CN108615062B - 一种野外养殖位置信息存储与验证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种野外养殖位置信息存储与验证方法。采用的技术方案是：采用基于区块链的的位置信息采集装置自动采集位置信息并将属于上传至云端保存，使用方便，数据记录成本低，该过程中无需第三方介入，成本低廉，易于管理，抗中心攻击，用户信息不会被泄漏；将野外养殖牲畜与区块链数据进行严格绑定，使本发明所记录的野外养殖牲畜位置信息具有严格的可验证性、不可篡改性；为了装置的长期使用，采用太阳能和动能混合发电模式，具有长效、绿色、环保的优点；本发明所用区块链相关技术，使养殖动物具备线上数字资产属性，有望发展出多种新型商业模式。

Description

一种野外养殖位置信息存储与验证方法
技术领域
本发明属于野外养殖技术领域，涉及一种野外养殖位置信息存储与验证方法。
背景技术
通常，野外放养牲畜的食品安全性、风味口感和营养价值相比对圈养饲料牲畜更佳，如猪、牛、羊等，因此放养牲畜产品相对于圈养牲畜产品的价格也更高。现有技术在鉴别放养牲畜和圈养牲畜时，成本高、难度大、检测时间长、难以远程检测和活体检测，这使得部分不法商贩用圈养牲畜冒充放养牲畜，侵害消费者权益。放养牲畜需要被证明自身是野外养殖的，现有方案多建立基于RFID的牲畜溯源体系，根据牲畜历史位置轨迹判定该牲畜是否为放养牲畜。这些技术给幼畜打RFID耳标，对该牲畜相关养殖数据进行记录，并将养殖数据与该RFID绑定，用户可通过RFID标识来查询待查牲畜信息，使之确信所购买的是放养。鉴于目前微型化和模块化GPS/北斗定位芯片的市场成熟，物联网资费降低和云存储的普及，利用RFID记录牲畜历史位置轨迹记录的相关背景技术已经成熟。但如何保障RFID和对应数据与待检测牲畜之间的一一对应关系、保障数据的真实有效性和不可篡改性，并使用户对小、散养殖户提供的数据产生足够的信任，现有技术尚未有效解决，且现有野外养殖牲畜的位置信息采集装置多绑在牲畜腿部或尾部，影响牲畜的正常发育，供电系统多采用一次性电池或太阳能充电电池，电源转换效率低，面临电源窘迫问题。区块链技术是一种数据真实有效性和数据不可篡改性的保障技术，得到了快速发展和广泛的认同。如在虚拟数字货币行业，区块链技术保护了市值超过数万亿元的数字货币的安全。目前已有大量成熟的区块链系统，如比特币区块链、以太坊区块链等公有链和以IBM Hyperledger联盟、腾讯TrustSQL等的联盟链已实用化，借助这些区块链技术，可提出一种可信的野外养殖位置信息存储和验证方法，使用户可准确验证所购牲畜是否为放养牲畜。
发明内容
鉴于现有技术中所存在的问题，本发明公开了一种野外养殖位置信息存储与验证方法，采用的技术方案为：基于区块链和数字签名，将野外养殖牲畜、电子标签、区块链中不可篡改数据进行一对一的硬链接，通过区块链保障牲畜活动轨迹的可信性，包括以下步骤：
Step1.基于区块链的位置信息采集装置所有权检查与所有权变更；该装置拥有专门的区块链地址DAddr0记录所有者情况，装置生产厂家公开认证区块链地址AuthAddr，规定装置出厂前所有者为AuthAddr地址所有者，并规定装置所有权转移需在区块链发送一种特定的区块链交易，该交易输入地址为装置原所有者控制地址，交易输出地址为装置新所有者控制地址和DAddr0，并附言装置设备编号DSSID,装置根据DAddr0中交易记录追溯当前装置所有者，并获得装置所有者公钥，基于数字签名验证收到的指令，拒绝非所有者传来的指令；
Step2.区块链数据初始化与基于区块链的位置信息采集装置自检；在装置初始化过程中，标签和装置均生成私密的区块链私钥，并和装置所有者共同形成3-2多重签名地址MultisigAddr作为记录工作用地址，由该地址发交易公开标签和装置区块链公钥，并宣告自检通过。
Step3.基于区块链的位置信息采集装置的安装；在需要进行位置记录野外养殖牲畜耳上打孔，将该装置穿过耳孔并启动。
Step4.基于区块链的位置信息采集装置采集牲畜活动轨迹并上传；到达预设采集周期后，生成一条记录，记录格式包含序号、UTC时间、经度、纬度、高度、当前区块高度BlockHeight、当前区块哈希Blockhash；多条记录通过Merkle树方式组织成一个文件；到达预设存储周期后，将该文件上传云存储，并将该文件Merkle根由标签进行数字签名，由MultisigAddr发起向自身的转账交易，在支付一定的交易手续费后，通过交易附言，将该签名和云存储地址公开。
