CST計(jì)算智能家居中的電磁輻射應(yīng)用案例
思科Cisco用CST計(jì)算智能家居物聯(lián)網(wǎng)的電磁輻射案例。
Covid-19后許多小伙伴從以前的現(xiàn)場(chǎng)辦公永久轉(zhuǎn)變成了遠(yuǎn)程居家工作，更多時(shí)間在家工作或?qū)W習(xí)。智能家居辦公設(shè)備隨之也火了。現(xiàn)在很多新酒店已經(jīng)全面采用智能建筑設(shè)計(jì)：強(qiáng)力穿墻wifi、聯(lián)網(wǎng)的音響、小度、空氣凈化器、空調(diào)、馬桶、燈光控制等等。這就引發(fā)了很多健康、安全方面的問題。小伙伴們可要注意了，這些無線設(shè)備的輻射可能會(huì)對(duì)人類健康有害，特別是對(duì)那些健康狀況較差的人。
無線輻射的一些負(fù)面影響有細(xì)胞損傷、癌癥、腫瘤、激素水平的變化和神經(jīng)損傷。這里咱就可以用CST仿真來確定有線、混合和全無線智能家居內(nèi)部的輻射水平。對(duì)于智能家居設(shè)計(jì)工程師們能將輻射以及無線覆蓋量化，從而設(shè)計(jì)出對(duì)居住者造成低輻射而且可以有效工作的智能家居建筑。
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通常，住宅或商業(yè)建筑等室內(nèi)環(huán)境受到兩種類型的電磁輻射污染，一種來自極低頻，另一種來自微波和無線電頻率。前者的電磁輻射來源于如吹風(fēng)機(jī)、電視等家用電器，后者來自無線設(shè)備，如路由器、手機(jī)、藍(lán)牙設(shè)備等等無線設(shè)備。在智能家居中，電磁輻射的暴露量將更高，原因有倆：一是將連接大量智能或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，使室內(nèi)空間充滿輻射，二是由于越來越高的電磁波頻率如5G使用以及毫米波設(shè)備（這里也可以自行腦補(bǔ)推廣到當(dāng)下的移動(dòng)智能家居-新能源汽車）。WTO世衛(wèi)組織宣布，射頻源產(chǎn)生的電磁輻射會(huì)增加發(fā)生膠質(zhì)瘤(一種腦瘤)的風(fēng)險(xiǎn)，并將其列為2B類致癌物。但是，制造商、科學(xué)界、研究界對(duì)輻射的健康問題尚未達(dá)成共識(shí)，也并無特別嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。
電磁輻射涉及的生理影響問題非常的復(fù)雜，人類也有自己的生物能量場(chǎng)。應(yīng)用最廣的就是影像學(xué)利用生物電磁頻率處理宏觀和微觀生物狀態(tài)。我們熟悉的如：
腦電信號(hào)δ(0.5～4 Hz)，θ(4～8 Hz)，α(8～12 Hz)，β(13～30 Hz)，γ(31～60 Hz)。
皮膚電(galvanic skin response, GSR)信號(hào)的頻域特征主要是其信號(hào)頻率范圍內(nèi)(0～2.4 Hz)的譜功率，皮膚導(dǎo)電慢反應(yīng)(0～0.2 Hz)和極慢反應(yīng)0～0.08 Hz)的過零率。
心電(electrocardiograph, ECG)的頻域分析是將連續(xù)正常的R-R間期進(jìn)行時(shí)-頻轉(zhuǎn)化，從而獲得各頻率段的功率譜密度，如低頻段(0～0.04 Hz)、中頻段（0.04～0.15 Hz)、高頻段（0.15～0.4 Hz)等，用以定量描述心率變異性的能量分布情況。
呼吸(respiration, RSP)信號(hào)的頻域特征主要是其頻率范圍內(nèi)(0～2.4 Hz)的譜功率及不同頻率段之間能量差值和比率。
皮膚溫度(skin temperature, SKT)的頻率特征主要是其頻率范圍(0～0.2 Hz)內(nèi)的譜功率。
肌電（electromyogram, EMG）和眼電(electrooculo-gram, EOG)的頻域特征與腦電特征相似，將原始的信號(hào)映射到頻域范圍內(nèi)再提取能量、功率、PSD等特征指標(biāo)。
這一量子生物學(xué)的進(jìn)步從本質(zhì)上來說，是人類使用了自然頻率0-30 Hz窗口。人體自身的細(xì)胞功能和組織愈合的腦功能就是使用的這個(gè)頻率范圍。那么無線信號(hào)對(duì)這些生物頻率腦電波多少是存在影響的。已有確鑿的實(shí)驗(yàn)證明，人造電磁場(chǎng)能引起嗜睡和頭暈。大自然自有電磁頻率對(duì)人類健康和福祉至關(guān)重要，而人造的電磁輻射無論是50 Hz還是50 GHz，都是有害的。
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很少有人研究建筑物內(nèi)的電磁輻射污染，大多數(shù)研究都只關(guān)注無線設(shè)備之間的信號(hào)傳輸。一般通過在CST中使用平面波激勵(lì)來研究建筑物空間內(nèi)電磁輻射，而不使用真正的天線源激勵(lì)，也不考慮室內(nèi)陳設(shè)來真正展現(xiàn)空間內(nèi)的電磁輻射。使用5G的智能建筑中的輻射水平可能會(huì)非常高，所以有些策略是用有線方式搭建智能家居。目前，無線設(shè)備主要使用2.45 GHz，這是4G LTE覆蓋的頻率之一，但無線互聯(lián)網(wǎng)連接只能連接幾米的設(shè)備。因此，對(duì)于一個(gè)大型建筑來說，要獲得完全的信號(hào)覆蓋，就需要用到WiFi中繼器。
在樓宇設(shè)計(jì)的較早階段，采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，可以減少整體輻射。接下來的案例就是使用CST探索在2.45 GHz的有線、混合和無線三種不同場(chǎng)景下，智能家居室內(nèi)環(huán)境中總輻射水平的差異。
