不同地點環境質量監測對比實驗

學習背景

隨著社會的發展，汽車數量逐漸增多，尾氣排放對環境的污染也越來越嚴重。人們經常依靠感官判斷空氣質量的優劣，認為城區馬路邊的空氣質量不好，山上樹林里的空氣質量好。但這種判斷不夠精確，因此我們需要用科學的方法，使用傳感器來監測環境質量，獲取相關數據后進行對比分析，從而驗證我們的判斷。

本項目是一個對比實驗，需要學生通過傳感器監測城區馬路邊和山上樹林里的環境質量，并把監測到的數據上傳到物聯網平臺，用于后期進行數據對比分析。

項目規劃的監測點安排：首先監測城區馬路邊的環境質量，然后監測山上樹林里的環境質量，最后監測山腳下馬路邊的環境質量。

教學目標

1.通過實驗得到數據，熟練掌握實驗數據的存儲和下載。

2.學會基于物聯網平臺對可視化面板進行設計和應用。

3.能夠對下載的實驗數據進行簡單的分析，并繪制匯總圖表。

教學重點與難點

教學重點：將傳感器數據發送到MQTT服務器。

教學難點：測試并調試實驗步驟，解決測試中出現的各種問題。

教學準備

一、實驗器材準備（每組器材清單）

行空板×1；Gravity相關組件：SCI采集模塊×1，I2C氧氣濃度傳感器（0～25%Vol）×1，ENS160空氣質量傳感器×1，SHT31-F數字溫濕度傳感器×1；按鍵模塊×1；移動實驗電源×1。

二、軟件準備

Mind+最新版本（V1.8.0及以上版本）。

教學過程

一、項目導入

師：在生活中，我們經常會聽到人們說“山上的空氣真好”。那么，我們如何判斷山上樹林里的環境質量更優呢？如何實現精準監測得出山上樹林里環境質量好的結論呢？

學生分組討論。

師：今天我們就來做一個環境質量監測的項目。本項目有三個要點，一是確定環境質量監測地點，即選取哪幾個地點的環境質量進行對比；二是確定我們需要獲取哪些與環境質量相關的數據；三是確定需要使用哪些傳感器獲取實驗所需數據。

二、項目規劃和設計

學生在項目規劃和設計時需要明確以下四點：實驗的目的及實驗要達成的目標，實驗流程規劃，實驗器材清單（器材清單已經下發給學生），程序規劃。

學生根據以上四點，以小組合作的形式進行實驗項目規劃和設計并執行，在實驗過程中師生進行交流討論。

三、項目實驗裝置的搭建和程序編寫

1.搭建環境監測實驗裝置

學生需要將手上的各類傳感器接入行空板，由于IIC接口不夠用，改換SCI采集模塊，把I2C氧氣濃度傳感器和ENS160空氣質量傳感器接入SCI采集模塊。具體接線示意圖如圖1所示。

2.編寫程序

本項目主要包括物聯網平臺設置、行空板編程和可視化面板設計。

物聯網平臺設置 學生將電腦與行空板連接，在瀏覽器中輸入10.1.2.3，進入行空板管理頁面，再進入SIoT管理后臺，建立六個實驗主題。

行空板編程 行空板的程序主要分初始化MQTT、數據顯示更新和數據發送三個部分。首先，學生需要先添加相關的擴展模塊，包括MQTT、SCI采集模塊（包含I2C氧氣濃度傳感器和ENS160空氣質量傳感器數據）、SHT31-F數字溫濕度傳感器，初始化MQTT部分程序截圖如圖2所示。

然后，學生編寫循環執行程序，更新屏幕顯示內容，編寫好后運行測試，檢測數據是否正確。循環執行部分程序截圖如圖3所示。

最后，學生需要在循環執行程序中加入判斷語句，實現當按下按鈕后，MQTT發送傳感器數據到指定的主題，并存入數據庫。需要注意的是，除了使用按鈕觸發程序，也可以采用程序定時發送的方法。程序編寫完成后，學生運行程序測試，并打開SIoT管理后臺，查看主題數據是否在更新。實驗數據發送部分程序截圖如圖4所示。

可視化面板設計 可視化面板可以使數據顯示更直觀、更清晰、效果更好。學生可通過Mind+軟件的可視化面板功能，根據需求設計一個可視化面板，如圖5所示。

學生完成以上編程和測試后，斷開行空板與電腦的連接，采用實驗電源供電，并配備一個元件盒模擬環境監測進行數據收集。

四、數據采集

學生制作完成環境監測實驗裝置后，就可以采集數據了。

我們首先選取一個城區馬路邊監測點，該監測點最好與樹林有一定距離。學生到達城區馬路邊監測點后，需要找一個安全且靠近機動車道的位置，如公交站牌處，進行數據收集。收集完成后，學生重復操作，監測山上樹林里及山腳下馬路邊環境數據。城區馬路邊、山上樹林里、山腳下馬路邊環境監測數據分別如圖6、圖7、圖8所示。

五、實驗數據分析

數據全部收集完畢后，學生回到學校下載數據并分析數據。學生登錄行空板后臺，下載SIoT數據，對數據進行匯總整理，并繪制折線圖來觀察數據變化。關于空氣質量的數據對應等級參考，學生可以查閱教師提前發放的資料文檔。

六、實驗結論

通過數據折線圖和對應等級參考我們可以看出：山上樹林里的溫度、濕度及氧氣濃度最高，空氣質量最優；山腳下馬路邊和城區馬路邊溫度呈遞增趨勢，濕度呈遞減趨勢，二者氧氣濃度相差不大，但均低于山上樹林里。

由于實驗當天空氣質量非常好，而且風力較大，所以，雖然對比之下，山上樹林里空氣質量優于城區馬路邊空氣質量，但是總體差距不大。這也說明當前城市環境建設工作做得非常好，我們要繼續做到低碳環保，倡導綠色出行。

呂啟剛

浙江省舟山市定海小學教育集團昌東校區信息科技教師，之江匯教育廣場省級講師團講師，舟山市“科技與教學融合應用聯盟”優秀講師。從事創客教學多年，開發的多門創客拓展性課程在省、市級評比中獲獎，輔導學生參加電腦制作比賽、機器人比賽和科技節比賽，并取得出色成績。