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使用Azure Sphere和D6T构建疏散
王凯
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描述
安全是我们的首要任务。在美国，每座商业写字楼都配备了烟雾探测器、火灾报警器和洒水装置。当火警响起时，大楼租户应立即撤离大楼；如果出现龙卷风等恶劣天气，火警系统会指示大楼租户前往地下室“就地避难”。
时不时地，有些人会无法撤离建筑物或无法前往就地避难地点。原因包括：
- 行动不便人员的轮椅发生故障。
- 医疗紧急情况会导致人失去知觉。
- 有人认为警报“只是另一次演习”，并留在办公室完成那个电话。
消防员接受过“清理”建筑物的培训。他们将进入每个房间并确认没有人在里面。然而，这个过程通常需要5~10分钟，期间困在里面的人情况可能会恶化。
技术可以提供帮助。在我的设计中，每个房间都有一个传感器报告里面是否有人，消防员可以使用这些信息来确定进入这些房间的优先顺序。
此屏幕说明了消防员可能从系统中看到的内容。共有三个房间，但传感器读数显示房间 1 更有可能有人，因此消防员应首先进入房间 1。
介绍 D6T
我的设计使用 D6T 传感器来检测人的存在。D6T 是一款 MEMS 热传感器。D6T 可以将它前面的区域“看”为 16 个像素的 4x4 网格，并测量每个像素的温度。D6T 在传感器内部还有一个参考温度传感器。由于人体的温度高于环境温度，当某些像素点的温度读数高于参考温度时，表明可能存在人体。
许多现有应用程序（例如防盗警报器）使用 PIR 传感器来检测人员的存在。与PIR相比，D6T有一个独特的优势：D6T能够检测静止的人员，而PIR只能检测运动。此属性在建筑物疏散应用中很重要，因为那些未能疏散建筑物的人可能不会移动。
设备
该设备由 Azure Sphere MT3620 板和 D6T 传感器组成。D6T是一个使用5V供电和逻辑电平的I2C传感器设备；正如我测试的那样，它在 3.3V 电压下无法正常工作。因此，需要一个电平转换器来连接 Azure Sphere 的 mikro BUS 1 和 D6T 传感器之间的 SDA 和 SCL 线。
为了便于测试，我还将加载了“WiFiTelnetToSerial”示例固件的 ESP8266 连接到 Azure Sphere 的 mikro BUS 2 上的串行线路，以便我能够通过 telnet 无线读取调试消息。
在软件方面，我尝试了 Visual Studio 一段时间，但认为PlatformIO是更好的选择，因为它提供了更高级别的 API，使我能够更多地关注业务逻辑而不是低级别的细节。程序逻辑很简单：
- 连接到 Azure IoT Central。
- 读取 D6T 传感器，计算有多少像素“热”（温度高于参考温度），并将其报告给 Azure IoT Central。
在软件开发期间，我必须为 Azure IoT Central 连接和读取 D6T 传感器构建 Arduino 库。
云端
Azure Sphere 可以连接到 Azure IoT HUB 或 Azure IoT Central。我掷硬币决定使用 Azure IoT Central。
Azure IoT Central 上的设置过程包括：
- 启用“现收现付”计划计费，并创建 Azure IoT Central。
- 创建一个名为“疏散”的设备模板。
- 创建一个名为“hot”的 Telemetry，最小值为 0，最大值为 16，小数位数为 0。
- 使用模板创建设备“room 1”。
- 为设备生成连接字符串，并将其编程到设备中。
- 创建一个仪表板，使用 Last Known Value 元素显示每个传感器的热点数。
在完成这些设置并连接传感器后，我们可以在仪表板上看到传感器读数：
当需要疏散建筑物时，消防员可以打开仪表板查看哪些房间的读数非零。非零读数表示有人可能在该房间内，因此他们可以优先访问该房间。
运营成本
Azure IoT Central 每台设备收费 2 美元，每百万条消息收费 5 美元，免费套餐包含 5 台设备和每台设备 50000 条消息。为了保持在免费套餐内，传感器每 52 秒只能发送一个读数，这对于分秒必争的安全应用来说是不够的。目前，我的程序每秒发送一个读数。一栋拥有 100 个房间的大楼的运营成本为每月 1461 美元，如果它可以挽救一条生命并避免诉讼，那么这个成本并不高。
可以通过两种方式降低成本：
- 稍微减少发送间隔。每 5 秒发送一次读数可将 100 个房间的运营成本降低至每月 449 美元。
- 按需报告。传感器可以保持连接状态，而不是定期发送传感器读数，但仅在收到指示疏散正在进行的信号后才开始发送 D6T 读数。这会将成本进一步降低至每月 190 美元（连接 100 台设备的基本成本）。然而，这种方法需要与火灾报警系统集成，这可能存在监管障碍。
操作测试
我在我的公寓里测试了这个系统。我发现 D6T 可以有效地检测到我的存在，但前提是灯亮着。如果房间完全黑暗，D6T 就看不到我。因此，该方案对于商业楼宇，在房间有人时开着办公灯是有用的，但对于居民睡觉时可能会关灯的住宅楼宇来说是无效的。
如果我将一杯热茶放在 D6T 传感器前面，就会出现误报。然而，这在实际部署中并不是主要问题：当传感器安装在墙上时，热茶杯只能触发一个像素。消防员可以首先对热像素数量较多的房间作出反应，因为较高的数字表明那里很可能有人。
出于安全原因，我无法在建筑物实际着火时测试系统的有效性。
结论
我开发了一种传感器设备来协助建筑物疏散。它可以告诉消防员哪些房间内可能还有人，让他们在清理建筑物时优先进入这些房间。
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