這個(gè)來自于思科Cisco路由器作為核心控制中心的仿真案例，軟件過程大致是將天線場(chǎng)源導(dǎo)入CST，創(chuàng)建無線和混合設(shè)計(jì)場(chǎng)景。以有線設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)，對(duì)有線和混合的測(cè)量進(jìn)行了評(píng)估。會(huì)用到Antenna Magus。
木材作為室內(nèi)環(huán)境的建筑材料(墻壁、地板和天花板)。仿真的頻率為2.45 GHz，目前物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用的是該頻段。
使用CST直接計(jì)算了全無線、混合的場(chǎng)景。有線和混合的電磁輻射使用7類和8類屏蔽雙絞線，認(rèn)為有線模式下使用RJ-45電纜產(chǎn)生的電磁輻射為0。
為了區(qū)分智能設(shè)備在無線和有線模式下運(yùn)行時(shí)整體電磁輻射的變化，當(dāng)所有設(shè)備同時(shí)給予激勵(lì)時(shí)，仿真產(chǎn)生的電磁輻射作為全無線場(chǎng)景。
仿真的場(chǎng)景房間及室內(nèi)設(shè)備設(shè)備示意圖，無線設(shè)備有恒溫器、咖啡機(jī)、智能手機(jī)、打印機(jī)、筆記本電腦、智能電視、煙霧報(bào)警器、消防灑水裝置、智能窗簾、智能門、攝像頭、路由控制中心等等。在CST中建出房間場(chǎng)景。
混合模式的電場(chǎng)分布(5個(gè)無線和7個(gè)有線設(shè)備)。
無線模式的電場(chǎng)分布(12個(gè)無線設(shè)備)：
在antenna magnus中設(shè)計(jì)生成矩形饋電貼片天線，在CST中計(jì)算天線，提取場(chǎng)源作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的激勵(lì)源。下圖為從天線輻射出去的功率曲線。
取2個(gè)點(diǎn)測(cè)量電場(chǎng)P1和P2，一個(gè)在辦公室，另一個(gè)在臥室，
計(jì)算出各種混合模式和全無線模式下的E、H、遠(yuǎn)場(chǎng)方向性數(shù)據(jù)：
隨著模擬中一個(gè)接一個(gè)地添加無線設(shè)備，E值隨之上升。當(dāng)設(shè)備數(shù)量從1個(gè)(109.12 V/m)增加到12個(gè)(138.101 V/m)時(shí)，最大電場(chǎng)增加了26.5%。但是，在不同的混合設(shè)置下，E值在P1和P2保持不變;例如，對(duì)于使用6-10個(gè)設(shè)備的混合場(chǎng)景，P1處的E場(chǎng)相同。同樣，P2處的E也很低，直到無線打印機(jī)的加入，所有設(shè)備無線運(yùn)行計(jì)算，達(dá)到最大值9.725 V/m。雖然測(cè)量點(diǎn)只記錄了9.725 V/m的最大值，如果人非常接近手機(jī)和筆記本電腦位置的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到26V/m。
E隨著無線設(shè)備的增加而穩(wěn)定增加，但到第七個(gè)設(shè)備之后，會(huì)慢慢減少。這是因?yàn)榈?個(gè)(門)和第8個(gè)(攝像頭)無線設(shè)備的位置更靠近墻壁，從而通過墻壁耗散了輻射能量。隨著第10個(gè)設(shè)備(恒溫器)的引入，最大值再次增加，最終達(dá)到最大值138.164 V/m。由此可見，室內(nèi)環(huán)境中的電磁輻射和室內(nèi)建筑材料的電磁特性、無線設(shè)備的位置、設(shè)備與居住者的距離、設(shè)備的數(shù)量以及頻率等因素相關(guān)。除有線場(chǎng)景外，所有場(chǎng)景得到的最大H場(chǎng)值幾乎恒定。
遠(yuǎn)場(chǎng)方向性趨勢(shì)類似于最大電場(chǎng)，最初上升，然后緩慢下降，最后隨著最后一個(gè)無線設(shè)備的加入而達(dá)到峰值。原因也相似。靠近壁面時(shí)，壁面發(fā)生背向散射，使方向性下降。
下圖為2個(gè)無線設(shè)備和12個(gè)無線設(shè)備的的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。顯然無線全開的方式輻射強(qiáng)度更大。
2無線設(shè)備遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖：
12個(gè)無線設(shè)備遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖：
所有的仿真是在2.45 GHz下進(jìn)行的，比起高頻率場(chǎng)景產(chǎn)生的電磁輻射很小。盡管如此，暴露在2.45 GHz也對(duì)健康有影響。現(xiàn)在設(shè)備都在向著更高的頻率發(fā)展，提高到28和58 GHz，電磁輻射將顯著增加。
即使頻率相對(duì)較低2.45 GHz，輻射區(qū)主要是離無線設(shè)備很近的地方，根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)天線輻射的平方反比定律，隨著距離的增加，輻射將顯著下降。使用屏蔽電纜和早期設(shè)計(jì)干預(yù)來降低建筑空間中的電磁輻射，適當(dāng)選擇能夠有效減少輻射傳輸?shù)慕ㄖ牧隙际墙档碗姶泡椛涞姆椒ā＜词故瞧帘蔚囊蕴W(wǎng)線也可以設(shè)計(jì)成放置在墻內(nèi)而不是外面，進(jìn)一步降低電磁輻射。
