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你家的空气还好吗?手把手教你进行物联网和空气质量监测

admin 2018-12-4 13:26 292人围观 前沿技术

在过去的几周里,北加州的坎普野火(Camp Fire)和南加州的伍尔西山火(Woolsey Fire)到处肆虐。

造成了天堂镇等地区发生悲惨事件,加利福尼亚州的消防员再次承担着遏制和扑灭山火的重任,然而却没有人可以遏制危险的野火浓烟的传播。

烟雾到达旧金山的时侯我并不在城里,但几天后回来时,空气中的烟味很重。去年我曾经写过一篇名为“2017年是加州火灾之年”的文中,文中讨论了我用来收集和分析空气质量数据的工具。这次我会再次使用这些工具来分析我家内外的空气质量。

你家的空气还好吗?手把手教你进行物联网和空气质量监测

旧金山国际机场(SFO),空气中的烟雾明显可见

空气质量基础知识

空气质量用空气质量指数(AQI)来衡量。AQI反映了空气中直径2.5和10微米颗粒的浓度,通常称为PM2.5和PM10。 “PM”代表“颗粒物质”。

一般来说,PM2.5是野火期间观测的关键指标,因为这些小颗粒是由燃烧产生的。这些微小颗粒将长时间停留在空气中,可深入渗透肺部,严重损害肺功能。PM10颗粒也是有害的,但它们只能到达肺部(PM2.5可以直接进入你的血液)。

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颗粒物质大小。图片来源:EPA.gov

美国环境保护署(EPA)维护着一个叫AirNow的网站,该网站追踪全美的AQI,并给出空气质量从“良好”到“危险”等级的提示。空气质量由EPA(和其他机构)通过部署在全国各地的传感器测量而得。近年来,这些传感器已经商品化,允许公众建立自己的测量系统。PurpleAir已成为这些传感器的热门供应商,提供具有微型激光器的低端版本。

这些传感器将空气质量数据上传到公司网站,并通过地图形式展示了数千个地点的空气质量。如果你之前已经听过“物联网”这个术语,那么这张地图就充分展示了这种利用此类信息的方法。

初始数据采集

我有两个可以监测PM2.5的PurpleAir传感器:PA-I-Indoor和PA-II Outdoor。自去年的火灾发生,也就是2017年10月以来,我就已经开始使用它们。根据这些测量数据,我购买了几个HEPA过滤器,以保持家中的空气不含颗粒物质。

这些空气传感器非常敏感,他们不仅可以检测野火,还可以检测普通家用电器导致的空气质量变化。在我开始使用室内传感器后不久,我发现我的超声波加湿器产生了大量的PM2.5。当使用吹风机或在烤箱中燃烧某些东西时,它们也会检测到空气质量的变化。因此,如果你决定监测室内空气质量,并且发现看似无害的日常活动对空气的影响比你想象的要糟,请不要感到惊讶。

当我不在家时,我会关掉HEPA过滤器以省电。我以为我的房子密封得很好,任何颗粒都进不去。但我错了。

根据传感器读数,我可以看到当我准备走进家门时的AQI水平。外面的空气质量指数是284,绝对处于'非常不健康'的范围内,而我家里的空气 - 自火灾以来一直处于密闭状态 - 是AQI 158,处于'不健康'范围。

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回家后的室外(284)和室内(158)空气质量指数(AQI)读数。室内空气处于“不健康”区域。图像来源:PurpleAir Map

清洁空气

当务之急是打开我的HEPA过滤器并跟踪室内AQI,直到室内的空气污染降到安全水平。将AQI水平降低至黄色需要一个小时,然后再过30分钟左右才能使其变为绿色。

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HEPA过滤器花了一小时将室内AQI从“不健康”降至“温和”水平。 图像来源:PurpleAir.com

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当空气质量差时,室内传感器显示为红灯。当空气质量好时,它会变为绿色,这时AQI在大约50以下。

一旦室内空气质量上升到AQI小于50,我就把注意力转向分析传感器数据。我想要回答以下问题:

1.在室外空气很糟糕的情况下,HEPA过滤器在保持室内空气清洁时效果如何?

2.我的车库里也有一个HEPA过滤器; 它和室内的一样有效吗?

3.室外的空气质量有多糟糕?它和新闻、社交媒体上的传闻一致吗?

