工程仿真-我们不是物联网，我们是物联网的设计师

物联网（IoT）的时代已经来临！设计IoT设备带来的工程机遇和挑战已经证明了，我们的仿真驱动产品研发方法更加...

物联网（IoT）的时代已经来临！设计IoT设备带来的工程机遇和挑战已经证明了，我们的仿真驱动产品研发方法更加适合未来的设备设计，无论是可穿戴消费类设备、医疗植入物产品、联网汽车还是工业涡轮机等。

在本期的内容里，我们把在与各个行业IoT领导者的合作过程中的最佳案例作了整理，以便您查看并将工程仿真应用到您的物联网产品开发过程中。
如需了解更多详情，请拨打我们的工程师热线：400—680—9339

未来的“联网智能单兵”是得到科技强化的战士，其能够通过由电池供电的传感器、天线组成的移动型可穿戴网络，与所在部队及指挥官保持即时通信。每个 军队都将成为其自身的物联网，能够通过宽带无线电传达音频命令，通过GPS获得定位信息以及通过生物传感器传输生命特征。在网络中心战中，战士能够获得更 多的环境认知，而指挥员也能获得更多的信息和更强的军队控制能力，从而显著提高任务成功机会。联网智能单兵仿真对于成功构建上述复杂系统必不可少。

为了实现联网智能单兵的愿景，必须通过战士仿真解决一系列工程难题。其中包括传感器与天线的设计以及在战士身上的布局；实现高效电源管理，以最小化装备重量与电池大小，同时最大化电池使用寿命；在恶劣物理与电磁环境的运行弹性，因为敌方可能会想方设法阻塞通信频率。

ANSYS在通用平台集成的电子、嵌入式软件和半导体仿真解决方案，能够帮助工程师快速、低成本地执行战士仿真。探索有助于实现联网战士的关键技术。

随着全球人口老龄化和慢性病增多，医疗行业正在迅速提供高科技解决方案。先进医疗电子设备和可穿戴电子设备的猛增在显著改善治疗效果和降低医疗费用。

联网病人建模是该领域持续成功的关键因素。对于联网医疗设备的需求呈指数增长，到2020年有望达到200亿部设备。当前技术一般需要前往医生办公室才能从病人的设备下载数据，以供医生检查。不过这样做还不够：我们需要一种医疗物联网（医疗IoT），它能够定期将病人的健康数据连接并传输给医生或者在紧急情况下及时且连续地实现连接和传输。医疗IoT能够使医学获得参与性、个性化、预测性和预防性（P4医学）。成功的医疗设备和制药公司采用工程仿真和联网病人建模技术，以开发能够确保高可靠性、提供数据保密和加速合规性的系统。为了产生实际医疗效果，联网医疗设备应当能够在不降低患者安全性与舒适性的情况下采集和解释相关的可靠参数，同时能够为医生提供具备全面完整性、可读性和安全性的信息。

ANSYS电子仿真解决方案能够帮助医疗工程师实现医学变革，使其利用联网病人建模技术通过医疗IoT实现更低成本和更高利润。探索以低成本正确设计此类解决方案所需要的关键技术。

无人机 —又被称为无人飞行器（UAV），其正在迅速扩展到军事监视应用之外的领域。UAV正被开发用于包裹送货上门服务、因特网部署、灾害监控与援助以及各种业余爱好者的活动。物联网对于UAV非常重要，因为UAV在进行远程控制与监视时极度依赖传感器、天线和嵌入式软件提供双向通信。

行业预测到2025年无人机市场估值将达820亿美元，同时将雇用10万多名员工，而无人机仿真对于实现该预测目标非常重要。为了将这种业务潜力变为现实，必须进行无人机仿真以确保它们安全可靠，同时具有低成本和低维护需求。UAV配备的控制软件必须在安全性、有效通信系统、高效电源管理和恶劣环境运行能力等方面得到认证。

ANSYS技术有助于实现无人机仿真，包括高效飞行的空气动力学仿真，可靠运行的嵌入式软件仿真，以及实现感应、电源管理、飞行控制和通信等的机载电子系统仿真。另外，ANSYS结构解决方案能够确保机械完整性，从而实现稳健可靠的性能。有助于探索设计更好无人机的关键技术：

现在的汽车简直是一种连接奇迹，它属于世界上技术最先进的消费类产品和物联网重要的组成部分。每辆汽车中已经存在大量的局域网，其中有超过50个微型计算机，其包含了1亿行相互连接的代码以及数十个传感器与致动器。组成联网汽车技术的这些系统综合在一起能够帮助控制发动机与制动器，以及监控轮胎压力和尾气成分等参数。车辆对基础设施（V2I）通信技术很快能够把诊断数据发送到汽车维修中心以及帮助您定位和预定空闲停车位。

接下来，由高速高带宽车载网络、摄像头和雷达驱动的车辆对车辆（V2V）通信技术在未来几年将会实现车辆之间的定位，避免碰撞，优化交通和实现自动驾驶。联网汽车技术依靠由传感器、天线、嵌入式软件和通信技术组成的广泛网络，实现在复杂世界的安全行驶。做出的决策必须及时、准确、快速、一致。当人类把对方向盘和制动器的控制权交给目前正在公路上顺利测试的自动驾驶车辆的时候，上述要求会变得更加重要。

