Автоматическая система проветривания помещения с использованием протокола MQTT и голосового помощника Яндекс Алиса

Высокий уровень углекислого газа делает помещение душным. Согласно Робертсону Д. С. [3] воздействие углекислого газа заключается в снижении значения рН сыворотки крови, приводящем к ацидозу. Минимальными последствиями ацидоза являются беспокойство и легкая гипертензия. По мере увеличения степени ацидоза следуют сонливость и спутанность сознания. Одним из последствий этих изменений является нежелание заниматься физической и умственной активностью [2, с. 405-410].

Недостаток кислорода и избыток углекислого газа могут оказывать отрицательное воздействие на организм, включая снижение умственной активности и отсутствие мотивации для физической активности. Чаще всего это происходит в закрытых помещениях с большим количеством людей (концерты, торговые центры, театры) или с недостаточной вентиляцией (учебные аудитории в университете, школьные кабинеты, рабочие офисы). Обеспечение хорошей вентиляции в помещениях и соблюдение санитарных норм являются важными аспектами для поддержания здоровья и комфорта.

В этой статье будет описана автоматическая система вентиляции помещения для «умной» комнаты.

Датчик углекислого газа на протоколе ZigBee

Один из важный компонентов системы является датчик углекислого газа. Для автоматической системы проветривания помещения предлагается использовать датчик углекислого газа, совместимый с протоколом ZigBee.

Выбор ZigBee в данном контексте обеспечивает безопасную, эффективную и стабильную связь между датчиком углекислого газа и системой автоматической проветривания, что является ключевым фактором для обеспечения точности и эффективности работы всей системы, а низкое энергопотребление позволит держать заряд на одной батарейке АА до 2 лет [1, с. 2].

В системе планируется использоваться следующая модель датчика: ZigBee CO2 Sensor. Основные характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1

Технические параметры датчика ZigBee CO2 Sensor

Пример топика для отправки данных на MQTT-сервер:

My_Home/Ventilation/Zigbee_CO2_Sensor/

Концентрация CO2 измеряется в частях на миллион. В статье «How Climate Change Is Ruining Our Indoor Air» [2, с. 405-410] автор утверждает, что многие из нас дома, в школе и на работе дышат воздухом, содержащим CO2, концентрация 1000 ppm. В плохо проветриваемых аудиториях и переполненных конференц-залах может достигать 2000 ppm, что значительно выше точки, когда воздух становится «душным», при 600 ppm [2, с. 405-410].

Микроконтроллер для автоматической системы проветривания

Для управления автоматической системой проветривания и интеграции с датчиком Zigbee CO2 предлагается использовать микроконтроллер. В данной системе будет использоваться микроконтроллер ESP32, ниже представлены его характеристики в виде таблицы 2.

Таблица 2

Технические параметры микроконтроллера ESP32

Пример топика для отправки команд на систему проветривания:

My_Home/Ventilation/Command_ON

Вышеупомянутые компоненты могут быть интегрированы для создания автоматической системы проветривания, способной измерять уровень углекислого газа и эффективно регулировать вентиляцию в помещении.

Голосовой помощник Яндекс Алиса

Система проветривания может быть интегрирована с API (Application Programming Interface) Яндекс Алиса, что позволит взаимодействовать с системой через голосовые команды.

Голосовое управление: Пользователи могут использовать голосовые команды для регулировки параметров проветривания, например, запросив увеличение или уменьшение интенсивности вентиляции. Преимущества интеграции с голосовым помощником в удобстве использования, так пользователи могут контролировать систему проветривания голосом, что делает взаимодействие с ней еще более удобным, а также повышение доступности, а именно, голосовое управление позволяет людям с ограниченными возможностями более легко взаимодействовать с системой.

Шлюз и MQTT

Шлюз представляет собой устройство, которое обеспечивает связь между различными сетями или протоколами. В контексте автоматизированных систем шлюз может служить интерфейсом между устройствами, работающими на различных технологиях связи. Он выполняет роль переводчика данных, обеспечивая совместимость и взаимодействие между устройствами.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) представляет собой протокол передачи сообщений, разработанный для эффективной коммуникации в условиях ограниченной пропускной способности сети. Он базируется на модели "издатель-подписчик" и позволяет устройствам отправлять и получать сообщения в режиме реального времени.

MQTT спокойно интегрируется к нашей системе вентиляции, потому что он разработан с ученым ограниченного энергопотребления, что важно для нашего датчика углекислого газа, работающего от батареек. Другое преимущество – это надежная доставка сообщений даже в условиях нестабильного соединения.

