#新物联网挑战二#+气象条件对大气粉尘污染的影响研究 简单

　　一、项目背景：

　　1.气象科学是研究大气中各种现象和变化的科学，包括大气的物理、化学和动力学性质，以及大气中各种现象的发生和演变规律。气象科学的主要研究对象是大气，包括大气中的温度、湿度、气压、风速、风向等因素，以及这些因素与人类活动的关系。

　　2.大气污染是指大气中包含有害物质，对人类健康和环境产生危害的现象。这些有害物质可能来自于各种不同的来源，如工业排放、交通尾气、农业活动等。

　　大气污染最重要的指标包括：污染物浓度、空气质量指数、污染物排放量等指标。而污染物浓度指标中的颗粒物含量，则是人们最熟悉、也是关注度最高的一项内容。

　　3.从主观上来讲，温度、湿度、气压、风速、风向等气象因素，应该对人们关注度最高的颗粒物污染具有一定的影响。通过调查身边的同事和朋友，得到以下的一些猜测：

　　（1）温度高了会加速大气粉尘的化学反应速率，使污染物的浓度升高？

　　（2）风速越大，污染物扩散和稀释的能力就越强？

　　（3）湿度高会使污染物的化学反应速率下降，还会使污染物吸附在水分子上，从而提高污染物的浓度？

　　（4）气压高让使污染物的浓度升高，从而加剧大气粉尘污染的程度？

　　……

　　为了验证以上的猜测，我们选择了室内、树林、十字路口、地下车库等环境，使用云雀气象仪、粉尘传感器、空气质量传感器等器材，来检测不同气象条件下大气中悬浮颗粒物的浓度，了解不同环境的空气质量状况，并探究气象条件对大气粉尘污染的影响。

 　　二、项目目标：

　　1.建立空气质量监测系统，包括硬件连接、软件编写、可视化界面的设计等。

　　2.确定适合项目研究的气象数据检测地点。

　　3.利用气象监测系统，在数据检测地点收集温度、湿度、风速、风向、空气质量等级、颗粒物浓度等数据。

　　4.通过数据分析，找出气象因素与颗粒物浓度之间的关系。

　　5.根据研究发现，提出具有应用价值作品的初步设计方案，并根据实际情况制作出作品原型。

　　三、项目步骤：

　　1.制作气象监测系统，硬件连接、程序编写、可视化界面设计。

　　2.确定监测地点：

　　根据数据收集的要求，在室内、树林、十字路口、地下车库等地点，进行大气悬浮颗粒物的数据检测。

　　3.采集数据：定期对各个监测站点进行空气质量采样，并记录气温、湿度、风速、风向等气象数据。重点对PM2.5等粉尘浓度数值进行实时监测。

　　4.数据分析：将采集到的数据进行整理和分析。

　　5.结论总结：根据对比各监测环境中的数据，尝试总结出温度、湿度、风速等气象因素对粉尘浓度的影响规律。

　　四、项目实施

　　（一）硬件连接

　　使用硬件：云雀气象仪、粉尘传感器、空气质量传感器、行空板、SCI采集模块

　　（二）程序编写

　　使用软件：Mind+可视化

　　1.Mind+程序代码：

　　2.SIOT V2平台主题添加：

　　3.代码：

#  -*- coding: UTF-8 -*-

# MindPlus

# Python

from pinpong.extension.unihiker import *

from pinpong.board import Board,Pin

from DFRobot_Atmospherlum import *

from dfrobot_rp2040_sci import *

from pinpong.board import Board

from unihiker import Audio

import siot

import time

Board().begin()

siot.init(client_id="16630799452687284",server="10.1.2.3",port=1883,user="siot",password="dfrobot")

u_audio = Audio()

siot.connect()

siot.loop()

yunque_i2c = DFRobot_Atmospherlum_I2C(0x42)

while (yunque_i2c.begin() != 0):

    print("yunque_i2c initialize failed!!")

    time.sleep(1)

print("Sensor initialize success!!")

yunque_i2c.set_local_time()

time.sleep(1)

SCI1 = DFRobot_RP2040_SCI_IIC(addr=0x21)

while SCI1.begin() != 0:

    print("Initialization Sensor Universal Adapter Board failed.")

    time.sleep(1)

print("Initialization Sensor Universal Adapter Board done.")

