描述

我在東京秋葉原經(jīng)營秋葉原黑客空間。得益于其自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，即使在 COVID-19 大流行的情況下，黑客空間仍保持開放，并歡迎多達(dá) 5 位完全接種疫苗的客人。

問題

僅限制客人人數(shù)不足以預(yù)防 COVID-19，因此我們制定了戴口罩、保持社交距離、洗手和使用后消毒的強(qiáng)制性規(guī)定。

除了這些規(guī)定，我們認(rèn)為保持空氣清潔也是預(yù)防疾病的有效措施之一。研究人員表示，如果空間通風(fēng)良好，可以降低 COVID-19 傳播風(fēng)險(xiǎn) [1]。

你怎么知道空間是否通風(fēng)良好？指標(biāo)之一是二氧化碳。CDC 建議在大流行期間室內(nèi)二氧化碳水平低于 800 ppm [2]。

有幾種方法可以保持室內(nèi)二氧化碳水平低，例如，定期打開門/窗或保持通風(fēng)。但它們需要人工干預(yù)并且不節(jié)能。

解決方案

這就是自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)的用武之地。它的作用是監(jiān)測黑客空間不同位置的二氧化碳水平，根據(jù)測量的二氧化碳水平自動(dòng)打開/關(guān)閉強(qiáng)大的通風(fēng)風(fēng)扇，從而保持空間中的空氣清潔降低 COVID-19 風(fēng)險(xiǎn)。

二氧化碳監(jiān)測器

在以下 4 個(gè)位置使用 CO2 監(jiān)視器測量 CO2 水平：主要區(qū)域、視頻工作室、走廊和洗手間。每個(gè) CO2 監(jiān)測器均由用于 AWS IoT EduKit 參考硬件的 M5Stack Core2 [3]、一個(gè) NDIR CO2 傳感器、2 個(gè)橙色迷你迷你面包板和一個(gè) 3D 打印外殼組成。

CO2 監(jiān)測器每 10 秒將測量的 CO2 水平（以 ppm 為單位）發(fā)送到 AWS IoT Core。一旦 CO2 水平超過閾值600ppm ，顯示顏色就會(huì)從綠色變?yōu)榧t色。

換氣扇

由于廚房油煙機(jī)內(nèi)的風(fēng)扇足夠強(qiáng)大，可以從空間的每個(gè)小開口吸入干凈的空氣，因此僅靠它就可以為整個(gè)空間通風(fēng)。

如果任何測量位置的 CO2 水平超過 600ppm 超過 1 分鐘，AWS IoT Events 會(huì)觸發(fā)操作，并且 AWS IoT Core 會(huì)發(fā)布一條 MQTT 消息以打開風(fēng)扇。一旦升高的二氧化碳水平恢復(fù)正常，物聯(lián)網(wǎng)事件就會(huì)再次觸發(fā)關(guān)閉風(fēng)扇的操作。這樣整個(gè)通風(fēng)過程就完全自動(dòng)化了。

風(fēng)扇控制器

那么如何控制廚房油煙機(jī)內(nèi)的風(fēng)扇呢？有什么訣竅？

答案是另一個(gè)用于 AWS IoT EduKit 的 M5Stack Core2 位于廚房油煙機(jī)內(nèi)并連接到風(fēng)扇！它看起來與二氧化碳監(jiān)測器幾乎相同，但有一個(gè) SSR 單元而不是二氧化碳傳感器。

SSR 通過連接器連接到風(fēng)扇的主板，而 EduKit 由 AC 100-240V 至 DC 5V 電源模塊供電，該電源模塊從廚房抽油煙機(jī)內(nèi)的交流電源線汲取電流。快樂黑客！

儀表板

可以使用 AWS IoT SiteWise 控制面板實(shí)時(shí)查看測得的 CO2 水平。以防萬一，CO2 水平也存儲(chǔ)在 DynamoDB 中。

由于系統(tǒng)的動(dòng)作閾值設(shè)置為 600ppm，因此 4 個(gè)測量點(diǎn)中任何一個(gè)的 CO2 水平很少超過 800ppm，這是 CDC 的推薦標(biāo)準(zhǔn) [1]。