Step5.验证方对野外养殖牲畜活动轨迹数据的获取与验证；验证方由MultisigAddr获得所有历史交易，从中提取标签公钥，各轨迹文件下载地址和签名，从云存储下载各轨迹文件，并验证签名，验证通过说明文件没有被冒用和篡改，不通过否认该记录；基于区块链逐条记录检查记录中区块高度和区块哈希是否正确，且检查各记录中UTC时间和区块链中对应区块生成时间的匹配性，不通过否认该记录，防止数据时间被向后修改；将各记录按时间排序，检查记录UTC时间的连续性，不连续则否认该记录，防止数据时间向前修改；通过GPRS网络发送签名命令，标签可实时签名，证明装置当前的有效性；全部验证完毕后，该轨迹文件为牲畜的真实轨迹，可通过该轨迹验证牲畜是否是野外养殖。
Step6.基于区块链的位置信息采集装置的回收；牲畜售出时需现场拆下装置，装置所有者发起装置回收操作，由装置所有者和装置共同签名，提走MultisigAddr中区块链代币，并删除MultisigAddr私钥，该装置在更换电子标签后装置可回收再利用；装置内的电子标签在拆卸后自毁，防止装备所有者将野外放养牲畜的位置信息采集装置置换到普通圈养牲畜上。
在Step1-6中，所述基于区块链的位置信息采集装置包括罩体，控制模块，多向动能发电模块，电源模块，散热片，太阳能接收板，密封塞，固定螺栓，光电转换器，太阳能输入接头Ⅰ，防水密封垫Ⅰ，收缩膜；其中罩体安装在散热片上部；太阳能接收板安装在罩体表面；罩体顶部表面有一凹陷，凹陷内部安装有穿过罩体顶部的固定螺栓，固定螺栓穿过散热片；凹陷顶部安装有密封塞；光电转换器安装在罩体内侧顶部，太阳能输入接头Ⅰ与光电转换器连接；防水密封垫Ⅰ安装在罩体边缘底部；散热片下部与控制模块相连；控制模块下方安装有圆柱形的多向动能发电模块；电源模块可套在多向动能发电模块上结合为一体；收缩膜受热后将电源模块与多向动能发电模块接合处密封；所述控制模块包括防腐蚀外壳，防水密封垫Ⅱ，控制电路板，固定底板，散热片固定螺丝，控制电路板固定螺丝，内嵌式开关，RFID读写器，电子标签；其中散热片利用散热片固定螺丝安装在防腐蚀外壳上，防腐蚀外壳顶部边缘处安装有防水密封垫Ⅱ；控制电路板安装在防腐蚀外壳内侧中部，其下方安装有固定底板；若干散热片固定螺丝将控制电路板固定在固定底板上；内嵌式开关安装在控制模块底部，穿过固定底板与控制电路板相连；RFID读写器安装在固定底板上，电子标签插入在RFID读写器中，RFID读写器与控制电路板相连；所述控制电路板包括电路板Ⅰ，STM32单片机，北斗定位芯片，进线口Ⅰ，太阳能输入接口Ⅰ，电源与控制排线，电源与控制接口Ⅰ，电池槽，纽扣电池，GPRS芯片；其中STM32单片机安装在电路板Ⅰ的下方，北斗定位芯片位于STM32单片机右侧；电路板Ⅰ中部开有小孔，使罩体顶部的固定螺栓穿过；进线口Ⅰ位于电路板Ⅰ上部，太阳能输入接口Ⅰ和电源与控制排线放置在进线口Ⅰ中；太阳能输入接口Ⅰ与罩体中的太阳能输入接头Ⅰ相连；电源与控制接口Ⅰ安装在电路板Ⅰ上，并与电源与控制排线相连；STM32单片机与北斗定位芯片、电源与控制接口Ⅰ以及控制模块中的内嵌式开关相连，电池槽位于STM32单片机左上方，电池槽中安装有纽扣电池，电池槽与STM32单片机和北斗定位芯片连接；GPRS芯片安装在STM32单片机左侧，并与STM32单片机相连；所述多向动能发电模块包括壳体，垂直线圈柱，弧形线圈柱，隔板，永磁球体，线管Ⅰ，线管Ⅱ，太阳能输入接口Ⅱ，动能输入接口，电源与控制接口Ⅱ，固定槽，固定内衬，球形卡扣，触点开关；其中壳体为圆柱形中空柱并与控制模块相连，壳体中部安装有垂直走向垂直线圈柱，垂直线圈柱顶部和底部安装有隔板，若干弧形线圈柱围绕垂直线圈柱对称安装；垂直线圈柱与弧形线圈柱均有一可活动的永磁球体；线管Ⅰ安装在壳体内部一侧并穿过控制模块中的固定底板，与控制电路板的进线口Ⅰ相连；线管Ⅱ安装在上下隔板左侧并从上部隔板中穿过，与线管Ⅰ相连，垂直线圈柱和弧形线圈柱的电流输出线路通过线管Ⅱ进入线管Ⅰ中，并从线管Ⅰ下部伸出与动能输入接口相连；太阳能输入接口Ⅰ连接的电流输出线路和电源与控制排线进入线管Ⅰ中，并从线管Ⅰ下部伸出分别与太阳能输入接口Ⅱ、电源与控制接口Ⅱ相连；壳体外部表面开有若干固定槽；固定槽槽中安装有固定内衬；触点开关安装在固定槽下方，与控制模块中的内嵌式开关串联在同一电路中；位于触点开关下方，与固定槽在同一直线方向上安装有具有弹性的球形卡扣；所述电源模块包括密封套，电池仓，圆形卡槽