创客技术助力科学实验 | 24小时PM2.5浓度监测实验

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有项目演示视频，可移步公众号观看，

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【前言】

图1 新闻报道截图

前不久看到一则好消息（图1）——2021年，江西省空气质量整体优于国家二级标准，PM2.5年平均浓度为29微克/立方米。这也让我想起了在2021年11月曾经制作过一个空气质量检测仪，选取了几个地方检测PM2.5浓度，结果如图2所示。从中，能感知到本地的空气质量很不错。

图2  PM2.5浓度检测结果

当时，也曾想过做一个较长时间的空气质量监测实验，但是由于供电方案欠妥，实验只进行了几个小时，最后以失败告终。这次看到新闻报道后，又想继续完成实验，获知某天的PM2.5日平均浓度。现在正值春节假期，我们这除了县城禁止燃放烟花爆竹外，更大范围的乡镇和农村都没有禁止；而且，在外工作的返乡人员开车回来的很多，走亲访友使得车辆使用也更频繁。骤增的烟花燃放和汽车尾气排放一定会带来PM2.5浓度的上升，我也很想通过实验获得量化的结果。

当然，也希望给创客朋友们提供一个参考案例，用学过的创客技术去认识自然、了解我们生活的环境。

【实验平台搭建方案】

图3 实验平台搭建方案

1.将掌控板作为主控板，外接PM2.5空气质量传感器，作为数据采集端设备。其主要功能是每隔一段时间（本文以3分钟为例）采集一次PM2.5浓度数据，并通过Wi-Fi网络上传到物联网平台。它还具备简单的数据处理功能，能够统计出采集的样本数，并计算出平均值。

2.使用EasyIoT物联网平台作为数据存储和转发的服务器，只要进行注册登录和简单配置即可，还能自动生成折线统计图。

3.使用一台电脑作为数据显示端，以实时模式运行Mind+软件，连接到物联网平台获取数据，并对数据进行处理，将当前值、最大值、最小值、采集次数、平均值等信息显示在舞台上，并实时生成直方图。

【材料清单】

图4 硬件材料

（1）掌控板

（2）IO扩展板

（3）PM2.5空气质量传感器

（4）电源适配器

（5）USB数据线

（6）4P连接线

【实验平台搭建过程】

一、硬件连接

图5 硬件连接

1.将掌控板屏幕朝下，插入扩展板的插槽中。（注：该扩展板是为micro:bit设计的，掌控板的引脚顺序与micro:bit的正好相反，可以通用，但是需要反插。）

2.将PM2.5传感器接到I2C引脚，选择标识为“5V HuskyLens”的一组。（注：该款PM2.5传感器工作电压为5V，使用其他主控板和扩展板时需要满足这一要求。）

二、物联网平台配置

图6  EasyIoT物联网平台用户界面

登录EasyIoT物联网平台（网址：https://iot.dfrobot.com.cn/，没有账号的需要先注册），如图6所示，添加一个“PM2.5监测结果”的新设备，设置消息上限为10000条（也可按实际需求设置）。

三、编写程序
（一）数据采集端程序（掌控板）

图7 Mind+软件界面-上传模式

1. 打开Mind+软件，切换到“上传模式”（图7）。

图8 加载扩展模块

2. 点击左下角“扩展”按钮，依次添加【主控板-掌控板】、【网络服务-MQTT、Wi-Fi】、【用户库-空气质量传感器】扩展模块（图8）。

图9 数据采集端程序

3. 根据方案中预设的功能来编写程序，示例程序如图9所示。

图10 上传程序

4. 将主控板通过USB线连接到电脑，再将程序上传到主控板（图10），初步测试各个功能是否运行正常。

（二）数据显示端程序（电脑）

图11 Mind+软件界面-实时模式

1. 打开Mind+软件，切换到“实时模式”（图11）。

图12 加载扩展模块

2. 点击左下角“扩展”按钮，依次添加【网络服务-MQTT】、【功能模块-画笔】扩展模块（图12）。

图13 新建变量和列表

3. 新建变量“当前数值”、“平均数值”、“数据之和”、“样本数”、“最大值”、“最小值”、“a”，新建列表“PM2.5数据”，其中在变量“当前数值”、“平均数值”、“样本数”、“最大值”、“最小值”的积木前打上勾，使其显示在舞台上，通过鼠标拖拽进行排列，还可以编辑背景增加一个标题，如“24小时PM2.5浓度监测实验”（图13）。

