2018 年初，Scistarter 和亚利桑那州立大学开始与当地社区 Boulder Ridge 合作，测量其空气质量。Boulder Ridge 是凤凰城的一个 55 岁及以上老年人退休社区。在过去三年中，Boulder Ridge 的居民开始注意到隔壁由 Southwest Rock Products, LLC 运营的露天采石场爆破、破碎和运输岩石和泥土的活动增多。在没有爆破或卡车运输的日子里，居民们注意到空气中以及他们的汽车和房屋上的灰尘明显减少。然而，他们觉得没有办法科学地测试和验证空气质量是否因矿山的活动而改变。
图 1：SWRP 采石场（红色）和 Boulder Ridge（黄色）的卫星视图。来源：谷歌图片。在接下来的几个月中，几位 Boulder Ridge 社区成员以及 SciStarter 和亚利桑那州立大学的研究人员启动了一个协作过程，评估低成本空气质量传感器的可用性和实用性。SciStarter 工具数据库（正在开发中）提供了一个现成的、易于获取的列表，从中可以选择可能适合 Boulder Ridge 社区需求的空气质量传感器，亚利桑那州立大学的研究人员与社区成员协调传感器的安装和维护。从技术角度来看，在亚利桑那州立大学应届毕业生 Scott Eriksen 的领导下，此次合作的目标是：A) 演示和记录根据可靠参考监测器验证低成本空气质量传感器的过程；B) 与社区成员合作，了解如何获取和安装自己的空气质量传感器；C) 与社区成员合作，了解如何解释传感器产生的数据输出；D) 利用该过程和结果为 SciStarter 工具数据库的设计和开发提供信息。
图 2：一辆红色起重机停在 Boulder Ridge 旁边的 SWRP 矿场。一道铁丝网将两个地块隔开。随着项目的进展，研究团队意识到还有另一个机会可以了解公民科学的方法并改进社区参与过程。团队向亚利桑那州立大学机构审查委员会 (IRB) 提交了申请，并开始采访社区成员，了解他们与大学沟通的经历以及他们对公民科学目标的理解。除了评估传感器技术，这一社会组成部分还强调了理解科学合作和社区-大学伙伴关系中人为因素的必要性。**空气中颗粒物评估** 颗粒物 (PM) 是一种常见的空气污染物，其来源多种多样。^ 根据国家环境空气质量标准 (NAAQS)，美国环境保护署 (USEPA) 对 PM 进行严格监管。PM 根据颗粒直径进行分类，分为 PM2.5 和 PM10 组。PM2.5 指空气中所有悬浮的直径为 2.5 微米或更小的颗粒物。PM10 指空气中所有悬浮的直径为 10 微米或更小的颗粒物。图 3 提供了一个视觉辅助工具，帮助理解这些 PM 组之间的差异，以及这些颗粒如何与更容易理解的物理物体直径（例如平均人类头发或平均沙粒）对应。
图 3：不同 PM 组的大小比较。来源：USEPA。在 Boulder Ridge，使用的传感器仅测量在给定时间内空气中 PM 的量或浓度。亚利桑那州立大学和 SciStarter 的合作者在来自 EPA、北卡罗来纳州清洁空气组织和 Sonoma Technologies 的独立顾问小组的领导下，根据一系列标准选择了用于测试的空气质量传感器，包括：
低成本（350 美元或更少）
实用性、易用性和低维护
能够测量和记录颗粒物 (PM) 2.5 和 10 的数据
**空气质量传感器安装和验证** 本研究考虑了多种空气质量传感器，其中一些进入了安装和测试阶段。然而，根据上述标准，研究团队选择 PurpleAir、AirBeam2 和 Clarity 作为最终进行比较的空气质量传感器。这三种传感器与亚利桑那州环境质量部 (ADEQ) 在南凤凰城的参考监测器进行了比较，这些监测器是官方的 EPA 级别的 PM 传感器。研究团队将这三种传感器安装在 ADEQ 参考监测器站点旁边进行输出比较。
图 4：在南凤凰城 ADEQ 参考监测站选定的空气质量传感器。在夏季和秋季，研究团队在 Boulder Ridge 和南凤凰城的参考监测站之间进行了一系列实验，以确定哪种传感器最适合 Boulder Ridge 的需求和环境。这些实验考察了传感器软件所需的各种操作系统的使用、支持数据传输的 Wi-Fi 热点的使用、传感器收集数据后用于存储数据的外部硬盘的使用、传感器在三面盒子或开放空气环境中的物理放置、传感器离地面的高度，以及在 Boulder Ridge 的情况下，传感器离矿山本身的距离。