用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探究一天中什么時候最熱

謝作如 張喻

“一天中什么時候最熱，什么時候最冷？”這是一個困擾了我們很久的問題。為什么在晴朗的日子里，最熱的時候不是正午十二點，而是在午后的二、三點鐘？明明中午的太陽是垂直地射向地面，應(yīng)該是最熱的時候啊！雖然中學(xué)的地理課本中已經(jīng)提供了明確的答案，從太陽輻射和空氣對流等角度進行了分析，但“眼見為實，耳聽為虛”，這一結(jié)論畢竟不是動手實踐、探究所得到的結(jié)果，也沒有得到驗證——我們并沒有看到一天的真實氣溫分布數(shù)據(jù)。

其實，要做到用“數(shù)據(jù)說話”也并非難事，只要有一個簡易的氣溫采集裝置（最好有氣象站設(shè)備，如圖1），能夠定時記錄一天中的氣溫變化情況，然后分析這些數(shù)據(jù)，就能得到一個明確的答案。在智能硬件的支持下，定時采集數(shù)據(jù)并不困難，而要做到遠程采集室外的氣溫，那就得借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)了。

● 定時檢測氣溫的技術(shù)分析

要定時檢測氣溫，就需要做一個簡易的“氣象臺”裝置。這一裝置要能夠檢測氣溫，定時上傳檢測數(shù)據(jù)到服務(wù)器，并且做到能夠長時間檢測，這樣我們就擁有了更多的數(shù)據(jù)。最后，這些采集到的數(shù)據(jù)要能夠?qū)С觯脭?shù)據(jù)分析工具進行處理、分析，并將分析結(jié)果可視化呈現(xiàn)。那么，一天當(dāng)中究竟什么時候最熱，什么時候最冷，最高和最低氣溫為多少，就都一目了然了。

檢測氣溫的傳感器很多，如DHT11溫濕度傳感器、BME280、SHT20傳感器、PT100溫度傳感器和紅外溫度傳感器等。經(jīng)過斟酌，我們最終選擇了DHT11溫濕度傳感器（如圖2）。這一廉價的傳感器不僅可以檢測氣溫，還能夠檢測濕度，特別適合用于氣象方面的科學(xué)研究。

智能硬件方面，掌控板則是最好的選擇。因為掌控板的核心芯片是最流行的工業(yè)級別物聯(lián)網(wǎng)芯片ESP32，在網(wǎng)絡(luò)連接方面有獨特的優(yōu)勢。更重要的是，掌控板的編程平臺mPythonX和Mind+都已經(jīng)加上了MQTT功能（一種廣泛應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議），使用起來很方便。

溫度數(shù)據(jù)存儲在哪里？我們研究了目前常見的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，如OneNet（中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺）、阿里云IoT等，都沒有找到數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。而我們常用的EasyIoT平臺雖然能夠?qū)С鰯?shù)據(jù)，但有數(shù)量的限制。幸好，我們參與的“虛谷計劃”的一個組成部分虛谷物聯(lián)項目已經(jīng)啟動。其核心軟件SIoT平臺（一款跨平臺的MQTT服務(wù)器）也進入了測試階段。我們借助SIoT平臺，成功地采集了一個多月的氣溫數(shù)據(jù)，在功能各方面能夠滿足科學(xué)數(shù)據(jù)采集的需求。

● 設(shè)計定時檢測氣溫的裝置

僅僅用于采集氣溫的裝置，搭建起來非常簡單。核心器材除了掌控板外，還需要DHT11傳感器。二者之間的連接最好使用擴展板。我們將這一裝置放在窗邊的空調(diào)外機上，找了塊亞克力板來遮擋風(fēng)雨，實物圖如圖3所示。

有了SIoT平臺，數(shù)據(jù)采集的工作就可以放在局域網(wǎng)中完成。SIot物聯(lián)網(wǎng)平臺是一款跨平臺的工具，在Win7、Win10系統(tǒng)中都能一鍵啟動。結(jié)合Red Node之類的客戶端，我們還能夠方便地觀察溫度的數(shù)據(jù)采集是否正常，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，將收到郵件或者短信提示。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

考慮到模塊化的編程更容易被大眾所接受，本實驗中我們選擇使用Mind+（一款基于Scratch3.0的編程工具，支持絕大多數(shù)的智能硬件）來進行模塊化編程。參考代碼如圖5所示，等待時間可以根據(jù)具體的需求來修改。我們最終采用的方案是每隔一分鐘采集一次數(shù)據(jù)。