，卡扣，太阳能充电电池，动能充电电池，固定台，支撑板，电池固定螺丝，电源控制板，固定顶板，电源控制板固定螺丝，线管Ⅲ，电源与控制接头，太阳能输入接头Ⅱ，动能输入接头，压块；其中密封套为圆柱形中空，切面直径略大于多向动能发电模块中的壳体，密封套下部开有若干与多向动能发电模块中球形卡扣数量一致的圆形卡槽，顶部有若干与多向动能发电模块中固定槽数量一致的向内弯曲的卡扣；电池仓顶部与密封套连接，电池仓内侧底部左右分别安装有太阳能充电电池和动能充电电池；电池仓内部上方左右两侧安装有固定台，电池固定螺丝穿过支撑板将电池放置在固定台上；固定顶板安装在电池仓内部右方顶部，电源控制板位于固定顶板下方，并使用电源控制板固定螺丝固定在固定顶板上；线管Ⅲ位于密封套内，其中一端穿过固定顶板，另一端分别有电源与控制接头、太阳能输入接头Ⅱ、动能输入接头，电源与控制接头与发电模块中的电源与控制接口Ⅱ连接，太阳能输入接头Ⅱ发电模块中的与太阳能输入接口Ⅱ连接，动能输入接头与发电模块中的动能输入接口连接；压块为密封套内侧突起物，与多向动能发电模块中的触点开关相对应；所述电源控制板包括电路板Ⅱ，MPPT控制器，电量检测模块，电源切换模块，进线口Ⅱ，MPPT连接端，动能输入连接端，电源与控制接口Ⅲ，电源与控制排线Ⅱ，集成稳压器；其中MPPT控制器安装在电路板Ⅱ左侧，并与电源模块中的太阳能充电电池相连；电量检测模块位于MPPT控制器下方，与电源模块中的太阳能充电电池和动能充电电池连接，并通过电源与控制接口Ⅲ与控制模块中的STM32单片机相连；集成稳压器位于MPPT控制器右侧，并与电源模块中的动能充电电池相连电源切换模块安装在电路板Ⅱ右侧，通过电源与控制接口Ⅲ与控制模块中的STM32单片机连接；进线口Ⅱ位于电源切换模块左侧并与电源模块中的线管Ⅲ连接；电源与控制接口Ⅲ和电源与控制排线Ⅱ连接，电源与控制排线Ⅱ另一端与电源模块中的电源与控制接头相连；MPPT连接端与MPPT控制器相连，另一端与太阳能输入接头Ⅱ连接；动能输入连接端一端与集成稳压器连接，另一端与电源模块中的动能输入接头相连。
本发明的有益效果：本发明采用基于区块链的的位置信息采集装置自动采集位置信息并将属于上传至云端保存，使用方便，数据记录成本低，该过程中无需第三方介入，成本低廉，易于管理，抗中心攻击，用户信息不会被泄漏；每个动物绑定唯一的电子标签，每个标签现场生成私密私钥，包括生产厂家和装置所有者在内的所有第三方均无法获取或计算出该私钥，标签无法复制和伪造；更换电子标签后装置可回收再利用，因电子标签的成本相对低廉，本发明的整体使用成本较低；将所采集的野外养殖牲畜位置信息的校验数据公开至区块链，使本发明所记录数据有严格的可验证性和不可篡改性；生产方无需付出高昂的宣传成本提高自身信用或引入高成本的第三方监管，即可让用户信任所记录的数据，极大降低总营销成本；为了装置的长期使用，采用太阳能和动能混合发电模式，具有长效、绿色、环保的优点；本发明所用区块链相关技术，使养殖牲畜具备线上数字资产属性，有望发展出多种新型商业模式。
附图说明
图1为本发明的一种野外养殖位置信息存储与验证方法步骤示意图；
图2为本发明的基于区块链的位置信息采集装置整体结构图；
图3为本发明的基于区块链的位置信息采集装置侧面结构图；
图4为本发明的基于区块链的位置信息采集装置电源模块侧面结构图；
图5为本发明的基于区块链的位置信息采集装置散热片俯视结构图；
图6为本发明的基于区块链的位置信息采集装置控制电路板俯视结构图；
图7为本发明的基于区块链的位置信息采集装置多向动能发电模块仰视结构图；
图8为本发明的基于区块链的位置信息采集装置电源模块俯视结构图；
图9为本发明的基于区块链的位置信息采集装置电源控制板俯视结构图；
图10为本发明的基于区块链的位置信息采集装置在区块链中的交易序列图；
图11为本发明的Merkle树示意图；
