學(xué)習(xí)背景

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車數(shù)量逐漸增多，尾氣排放對(duì)環(huán)境的污染也越來越嚴(yán)重。人們經(jīng)常依靠感官判斷空氣質(zhì)量的優(yōu)劣，認(rèn)為城區(qū)馬路邊的空氣質(zhì)量不好，山上樹林里的空氣質(zhì)量好。但這種判斷不夠精確，因此我們需要用科學(xué)的方法，使用傳感器來監(jiān)測(cè)環(huán)境質(zhì)量，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后進(jìn)行對(duì)比分析，從而驗(yàn)證我們的判斷。

本項(xiàng)目是一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，需要學(xué)生通過傳感器監(jiān)測(cè)城區(qū)馬路邊和山上樹林里的環(huán)境質(zhì)量，并把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用于后期進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

項(xiàng)目規(guī)劃的監(jiān)測(cè)點(diǎn)安排：首先監(jiān)測(cè)城區(qū)馬路邊的環(huán)境質(zhì)量，然后監(jiān)測(cè)山上樹林里的環(huán)境質(zhì)量，最后監(jiān)測(cè)山腳下馬路邊的環(huán)境質(zhì)量。

教學(xué)目標(biāo)

1.通過實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，熟練掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和下載。

2.學(xué)會(huì)基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)可視化面板進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

3.能夠?qū)ο螺d的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，并繪制匯總圖表。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到MQTT服務(wù)器。

教學(xué)難點(diǎn)：測(cè)試并調(diào)試實(shí)驗(yàn)步驟，解決測(cè)試中出現(xiàn)的各種問題。

教學(xué)準(zhǔn)備

一、實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備（每組器材清單）

行空板×1；Gravity相關(guān)組件：SCI采集模塊×1，I2C氧氣濃度傳感器（0～25%Vol）×1，ENS160空氣質(zhì)量傳感器×1，SHT31-F數(shù)字溫濕度傳感器×1；按鍵模塊×1；移動(dòng)實(shí)驗(yàn)電源×1。

二、軟件準(zhǔn)備

Mind+最新版本（V1.8.0及以上版本）。

教學(xué)過程

一、項(xiàng)目導(dǎo)入

師：在生活中，我們經(jīng)常會(huì)聽到人們說“山上的空氣真好”。那么，我們?nèi)绾闻袛嗌缴蠘淞掷锏沫h(huán)境質(zhì)量更優(yōu)呢？如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)得出山上樹林里環(huán)境質(zhì)量好的結(jié)論呢？

學(xué)生分組討論。

師：今天我們就來做一個(gè)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目。本項(xiàng)目有三個(gè)要點(diǎn)，一是確定環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)地點(diǎn)，即選取哪幾個(gè)地點(diǎn)的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比；二是確定我們需要獲取哪些與環(huán)境質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)；三是確定需要使用哪些傳感器獲取實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)。

二、項(xiàng)目規(guī)劃和設(shè)計(jì)

學(xué)生在項(xiàng)目規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)需要明確以下四點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)的目的及實(shí)驗(yàn)要達(dá)成的目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)流程規(guī)劃，實(shí)驗(yàn)器材清單（器材清單已經(jīng)下發(fā)給學(xué)生），程序規(guī)劃。

學(xué)生根據(jù)以上四點(diǎn)，以小組合作的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃和設(shè)計(jì)并執(zhí)行，在實(shí)驗(yàn)過程中師生進(jìn)行交流討論。

三、項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)裝置的搭建和程序編寫

1.搭建環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置

學(xué)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(zhì)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(xiàng)目主要包括物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)置、行空板編程和可視化面板設(shè)計(jì)。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)置 學(xué)生將電腦與行空板連接，在瀏覽器中輸入10.1.2.3，進(jìn)入行空板管理頁面，再進(jìn)入SIoT管理后臺(tái)，建立六個(gè)實(shí)驗(yàn)主題。