ANSYS仿真解决方案可以帮助您模拟和仿真在连接系统与人机接口（HMI）的电子、热-结构与嵌入式软件中的联网汽车技术，从而确保其鲁棒性、可靠性以及对汽车买家的吸引力。

工业物联网（IIoT）——负责连接在各种工业设备以及制造业、金属与矿业、能源生产、加工业、运输和最终用途应用领域提供数据通信的设备——正在为企业增长创造巨大机遇。这种“智能机械”的增长来自三大领域：降低复杂程度、预测性能和减少非生产时间。

全球存在成千上万的高价值智能机械资产，其中包括气体、蒸汽、水与风轮机以及大型工业设备（如：熔炉、蒸汽发生器、钻头、压缩机、电动机与驱动器），其每年需要预计3亿个工时，成本高达200亿美元。

通过及时、准确地收集和分析用于监控重要工业设备状况的数据，能够大幅降低上述投资。实现上述经济性不仅需要部署工业IoT（IIoT）鲁棒性电子设备，而且还需更多地在众多工业机械中集成智能设备。

同时还需要把来自智能机械（传感器与操作员）的现场数据与非现场数据（历史、仿真、基于物理场的分析）结合在一起。智能机械的设计人员必须考虑以下几点：他们需要哪些电子硬件、数据如何进行收集和通信，以及各种组件如何整体协作才能提高系统其它部分的性能。他们还必须确保每台设备足够稳健可靠，以适应在难以维护的恶劣偏远地点顺利运行。

ANSYS工程仿真解决方案可以帮助您设计工业IoT的鲁棒性电子设备。这些解决方案涉及了传感器、天线、电子控制和电源系统的设计与最优布局，可满足智能机械及其生态系统的连接需要。另外，ANSYS虚拟系统原型构建可以帮助编写和验证用于控制智能设备的嵌入式代码，同时能够确保在不干扰工业装置运行情况下信号的可靠通信。芯片封装系统设计

许多IoT组件是功率效率很高的小型设备，如：可穿戴设备、医疗植入设备和移动通信设备等。小设备意味着小电子器件（IC、封装与PCB）。高密度电子产品会带来棘手的信号完整性、电源完整性、EMI和热管理设计挑战。IoT设备还面临其它的机械工程挑战，比如开发能够承受振动与冲击以及在恶劣环境中运行的柔性电子产品。

为了满足这些要求，ANSYS提供了支持多尺度、多物理场以及多用户的仿真驱动型芯片封装系统（CPS）开发方法。此方法之所以是多尺度，因为它提供的仿真技术涵盖了IC与其他芯片设计所需的纳米级仿真到服务器、无人飞行器和其他设计所用的米级仿真。多物理场使您能够仿真芯片、封装和系统中的各种物理现象，包括功率优化、信号功率与热完整性、静电放电（ESD）、电磁干扰/电磁兼容性（EMI/EMC）、传热、流体动力学与结构力学。多用户特性使芯片、封装和系统的设计人员能够采用仿真平台模拟和协调各种物理现象，以创造越来越复杂的产品。天线设计和布局

天线是联网、移动以及众多新兴的IoT产品不可或缺的组件：它们是IoT中其他设备的无线通信链路。与IoT相关的天线设计难题包括，在越来越小的封装空间内提供可靠连接性和保持合理性能。许多设备需要在越来越密集的无线频谱上运行，而且可能存在共址情况、靠近人体运行以及面对其他棘手的安装环境。天线布局在上述情况中至关重要。

ANSYS天线和无线仿真解决方案已经帮助众多客户使天线范围提高10倍，同时优化了尺寸、纵横比、重量、功耗和辐射能量。我们的解决方案可以确保向正确位置发射具有充足功率的信号。利用ANSYS仿真驱动的产品研发方法设计天线与无线系统，可以使上市时间加快25倍。传感器和MEMS设计

IoT的生命线在于传感器、致动器和其他MEMS设备。随着越来越多的设备支持IoT，设计和部署传感器以及支持其运行的MEMS设备变得日益困难。MEMS设备很复杂，而创建更小、功耗更低设备的持续需求，意味着工程师始终要面对艰难任务，即开发能够在竞争中脱颖而出的高性能可靠产品。击败竞争对手需要快速、高效而且低成本的产品开发。

ANSYS拥有得天独厚的优势，可为传感器与致动器MEM的设计人员提供最佳仿真技术。首先，ANSYS物理场的广度和深度可支持仿真各种传感器与致动器，包括依赖电磁场的RF传感器到依赖机械运动的陀螺仪以及同时具有机械与电磁组件的压电设备等。其次，紧密耦合的多物理场仿真能够提供对设计和性能的高保真度分析。最后，我们与MEMS设计人员合作的悠久历史积累了深厚的内部专业知识，因此ANSYS开发人员深谙此行业的仿真需求。电源管理