图中：1-罩体，2-控制模块，3-多向动能发电模块，4-电源模块，5-散热片，6-太阳能接收板，7-密封塞，8-固定螺栓，9-光电转换器，10-太阳能输入接头Ⅰ，11-1-防水密封垫Ⅰ，11-2-防水密封垫Ⅱ，12-防腐蚀外壳，13-控制电路板，14-固定底板，15-散热片固定螺丝，16-控制电路板固定螺丝，17-电路板Ⅰ，18-STM32单片机，19-北斗定位芯片，20-进线口Ⅰ，21-太阳能输入接口Ⅰ，22-电源与控制排线，23-电源与控制接口Ⅰ，24-壳体，25-1-垂直线圈柱，25-2-弧形线圈柱，27-永磁球体，28-线管Ⅰ，29-线管Ⅱ，30-太阳能输入接口Ⅱ，31-动能输入接口，32-电源与控制接口Ⅱ，33-固定槽，34-固定内衬，35-球形卡扣，36-密封套，37-电池仓，38-圆形卡槽，39-卡扣，40-太阳能充电电池，41-动能充电电池，42-固定台，43-支撑板，44-电池固定螺丝，45-电源控制板，46-固定顶板，47-电源控制板固定螺丝，48-线管Ⅲ，49-电源与控制接头，50-太阳能输入接头Ⅱ，51-动能输入接头，52-电路板Ⅱ，53-MPPT控制器，54-电量检测模块，55-电源切换模块，56-进线口Ⅱ，57-MPPT连接端，58-动能输入连接端，59-电源与控制接口Ⅲ，60-电源与控制排线Ⅱ，61-集成稳压器，62-收缩膜，63-内嵌式开关，64-触点开关，65-压块，66-电池槽，67-纽扣电池，68-GPRS芯片，69-RFID读写器，70-电子标签。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明所述一种野外养殖位置信息存储与验证方法采用区块链技术，可依存于任意公有区块链链或联盟区块链，这里设本发明所依存的区块链为Blockchain，该区块链存在固定的由私钥生成公钥和由公钥生成区块链地址的算法。
本发明所述基于区块链的位置信息采集装置所有者自行构建私密的密钥MPrivateKey作为所有者区块链私钥,通过Blockchain公钥与地址生成算法，生成对应MPrivateKey的公钥MPublicKey和区块链地址MAddr。
本发明所述基于区块链的位置信息采集装置在出厂时，内置有全球唯一且不可更改的装置识别号DSSID，唯一的出厂私钥DPrivateKey0，通过装置依存区块链公钥与地址生成算法，生成该野外养殖信息传输装置的出厂公钥DPublicKey0和出厂区块链地址DAddr0。
本发明所述基于区块链的位置信息采集装置的生产厂家公开厂家认证区块链地址AuthAddr和该地址对应的公钥AuthPublicKey，并规定在设备刚出厂时，装置所有者为AuthAddr地址的拥有者。
区块链为一种分布式总账技术，其所有操作均依托交易完成，交易是一个JSON格式的字符串，并用区块链私钥进行签名，交易被广播到区块链网络中，若交易合理有效，则该交易被矿工确认并收录在区块链数据中，通过区块链数据可完成交易的查询、验证等功能。同时，在某区块链地址首次发送交易时，交易中需附带签名者对应公钥，第三方可通过区块链数据直接获得该地址公钥。
在确保私钥安全的情况下，区块链操作可安全的通过第三方API完成，通过这些API，可以完成区块链的查询、数据上链等操作，无需在设备上运行庞大的区块链客户端。
本发明所述基于区块链的位置信息采集装置的购买需要进行基于区块链的登记，即每次装置所有者变更需要发送一个特定的交易到区块链上，使第三方都可以通过区块链跟踪装置的所有者变更情况。该交易结构如下：若一次交易将装置识别号为DSSID的装置所有者从M1交易给M2，则由M1向装置依存区块链发起一笔区块链转账，本转账中至少包含一笔input，为为M1用于控制该设备的地址M1Addr中的未消费余额UTXO，至少包含两笔output，其一的输出地址为DAddr0，另一输出地址为M2Addr，并在向M2Addr输出的交易OP_RETURN中声明交易设备的装置识别号DSSID，该交易由M1Addr对应私钥进行签名。
购买装置前，购买者可从区块链对所购买装备的真伪性和交易流程进行跟踪。如装置识别号为DSSID的装置从出厂后，所有者变更序列为M1,M2,…Mi，则在区块链中存在如图10的交易序列。
验证者对带交易的基于区块链的位置信息采集装置进行下列条件进行检查，若这些条件能同时满足，则表明待交易装置为真品且该装置当前所有者为Mi：
1.待交易装置是DAddr0地址的所有者，即对任意发来数据，待交易装置可通过DPraviteKey0进行该数据进行数字签名，验证者通过区块链获得DPublicKey0，并通过DPublicKey0成功验证签名；
2.DAddr0有收到来自装置生产厂家公开的AuthAddr的转账，且该转账同时存在其他输出，该输出附带附言，附言为DSSID，若AuthAddr向DAddr0发送过多笔包含DSSID附言的信息，则只认可首笔交易，这笔被认可信息中，若待附言的输出地址M1Addr，则M1Addr的所有者就是该装置出厂后的第一个购买者；
