你家的空氣還好嗎？ 手把手教你如何進行物聯網和空氣質量監測
大資料文摘出品
編譯：狗小白、李雷、雲舟
在過去的幾周裡，北加州的坎普野火（Camp Fire）和南加州的伍爾西山火（Woolsey Fire）到處肆虐。
造成了天堂鎮等地區發生悲慘事件，加利福尼亞州的消防員再次承擔著遏制和撲滅山火的重任，然而卻沒有人可以遏制危險的野火濃煙的傳播。
煙霧到達舊金山的時侯我並不在城裡，但幾天後回來時，空氣中的煙味很重。去年我曾經寫過一篇名為“2017年是加州火災之年”的文中，文中討論了我用來收集和分析空氣質量資料的工具。這次我會再次使用這些工具來分析我家內外的空氣質量。
舊金山國際機場（SFO），空氣中的煙霧明顯可見
空氣質量基礎知識
空氣質量用空氣質量指數（AQI）來衡量。AQI反映了空氣中直徑2.5和10微米顆粒的濃度，通常稱為PM2.5和PM10。 “PM”代表“顆粒物質”。
一般來說，PM2.5是野火期間觀測的關鍵指標，因為這些小顆粒是由燃燒產生的。這些微小顆粒將長時間停留在空氣中，可深入滲透肺部，嚴重損害肺功能。PM10顆粒也是有害的，但它們只能到達肺部（PM2.5可以直接進入你的血液）。
顆粒物質大小。圖片來源：EPA.gov
美國環境保護署（EPA）維護著一個叫AirNow的網站，該網站追蹤全美的AQI，並給出空氣質量從“良好”到“危險”等級的提示。空氣質量由EPA（和其他機構）通過部署在全國各地的感測器測量而得。近年來，這些感測器已經商品化，允許公眾建立自己的測量系統。PurpleAir已成為這些感測器的熱門供應商，提供具有微型鐳射器的低端版本。
這些感測器將空氣質量資料上傳到公司網站，並通過地圖形式展示了數千個地點的空氣質量。如果你之前已經聽過“物聯網”這個術語，那麼這張地圖就充分展示了這種利用此類資訊的方法。
初始資料採集
我有兩個可以監測PM2.5的PurpleAir感測器：PA-I-Indoor和PA-II Outdoor。自去年的火災發生，也就是2017年10月以來，我就已經開始使用它們。根據這些測量資料，我購買了幾個HEPA過濾器，以保持家中的空氣不含顆粒物質。
這些空氣感測器非常敏感;他們不僅可以檢測野火，還可以檢測普通家用電器導致的空氣質量變化。在我開始使用室內感測器後不久，我發現我的超聲波加溼器產生了大量的PM2.5。當使用吹風機或在烤箱中燃燒某些東西時，它們也會檢測到空氣質量的變化。因此，如果你決定監測室內空氣質量，並且發現看似無害的日常活動對空氣的影響比你想象的要糟，請不要感到驚訝。
當我不在家時，我會關掉HEPA過濾器以省電。我以為我的房子密封得很好，任何顆粒都進不去。但我錯了。
根據感測器讀數，我可以看到當我準備走進家門時的AQI水平。外面的空氣質量指數是284，絕對處於'非常不健康'的範圍內，而我家裡的空氣 - 自火災以來一直處於密閉狀態 - 是AQI 158，處於'不健康'範圍。
回家後的室外（284）和室內（158）空氣質量指數（AQI）讀數。室內空氣處於“不健康”區域。影象來源：PurpleAir Map
清潔空氣
當務之急是開啟我的HEPA過濾器並跟蹤室內AQI，直到室內的空氣汙染降到安全水平。將AQI水平降低至黃色需要一個小時，然後再過30分鐘左右才能使其變為綠色。
HEPA過濾器花了一小時將室內AQI從“不健康”降至“溫和”水平。 影象來源：PurpleAir.com
當空氣質量差時，室內感測器顯示為紅燈。當空氣質量好時，它會變為綠色，這時AQI在大約50以下。
一旦室內空氣質量上升到AQI小於50，我就把注意力轉向分析感測器資料。我想要回答以下問題：
1.在室外空氣很糟糕的情況下，HEPA過濾器在保持室內空氣清潔時效果如何？
2.我的車庫裡也有一個HEPA過濾器; 它和室內的一樣有效嗎？
3.室外的空氣質量有多糟糕？它和新聞、社交媒體上的傳聞一致嗎？
4.PurpleAir感測器資料如何與舊金山灣區空氣質量管理區公佈的感測器資料進行比較？