● 氣溫數(shù)據(jù)的分析

經(jīng)過了一周的數(shù)據(jù)采集，我們首先選擇以“4月9日溫州中學(xué)室內(nèi)外溫濕度變化情況”為例，在SIoT系統(tǒng)中導(dǎo)出數(shù)據(jù)，并進行分析。

1.一天中室外氣溫情況分析

（1）數(shù)據(jù)收集（部分，如圖6）

（2）繪制圖表（如圖7）

（3）數(shù)據(jù)分析

在“4月9日溫州中學(xué)室外氣溫變化曲線表”中，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)：晴天室外的氣溫值變化整體呈先上升、后下降的趨勢。在9日的00：00-03：00期間，室外氣溫保持穩(wěn)定，并無出現(xiàn)波動變化;而在03：00-08：00期間，室外氣溫值下降一度，并且持續(xù)至清晨。一天中最冷的時間段處于深夜，氣溫值無太大的波動;隨著清晨太陽升起，室外氣溫逐漸呈上升趨勢，最高氣溫達到28℃，且最熱的時間在14：30-16：30左右;隨后，氣溫開始下降，直至凌晨。

僅僅利用一天的數(shù)據(jù)來說明驗證我們的結(jié)論，肯定是不行的，不足以體現(xiàn)科學(xué)探究的嚴謹性。于是我們導(dǎo)出五天的氣溫數(shù)據(jù)，繼續(xù)進行分析。

2.一周中室外氣溫情況分析

（1）數(shù)據(jù)收集（部分，如圖8）

（2）繪制圖表（如圖9）

（3）數(shù)據(jù)分析

通過圖9中23日晴天的氣溫變化曲線，可以看出氣溫的波動次數(shù)不多，且在14：00-14：30期間，出現(xiàn)了五天之中的最高氣溫（32℃）;從22日的氣溫變化曲線中，也可以看出氣溫值的波動變化不多，在14：00-14：20期間也出現(xiàn)峰值，最高氣溫為30℃;二者在晴天的氣溫值波動變化整體呈先上升、后下降趨勢。

在21日陰天的氣溫變化曲線中，氣溫值出現(xiàn)波動，但波動較小，大都在26℃～28℃上下浮動，并未出現(xiàn)持續(xù)上升或下降的波動變化，整體較為平穩(wěn)。

在20日、24日陰天的氣溫變化曲線中，可以看出氣溫值在不斷變化，在下午13：00-16：30期間尤為明顯：20日氣溫曲線呈先下降、后上升趨勢，推斷在13：00-16：30期間有降雨，所以當(dāng)天氣溫變化與晴天存在差異;而24日雨天的氣溫曲線中，在此期間雖然也呈現(xiàn)出先上升、后下降的趨勢，但最低氣溫為21℃，為五天中的最低氣溫，并且在14：15-16：00期間，氣溫驟減9℃，可看出當(dāng)開始出現(xiàn)降雨時，氣溫會呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。

根據(jù)對五天的數(shù)據(jù)對比分析，我們從中發(fā)現(xiàn)：晴天時，一周中最高氣溫出現(xiàn)在下午13：00-14：00期間，氣溫曲線整體呈先上升、后下降趨勢;雨天時，氣溫的變化受降雨影響，整體出現(xiàn)明顯的波動變化，降雨越多，氣溫下降越快，氣溫值越低。

● 實驗結(jié)論和拓展

在本實驗中，我們抽取了幾天的數(shù)據(jù)來進行探究。通過反復(fù)對比，最后得出了一天當(dāng)中最高的氣溫值處在下午14：00-16：00期間，而不是太陽垂直照射于地面的12：00。那么，這一規(guī)律是否僅僅適用于我國東部沿海地區(qū)，還是可以適用于我國西部的干旱地區(qū)？春天的氣溫規(guī)律和夏、秋、冬等季節(jié)的氣溫規(guī)律是否一致？這些都需要更多的數(shù)據(jù)來驗證、探究。可惜我們目前沒有辦法獲取到這些氣溫數(shù)據(jù)。

但是，隨著智能硬件的普及和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的門檻降低，實時采集、存儲科學(xué)數(shù)據(jù)并進行分析，已經(jīng)成為簡單、可行的科學(xué)探究方式。除了采集氣溫，還可以使用各種傳感器，檢測噪音、光線、PM2.5等自然界的各種物理量，設(shè)計更多的科學(xué)探究實驗。在大量的真實數(shù)據(jù)中做統(tǒng)計、分析，能夠幫助學(xué)生建立“用數(shù)據(jù)說話”的數(shù)據(jù)意識，為他們今后研究大數(shù)據(jù)打下扎實的基礎(chǔ)。