3.根据DAddr0地址有关的区块链交易记录，逐个获得装置的历史所有者序列M1，M2,…,Mi-1，如已跟踪到设备的第k任所有者是MkAddr的所有者，且DAddr0曾收到来自MkAddr的转账，在这些转账中，首个拥有值为DSSID的OP_RETURN输出的输出地址为Mk+1Addr，则装备的所有权变更为Mk+1Addr地址所有者；
4.DAddr0上登记的最后一次所有权转移中，MiAddr地址的所有者被登记为设备的最新所有者。
5.通过区块链可以查询到MiAddr对应公钥MiPublicKey,而声称装置现所有者的人可对任意串签发可用MiPublicKey验证的数字签名。
6.为防止MiAddr所有者私钥泄漏，获得私钥的人冒充装置所有者，可检查MiAddr中代币余额，因MiAddr私钥泄漏等同于MiAddr中代币丢失，若MiAddr中代币余额市场价值较高，则说明MiAddr对应私钥私密性良好，MiAddr中代币市场价值较低者，可认定其信用不足，不要购买此人所有的装置。
当待购买的装置通过上述基于区块链的所有权验证后，可确认装置的所有权人，并进行交易，交易中，装置的原所有者提走装置中各地址存留的区块链代币，并将装置的所有权变更在区块链上进行登记。
本发明所述基于区块链的位置信息采集装置上电后，启动自身GPRS网络，并基于区块链查询设备当前所有者，并获得所有者的区块链地址MAddr和公钥MPublicKey。发送给本装置的所有指令需经过MPrivateKey的数字签名，并由本装置根据MPublicKey进行数字签名的验证，只有通过验证的指令才会被装置执行，保障装置自身的指令安全性。
如图2至图9所示，本发明中的基于区块链的位置信息采集装置由上下两部分组成，首先在猪、牛等牲畜耳朵上打孔，待止血后将上下两部分穿过孔洞，将线管Ⅰ28内的太阳能输入接口Ⅱ30、动能输入接口31、电源与控制接口Ⅱ32分别与线管Ⅲ48中的太阳能输入接头Ⅱ50、动能输入接头51、电源与控制接头49连接；将电源模块4中的密封套36套在多向动能发电模块3上，使密封套36口处的卡扣嵌入到固定槽33中，固定内衬34起到加固的作用；同时密封套36内的压块65触压到触点开关64，具有弹性的球形卡扣35穿过圆形卡槽38，进一步防止密封套36脱落。上下部分结合处由收缩膜62加热后密封。
为了维持本装置的长期使用，有效采集牲畜活动轨迹，采用了两种发电方式和电池来提高装置续航。罩体1上的太阳能接收板6吸收阳光后通过光电转换器9将光能转化为电能，依次通过线管Ⅰ28和线管Ⅲ48连接至电源控制板45上的MPPT控制器53，以最大功率输出对太阳能充电电池40充电；由于夜间无法通过太阳能接收板6产生电量，而牲畜在运动时产生大量动能，因此多向动能发电模块3作为辅助供电模块，其内部除了垂直线圈柱25-1外，外部环绕若干成对弧形线圈柱25-2，使牲畜无论做何种动作，都能使线圈内部的永磁球体27活动，从而切割磁感线产生电流；牲畜活动无规律从而使永磁球体27切割磁感线产生的电流极不稳定，因此需连接集成稳压器61后对动能充电电池41充电；集成稳压器61由变压、整流、滤波和稳压电路四部分组成，电流经过集成稳压器61变压后，得到符合电路需要的电压，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压；最后利用稳压电路保证输出直流电压稳定。为保证装置不间断使用，使两种电池轮流充电和使用，采用电量检测芯片54测量充电电池内的电压，若当前使用的电池电压低于预设下限时，利用电源切换芯片55改变供电源。优选的，电源切换芯片55采用LTC4412(在《以采用ThinSOT封装的低功耗电源路径(PowerPath)控制器作为一个理想二极管-LTC4412》，电源技术应用，2002(12)中提出“LTC4412为低功耗电源路径切换器，可对多路电源进行选择操作”。
基于区块链的位置信息采集装置启动后开始初始化，且确认命令数字签名后，装置生成用于跟踪本次所安装野生牲畜所用的区块链私钥DPrivateKey，并替换旧有工作区块链私钥，使每次安装的牲畜之间不会发生影响。其中DPrivateKey生成过程如下：
a.STM32单片机18发送DSSID给装置所有者，装置所有者用MPrivateKey对其签名，签名结果DSSIDSign返还给单片机，
b.STM32单片机18生成32字节随机数R1,接收到初始化指令的时间戳InitTimeStemp，
c.计算新的装置工作私钥DPrivateKey＝sha256(DPrivateKey0|
DSSIDSign|InitTimeStemp|R1)