Интеграция с голосовым помощником Яндекс Алиса

Голосовое управление обеспечивает удобство использования без необходимости физического взаимодействия с устройством. Необходимо лишь настроить команды и функциональность, которые могут быть активированы через голосовые запросы. Так после настройки, пользователи могут использовать голосовые команды для управления системой проветривания. Например, «Алиса, открой окно» или «Алиса, уменьши интенсивность проветривания».

Голосовой помощник также может подтверждать выполнение команды пользователя голосовым ответом.

В Система проветривания может отправлять статусные сообщения на MQTT-сервер, информируя об изменениях (например, «Окно успешно закрыто»), тем самым обеспечив обратную связь с пользователем.

Отправка сообщений на сервер MQTT

Процесс приема сообщения от датчика углекислого газа с использованием MQTT по следующему алгоритму:

1. Датчик отправляет данные. Датчик углекислого газа настроен на отправку измеренных данных через протокол Zigbee.
2. Данные поступают на Шлюз. Шлюз принимает данные от датчика Zigbee и преобразует их в формат, понятный для MQTT.
3. Отправка данных по MQTT. Шлюз отправляет данные по протоколу MQTT на брокер (MQTT broker), который является посредником для передачи сообщений в системе.
4. Подписка(subscribe) микроконтроллера. Микроконтроллер ESP32 подписан на тот же топик MQTT, на который отправляются данные датчика углекислого газа.
5. Обработка данных микроконтроллером. Как только данные поступают, микроконтроллер обрабатывает информацию и, при необходимости, принимает решения о включении вентилятора или других действиях в системе проветривания.

Схема процесса включения вентилятора после получения сообщения от датчика CO2 или сообщение через голосовой помощник «Алиса» продемонстрирована ниже на рисунке 1.

Рис. 1. Протокол MQTT и взаимодействие устройств

Ниже представлен возможный чат через MQTT протокол (тема и сообщение):

• My_Home/Ventilation/Zigbee_CO2_Sensor/1000 ppm (сигнал от датчика СО2, 1000 ppm).
• My_Home/Ventilation/Alica/Voice_Command_ON (Алиса услышала команду для проветривания помещения, отправляет сообщение в шлюз).
• My_Home/Ventilation/Command_ON (сообщение от шлюза для системы вентиляции, что необходимо включать проветривание помещения).
• My_Home/Ventilation/Status_ON (система вентиляции изменила свое состояние на включение).

Использование MQTT в системе обеспечивает эффективный и гибкий механизм передачи данных, а также удобное управление и мониторинг автоматизированной системы проветривания помещения.

Выбор системы вентиляции

Существует два типа систем для вентиляции помещения, которую можно использовать: активную и пассивную.

Активная система проветривания основана на использовании механических устройств, таких как вентиляторы или системы кондиционирования воздуха (рис. 2), для активного обеспечения циркуляции и обмена воздуха в помещении. Эти системы позволяют точно регулировать воздушные параметры и обеспечивают надежный контроль над качеством воздуха внутри помещения.

Вентиляторы и кондиционеры позволяют поддерживать установленные температурные и влажностные режимы. Это особенно важно в условиях, где необходимо обеспечить оптимальные условия для здоровья, комфорта и работы электронного оборудования. Однако активная вентиляция требует больше электроэнергии для своей работы, что может повлечь за собой дополнительные расходы на содержание, а также установку и обслуживание данной системы.

Рис. 2. Системы кондиционирования воздуха являются примером активной вентиляции

Более бюджетный вариант – это пассивная вентиляция. Она опираются на естественные физические процессы, такие как конвекция и приток свежего воздуха через открытые окна с установленным механический приводом или специальные вентиляционные решетки. Пример пассивной вентиляции предоставлен на рисунке 3.

Рис. 3. «Умное окно» с приводом

Одним из главных преимуществ является их экологичность и отсутствие энергозатрат на приведение в действие. Пассивные системы часто более надежны и долговечны, поскольку они не требуют сложных механизмов. Их недостатком служит зависимость от природных условий, например, от направления ветра и температурных условий.

Если у вас уже есть установленная система проветривания помещения, можно рассмотреть вариант её модернизации.

Подводя итог, можно сказать, что высокая концентрация углекислого газа вредна для здоровья людей, поэтому помещения нуждаются в постоянном проветривании. Автоматическая система позволяет контролировать состояние воздуха и управлять системой вентиляции без вмешательства человека.

Система автоматического проветривания помещения с интеграцией MQTT-сервера и голосового помощника Яндекс Алиса представляет инновационное решение для эффективной и удобной вентиляции. Оборудованная сенсорами для измерения параметров воздуха, она реагирует на изменения внутренней среды, автоматически регулируя открытие и закрытие вентиляционных устройств. Это обеспечивает оптимальное качество воздуха, повышает комфорт и энергоэффективность, а также предоставляет пользователю возможность дистанционного и голосового управления вентиляцией в режиме реального времени.