尽管最初在 Boulder Ridge 的放置是在靠近从矿山通往街道的居民后院，但传感器最终被移到网球场以更好地收集数据。描述这种敏捷方法以验证低成本传感器的分步过程以及每个传感器的评估已记录在案，并将发布在此博客上。每个评估都链接到 SciStarter 工具数据库中的传感器记录。该数据库旨在帮助三类受众：寻求经过验证的低成本传感器的**科学家**；寻求使其传感器可被发现的**制造商**；以及根据预期用途寻求合适工具的**公民科学家**。总之：
尽管 PurpleAir 易于设置，维护需求少，并且鉴于其在 北卡罗来纳州 的成功使用而享有更值得信赖的声誉，但它最终被证明存在 Wi-Fi 连接问题，并在 11 月无明显原因地断开连接。
AirBeam2 被证明是维护成本最高的传感器，需要 Android 操作系统平台、强大的 Wi-Fi 网络、蜂窝数据计划和预装应用程序。它还存在电源问题。尽管连接到持续电源，但该设备在检查后仍然死机且无法启动。
Clarity Node 似乎是三者中性能最好的，提供直观的用户界面和易于读取的数据输出。然而，Clarity 传感器需要每年支付 600 美元的订阅费才能访问收集到的数据。这在技术上违反了上述“低成本”标准，尽管订阅费是在采购后才发现的。
技术评估仍在进行中，更新报告将发布在此博客上。此外，评估也将发布在 SciStarter 工具数据库中每个传感器的记录上。该数据库包括“构建”、“借用”和“购买”功能，以帮助人们更轻松地发现和获取合适的仪器。Purple Air II 评论 & Purple Air II 设置指南Clarity Node S 评论 & Clarity Node S 设置指南AirBeam2 评论 & Air Beam2 设置指南Atmos 评论 & Atmos 设置指南
图 5：ASU 团队成员 Scott Ericksen 向 Boulder Ridge 居民解释空气质量传感器的放置。**“公民科学”的社会影响** 除了提供在 Boulder Ridge 和南凤凰城参考点测试的三种空气质量传感器的经验教训外，这次合作还提供了关于与社区合作的社会过程的见解。研究团队采访了 13 名 Boulder Ridge 居民，了解他们来到 Boulder Ridge 的原因、他们住在矿山旁边的经历、他们对公民科学的看法以及他们对与 SciStarter 和 ASU 合作的期望。访谈中出现的一个清晰模式是，居民不知道“公民科学”的含义。提出的定义包括：
公民参与大学现有项目以了解有趣的主题
大学和科学家与社区合作，了解他们的需求，与他们合作并帮助他们
为非学术人士提供更多了解世界和重要事物的机会
一些社区成员特别关注 ASU 和 SciStarter 研究团队的连续性问题。一位成员表达了担忧：“两年前是其他人，现在是你。你能保证两年后你还在吗，还是会是其他人？”研究团队强调，项目的目标是帮助社区学习如何自行安装、操作和理解传感器数据输出，而无需继续依赖大学员工或资源。因此，预期管理和角色职责的澄清成为这些参与的关键组成部分。为了澄清 SciStarter 和 ASU 的参与意图和范围，研究团队起草了一份插页，以包含在 Boulder Ridge 月度通讯中。在大多数情况下，研究团队通过特定居民作为主要社区联系人协调社区现场访问和访谈。通讯插页是研究团队尝试向整个社区传达一致信息的努力。
图 6：SciStarter 创始人 Darlene Cavalier 会见 Boulder Ridge 居民，了解项目进展。2018 年 12 月，研究团队作为一个小组访问了 Boulder Ridge，提供了传感器测试的最新情况，并回答了居民对迄今为止进展的任何问题（图 6）。团队分享了正在进行的空气质量传感器实验结果，并向与会者分发了一份宣传册，其中定义了颗粒物，概述了整个项目的范围，详细描述了每个传感器，并包含了一些上述三种传感器收集的初步图形数据输出。团队再次试图管理进一步参与的期望，重申该项目的总体目标是社区在数据收集、解释和使用数据方面能够自给自足，以便在必要时向市议会、环保组织以及健康和人类服务机构传达他们的需求。