如何構(gòu)建和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

4 個(gè)二氧化碳監(jiān)測器

避免使用超級便宜的 VOC 氣體傳感器，因?yàn)樗鼈儾皇菍ｉT針對 CO2 的。我使用了一種相對便宜的、專門針對 CO2 的 NDIR（非色散紅外）CO2 傳感器 MH-Z19C [4]。該傳感器需要 5V 電源并通過 UART（兼容 3.3V）輸出傳感器值。使用前不要忘記進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)。

適用于 AWS IoT EduKit 的 M5Stack Core2 帶有一個(gè) UART 端口（端口 C：GND、5V、Tx、Rx）[5]，這使得該傳感器成為完美的選擇。我認(rèn)為您可以輕松地為傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)自定義 HAT，因?yàn)槎丝谖挥?EduKit 的頂部。我使用 Fusion 360 創(chuàng)建了一個(gè)自定義 HAT 3d 模型和 .stl 文件，該文件包含在此項(xiàng)目中供您使用。

要連接 EduKit 和傳感器，您可以使用 Grove 通用 4 針電纜。只需將一個(gè)切成兩半并連接公壓接銷和黑色外殼。

就編程而言，我修改了AWS IoT EduKit 示例 - 基本 Arduino [6]，使其每 10 秒向 AWS IoT Core 發(fā)送如下所示的 MQTT 消息。

{
  "id": 1,
  "co2": 531
}

確保在 main.cpp（CO2 Monitors）中更改主題名稱和 id。

風(fēng)扇控制器

廚房油煙機(jī)通常配有強(qiáng)大的交流換氣扇。如果您可以將此風(fēng)扇集成到二氧化碳監(jiān)測系統(tǒng)中，則可以完全自動(dòng)化空間通風(fēng)。因此，我使用SSR 套件[7] 和 EduKit 破解了風(fēng)扇，以便可以使用來自 AWS IoT Core 的 MQTT 消息打開/關(guān)閉它。是的，將常規(guī)事物轉(zhuǎn)變?yōu)橹С?AWS IoT 的事物真的很有趣！

只需卸下控制面板電纜并將風(fēng)扇控制器連接到風(fēng)扇主板即可。不要忘記為廚房油煙機(jī)內(nèi)的風(fēng)扇控制器提供 5V 電壓。我認(rèn)為這個(gè)過程真的取決于你擁有的廚房油煙機(jī)型號。如果您需要幫助，請告訴我。

就編程而言，我為風(fēng)扇控制器修改了AWS IoT EduKit 示例 - Basic Arduino [6]，以便它根據(jù)接收到的有效負(fù)載ditialWrites GPIO HIGH/LOW 。確保更改 main.cpp（風(fēng)扇控制器）中的主題名稱。

AWS 物聯(lián)網(wǎng)核心

為 4 個(gè) CO2 監(jiān)測器設(shè)置總共 4 個(gè)規(guī)則，以將測量的 CO2 水平發(fā)送到

• AWS 物聯(lián)網(wǎng)事件
• AWS IoT SiteWise
• 亞馬遜動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫

有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱rule.json 。

您可以使用 AWS CLI 和 JSON 文件重新創(chuàng)建規(guī)則。確保根據(jù)需要更改主題名稱、輸入名稱、屬性別名、資產(chǎn)名稱和表名稱。

AWS 物聯(lián)網(wǎng)事件

我使用 AWS IoT Events 有以下三個(gè)原因。

• 自然界中的傳感器會(huì)為您提供瞬態(tài)的、異常高的、錯(cuò)誤的值。
• 風(fēng)扇不應(yīng)該如此頻繁地打開/關(guān)閉。
• 系統(tǒng)需要知道各個(gè) CO2 監(jiān)測器的狀態(tài)。

