带二氧化碳监测器的自动通风系统

描述

我在东京秋叶原经营秋叶原黑客空间。得益于其自动通风系统，即使在 COVID-19 大流行的情况下，黑客空间仍保持开放，并欢迎多达 5 位完全接种疫苗的客人。

问题

仅限制客人人数不足以预防 COVID-19，因此我们制定了戴口罩、保持社交距离、洗手和使用后消毒的强制性规定。

除了这些规定，我们认为保持空气清洁也是预防疾病的有效措施之一。研究人员表示，如果空间通风良好，可以降低 COVID-19 传播风险 [1]。

你怎么知道空间是否通风良好？指标之一是二氧化碳。CDC 建议在大流行期间室内二氧化碳水平低于 800 ppm [2]。

有几种方法可以保持室内二氧化碳水平低，例如，定期打开门/窗或保持通风。但它们需要人工干预并且不节能。

解决方案

这就是自动通风系统的用武之地。它的作用是监测黑客空间不同位置的二氧化碳水平，根据测量的二氧化碳水平自动打开/关闭强大的通风风扇，从而保持空间中的空气清洁降低 COVID-19 风险。

二氧化碳监测器

在以下 4 个位置使用 CO2 监视器测量 CO2 水平：主要区域、视频工作室、走廊和洗手间。每个 CO2 监测器均由用于 AWS IoT EduKit 参考硬件的 M5Stack Core2 [3]、一个 NDIR CO2 传感器、2 个橙色迷你迷你面包板和一个 3D 打印外壳组成。

CO2 监测器每 10 秒将测量的 CO2 水平（以 ppm 为单位）发送到 AWS IoT Core。一旦 CO2 水平超过阈值600ppm ，显示颜色就会从绿色变为红色。

换气扇

由于厨房油烟机内的风扇足够强大，可以从空间的每个小开口吸入干净的空气，因此仅靠它就可以为整个空间通风。

如果任何测量位置的 CO2 水平超过 600ppm 超过 1 分钟，AWS IoT Events 会触发操作，并且 AWS IoT Core 会发布一条 MQTT 消息以打开风扇。一旦升高的二氧化碳水平恢复正常，物联网事件就会再次触发关闭风扇的操作。这样整个通风过程就完全自动化了。

风扇控制器

那么如何控制厨房油烟机内的风扇呢？有什么诀窍？

答案是另一个用于 AWS IoT EduKit 的 M5Stack Core2 位于厨房油烟机内并连接到风扇！它看起来与二氧化碳监测器几乎相同，但有一个 SSR 单元而不是二氧化碳传感器。

SSR 通过连接器连接到风扇的主板，而 EduKit 由 AC 100-240V 至 DC 5V 电源模块供电，该电源模块从厨房抽油烟机内的交流电源线汲取电流。快乐黑客！

仪表板

可以使用 AWS IoT SiteWise 控制面板实时查看测得的 CO2 水平。以防万一，CO2 水平也存储在 DynamoDB 中。

由于系统的动作阈值设置为 600ppm，因此 4 个测量点中任何一个的 CO2 水平很少超过 800ppm，这是 CDC 的推荐标准 [1]。

如何构建和设计注意事项

4 个二氧化碳监测器

避免使用超级便宜的 VOC 气体传感器，因为它们不是专门针对 CO2 的。我使用了一种相对便宜的、专门针对 CO2 的 NDIR（非色散红外）CO2 传感器 MH-Z19C [4]。该传感器需要 5V 电源并通过 UART（兼容 3.3V）输出传感器值。使用前不要忘记进行零点校准。

适用于 AWS IoT EduKit 的 M5Stack Core2 带有一个 UART 端口（端口 C：GND、5V、Tx、Rx）[5]，这使得该传感器成为完美的选择。我认为您可以轻松地为传感器设计一个自定义 HAT，因为端口位于 EduKit 的顶部。我使用 Fusion 360 创建了一个自定义 HAT 3d 模型和 .stl 文件，该文件包含在此项目中供您使用。

要连接 EduKit 和传感器，您可以使用 Grove 通用 4 针电缆。只需将一个切成两半并连接公压接销和黑色外壳。

就编程而言，我修改了AWS IoT EduKit 示例 - 基本 Arduino [6]，使其每 10 秒向 AWS IoT Core 发送如下所示的 MQTT 消息。