siot.getsubscribe(topic="siot/日期")

siot.getsubscribe(topic="siot/光线")

siot.getsubscribe(topic="siot/声音")

siot.getsubscribe(topic="siot/温度")

siot.getsubscribe(topic="siot/湿度")

siot.getsubscribe(topic="siot/温粉对照")

siot.getsubscribe(topic="siot/湿粉对照")

siot.getsubscribe(topic="siot/风粉对照")

siot.getsubscribe(topic="siot/风向")

siot.getsubscribe(topic="siot/风速")

siot.getsubscribe(topic="siot/气压")

siot.getsubscribe(topic="siot/AQI")

siot.getsubscribe(topic="siot/TVOC")

siot.getsubscribe(topic="siot/ECO2")

siot.getsubscribe(topic="siot/PM1")

siot.getsubscribe(topic="siot/PM25")

siot.getsubscribe(topic="siot/PM10")

while True:

    siot.publish(topic="siot/日期", data=time.strftime("%Y-%m-%d"))

    siot.publish_save(topic="siot/声音", data=u_audio.sound_level())

    siot.publish_save(topic="siot/光线", data=light.read())

    siot.publish_save(topic="siot/温度", data=(yunque_i2c.get_value("Temp")))

    siot.publish_save(topic="siot/湿度", data=(yunque_i2c.get_value("Humi")))

    siot.publish_save(topic="siot/温粉对照", data=(str((str((yunque_i2c.get_value("Temp"))) + str(","))) + str(SCI1.get_value1(SCI1.eALL,"PM2.5"))))

    siot.publish_save(topic="siot/湿粉对照", data=(str((str((yunque_i2c.get_value("Humi"))) + str(","))) + str(SCI1.get_value1(SCI1.eALL,"PM2.5"))))

    siot.publish_save(topic="siot/风粉对照", data=(str((str((yunque_i2c.get_value("speed"))) + str(","))) + str(SCI1.get_value1(SCI1.eALL,"PM2.5"))))

    siot.publish_save(topic="siot/风向", data=(yunque_i2c.get_value("dir")))

    siot.publish_save(topic="siot/风速", data=(yunque_i2c.get_value("speed")))

    siot.publish_save(topic="siot/气压", data=(yunque_i2c.get_value("Pressure")))

    siot.publish_save(topic="siot/AQI", data=SCI1.get_value1(SCI1.eALL,"AQI"))

    siot.publish_save(topic="siot/TVOC", data=SCI1.get_value1(SCI1.eALL,"TVOC"))

    siot.publish_save(topic="siot/ECO2", data=SCI1.get_value1(SCI1.eALL,"ECO2"))

    siot.publish_save(topic="siot/PM1", data=SCI1.get_value1(SCI1.eALL,"PM1.0"))

    siot.publish_save(topic="siot/PM25", data=SCI1.get_value1(SCI1.eALL,"PM2.5"))

    siot.publish_save(topic="siot/PM10", data=SCI1.get_value1(SCI1.eALL,"PM10"))

    time.sleep(1)

　　（三）数据收集

　　1.室内数据收集：

　　使用云雀气象仪、粉尘传感器、空气质量传感器、行空板、SCI采集模块，连续采集室内气象数据超过30分钟。

　　无风状态下，主要数据如上图

有风状态下，主要数据如上图

　　(1)在无风状态下，室内湿度为62.86RH，粉尘PM2.5的数据为19微克每立方米(μg/m³)。

　　在有风状态下，室内湿度变为69.56RH，粉尘PM2.5的数据变为27微克每立方米(μg/m³)。

　　（2）在有风和无风两种状态下，PM2.5的数据基本无大幅变化，一直保持在21-27微克每立方米(μg/m³)。

时长为半小时的PM2.5数据统计图

　　（3）在有风状态下，空气质量等级由3级变成了4级，估计是因为用风扇造成有风环境时，搅动了室内的灰尘导致室内悬浮颗粒物浓度升高。

　　（4）无风状态下，温度稍高，粉尘PM2.5的浓度数据为19μg/m³，明显低于温度低时的悬浮颗粒物浓度。

　　2.树林中数据收集：

　　3.十字路口数据收集：

　　4.地下车库数据收集：

　　五、总结发现：

　　通过在室内、树林、十字路口、地下车库等环境中进行气象条件和粉尘数值的收集，我们可以清晰地看出：

　　1.从气压角度观察：室内、树林、十字路口等环境中，气压值约为994kPa，粉尘浓度的均值分别在20μg/m³、13μg/m³、10μg/m³；地下车库环境中，气压值稍高，约为995kPa，粉尘浓度的均值，在66μg/m³。

