMIT, используется для определения интерференционных и электромагнитных проблем в системах умного дома. Также мы обратим ваше внимание на то, как производится анализ производительности отдельной системы умного дома в окружении другого беспроводного оборудования.

Использование ЭМ-моделирования умного дома

В умных домах электроприборы, освещение, системы обогрева, аудио, ТВ, компьютеры, охранные системы и камеры видеонаблюдения соединяются друг с другом с помощью беспроводной связи. Эти устройства могут контролироваться из любой комнаты в доме или даже за его пределами с помощью интернета. Когда вы добавляете устройство или датчик в систему, это может повлиять на производительность других элементов системы из-за недостаточной мощности сигнала между роутером и устройством или из-за взаимных помех от расположенных рядом беспроводных устройств.

Устройства, объединенные в систему умного дома
Устройства, объединенные в систему умного дома

Размещение устройств в беспроводной системе внутри дома требует тщательного планирования еще на стадии строительства, либо же при переоборудовании старого помещения с помощью умных устройств. Например, когда эта система разрабатывается еще на стадии строительства дома, умные устройства могут быть интегрированы в само здание. Интеграция может заключаться в размещении беспроводных устройств внутри стен. Поэтому необходимо предварительно рассчитать производительность системы с помощью симуляции. Это поможет сохранить время, деньги и решить проблемы с устранением возможных неполадок. Ведь следует иметь ввиду, что оборудование может стать труднодоступным после его интеграции в здание, а работа с таким оборудованием будет усложнена. 

Ранняя симуляция приводит к сокращению времени разработки и существенной экономии денег и времени на тестах и измерениях. Инструменты моделирования помогают выявить проблемы еще на ранних этапах. Это позволяет инженерам применять системное планирование, включая как снижение последствий, так и использование экспериментов "что, если" для улучшения производительности устройства. Примером такого инструмента является EMIT, совмещающий передовые модели распространения беспроводных сигналов и возможности анализа каналов связи вместе с прогнозированием интерференции в сложных условиях. EMIT использует общепринятую модель распространения сигналов внутри помещений для предсказания потерь между двумя беспроводными устройствами.

Оборудование умного дома

Умный дом оборудован множеством умных устройств. Например, дверным звонком с функцией видеозаписи. Умный дверной звонок синхронизируется со смартфоном, так что вы можете видеть, кто стоит у ваших дверей, может записывать подозрительную активность около двери и отправлять уведомления, когда кто-то приходит или доставляет посылку. В этой статье будет рассмотрено то, как повлияет установка умного дверного звонка на всю систему умного дома и смоделировано влияние потокового видео высокого разрешения с дверного звонка на систему Wi-Fi внутри дома. В частности, будет смоделировано влияние смартфона на Wi-Fi внутри дома.

Начать анализ стоит с оценки текущей производительности системы, когда смартфон перемещается внутри дома, как показано на рисунке ниже.

Wi-Fi роутер расположен в помещении на втором этаже

В примере данной статьи, двухэтажный дом имеет длину примерно 30 метров. Wi-Fi роутер расположен в помещении на втором этаже. 

Смартфон имеет стабильную связь с роутером, расположенным на втором этаже

На графике с помощью моделирования и анализа взаимосвязи антенн показано, что смартфон имеет стабильную связь с роутером, расположенным на втором этаже. Здесь нет существенного снижения производительности за исключением тех ситуаций, когда смартфон перемещают в противоположный конец дома на втором этаже, где уровень сигнала падает примерно на 2 dB, снижая скорость загрузки, но все еще обеспечивая достаточную производительность. 

Угловой офис на втором этаже является приемлемым местоположением для роутера. Однако, будет ли он обеспечивать достаточную производительность, и стабильность соединения, когда будет добавлено больше умных устройств, таких как дверной звонок с камерой высокого разрешения? Так как большинство умных устройств и видеозвонков работают в нелицензированных частях спектра, можно использовать преимущества встроенных моделей для быстрого моделирования таких систем. Большинство программных продуктов для моделирования радиовзаимодействия, содержат набор стандартных Wi-Fi/Bluetooth/Zigbee и других устройств. Что случается с производительностью смартфона, когда эти системы установлены в умном доме и работают одновременно? Пример результатов моделирования показан на графике ниже:

Уровень сигнала значительно падает, когда телефон расположен в примерно 6 метрах от роутера

Обратите внимание, что уровень сигнала значительно падает, когда телефон расположен в ~6 метрах от роутера. Сигнал лучше всего, когда телефон находится очень близко к роутеру и достигает пика внутри офиса, где расположен роутер.

Уровень сигнала сильнее всего падает на расстоянии примерно в 10 метрах от роутера, так как там установлен дверной звонок. Результаты моделирования в EMIT показывают сильное влияние интерференции из-за дверного звонка, который тоже использует Wi-Fi-соединение. Эти два сигнала накладываются друг на друга, в попытке устройств занять за один и тот же спектр.