**主要收获** 本文描述的研究的技术和社会组成部分揭示了未来研究实体与社区之间在空气质量评估方面进行合作的重要建议。首先，研究合作者的传感器选择标准必须基于现有社区的限制。在这个试点项目中，研究团队和顾问小组根据成本、PM 测量和感知可用性选择了传感器。然而，一旦与社区一起开始验证和安装过程，就确定了同等甚至更高重要性的其他标准。这包括使用特定操作系统的传感器的局限性，以及对 Wi-Fi 的依赖以及下载和存储数据需要持续的计算机连接。社区成员对他们居住区域的本地知识本可以帮助为研究团队和顾问制定的传感器选择标准提供信息。其次，空气质量传感器的数据输出只有在社区成员能够解释和理解的情况下才有用。特别是如果社区成员不参与传感器选择过程，他们将不熟悉物理传感器本身或数据收集产生的技术报告。即使社区成员能够选择、购买、安装和收集空气质量传感器的数据，也建议他们与当地大学或监管机构（例如，县空气质量部门或当地健康和人类服务部门）合作，以帮助他们解释数据输出并传达数据的影响，并决定他们是否可以或应该将数据收集扩展到其他材料或物质。最后，我们建议社区与当地空气质量部门分享有关数据收集和有效性的担忧，以及他们认为可能导致但未反映在空气质量测量中的其他现象。虽然本研究中包含的空气传感器测量了空气中 PM 的量，但它们没有反映噪音、地面震动、爆破以及卡车在矿山进出的侧路上行驶频率对生活质量的影响。社区居民记录了所有这些数据点，因此当我们将其与监管机构（亚利桑那州环境保护部）联系时，他们的担忧得到了充分告知并受到重视。通过与当地监管机构或空气质量部门联系，社区有机会表达自己的声音，并更全面地讲述他们的经历。**未来方向** 该项目中的传感器评估了空气中 PM 的浓度。它们没有识别所计数颗粒的来源或化学成分。该项目的技术范围侧重于测量位置的整体空气质量（以空气中的颗粒物计），而不是颗粒物的组成。这是 Boulder Ridge 确定是否需要对 PM 进行内容分析的重要第一步。未来可能需要进行测试以评估颗粒物中某些化学物质和成分的含量。一旦传感器收集到更多数据，团队将与社区成员举行最后一次会议，讨论如何收集、存储和读取图表输出。社区成员表示他们将开始记录所有爆破事件，以便在数据输出准备就绪后，将日期和时间与传感器输出图表进行比较。研究团队还联系了一些矿山和亚利桑那州环境质量部 (ADEQ) 的官员，将他们的观点纳入 Boulder Ridge 正在发生的事情的范围以及他们与社区互动的经验。ADEQ 的官员反应非常积极，并主动提出与社区和矿山官员会面。在这个项目之前，研究团队交谈过的 ADEQ 官员并不知道爆破产生的过度噪音干扰、卡车和灰尘活动增加，或者社区希望测试矿山灰尘中的重金属。根据 ADEQ 的说法，像 Boulder Ridge 这样的社区经常不得不处理的是糟糕的区域规划问题。像凤凰城这样经历住宅扩张的城市经常发现住宅区在工业区旁边开发，尽管矿山和冶炼厂可能在合规运营，但其运营对噪音、气味和地面扰动的影响往往对其邻居造成滋扰。团队计划在传感器及其维护正式移交给社区后对社区成员进行离职访谈，以捕捉经验教训和对其他社区-大学伙伴关系未来最佳实践的任何其他想法。预计此次移交将于 2019 年 3 月进行。**致谢** 本项目由 Schmidt Futures 基金会资助，该基金会旨在通过技术推动社会进步，激发科学知识的突破，并促进共同繁荣。Scott Eriksen 作为项目的技术支持负责人，为 SciStarter-ASU 运营中的传感器使用提供动手支持，并协助在 SciStarter 工具数据库上发布传感器的工具评论。特别感谢 Emma Giles 和 Alyssa Henning，这两位学生研究助理为本研究的技术和社会组成部分提供了支持。顾问和社区居民的报告和投入已被用于指导 SciStarter 工具数据库的设计和开发。我们希望这一切能帮助其他人更容易地根据预期用途和其他标准找到合适的工具，并最终提高数据质量和相关的后续行动。
关于作者
玛格丽特·欣里克斯
玛格丽特·欣里克斯是亚利桑那州立大学未来创新社会学院的博士后研究员。她曾担任上述空气质量传感器项目社会科学部分学生的顾问。她还是 ASU 决策剧场的项目经理，负责支持大学与其所服务的社区之间的互动。