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

确保在 main.cpp（CO2 Monitors）中更改主题名称和 id。

风扇控制器

厨房油烟机通常配有强大的交流换气扇。如果您可以将此风扇集成到二氧化碳监测系统中，则可以完全自动化空间通风。因此，我使用SSR 套件[7] 和 EduKit 破解了风扇，以便可以使用来自 AWS IoT Core 的 MQTT 消息打开/关闭它。是的，将常规事物转变为支持 AWS IoT 的事物真的很有趣！

只需卸下控制面板电缆并将风扇控制器连接到风扇主板即可。不要忘记为厨房油烟机内的风扇控制器提供 5V 电压。我认为这个过程真的取决于你拥有的厨房油烟机型号。如果您需要帮助，请告诉我。

就编程而言，我为风扇控制器修改了AWS IoT EduKit 示例 - Basic Arduino [6]，以便它根据接收到的有效负载ditialWrites GPIO HIGH/LOW 。确保更改 main.cpp（风扇控制器）中的主题名称。

AWS 物联网核心

为 4 个 CO2 监测器设置总共 4 个规则，以将测量的 CO2 水平发送到

• AWS 物联网事件
• AWS IoT SiteWise
• 亚马逊动态数据库

有关详细信息，请参阅rule.json 。

您可以使用 AWS CLI 和 JSON 文件重新创建规则。确保根据需要更改主题名称、输入名称、属性别名、资产名称和表名称。

AWS 物联网事件

我使用 AWS IoT Events 有以下三个原因。

• 自然界中的传感器会为您提供瞬态的、异常高的、错误的值。
• 风扇不应该如此频繁地打开/关闭。
• 系统需要知道各个 CO2 监测器的状态。

设置具有NORMAL和VENT状态的探测器模型，并向通风风扇发送开启/关闭信号。

如果 4 个 CO2 监测器中的任何一个持续输出高于阈值 (600ppm) 的 CO2 水平超过 1 分钟，则检测器应从 NORMAL 切换到 VENT 并发送打开风扇消息，例如

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

一旦 CO2 水平低于阈值，检测器应从 VENT 切换到 NORMAL 并发送关闭风扇消息，例如

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

设置检测器模型时，您可以为每个唯一键值创建检测器，也可以创建单个检测器。我选择了前一个选项，因为有 4 个 CO2 监测器，我需要知道哪个 CO2 监测器处于哪个状态。确保每个 CO2 监测器都发布带有其唯一标识符（1、2、3 和 4）的消息。

在为风扇控制器编写代码时，不要忘记有 4 个检测器。否则，当一个 CO2 监测器从 VENT 切换到 NORMAL 而另一个仍处于 VENT 状态时，系统将失败。如果其中一个检测器处于 VENT 状态，请确保风扇保持打开状态。

顺便说一句，当您做饭需要打开风扇时，请从 AWS IoT Core 发送 {"vent": 1, "id": 0}。要关闭它，请发送 {"vent": 0 "id": 0}。

有关详细信息，请参阅input.json和detector-model.json 。

您可以使用 AWS CLI 和 JSON 文件重新创建检测器模型。

AWS IoT SiteWise

收集和存储物联网传感器数据比以往任何时候都更容易，但在数据可视化方面，仍然需要付出一些努力。因此，对于这个项目，我第一次尝试使用 AWS IoT SiteWise，我完全着迷于可视化传感器数据的简单程度。但请记住，每个仪表板用户每月花费 10 美元，我认为这是值得的。

我为空间建立了一个模型，它有 4 个测量定义，即主区域 CO2、视频演播室 CO2、走廊 CO2 和洗手间 CO2。该模型仅包含一项资产，即黑客空间。

详见model.json和assets.json 。

您可以使用 AWS CLI 和 JSON 文件重新创建模型和资产。

结论

我想我能够 通过结合 M5Stack AWS IoT EduKit 参考硬件、基本的发布/订阅操作以及一些与 IoT 相关的有趣 AWS 服务，将Akihabara Hackerspace变成降低 COVID-19 风险的“智能空间”之一！

我已经包含了为您重新创建项目所需的一切，我希望这个解决方案不仅可以帮助寻找自动通风系统的个人，还可以帮助组织线下活动的人。

最后，如果你有机会去东京，我们等你！！！

参考

[1]建筑物的通风

[2]用于降低 COVID-19 风险的室内 CO2 传感器：当前指导和限制

[3] AWS IoT EduKit

[4] MH-Z19C NDIR CO2 传感器

[5] M5Stack AWS EduKit 底部示意图

[6] AWS IoT EduKit 示例 - 基本 Arduino

[7] K-00203 SSR 套件