4.PurpleAir传感器数据如何与旧金山湾区空气质量管理区公布的传感器数据进行比较?

为解答这些问题,我用Circonus将收集的PM2.5和PM10数据展示为直方图。用户能够通过Circonus监控系统直接从IOT设备以及网站或其他技术基础设施收集数据。Circonus能够从大部分常见文件格式中提取数据,也就基本能兼容所有的设备。我也就能够通过Circonus制作可视化热力图,从而对数据进行统计分析。

上帝说,要有数据

传感器24小时收集数据,我将室内外传感器的数据收集情况展示在一张热力图中,如下所示。绿线表示室外传感器,蓝线表示室内传感器。

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图片展示了SF湾区空气质量最差的24小时。室外传感器用绿色展示,室内以蓝色展示。

Y轴表示AQI等级(对数刻度)。PM2.5粒子数和AQI之间并非线性关系,因此采用对数刻度会有最好的可视化效果。

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AQI等级、说明以及对应颜色。图片来源:AirNow.gov

有了这张可视化热力图,问题的答案就清楚了:

问题一:HEPA空气净化的效果

关于室内HEPA空气净化器的效果可以用这张热力图来解答。整张图里蓝线(室内AQI)几乎都低于AQI中位水平(黄线)。这说明,HEPA空气净化器对我的房子来说覆盖率是足够了。室内空气质量,甚至在室外AQI等级达到危险等级(后面再展开讨论)时也保持良好。由于我房子比较老旧,不像新房子或大部分高层建筑那样密封性好,空气净化器还得与漏进来的室外空气相抗争。

问题二:车库空气健康吗?

我的车库里同样放了个HEPA空气净化器,我也想知道它的工作状态是否有效。车库中有几个地方能够与外部空气进行交换,特别是卷闸门边缘的地方。为了对车库空气质量进行测量,我把房子里的传感器在车库里放了几小时。在热力图里,我使用批注(顶部用粗的蓝色水平线圈出来了)来表示传感器在车库里的时间段。

热力图清晰地显示:车库空气质量在橙色(AQI等级:对敏感人群而言不健康)和红色(AQI等级:不健康)之间。仔细观察,你会发现中间有个波动,因为这个时间段里我开了会儿车库门。车库空气质量比室外好一些,但比室内差。

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当室内传感器移到车库,AQI等级从良好跌至不健康。

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注意当车库门打开时AQI水平的细微波动(顶部用黄线批注)

问题三:外面的空气到底有多差?

总的来说,外面的空气可以说是有史以来最可怕的。室外传感器在2018年11月16日约下午2点时留下了最高的记录:每立方米288微克,对应的AQI水平大约是336,超出AQI危险级别约10%。我还只在弄烧烤的时候见过几次这样的记录。基于数据结果:室外空气质量基本就像到处都有人在烧烤。

问题四:我的传感器数据如何与政府AQI地图相比较?

湾区空气质量管理局(BAAQMD)在SF湾区布满了高端传感器, 给各种政府机构发送报告. 11月16号下午2点时, 官方播报的AQI最高值为271. Emm,怎么他们的数据是271, 但我测出来了AQI336???

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室外的PurpleAir传感器在2018年11月16日下午2:30测出每立方米287.5微克(AQI值约为336)

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湾区空气质量管理局在2018年11月16日的报告. 图片来源: BAAQMD

湾区空气质量管理局(BAAQMD)在旧金山有一个空气质量传感器, 在湾区各处也布了不少. 此外, 在旧金山也布了一些由IOT迷们监测的PurpleAir的传感器, 也就是我用的那款.

PurpleAir传感器的数据读取存在上下50个AQI数值的误差, 但是PurpleAir宣称他们家产品跟市面上其它的激光传感器的精确度是相差不大的. 两者AQI数值差异的一个可能的解释是旧金山当地的丘陵结构和微气候有所差异. 在BAAQMD布了传感器的地方用PurpleAir传感器做实验也许能更好地回答问题四.

数据科学适用于所有人

科技的民主化带来了数据的民主化. 物联网为发烧友们提供了多年前只供给科学家们的工具, 此外还有由这些工具收集的众包数据的加成效果. 终端用户只需要付价值几百块的传感器, 拉好网, 就能获得这些监控生态环境数据的工具. 有了这些智能化监控设备, 我们就能对我们生活的世界提出问题并予以解答.


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来自: 大数据文摘
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