　　2.从风速角度观察：在树林和十字路口等开放环境，风速均值高，分别在0.75m/s、1.64m/s，粉尘PM2.5浓度值在11μg/m³-13μg/m³之间。在室内、地下车库等封闭环境，基本无风，粉尘PM2.5浓度均值分别为20μg/m³、66μg/m³。无风的封闭环境中的粉尘PM2.5浓度明显高于有风的开放环境中的粉尘PM2.5浓度。

　　3.从温度方面观察：树林环境中温度为37摄氏度左右，粉尘PM2.5浓度均值13μg/m³。路口环境温度为38摄氏度左右，粉尘PM2.5浓度均值为11μg/m³。室内温度为28摄氏度左右，粉尘PM2.5浓度均值为20μg/m³。温度高的环境，粉尘PM2.5浓度明显低于温度低的环境。

　　4.从湿度方面观察：室内环境中湿度在63RH左右，粉尘PM2.5浓度均值20μg/m³。树林环境中湿度在49RH左右，粉尘PM2.5浓度均值13μg/m³。路口环境中湿度在45RH左右，粉尘PM2.5浓度均值11μg/m³。能看出，湿度高的环境，粉尘PM2.5浓度明显高于湿度低的环境。

　　通过以上发现，我们可以得到以下结论：

　　1.气压：气压低会使大气层不稳定，从而加速污染物的扩散和稀释。气压高会使污染物的浓度升高，从而加剧大气粉尘污染的程度。

　　2.风速：风速越大，污染物扩散和稀释的能力就越强。

　　3.温度：一方面，温度高会加速大气粉尘污染物的化学反应速率，使污染物的浓度降低；另一方面，温度低会使大气层稳定，不利于污染物的扩散和稀释，使污染物的浓度升高。

　　4.湿度：湿度对大气粉尘污染的影响主要体现在两个方面。一方面，湿度高会使污染物的化学反应速率下降，从而减缓大气粉尘污染的速度；另一方面，湿度高会使污染物吸附在水分子上，从而降低污染物的浓度。

　　同时，我们也应该看到粉尘PM2.5颗粒物的浓度，不是由一种气象条件的影响所决定，是受多种气象因素共同影响的结果。

　　六、畅想应用、设计作品

　　根据气象条件对粉尘颗粒物的影响，我们可以设计一个简易的作品：风动净化器，让航天员用在空气流动性差的空间站，来降低空气中悬浮颗粒物浓度。

　　1.设计概述：

　　利用风扇风力将空气中的PM2.5等有害物质吹散，同时通过过滤系统将污染物去除，达到净化空气的效果。

　　2.设计细节：

　　（1）风力驱动：风动净化器采用通过一个大型的风扇提供动力源，将风力集中并引导至过滤系统中。这个风扇可以通过电动或手动方式调整转速，以适应不同风力环境。

　　（2）过滤系统：风动净化器采用多层过滤网的设计，包括活性炭过滤网和生物膜过滤网等。这些过滤网可以有效地去除空气中的微小颗粒物、有害气体和微生物等。

　　（3）智能监控：风动净化器可以与手机或其他智能设备连接，通过APP实时显示空气质量数据和净化效果。此外，它还可以设置自动模式，根据空气质量自动调整风扇转速和过滤网的更换周期。

　　（4）环保能源：风动净化器采用太阳能和风能结合的方式进行充电和运行，以降低能源消耗并减少对环境的影响。

　　3.设计优势：

　　（1）环保能源的采用可以降低对环境的影响，实现可持续的发展。
　　（2）多层过滤网的设计可以提高净化效果，有效地去除多种污染物。
　　（3）智能监控可以让用户随时了解空气质量和净化效果，同时实现自动化运行，减少使用成本。

　　4.设计延伸：

　　为了提高用户体验和满足不同需求，可以设计不同大小的型号，并加入音乐播放、香薰等功能，让风动净化器不仅具有功能性的作用，同时也是一件生活艺术品。