行空板編程 行空板的程序主要分初始化MQTT、數(shù)據(jù)顯示更新和數(shù)據(jù)發(fā)送三個(gè)部分。首先，學(xué)生需要先添加相關(guān)的擴(kuò)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(zhì)量傳感器數(shù)據(jù)）、SHT31-F數(shù)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(xué)生編寫循環(huán)執(zhí)行程序，更新屏幕顯示內(nèi)容，編寫好后運(yùn)行測(cè)試，檢測(cè)數(shù)據(jù)是否正確。循環(huán)執(zhí)行部分程序截圖如圖3所示。

最后，學(xué)生需要在循環(huán)執(zhí)行程序中加入判斷語句，實(shí)現(xiàn)當(dāng)按下按鈕后，MQTT發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)到指定的主題，并存入數(shù)據(jù)庫。需要注意的是，除了使用按鈕觸發(fā)程序，也可以采用程序定時(shí)發(fā)送的方法。程序編寫完成后，學(xué)生運(yùn)行程序測(cè)試，并打開SIoT管理后臺(tái)，查看主題數(shù)據(jù)是否在更新。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送部分程序截圖如圖4所示。

可視化面板設(shè)計(jì) 可視化面板可以使數(shù)據(jù)顯示更直觀、更清晰、效果更好。學(xué)生可通過Mind+軟件的可視化面板功能，根據(jù)需求設(shè)計(jì)一個(gè)可視化面板，如圖5所示。

學(xué)生完成以上編程和測(cè)試后，斷開行空板與電腦的連接，采用實(shí)驗(yàn)電源供電，并配備一個(gè)元件盒模擬環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

四、數(shù)據(jù)采集

學(xué)生制作完成環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置后，就可以采集數(shù)據(jù)了。

我們首先選取一個(gè)城區(qū)馬路邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)最好與樹林有一定距離。學(xué)生到達(dá)城區(qū)馬路邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，需要找一個(gè)安全且靠近機(jī)動(dòng)車道的位置，如公交站牌處，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。收集完成后，學(xué)生重復(fù)操作，監(jiān)測(cè)山上樹林里及山腳下馬路邊環(huán)境數(shù)據(jù)。城區(qū)馬路邊、山上樹林里、山腳下馬路邊環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別如圖6、圖7、圖8所示。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)全部收集完畢后，學(xué)生回到學(xué)校下載數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)。學(xué)生登錄行空板后臺(tái)，下載SIoT數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理，并繪制折線圖來觀察數(shù)據(jù)變化。關(guān)于空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)等級(jí)參考，學(xué)生可以查閱教師提前發(fā)放的資料文檔。

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過數(shù)據(jù)折線圖和對(duì)應(yīng)等級(jí)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(zhì)量最優(yōu)；山腳下馬路邊和城區(qū)馬路邊溫度呈遞增趨勢(shì)，濕度呈遞減趨勢(shì)，二者氧氣濃度相差不大，但均低于山上樹林里。

由于實(shí)驗(yàn)當(dāng)天空氣質(zhì)量非常好，而且風(fēng)力較大，所以，雖然對(duì)比之下，山上樹林里空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于城區(qū)馬路邊空氣質(zhì)量，但是總體差距不大。這也說明當(dāng)前城市環(huán)境建設(shè)工作做得非常好，我們要繼續(xù)做到低碳環(huán)保，倡導(dǎo)綠色出行。

呂啟剛

浙江省舟山市定海小學(xué)教育集團(tuán)昌東校區(qū)信息科技教師，之江匯教育廣場(chǎng)省級(jí)講師團(tuán)講師，舟山市“科技與教學(xué)融合應(yīng)用聯(lián)盟”優(yōu)秀講師。從事創(chuàng)客教學(xué)多年，開發(fā)的多門創(chuàng)客拓展性課程在省、市級(jí)評(píng)比中獲獎(jiǎng)，輔導(dǎo)學(xué)生參加電腦制作比賽、機(jī)器人比賽和科技節(jié)比賽，并取得出色成績(jī)。