基于IPv6的环境监测系统的开发和应用

摘要
物联网（Iot）的广泛使用使得连接一切成为可能，但拥有足够的IP地址是这种模式的基本要求。中国以往的环境监测系统都是基于IPv4的。结合中国大气环境监测系统的特点和要求，本文开发了一个基于IPv6技术的监测系统。用户可以通过IPv6网站直接访问监测设备，查看数据并进行配置操作。本文首先介绍了系统的软硬件设计和实现，然后介绍了IPv6协议的简化、IPv6协议在ARM上的移植以及嵌入式Web服务器系统的设计和实现。实验结果表明，开发的大气环境监测系统可以实现基于IPv6的连续数据采集，为环境保护管理和决策提供数据驱动支持。

简介
大气污染监测系统的研究现状
大气环境监测对大气污染的防治具有重要意义。因此，大气环境监测一直是国内外研究的重点。自20世纪70年代以来，发达国家开始重视环境空气质量的监测。迄今为止，美国已经建立了多个成熟稳定的空气监测网络，包括州和地方空气监测站（SLAMS）、国家空气监测站（NAMS）、特殊用途监测站（SPMS）和光化学评估监测站（PAMS）1,2，可用于实时在线获取大气中常规污染物和其他危害人类健康的污染物数据。近年来，在大量的研究中，各种传感器网络被应用于大气环境监测。例如，Kelechi等人3利用Arduino和Thing Speak的设计实现了一个低成本的空气质量监测系统。Chen等人4使用低成本的传感器空气质量监测来研究学生对PM2.5的暴露。Schneider5使用来自低成本传感器的观测和模型信息来绘制近乎实时的城市空气质量图。

中国的空气质量监测网络建设始于20世纪70年代，并建立了一系列国家空气质量监测站6,7。国内对大气环境中的污染物主要有两种检测方法，即自动匹配的监测站和传统的人工检测。人工检测法需要工作人员直接采集空气样本，然后在实验室里对样本气体进行检测和分析，费时费力。此外，其结果容易受到人为干扰，使最终结果不可靠。自动监测点通过复杂的仪器和设备监测空气质量，并将空气质量数据实时上传至中央服务器。然而，它们拥有分布不均和密度低的缺点。此外，国家控制站点的复杂和昂贵的设备以及日常维护的高成本，使得空气质量监测站点不可能在大面积和高密度的情况下部署，这意味着自动监测站不能获得高时间和空间精度的空气质量数据8。

随着传感器网络技术的成熟，出现了越来越丰富的通信方式。鉴于上述问题，将物联网技术引入空气质量监测已成为一个研究热点。Wang等人9在国家项目的支持下构建了一个基于偏最小二乘回归算法的空气质量监测系统。Mu等人10完成的大学生创新创业项目设计了一个基于多传感器的空气质量监测系统。该多参数大气环境监测系统具有以下优点：节点采集设备结构小，安装方便；网络结构简单；传感器的去向采用通用接口，可以根据不同的监测需求更换传感器；可以连续、实时、自动完成空气质量监测任务。此外，通过整合不同数据发布平台的数据，多参数大气环境监测系统可以提供时间密度大、空间范围广的大气环境监测数据，为环境治理决策提供科学依据。