Введение 2
Глава I. Теория 5
1.1 Современный подход к оценке качества атмосферного воздуха 5
1.2 Загрязняющие вещества. Каков экологический запрос города? 10
1.3 Индустрия современных датчиков 14
1.4 Экологические сервисы Красноярска и мира 15
1.5 Критерии точности измерений 18
1.6 Используемые датчики и их принцип действия 19
Глава II. Оригинальные результаты 24
11.1 Библиографическое и конъюнктурное исследования 24
11.2 Разработка и описание установки 24
11.3 Компоненты установки и цены 32
11.4 Конкурентные преимущества предлагаемой системы 33
11.5 Анализ качества получаемых данных 33
11.6 Анализ данных 34
11.7 Разработка сайта 34
11.8 Перспективы 36
Глава III. Разработка серии научных семинаров для школьников по теме работы 37
111.1 Общие сведения о практикуме 37
111.2 Конспекты уроков 39
111.3 Дидактические материалы 46
Заключение 57
Апробация работы 58
Литература 59
Приложения 63
В данной работе рассматривается один из самых актуальных вопросов современного человечества, а именно экология и один из способов привлечения внимания детей старшего школьного возраста к этой проблеме.
Разработанный практикум предполагает, что дети старшего школьного возраста, под контролем преподавателя смогут собрать установку из предложенных датчиков, самостоятельно ее запрограммировать, написать программу, позволяющую этой системе. И конечно же школьники не смогут это все сделать без знаний по физике, информатике, программированию.
Огромным плюсом данного проекта является его доступность и небольшая стоимость. Все, используемые датчики, есть в свободной продаже по очень низкой цене.
Объект исследования: качество атмосферного воздуха
Предмет исследования: разработка установки для мониторинга некоторых метеорологических параметров, а также концентрации ряда загрязняющих веществ атмосферного воздуха, и на его основе - практикума для старшей школы.
Цель
Разработка, внедрение системы экологического мониторинга атмосферного воздуха на основе программируемых контроллеров. Разработка физикоэкологического практикума для старшей школы на базе созданной системы.
Задачи
1. Изучение общемировых и общероссийских критериев качества атмосферного воздуха, сбор данных о «спросе» и «предложении» на анализ содержания тех или иных вредных веществ, анализ имеющихся мировых, российских и красноярских сервисов по данному профилю.
2. Отбор датчиков для устройства, составление сметы, закупка.
3. Разработка архитектуры устройства, сборка и программирование первого экспериментального образца
4. Разработка программного обеспечения
5. Тестирование готового образца устройства, исправление недочетов, корректировка схемы.
6. Разработка сайта, осуществляющего функции сбора, хранения, распространения с исследовательскими целями и представления информации об экологическом состоянии атмосферы в населенном пункте в наглядном графическом виде.
7. Сборка и программирование нескольких устройств по образцу первого
8. Размещение приборов по городу в разных районах
9. Разработка физико-экологического практикума для старшей школы на базе созданной системы и написания к нему соответствующего методического пособия.
Актуальность и новизна
Существующие экологические сервисы Красноярска, занимающиеся мониторингом текущего состояния качества атмосферного воздуха, обладают рядом недостатков. Те из них, которые отслеживают текущие показатели, могут это сделать лишь для 1-2 загрязняющих веществ или только для основного параметра качества - концентрации ультрадисперсной пыли PM2.5. В случае измерения большого числа показателей с максимально возможной точностью страдает экономическая целесообразность и мобильность этого проекта. Таков, например, сервис Krasecology.ru. В этой связи разработка доступной по цене, мобильной системы, выполняющей замеры по нескольким важным загрязняющим веществам, представляется актуальной.
Предлагаемые для разработки Arduino-технологии являются доступными как по цене, так и по сложности исполнения, в том числе для старших школьников, что в условиях современных запросов образования также представляется актуальным.
В современной школе вопросам экологии уделяется особое внимание. У некоторых школьников есть уроки экологии, но они не являются продуктивными. По данным оригинального опроса, в котором участвовало 30 школьников 9-11 классов из разных школ города Красноярска, в рамках ВКР было выявлено, что у 93% школьников есть урок экологии. Так же получены данные о том, что только 27% школьников задумываются о качестве воздуха, следят за мировыми и региональными сервисами. (опрос, проводимый среди школьников представлен в приложении III.3.1, а также в
III.3.2 представлены некоторые результаты данного опроса в виде диаграмм). На данный момент экологическая ситуация складывается так, что если нынешнее молодое поколение продолжит и дальне так наплевательски относиться к экологии, то в ближайшем будущем ситуация станет совсем плачевной. Именно поэтому у нас нет возможности тратить время на, непродуктивные уроки экологии. Сейчас самое время действовать. Нам необходимо заинтересовать детей. А так как на сегодняшний день дети заинтересованы всем, что связано с интернетом, информационными технологиями и робототехникой мы предлагаем действовать именно в этом направлении.
Выводы:
1. В составе исследовательской группы Орлов В.А., Орлова И.Н., Орлов Н.В., Костина А.В., Антонова Е.А. на основе платы Arduino-Nano разработан и собран работающий образец установки для проведения метеорологических наблюдений (температура, давление, влажность, наличие дождя) и замеров качества атмосферного воздуха по четырем параметрам (пыль Pm2.5, углекислый газ, угарный газ, формальдегид), в том числе:
a. Изучены общемировые критерии оценки качества атмосферного воздуха.
b. Сформирован перечень мировых, российских и красноярских интернет-сервисов, осуществляющих мониторинг качества атмосферного воздуха, проанализированы распространенность сервисов и качественный состав предоставляемых данных.
c. Сформирован перечень вредных веществ, характерных для городской среды.
d. Произведен отбор датчиков, имеющихся в свободной продаже и одновременно имеющих относительно невысокую цену.
e. Произведена калибровка датчиков на основе прилагающихся к ним Руководств пользователя.
f. Разработана система питания установки, обеспечивающая ее номинальную и устойчивую работу.
g. Разработана архитектура отдельного устройства и всей системы экомониторинга, идеология взаимодействия всех его составляющих
h. Программирование контроллера осуществлено на языке СИ.
i. Создано Delphi-Приложение для работы с данными устройства.
j. Разработана технология SMS-запроса установки и передачи текущих метео-экологических данных на сайт.
2. В разработке находится система из 9 аналогичных установок, имеющая целью мониторинг экологической ситуации в городе Красноярске.
3. Проводится разработка сайта, осуществляющего сбор, хранение метео- экологических данных, их графическое представление и предоставление пользователям с исследовательской целью.
4. Установлено, что наиболее неблагоприятная ситуация по анализируемым параметрам складывается в Красноярске с содержанием формальдегида: его концентрации в среднем составляют, как правило, 1.5-8 ПДК.
5. Перечислены конкурентноспособные преимущества разработанной системы по сравнению с имеющимися аналогами.
6. На основе представленной системы экологического мониторинга разработан практикум для старших школьников физико-экологической направленности