图14 数据显示端程序（一）

4. 编写初始设置部分程序，包括初始化MQTT参数、初始化变量值、初始化画笔等指令，示例程序如图14所示。

图15 数据显示端程序（二）

5. 编写处理数据部分程序，包括求平均值、获取最大值、获取最小值、绘制直方图等指令，示例程序如图15所示。

图16 测试程序

6. 点击舞台左上角的绿旗按钮，运行程序（图16）。测试能否正常连接到物联网模块，各个变量值是否显示为初始值；启动数据采集端设备（掌控板），等待一段时间，看电脑端能否接收到数据，并能对数据进行正确处理。

四、外型设计

图17 外型示意图

1.为了达到更好的检测效果，PM2.5传感器需要在通风的环境中工作，而进行长时间的监测又需要一个能避免阳光直射和雨水淋洒的保护装置，所以检测仪的外型选择了常见的房子形状，并将四壁进行镂空处理（图17）。

图18 外型图纸

2.使用LaserMaker软件绘制外型图纸，绘好的图纸如图18所示。

图19 切割好的制件

3.使用激光切割机进行切割加工，为保证具有一定的防水性能，采用了亚克力材料，切割好的制件如图19所示。

五、组装成型

图20 组装亚克力件

1.将六块亚克力板组装好，使用亚克力胶水粘贴牢固（图20）0。

图21 安装扩展板

2.使用尼龙螺丝和六角柱将扩展板安装到“房子”内部一侧（图21）。

图22 安装PM2.5传感器

3.使用尼龙螺丝和六角柱将PM2.5传感器安装到“房子”内部另一侧（图22）。

图23 连接USB线

4.将USB线从预留孔中穿入“房子”，连接到扩展板的电源接口（图23）。

图24 插入电源适配器

5.将USB线的另一头插入电源适配器接口（图24）。

【24小时监测实验】

图25 放置数据采集设备

1.将PM2.5检测仪放置在高于2米以上的地方，接通电源（图25）。为了保障能长时间持续监测，建议通过电源适配器从家用电源插座取电。

图26 电脑端运行程序

2. 将运行数据显示端程序的电脑设置为永不休眠状态，打开程序，点击绿旗按钮启动程序（图26）。

图27 查看监测结果

3. 每隔一段时间查看一次监测结果，确保实验在正常进行（图27）。实验结束后，可通过截屏保存该次实验结果。

图28 物联网平台查看数据详情

4. 实验结束后，登录物联网平台，单击“工作间”标签，在“PM2.5监测结果”下找到“查看详情”按钮，单击按钮可进入详情页面。可进行导出数据电子表格、查看折线统计图、在线查看原始数据等操作（图28）。

图29 三天监测结果

5. 实验结果分析：笔者在居住的小区内进行了三天（2月6日—2月9日）的监测实验（图29），从结果看PM2.5浓度日平均值在31微克/立方米~43微克/立方米之间，高于全省年平均值，大多数数据也高于笔者之前在小区内检测过的数据，说明春节期间的空气质量确实比平时下降明显。这三天中有一天是阴天、有两天是雨天，雨天的空气质量明显优于阴天，晴天的结果还有待后续实验。

【总结与建议】

在这个实验中，计算平均值是核心目标，大家学习数学时都知道求平均数的公式：平均数=数据总和÷数据个数，但是在编程中可采用多种不同的算法来实现。本案例中就采用了两种不同的算法：（1）数据采集端（掌控板）上采用了如图30所示的算法，优点是计算效率高，不需要将所有数据存储下来，适合内存容量不大的主控板，缺点是计算误差会不断累积，最后的结果偏差可能较大。（2）数据显示端（电脑）上采用了如图31所示的算法，这个算法是最基本的算法，优点是好理解，计算结果偏差较小；但是运算量大，还需要将所有数据使用列表存储下来，对硬件有较高的要求，所以本案例中在电脑端使用了这种算法。

图30 数据采集端求平均数指令

图31 数据显示端求平均数指令

搭建好实验平台后，我们可以做更长时间的实验，以获得更多的数据，相信一定会有更多的发现。只利用制作的PM2.5检测仪，也可以单独进行很多的实验，比如：可以检测汽车排放尾气中的PM2.5浓度，或许你就会明白为什么要大力发展新能源汽车了；还可以测试一下各种口罩对PM2.5的过滤作用。总之，只要有了好的工具，我们就能去研究更多的问题，关键是要善于找到问题。

我们还可以举一反三，使用该实验的方法去搭建其他实验平台，去研究环境亮度、声音、温度、湿度等课题。

  

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