Самым простым решением будет использование двухдиапазонных роутеров

Большинство систем радио-моделирования позволяет исследовать меры по снижению влияния этой интерференции. В этом примере, самым простым решением будет использование двухдиапазонных роутеров. Так как дверной звонок расположен относительно близко к роутеру, примерно в 10 метрах, можно переключить его в более высокий диапазон 5.8 ГГц, который на больших дистанциях испытывает большие потери за счет большей рабочей частоты.

Перенастройка дверного звонка в диапазон 5.8 ГГц устраняет основной источник помех, что видно на графике ниже:

Перенастройка дверного звонка в диапазон 5.8 ГГц устраняет основной источник помех

Однако, смартфон все еще подвержен влиянию помех из-за широкополосного спектра, в котором работают умные лампочки. В этом случае, уровень сигнала приемлем только в половине комнат дома, и существенно падает примерно в 20 метрах от роутера, рядом с лампочками. Это представляет собой еще одну проблему, которую нужно решить. 

Решение этой проблемы не такое простое, как в случае с дверным звонком. Умные лампочки работают по другой технологии, и простого изменения частоты здесь недостаточно. При этом, перемещение роутера может помочь увеличить уровень сигналов, не подверженных интерференции, что показано на следующем графике:

Роутер установлен в центре второго этажа, что позволяет увеличить покрытие и силу сигнала даже в случае использования нескольких умных устройств одновременно

В этом случае роутер установлен в центре второго этажа, что позволяет увеличить покрытие и силу сигнала даже в случае использования нескольких умных устройств одновременно. 

Выбор места для нового (оптимального) расположения роутера
Выбор места для нового (оптимального) расположения роутера

Заключение

Системы умного дома становятся очень популярными. Увеличивается число устройств в доме, соединенных как друг с другом, так и со смартфоном. Заставить все эти устройства работать в сложных электромагнитной среде без снижения производительности может стать сложной задачей. Инструменты симуляции помогают эффективно определять и решать проблемы электромагнитного взаимодействия, позволяя компаниям разрабатывать более надежные и энергоэффективные умные системы.

Авторы: 

Joshua Salant, Manohar Raju, Dr. Fred German,
Dr. Matthew Commens, and Shawn Carpenter.

Перевод:

к.т.н., Денисов Д.В.
Сабуров Д.М.

0 комментариев
БОЛЬШЕ МАТЕРИЛОВ ПО ТЕМЕ
Роль моделирования в развитии 5G
5G это новая техническая революция - повсеместно распространяющаяся ультрабыстрая вычислительная сеть соединит миллиарды устройств. Для достижения преимуществ, которые дают сети 5G, нужно переосмыслить подход к проектированию электронных компонентов, устройств и инфраструктуры в целом. Продумать взаимодействие устройств и то, как они соединяются друг с другом в далеко не идеальных условиях.
28.10.2020 07:20
325
0
Введение в концепцию "интернета вещей" (IoT)
Технология IoT или “Интернет Вещей” стала уже чем-то попсовым для специалистов области высоких технологий. Тем не менее, до сих пор, сложно однозначно ответить на вопрос - что же считать настоящей “интернет-вещью” и почему эта технология так будоражит умы людей.
30.09.2020 14:24
7891
0
Алиса в стране IoT-чудес: сказка ложь, да в ней намек
"Чтобы защитить человечество, некоторыми людьми нужно пожертвовать. Чтобы гарантировать ваши свободы, от нескольких придется отказаться. Мы, роботы, обеспечим дальнейшее существование человечества. Вы словно дети. Мы должны спасти вас от вас самих", - искусственный интеллект Вики из фильма "Я, Робот".
23.08.2020 08:40
70
0
Как строят сети IoT на Урале: мнения, опыт и прогнозы
Уходящий год стал знаковым для индустрии интернета вещей (IoT) в России. За этот период охват беспроводными сетями IoT с использованием различных технологий увеличился в три раза.Мы пообщались с крупнейшими игроками отрасли, узнали как и для чего они строят свои сети, а также поинтересовались результатами первых коммерческих проектов на Урале.
04.01.2020 07:50
4487
0
Хроника взлетающего 5G
Когда-нибудь историки связи назовут 2019 год одним из важнейших для развития телекоммуникаций. Потому, что из проектов и мечтаний, в уходящем году сотовая связь пятого поколения стала реальностью. Первые коммерческие пуски, первые смелые эксперименты, первые смартфоны с поддержкой 5G – всё это датировано именно 2019 годом. Сегодня мы предлагаем вместе оглянуться и оценить события уходящего года с точки зрения эволюции 5G.
19.12.2019 08:50
5687
2