d.根据BlockChain公钥生成算法生成装置工作公钥DPublicKey。
本发明所述基于区块链的位置信息采集装置可以在野外养殖牲畜之间互换，但电子标签70和野外养殖牲畜是严格的一一对应的，既电子标签才是野外养殖牲畜的唯一标识装置，且电子标签70有自身独立的区块链公私钥，电子标签生产厂家不拥有该区块链公私钥。本发明所述电子标签70有一定的计算能力和存储能力，可对传入的数据进行数字签名和验证数字签名，并回传签名串。
电子标签70在生产时，由标签生产厂家分配全球唯一的标签识别号QSSID，和一个出厂私钥QPrivateKey0。在基于区块链的位置信息采集装置收到初始化命令并通过所有者数字签名验证等条件同时满足后，电子标签70开始生成自身区块链私钥QPrivateKey,其生成步骤如下：
1.STM32单片机18发送QSSID给装置所有者，装置所有者用MPrivateKey对其签名，签名结果QSSIDSign返还给STM32单片机18，
2.STM32单片18生成32字节随机数R2,接收到初始化指令的时间戳InitTimeStemp，
3.计算新的电子标签工作私钥QPrivateKey＝sha256(QPrivateKey0|
QSSIDSign|InitTimeStemp|R2)
4.根据BlockChain公钥生成算法生成电子标签工作公钥QPublicKey，
5.将QPrivateKey和QPublicKey存储于电子标签数据存储区，
QPublicKey回传STM32单片机18并进行记录。
本发明所述基于区块链的位置信息采集装置通过区块链多重签名地址技术，根据QPublicKey、DPublicKey、MPublicKey生成3-2多重签名地址MultisigAddr，该地址为用于与当前野外养殖牲畜相关的工作用区块链地址，对该地址的任何操作均需要电子标签18、基于区块链的位置信息采集装置、装置所有人三者中的至少两者对操作进行数字签名才能发送到区块链上。
目前几乎所有的区块链均内置支持多重签名技术，以比特币区块链为例，可通过控制台指令createmultisig命令建立多重签名地址，其格式为createmultisig 2"["QPublicKey","DPublicKey","MPublickKey"]",该命令则会输出一个以3开头的地址，该地址为MultisigAddr。该地址生成过程有在线工具实现，本发明所述装置中无需运行庞大的区块链客户端，由于私钥没有泄露，使用第三方工具不会影响本方法的安全性。
MultisigAddr后，通过下述方法公开工作用信息，并完成设备自检：
1.本装置通过GPRS网络，将MultisigAddr发送给初始化指令发送者，并通过MPublicKey进行消息签名。装置所有者用MPrivateKey验证数字签名，验证通过后，该装置所有者记录MultisigAddr并用于之后的交易和验证过程。
2.装置所有者向MultisigAddr发送一定的区块链代币用于支付装置在区块链上发送数据的手续费；
3.装置通过区块链浏览器，检查当前MultisigAddr地址代币余额，等待直到MultisigAddr存在足够支付转账手续费的代币到账，
4.生成一笔由MultisigAddr向MultisigAddr，找零地址也为MultisigAddr的转帐交易，该交易OP_RETURN附言QPublicKey，并由QPrivateKey和DPrivateKey先后签名，广播该交易到区块链网络。
5.生成一笔由MultisigAddr向MultisigAddr，找零地址也为MultisigAddr的转帐交易，该交易OP_RETURN附言DPublicKey，并由DPrivateKey和MPrivateKey先后签名，广播该交易到区块链网络。
6.当区块链中确认了4.5所述交易，说明本装置相关各角色的区块链数据生成正常，装置区块链部分自检完成，且第三方可以通过这两笔交易查询到QPublicKey和DPublicKey，(由多重交易地址不能直接查询生成该地址的各公钥)。
基于区块链的位置信息采集装置的目的是采集牲畜的活动轨迹，利用北斗定位芯片19实施定位，按某一周期采集当前位置信息将信息传输至STM32单片机18存储，待上传周期到达时，由GPRS芯片68发送(邱勇在《基于STM32的北斗/GPS定位器的设计》，视听，2016(05)中提到“利用STM32设计的北斗/GPS定位器可实时采集并显示经纬信息及时间”)。基于“云存储”存储野外养殖牲畜轨迹日志文件，并将日志文件的校验信息登记到区块链，任意第三方可通过区块链检查轨迹日志文件的真实性和完整性，进而对待购买野外养殖牲畜实现溯源。