為解答這些問題，我用Circonus將收集的PM2.5和PM10資料展示為直方圖。使用者能夠通過Circonus監控系統直接從IOT裝置以及網站或其他技術基礎設施收集資料。Circonus能夠從大部分常見檔案格式中提取資料，也就基本能相容所有的裝置。我也就能夠通過Circonus製作視覺化熱力圖，從而對資料進行統計分析。
上帝說，要有資料
感測器24小時收集資料，我將室內外感測器的資料收集情況展示在一張熱力圖中，如下所示。綠線表示室外感測器，藍線表示室內感測器。
圖片展示了SF灣區空氣質量最差的24小時。室外感測器用綠色展示，室內以藍色展示。
Y軸表示AQI等級（對數刻度）。PM2.5粒子數和AQI之間並非線性關係，因此採用對數刻度會有最好的視覺化效果。
AQI等級、說明以及對應顏色。圖片來源：AirNow.gov
有了這張視覺化熱力圖，問題的答案就清楚了：
問題一：HEPA空氣淨化的效果
關於室內HEPA空氣淨化器的效果可以用這張熱力圖來解答。整張圖裡藍線（室內AQI）幾乎都低於AQI中位水平（黃線）。這說明，HEPA空氣淨化器對我的房子來說覆蓋率是足夠了。室內空氣質量，甚至在室外AQI等級達到危險等級（後面再展開討論）時也保持良好。由於我房子比較老舊，不像新房子或大部分高層建築那樣密封性好，空氣淨化器還得與漏進來的室外空氣相抗爭。
問題二：車庫空氣健康嗎？
我的車庫裡同樣放了個HEPA空氣淨化器，我也想知道它的工作狀態是否有效。車庫中有幾個地方能夠與外部空氣進行交換，特別是卷閘門邊緣的地方。為了對車庫空氣質量進行測量，我把房子裡的感測器在車庫裡放了幾小時。在熱力圖裡，我使用批註（頂部用粗的藍色水平線圈出來了）來表示感測器在車庫裡的時間段。
熱力圖清晰地顯示：車庫空氣質量在橙色（AQI等級：對敏感人群而言不健康）和紅色（AQI等級：不健康）之間。仔細觀察，你會發現中間有個波動，因為這個時間段裡我開了會兒車庫門。車庫空氣質量比室外好一些，但比室內差。
當室內感測器移到車庫，AQI等級從良好跌至不健康。
注意當車庫門開啟時AQI水平的細微波動（頂部用黃線批註）
問題三：外面的空氣到底有多差？
總的來說，外面的空氣可以說是有史以來最可怕的。室外感測器在2018年11月16日約下午2點時留下了最高的記錄：每立方米288微克，對應的AQI水平大約是336，超出AQI危險級別約10%。我還只在弄燒烤的時候見過幾次這樣的記錄。基於資料結果：室外空氣質量基本就像到處都有人在燒烤。
問題四：我的感測器資料如何與政府AQI地圖相比較？
灣區空氣質量管理局（BAAQMD）在SF灣區佈滿了高階感測器, 給各種政府機構傳送報告. 11月16號下午2點時, 官方播報的AQI最高值為271. Emm,怎麼他們的資料是271, 但我測出來了AQI336?？？
室外的PurpleAir感測器在2018年11月16日下午2:30測出每立方米287.5微克(AQI值約為336)
灣區空氣質量管理局在2018年11月16日的報告. 圖片來源: BAAQMD
灣區空氣質量管理局(BAAQMD)在舊金山有一個空氣質量感測器, 在灣區各處也布了不少. 此外, 在舊金山也布了一些由IOT迷們監測的PurpleAir的感測器, 也就是我用的那款.
PurpleAir感測器的資料讀取存在上下50個AQI數值的誤差, 但是PurpleAir宣稱他們家產品跟市面上其它的鐳射感測器的精確度是相差不大的. 兩者AQI數值差異的一個可能的解釋是舊金山當地的丘陵結構和微氣候有所差異. 在BAAQMD布了感測器的地方用PurpleAir感測器做實驗也許能更好地回答問題四.
資料科學適用於所有人
科技的民主化帶來了資料的民主化. 物聯網為發燒友們提供了多年前只供給科學家們的工具, 此外還有由這些工具收集的眾包資料的加成效果. 終端使用者只需要付價值幾百塊的感測器, 拉好網, 就能獲得這些監控生態環境資料的工具. 有了這些智慧化監控裝置, 我們就能對我們生活的世界提出問題並予以解答.
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