CST計算智能家居中的電磁輻射應用案例
思科Cisco用CST計算智能家居物聯網的電磁輻射案例。
Covid-19后許多小伙伴從以前的現場辦公永久轉變成了遠程居家工作，更多時間在家工作或學習。智能家居辦公設備隨之也火了。現在很多新酒店已經全面采用智能建筑設計：強力穿墻wifi、聯網的音響、小度、空氣凈化器、空調、馬桶、燈光控制等等。這就引發了很多健康、安全方面的問題。小伙伴們可要注意了，這些無線設備的輻射可能會對人類健康有害，特別是對那些健康狀況較差的人。
無線輻射的一些負面影響有細胞損傷、癌癥、腫瘤、激素水平的變化和神經損傷。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部的輻射水平。對于智能家居設計工程師們能將輻射以及無線覆蓋量化，從而設計出對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，住宅或商業建筑等室內環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機、電視等家用電器，后者來自無線設備，如路由器、手機、藍牙設備等等無線設備。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網設備，使室內空間充滿輻射，二是由于越來越高的電磁波頻率如5G使用以及毫米波設備（這里也可以自行腦補推廣到當下的移動智能家居-新能源汽車）。WTO世衛組織宣布，射頻源產生的電磁輻射會增加發生膠質瘤(一種腦瘤)的風險，并將其列為2B類致癌物。但是，制造商、科學界、研究界對輻射的健康問題尚未達成共識，也并無特別嚴格的安全標準。
電磁輻射涉及的生理影響問題非常的復雜，人類也有自己的生物能量場。應用最廣的就是影像學利用生物電磁頻率處理宏觀和微觀生物狀態。我們熟悉的如：
腦電信號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)信號的頻域特征主要是其信號頻率范圍內(0～2.4 Hz)的譜功率，皮膚導電慢反應(0～0.2 Hz)和極慢反應0～0.08 Hz)的過零率。
心電(electrocardiograph, ECG)的頻域分析是將連續正常的R-R間期進行時-頻轉化，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)信號的頻域特征主要是其頻率范圍內(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，將原始的信號映射到頻域范圍內再提取能量、功率、PSD等特征指標。
這一量子生物學的進步從本質上來說，是人類使用了自然頻率0-30 Hz窗口。人體自身的細胞功能和組織愈合的腦功能就是使用的這個頻率范圍。那么無線信號對這些生物頻率腦電波多少是存在影響的。已有確鑿的實驗證明，人造電磁場能引起嗜睡和頭暈。大自然自有電磁頻率對人類健康和福祉至關重要，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的電磁輻射污染，大多數研究都只關注無線設備之間的信號傳輸。一般通過在CST中使用平面波激勵來研究建筑物空間內電磁輻射，而不使用真正的天線源激勵，也不考慮室內陳設來真正展現空間內的電磁輻射。使用5G的智能建筑中的輻射水平可能會非常高，所以有些策略是用有線方式搭建智能家居。目前，無線設備主要使用2.45 GHz，這是4G LTE覆蓋的頻率之一，但無線互聯網連接只能連接幾米的設備。因此，對于一個大型建筑來說，要獲得完全的信號覆蓋，就需要用到WiFi中繼器。
在樓宇設計的較早階段，采取適當的預防措施，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景下，智能家居室內環境中總輻射水平的差異。
這個來自于思科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源導入CST，創建無線和混合設計場景。以有線設計為基準，對有線和混合的測量進行了評估。會用到Antenna Magus。
木材作為室內環境的建筑材料(墻壁、地板和天花板)。仿真的頻率為2.45 GHz，目前物聯網設備使用的是該頻段。
使用CST直接計算了全無線、混合的場景。有線和混合的電磁輻射使用7類和8類屏蔽雙絞線，認為有線模式下使用RJ-45電纜產生的電磁輻射為0。
為了區分智能設備在無線和有線模式下運行時整體電磁輻射的變化，當所有設備同時給予激勵時，仿真產生的電磁輻射作為全無線場景。
仿真的場景房間及室內設備設備示意圖，無線設備有恒溫器、咖啡機、智能手機、打印機、筆記本電腦、智能電視、煙霧報警器、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中建出房間場景。
混合模式的電場分布(5個無線和7個有線設備)。
無線模式的電場分布(12個無線設備)：
在antenna magnus中設計生成矩形饋電貼片天線，在CST中計算天線，提取場源作為物聯網設備的激勵源。下圖為從天線輻射出去的功率曲線。
取2個點測量電場P1和P2，一個在辦公室，另一個在臥室，
計算出各種混合模式和全無線模式下的E、H、遠場方向性數據：
隨著模擬中一個接一個地添加無線設備，E值隨之上升。當設備數量從1個(109.12 V/m)增加到12個(138.101 V/m)時，最大電場增加了26.5%。但是，在不同的混合設置下，E值在P1和P2保持不變;例如，對于使用6-10個設備的混合場景，P1處的E場相同。同樣，P2處的E也很低，直到無線打印機的加入，所有設備無線運行計算，達到最大值9.725 V/m。雖然測量點只記錄了9.725 V/m的最大值，如果人非常接近手機和筆記本電腦位置的電場強度達到26V/m。
E隨著無線設備的增加而穩定增加，但到第七個設備之后，會慢慢減少。這是因為第7個(門)和第8個(攝像頭)無線設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個設備(恒溫器)的引入，最大值再次增加，最終達到最大值138.164 V/m。由此可見，室內環境中的電磁輻射和室內建筑材料的電磁特性、無線設備的位置、設備與居住者的距離、設備的數量以及頻率等因素相關。除有線場景外，所有場景得到的最大H場值幾乎恒定。
遠場方向性趨勢類似于最大電場，最初上升，然后緩慢下降，最后隨著最后一個無線設備的加入而達到峰值。原因也相似。靠近壁面時，壁面發生背向散射，使方向性下降。
下圖為2個無線設備和12個無線設備的的遠場方向圖。顯然無線全開的方式輻射強度更大。
2無線設備遠場方向圖：
12個無線設備遠場方向圖：
所有的仿真是在2.45 GHz下進行的，比起高頻率場景產生的電磁輻射很小。盡管如此，暴露在2.45 GHz也對健康有影響。現在設備都在向著更高的頻率發展，提高到28和58 GHz，電磁輻射將顯著增加。
即使頻率相對較低2.45 GHz，輻射區主要是離無線設備很近的地方，根據遠場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計干預來降低建筑空間中的電磁輻射，適當選擇能夠有效減少輻射傳輸的建筑材料都是降低電磁輻射的方法。即使是屏蔽的以太網線也可以設計成放置在墻內而不是外面，進一步降低電磁輻射。
