溫室效應(yīng)分析模擬器設(shè)計

主講人：李悅琛

李悅琛

擁有多年大數(shù)據(jù)分析和軟件開發(fā)經(jīng)驗。專注于創(chuàng)新教學(xué)，善用項目式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生通過親身實踐，深入探索科學(xué)原理和技術(shù)應(yīng)用。

學(xué)習(xí)背景

本案例中，教師將引導(dǎo)學(xué)生制作模擬溫室效應(yīng)的裝置，讓他們更好地了解溫室效應(yīng)，認識到溫室效應(yīng)的嚴重危害，并呼吁他們從身邊的小事做起，做到節(jié)能減排、低碳環(huán)保，從而保衛(wèi)我們共同的家園。

教學(xué)目標(biāo)

知識與技能 1.了解單片機和傳感器的基本工作原理及其在模擬溫室效應(yīng)中的作用。2.能夠掌握使用單片機和傳感器進行數(shù)據(jù)采集、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)圖表繪制等基本技能。

過程與方法 1.學(xué)生通過實踐活動，能夠提升觀察、分析和解決問題的能力。2.學(xué)生能夠?qū)W會利用單片機和傳感器進行科學(xué)實驗設(shè)計，掌握科學(xué)實驗的基本方法和步驟。

情感態(tài)度和價值觀 學(xué)生通過實踐活動，認識到科技在環(huán)境保護中的重要作用，增強環(huán)保意識和責(zé)任感。

教學(xué)過程

一、溫室效應(yīng)的原理及形成過程

當(dāng)太陽輻射到達地球表面時，地表吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，使地表溫度升高。然而，地表熱量不能無限制地向外散發(fā)，因為大氣中的溫室氣體能夠吸收和重新輻射熱量。水汽、二氧化碳、甲烷和臭氧是主要的溫室氣體，它們吸收和重新輻射熱量的方式有所不同。當(dāng)這些溫室氣體吸收熱量時，會阻止熱量向外層空間散發(fā)，從而導(dǎo)致地表溫度升高，形成了一種類似于密閉溫室的效應(yīng)，使得地表平均氣溫顯著高于沒有溫室效應(yīng)時的溫度。

二、實驗設(shè)計

學(xué)生根據(jù)溫室效應(yīng)原理及形成過程，對模擬裝置的實驗設(shè)計展開討論。通過討論設(shè)定實驗要點：模擬太陽、模擬室外環(huán)境、模擬二氧化碳濃度較高的室內(nèi)環(huán)境、同步監(jiān)測室內(nèi)外的溫度變化?；趯嶒炓c，學(xué)生對單片機開發(fā)板進行篩選，選擇滿足實驗要求的開發(fā)板及傳感器。

師生經(jīng)過討論，決定本次實驗由兩塊具有物聯(lián)網(wǎng)功能的掌控板作為開發(fā)板，分別連接兩個高精度溫度傳感器，其中一個傳感器暴露在空氣中模擬室外效果，另一個放置在充滿二氧化碳的塑料罩內(nèi)，模擬室內(nèi)效果。同時分別在“室內(nèi)”和“室外”環(huán)境中放置相同大小的兩個冰球，觀測兩個冰球融化的速度。掌控板監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)實時傳輸?shù)诫娔X端，學(xué)生通過圖形化編程工具的畫筆功能，繪制出隨時間變化的溫度折線圖，從而可以直觀地看到室內(nèi)外溫度變化的差異，達到實驗?zāi)康?。學(xué)生繪制實驗設(shè)計草圖，并進行探討和優(yōu)化。（如圖1）

三、活動實施

整個實驗由兩部分組成：溫度采集端、電腦數(shù)據(jù)繪制端。教師根據(jù)實驗需求，對學(xué)生進行分組分工，讓他們分別完成掌控板A端（模擬室內(nèi)效果）、掌控板B端（模擬室外效果）和電腦繪圖C端的編程調(diào)試。

1.啟動和設(shè)置SIoT物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境

安裝和啟動SIoT物聯(lián)網(wǎng)客戶端，啟動成功后在物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)置主題。學(xué)生在掌控板A端和B端以及電腦繪圖C端分別對應(yīng)連接SIoT物聯(lián)網(wǎng)主題，完成整套實驗裝置的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)置。主要步驟如下。

STEP 1：啟動SIoT，構(gòu)建局域網(wǎng)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)。

STEP 2：使用瀏覽器打開物聯(lián)網(wǎng)平臺地址，對設(shè)備進行配置。物聯(lián)網(wǎng)平臺地址就是本機IP地址，端口號為8080。賬號和密碼如圖2所示。

STEP 3：掌控板A端和掌控板B端配置物聯(lián)網(wǎng)參數(shù)。在MQTT的初始化參數(shù)部分，物聯(lián)網(wǎng)平臺選擇SIoT，并且輸入剛剛在瀏覽器中打開的服務(wù)器地址（不寫端口號）、賬號、密碼。Topic_0可以自定義，主要格式為：項目名/設(shè)備名。（如圖2所示，temp1就是項目名，A就是A端掌控板的設(shè)備名）