設(shè)置具有NORMAL和VENT狀態(tài)的探測器模型，并向通風(fēng)風(fēng)扇發(fā)送開啟/關(guān)閉信號。

如果 4 個(gè) CO2 監(jiān)測器中的任何一個(gè)持續(xù)輸出高于閾值 (600ppm) 的 CO2 水平超過 1 分鐘，則檢測器應(yīng)從 NORMAL 切換到 VENT 并發(fā)送打開風(fēng)扇消息，例如

{
  "vent": 1, 
  "id": 1
}

一旦 CO2 水平低于閾值，檢測器應(yīng)從 VENT 切換到 NORMAL 并發(fā)送關(guān)閉風(fēng)扇消息，例如

{
  "vent": 0, 
  "id": 1
}

設(shè)置檢測器模型時(shí)，您可以為每個(gè)唯一鍵值創(chuàng)建檢測器，也可以創(chuàng)建單個(gè)檢測器。我選擇了前一個(gè)選項(xiàng)，因?yàn)橛?4 個(gè) CO2 監(jiān)測器，我需要知道哪個(gè) CO2 監(jiān)測器處于哪個(gè)狀態(tài)。確保每個(gè) CO2 監(jiān)測器都發(fā)布帶有其唯一標(biāo)識(shí)符（1、2、3 和 4）的消息。

在為風(fēng)扇控制器編寫代碼時(shí)，不要忘記有 4 個(gè)檢測器。否則，當(dāng)一個(gè) CO2 監(jiān)測器從 VENT 切換到 NORMAL 而另一個(gè)仍處于 VENT 狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將失敗。如果其中一個(gè)檢測器處于 VENT 狀態(tài)，請確保風(fēng)扇保持打開狀態(tài)。

順便說一句，當(dāng)您做飯需要打開風(fēng)扇時(shí)，請從 AWS IoT Core 發(fā)送 {"vent": 1, "id": 0}。要關(guān)閉它，請發(fā)送 {"vent": 0 "id": 0}。

有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱input.json和detector-model.json 。

您可以使用 AWS CLI 和 JSON 文件重新創(chuàng)建檢測器模型。

AWS IoT SiteWise

收集和存儲(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)比以往任何時(shí)候都更容易，但在數(shù)據(jù)可視化方面，仍然需要付出一些努力。因此，對于這個(gè)項(xiàng)目，我第一次嘗試使用 AWS IoT SiteWise，我完全著迷于可視化傳感器數(shù)據(jù)的簡單程度。但請記住，每個(gè)儀表板用戶每月花費(fèi) 10 美元，我認(rèn)為這是值得的。

我為空間建立了一個(gè)模型，它有 4 個(gè)測量定義，即主區(qū)域 CO2、視頻演播室 CO2、走廊 CO2 和洗手間 CO2。該模型僅包含一項(xiàng)資產(chǎn)，即黑客空間。

詳見model.json和assets.json 。

您可以使用 AWS CLI 和 JSON 文件重新創(chuàng)建模型和資產(chǎn)。

結(jié)論

我想我能夠 通過結(jié)合 M5Stack AWS IoT EduKit 參考硬件、基本的發(fā)布/訂閱操作以及一些與 IoT 相關(guān)的有趣 AWS 服務(wù)，將Akihabara Hackerspace變成降低 COVID-19 風(fēng)險(xiǎn)的“智能空間”之一！

我已經(jīng)包含了為您重新創(chuàng)建項(xiàng)目所需的一切，我希望這個(gè)解決方案不僅可以幫助尋找自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)的個(gè)人，還可以幫助組織線下活動(dòng)的人。

最后，如果你有機(jī)會(huì)去東京，我們等你！！！

參考

[1]建筑物的通風(fēng)

[2]用于降低 COVID-19 風(fēng)險(xiǎn)的室內(nèi) CO2 傳感器：當(dāng)前指導(dǎo)和限制

[3] AWS IoT EduKit

[4] MH-Z19C NDIR CO2 傳感器

[5] M5Stack AWS EduKit 底部示意圖

[6] AWS IoT EduKit 示例 - 基本 Arduino

[7] K-00203 SSR 套件