IoT节点可执行感应/激励、处理和无线通信。这些设备必须保持‘始终运行’，可以部署在任何地方（往往部署在恶劣环境中）。为这些设备供电可能是IoT的最大工程挑战。能量收集、无线功率传输和低功率IC设计是创建许多IoT电源管理策略的基础。

利用无线功率传输技术，电力可通过磁感应耦合或电磁辐射传输到设备，让可穿戴设备、RFID标签、可植入医疗设备和电动车辆摆脱电源线缆的束缚。安全是无线电力系统的重要设计考量因素，因为必须对生物暴露在电磁场加以限制。

设计低功耗IC是物联网的另一个考量因素。如果IC在高于预期功耗的模式下工作，电池使用时间缩短、频繁充电周期和有限的可靠性将降低用户体验。类似地，具有高于预期热特性的芯片可能影响封装选择和最终冷却解决方案的设计，进而影响产品的成本和性能。对联网节点而言，将天线集成到产品中是另一项设计挑战，因为当与PCB和其他天线相邻时会降低性能。

利用ANSYS综合产品解决方案，您能够设计用于采集、转换、控制、调节功率并向IoT设备供电的系统。我们的多物理场设计平台可以帮助工程师创造高能效IC设计，以及考虑物理学科之间的相互作用，如：信号完整性分析与热仿真的耦合，以及热仿真与结构分析的关联等。面向恶劣环境的设计

IoT本质上要求把设备从有控制的可预测环境转移到现实世界，而在后者之中不允许出错。无人机、可穿戴设备、自动驾驶汽车和智能工业设备等快速增长的应用必须能够在恶劣环境中可靠运行，而它们在这些环境里可能会受到振动和物理冲击。尽管存在这些条件，IoT设备必须稳健可靠，能够在没有维护的情况下保持长期、长距离运行。故障有可能造成任务失败、巨额的系统维修或更换投资，甚至危及人类生命。

ANSYS工程仿真工具能够处理各种相关物理力，同时可以模拟振动、疲劳和冲击。集成nCode的ANSYS Mechanical Enterprise可以用于仿真振动的冲击，预测疲劳导致的故障、和指导设计选项以实现最大化鲁棒性。航空航天和国防领域的一家领先供应商采用了ANSYS Mechanical作为IoT类组件重大设计改造项目的组成部分。最后，他们通过缩短开发时间、省去外包FEA咨询费、减少测试、提高产品准确性以及保持安全性，节约了100多万美元的资金。嵌入式软件开发

开发IoT产品是一项相当复杂的任务，无论相关产品是自动驾驶车辆、汽车中的信息娱乐系统还是联网工厂等。支持IoT的产品包含数百行、甚至数百万行嵌入式软件代码。安全性对于许多此类产品以及控制它们的系统和软件而言至关重要。因此，开发人员必须确信用于控制这些设备的软件代码能够百分之百准确而且按照预期方式响应。否则会带来灾难性后果。另外，许多此类产品必须进行认证，或者是产品设计流程必须遵循行业标准认证/资格认证过程。企业面临越来越大的压力，不仅需要以更快速度、更低成本设计IoT设备与产品，同时还要保持最高级别的安全性。

ANSYS SCADE产品为开发嵌入式系统、嵌入式软件和HMI提供了完整的解决方案，这些部件通常对于支持IoT的产品至关重要。系统和软件开发人员利用ANSYS SCADE产品可以定义嵌入式系统架构，开发控制这些设备的代码以及创建HMI。ANSYS认证的代码生成器能够确保通过嵌入式软件模型生成的代码100%准确无误。这些代码生成器是：

符合A级DO-178B软件标准的开发工具以及符合DO-178C要求的DO-330 TQL-1工具

经过认证符合ISO 26262:2011 ASIL D和C标准

以及通过了T3/SIL 3的IEC 61508:2010、以及T3/SIL 3/4的EN 50128:2011等标准的认证。虚拟系统原型设计

随着IoT设备连接性与产品复杂性提高，对于更强大系统仿真功能的需求也随之提高。企业在努力管理相互交错的产品开发、测试与维护过程，因为相互分离的部门往往需要处理同一产品。某些部门在处理物理仿真，而其他部门在开发系统需求，创建嵌入式软件，执行物理测试，或者利用支持产品预测性/指定维护和性能管理的数字孪生模型仿真优化这些产品的维护周期。为了及时、低成本地推出这些支持IoT的智能产品以及高效管理其运行，传统开发过程必须改弦更张。

仿真软件的目的是提供设计选项和包括系统级质量、属性、特性、功能、行为和性能信息在内的验证结果。仿真解决方案需要超越相关部件或者设计的工程学科，同时创建可以准确说明这些部件的相互作用效果及其整体运行方式的虚拟系统原型。

ANSYS Simplorer使您能够创建完整的虚拟系统原型，以便更快速地创造IoT设备。ANSYS提供面向3D仿真和嵌入式系统及软件设计的最先进技术。仿真过去集中在组件和子系统层面。目前，ANSYS客户能够把这些不同组件装配成由软件控制的多域系统的完整虚拟原型。虚拟系统原型不但可以优化单独组件或子系统的性能，而且能够一次性优化整个系统的性能，因此可帮助您增加价值。

    关注 毕普科技PLM