基于区块链的位置信息采集装置在自检完成后，装置所有者对装置进行配置，如配置卫星定位参数、云存储位置、云存储访问Token、位置数据记录时间间隔、数据上传时间间隔、区块链手续费等数据，完成配置后，装置开启搜星并进行牲畜位置跟踪。
每经过一次位置数据记录时间间隔(优选时间间隔为每5分钟记录一次),装置基于其定位芯片，记录装置当前位置，并从区块链中获得当前区块高度BlockHeight、当前区块哈希Blockhash作为不可伪造的时间证明，将这些记录组织为日志记录文件，该文件生成过程如下：
1.每条记录包含序号、UTC时间、经度、纬度、高度、BlockHeight、Blockhash，并包含电子标签对上述数据的签名，若搜星失败无法定位时，记录仍然存在，不过经度、纬度字段被记为-1；
2.各条记录顺序存储，并依据Merkle树的方式生成文件验证数据和记录文件Merkle根，其中Merkle树是一种保障数据一致性的树型数据结构，其生成方法为：将各条待保护的记录作为Merkle树的叶子节点，对Merkle树中的同一层次相邻的两个节点，获取两个节点值并按节点顺序将这两个值拼接为一个字符串，再通过sha256算法处理拼接后的字符串，得到的Hash值作为这两个节点父节点的值，重复该步骤处理，直到生成一个二叉树，该树的根节点的值记为MerkleRoot，如图11所示。
3.将各条记录、用于验证各条记录的Merkle树共同保存为文件，存储于STM32单片机中。
当日志文件存储空间超过STM32单片机18总存储容量的50％以上或达到数据上传时间间隔(优选每24小时)后，STM32单片机18启动位置数据云存储上传与区块链验证数据上传过程，其中，云存储为装置所有者提前购买，该过程如下：
1.更新日志文件Merkle树，将当前日志文件的Merkleroot送电子标签，电子标签基于QPrivateKey对Merkleroot进行签名，记签名值为QSign；
2.装置向云存储提交数据存储请求，云存储返回存储地址StoreURL；
3.装置检查MultisigAddr中是否还有足够支付若干次转账手续费的的区块链代币，当区块链代币不足时，通过GPRS提醒装置所有者，让其向MultisigAddr中发送区块链代币；
4.启动一次MultisigAddr向MultisigAddr的转帐，并支付一定的转账手续费，该转账的OP_RETURN字段中存储QSign|StoreURL，若该字符串长于40字节，则分成多次交易分段记录,该转账由电子标签和本装置共同签名，并登记到区块链中；
5.上传的日志文件至StoreURL,上传完成后，删除本地日志记录，释放STM32内部存储空间。
任何第三方可以通过对MultisigAddr地址的跟踪快速获得野外养殖牲畜的轨迹文件，并对该文件的正确性进行验证。获取和验证过程如下：
1.根据区块链MultisigAddr地址，获得电子标签和装置的公钥QPublicKey和DPublicKey，并从该地址获得自该地址创建以来的所有由MultisigAddr向MultisigAddr的转帐，并获得OP_RETURN字段的值；
2.对各转账的OP_RETURN中获得轨迹文件存储位置StoreURL和其签名QSign，并下载StoreURL中的轨迹文件；
3.对每个轨迹文件，重新计算该文件的Merkle根，并根据QPublicKey验证QSign是否为Merkle根的正确签名，若验证通过，则说明该文件是由待查询野外养殖牲畜产生，且该文件在上传云存储后未被篡改。
4.对记录文件中的每条记录，根据QPublicKey验证该记录的数字签名，若每条记录的签名都存在且通过验证，说明在每次数据记录时，标签工作正常。
5.获得该条记录的BlockHeight和Blockhash，并根据区块链查询高度为BlockHeight的区块的块哈希和生成时间，并和日志文件记录中的UTC时间进行比对，因未来区块的块HASH值无法预知，若块哈希正确且区块时间和记录UTC时间也一致，则说明该记录中的UTC时间没有向后修改。
6.获得所有日志文件的记录，并按时间排序，若存在记录的UTC时间被向前修改，将造成日志记录的时间不连续，若各记录的UTC时间连续，则说明没有记录的UTC时间被向前修改。
