不同地点环境质量监测对比实验

学习背景

随着社会的发展，汽车数量逐渐增多，尾气排放对环境的污染也越来越严重。人们经常依靠感官判断空气质量的优劣，认为城区马路边的空气质量不好，山上树林里的空气质量好。但这种判断不够精确，因此我们需要用科学的方法，使用传感器来监测环境质量，获取相关数据后进行对比分析，从而验证我们的判断。

本项目是一个对比实验，需要学生通过传感器监测城区马路边和山上树林里的环境质量，并把监测到的数据上传到物联网平台，用于后期进行数据对比分析。

项目规划的监测点安排：首先监测城区马路边的环境质量，然后监测山上树林里的环境质量，最后监测山脚下马路边的环境质量。

教学目标

1.通过实验得到数据，熟练掌握实验数据的存储和下载。

2.学会基于物联网平台对可视化面板进行设计和应用。

3.能够对下载的实验数据进行简单的分析，并绘制汇总图表。

教学重点与难点

教学重点：将传感器数据发送到MQTT服务器。

教学难点：测试并调试实验步骤，解决测试中出现的各种问题。

教学准备

一、实验器材准备（每组器材清单）

行空板×1；Gravity相关组件：SCI采集模块×1，I2C氧气浓度传感器（0～25%Vol）×1，ENS160空气质量传感器×1，SHT31-F数字温湿度传感器×1；按键模块×1；移动实验电源×1。

二、软件准备

Mind+最新版本（V1.8.0及以上版本）。

教学过程

一、项目导入

师：在生活中，我们经常会听到人们说“山上的空气真好”。那么，我们如何判断山上树林里的环境质量更优呢？如何实现精准监测得出山上树林里环境质量好的结论呢？

学生分组讨论。

师：今天我们就来做一个环境质量监测的项目。本项目有三个要点，一是确定环境质量监测地点，即选取哪几个地点的环境质量进行对比；二是确定我们需要获取哪些与环境质量相关的数据；三是确定需要使用哪些传感器获取实验所需数据。

二、项目规划和设计

学生在项目规划和设计时需要明确以下四点：实验的目的及实验要达成的目标，实验流程规划，实验器材清单（器材清单已经下发给学生），程序规划。

学生根据以上四点，以小组合作的形式进行实验项目规划和设计并执行，在实验过程中师生进行交流讨论。

三、项目实验装置的搭建和程序编写

1.搭建环境监测实验装置

学生需要将手上的各类传感器接入行空板，由于IIC接口不够用，改换SCI采集模块，把I2C氧气浓度传感器和ENS160空气质量传感器接入SCI采集模块。具体接线示意图如图1所示。

2.编写程序

本项目主要包括物联网平台设置、行空板编程和可视化面板设计。

物联网平台设置 学生将电脑与行空板连接，在浏览器中输入10.1.2.3，进入行空板管理页面，再进入SIoT管理后台，建立六个实验主题。

行空板编程 行空板的程序主要分初始化MQTT、数据显示更新和数据发送三个部分。首先，学生需要先添加相关的扩展模块，包括MQTT、SCI采集模块（包含I2C氧气浓度传感器和ENS160空气质量传感器数据）、SHT31-F数字温湿度传感器，初始化MQTT部分程序截图如图2所示。

然后，学生编写循环执行程序，更新屏幕显示内容，编写好后运行测试，检测数据是否正确。循环执行部分程序截图如图3所示。

最后，学生需要在循环执行程序中加入判断语句，实现当按下按钮后，MQTT发送传感器数据到指定的主题，并存入数据库。需要注意的是，除了使用按钮触发程序，也可以采用程序定时发送的方法。程序编写完成后，学生运行程序测试，并打开SIoT管理后台，查看主题数据是否在更新。实验数据发送部分程序截图如图4所示。

可视化面板设计 可视化面板可以使数据显示更直观、更清晰、效果更好。学生可通过Mind+软件的可视化面板功能，根据需求设计一个可视化面板，如图5所示。

学生完成以上编程和测试后，断开行空板与电脑的连接，采用实验电源供电，并配备一个元件盒模拟环境监测进行数据收集。

四、数据采集

学生制作完成环境监测实验装置后，就可以采集数据了。

我们首先选取一个城区马路边监测点，该监测点最好与树林有一定距离。学生到达城区马路边监测点后，需要找一个安全且靠近机动车道的位置，如公交站牌处，进行数据收集。收集完成后，学生重复操作，监测山上树林里及山脚下马路边环境数据。城区马路边、山上树林里、山脚下马路边环境监测数据分别如图6、图7、图8所示。

五、实验数据分析

数据全部收集完毕后，学生回到学校下载数据并分析数据。学生登录行空板后台，下载SIoT数据，对数据进行汇总整理，并绘制折线图来观察数据变化。关于空气质量的数据对应等级参考，学生可以查阅教师提前发放的资料文档。

六、实验结论

通过数据折线图和对应等级参考我们可以看出：山上树林里的温度、湿度及氧气浓度最高，空气质量最优；山脚下马路边和城区马路边温度呈递增趨势，湿度呈递减趋势，二者氧气浓度相差不大，但均低于山上树林里。

由于实验当天空气质量非常好，而且风力较大，所以，虽然对比之下，山上树林里空气质量优于城区马路边空气质量，但是总体差距不大。这也说明当前城市环境建设工作做得非常好，我们要继续做到低碳环保，倡导绿色出行。

吕启刚

浙江省舟山市定海小学教育集团昌东校区信息科技教师，之江汇教育广场省级讲师团讲师，舟山市“科技与教学融合应用联盟”优秀讲师。从事创客教学多年，开发的多门创客拓展性课程在省、市级评比中获奖，辅导学生参加电脑制作比赛、机器人比赛和科技节比赛，并取得出色成绩。