兩個掌控板依次設(shè)置好后，學(xué)生連接設(shè)備并進行測試。如果在瀏覽器的物聯(lián)網(wǎng)端能夠顯示出項目及設(shè)備，說明連接成功。

STEP 4：電腦繪圖C端配置物聯(lián)網(wǎng)。C端的代碼采用實時模式，即繪制折線圖時需要用到舞臺和角色。點擊擴展，先擴展網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中的MQTT模塊。擴展之后，為C端設(shè)置MQTT的初始化參數(shù)，如圖3所示。

2.編寫代碼

（1）掌控板A端（模擬室內(nèi)效果）

掌控板A端連接“室內(nèi)”的氣壓溫度傳感器，實時讀取“室內(nèi)”的溫度，數(shù)據(jù)顯示在掌控板的屏幕上，并每隔一秒將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)端。如果溫度超高，就會發(fā)出報警音，掌控板的RGB燈會顯示為紅色，溫度下降后，報警音停止，RGB燈關(guān)閉。

（2）掌控板B端（模擬室外效果）

掌控板B端連接“室外”的氣壓溫度傳感器，實時讀取“室外”的溫度，數(shù)據(jù)顯示在掌控板的屏幕上，并每隔一秒將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)端。代碼和A端相同，最后的MQTT發(fā)送消息至Topic_1。

（3）電腦繪圖C端

電腦繪圖C端需要通過畫筆工具將實時溫度變化以折線圖的形式展示在舞臺上。因此我們需要設(shè)計舞臺背景為折線圖坐標(biāo)系，并分別為代表室內(nèi)溫度和室外溫度的角色進行編程，利用畫筆繪制折線圖。主要步驟如下。

STEP 1：繪制背景。動手繪制一個坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)為時間軸，縱坐標(biāo)為溫度軸，溫度最大值為50，最小值為10。

STEP 2：編寫背景代碼，如圖4所示。

STEP 3：室內(nèi)外溫度折線圖繪制。選取兩個角色，分別命名為“室內(nèi)”和“室外”，并將兩個角色的大小盡可能調(diào)整到最小，成功調(diào)試代碼后，可以把角色隱藏。擴展圖形化的畫筆功能，并為“室內(nèi)”角色設(shè)置畫筆顏色為紅色，為“室外”角色設(shè)置畫筆顏色為藍色。根據(jù)實時接收到的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，分別將“室內(nèi)”和“室外”溫度值映射在坐標(biāo)系上，通過畫筆繪制出溫度變化的折線圖。

3.外觀設(shè)計

教師引導(dǎo)學(xué)生采用廢舊物品將溫室效應(yīng)分析模擬器裝置整體外觀進行設(shè)計和改良。

STEP 1：固定底座。學(xué)生們將擴展板和臺燈底座固定在紙盒內(nèi)，作為整個作品的底座。盒蓋挖孔，方便掌控板和傳感器的安裝。

STEP 2：固定模擬溫室裝置。把礦泉水桶截取中段，用熱熔膠固定在美化后的盒子外側(cè)，并把掌控板和傳感器分別固定好，用保鮮膜覆蓋好礦泉水桶，使它成為密封狀態(tài)。

4.加入二氧化碳，進行聯(lián)調(diào)

明礬和小蘇打等比例混合后，加入少量水，二者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會釋放出二氧化碳，使用一根細管將二氧化碳導(dǎo)入室內(nèi)模擬器的水杯中，就可以觀測到二氧化碳的產(chǎn)生情況。（整體裝置如圖5所示）

通過測試聯(lián)調(diào)，可以清晰觀測到起初“室內(nèi)”和“室外”的溫度是相等的。開燈加溫后，代表室內(nèi)溫度的折線圖上升速度很快，而代表室外溫度的折線圖上升速度較為平緩。關(guān)閉加熱燈后，代表室內(nèi)溫度的折線圖依然保持較高溫度，且下降速度較慢，而代表室外溫度的折線圖下降速度較快。

四、教學(xué)總結(jié)

在實驗中，我們將兩個相同的氣壓溫度傳感器（BMP288）分別連接在兩個掌控板上，通過掌控板可以實時看到溫度值的變化，并通過物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，同步繪制出溫度折線圖，便于更好地對比觀察。我們把其中一個氣壓溫度傳感器裸露在空氣中，模擬正常情況下的溫度變化；另一個用保鮮膜和水桶罩住，并在底部打上熱熔膠密封，里面放置了二氧化碳發(fā)生裝置，模擬溫室效應(yīng)情況下的溫度變化。在兩個傳感器的正中間放置了臺燈，模擬太陽光照的效果，使實驗升溫更迅速，變化更明顯。

通過實驗，我們觀察到“室內(nèi)”通過光照，溫度升溫很快，關(guān)燈之后溫度下降緩慢，會很長時間保持較高的溫度。我們也曾拿冰塊模擬冰川進行實驗，“室內(nèi)”的冰塊融化速度會比“室外”的快很多。通過這個實驗，學(xué)生們認識到保護地球，阻止溫室效應(yīng)，已經(jīng)是迫在眉睫的任務(wù)了。