7.因本装置安装时触点开关64被压块65触碰后才能正常开启装置，装置开启后RFID读写器69读入电子标签70的信息，当装置被拆卸时，触点开关64与压块脱离，装置停止工作，控制电路板13上的纽扣电池67持续供电，STM32单片机18控制RFID读写器69执行销毁命令，将电子标签70销毁，可检查MultisigAddr中的转账，最后一个有电子标签签名的转账与验证时间的差足够小，或在本次验证后，还可以继续收到包含电子标签签名的转账，则说明当前装置与待查的牲畜绑定正常，本次获得的轨迹文件是野外养殖牲畜的真实轨迹。
野外养殖牲畜成熟后，该牲畜的所有者可将其售卖并将基于区块链的位置信息采集装置回收；
装置回收的过程如下：
1.装置从牲畜耳朵上拆卸取下，RFID读写器69向电子标签70发送Kill指令，标签启动自毁；
2.装置根据自身GPRS网络向装置所有者发送电子标签摧毁通知；
3.装置所有者查询目前MultisigAddr中区块链代币余额，构建一个区块链交易，将MultisigAddr中代币发送到指定地址上，该交易的OP_RETURN字段为指定的装置休眠字符串，并由MPrivateKey签名；
4.由GPRS网络向装置发出装置休眠指令，指令参数中包含前述交易和其签名；
5.装置利用DPrivateKey再签名该交易，并将该提币交易发送到区块链，确认提币交易成功后，删除DPrivateKey；
6.装置整体休眠，直到等待下一次连接新的电子标签并得到初始化指令后启动；
在装置回收的过程中，电子标签自毁也可起到防止不良装置所有人将野外养殖牲畜身上的基于区块链的位置信息采集装置置换到普通圈养牲畜上，以赚取高额差价。此外野外养殖牲畜可能被盗、走失，装置所有者可通过GPRS网络向装置发送实时查询指令，该指令获得当前记录并由标签用QPrivateKey对其进行签名，记录和签名同时返还给装置所有者，由其转交给验证者；验证者由区块链查询QPublicKey，并对收到的签名进行验证，当验证通过时，说明该装置目前有效工作，所获得的记录中位置为待查询野生牲畜的实时位置。
若野生养殖牲畜被盗窃者主动拆除定位装置，由于触点开关64与压块65分离，将引发电子标签70自毁，装置根据自身GPRS网络向装置所有者发送电子标签自毁通知，装置所有者可采用装置回收指令回收装置上的区块链代币，也可以采用如下操作销毁装置，永久作废被盗装置：
1.装置所有者发布一个装置销毁指令，并构建从MultisigAddr中提走区块链代币的交易至MAddr，该交易的OP_RETURN字段为指定的装置销毁字符串，并由MPrivateKey签名，该交易由GPRS网络回送装置；
2.装置利用DPrivateKey再签名，并将该交易发送到区块链，提走区块链代币；
3.利用DPrivateKey0构建从DAddr0的提币交易，提走DAddr0中的区块链代币至MAddr；
确认两笔转账均成功后，装置删除DPrivateKey0、DPublicKey0、DAddr0、DPrivateKey，使该装置无法在使用区块链相关账户，使装置失去作用，完成装置销毁。
本文中未详细说明的部件为现有技术。
上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种野外养殖位置信息存储与验证方法，基于区块链和数字签名，将野外养殖牲畜、电子标签、区块链中不可篡改数据进行一对一的硬链接，通过区块链保障牲畜活动轨迹的可信性，其特征在于：
包括以下步骤：
Step1.基于区块链的位置信息采集装置所有权检查与所有权变更；该装置拥有专门的区块链地址DAddr0记录所有者情况，装置生产厂家公开认证区块链地址AuthAddr，规定装置出厂前所有者为AuthAddr地址所有者，并规定装置所有权转移需在区块链发送一种特定的区块链交易，该交易输入地址为装置原所有者控制地址，交易输出地址为装置新所有者控制地址和DAddr0，并附言装置设备编号DSSID,装置根据DAddr0中交易记录追溯当前装置所有者，并获得装置所有者公钥，基于数字签名验证收到的指令，拒绝非所有者传来的指令；
Step2.区块链数据初始化与基于区块链的位置信息采集装置自检；在装置初始化过程中，标签和装置均生成私密的区块链私钥，并和装置所有者共同形成3-2多重签名地址MultisigAddr作为记录工作用地址，由该地址发交易公开标签和装置区块链公钥，并宣告自检通过；
Step3.基于区块链的位置信息采集装置的安装；在需要进行位置记录野外养殖牲畜耳上打孔，将该装置穿过耳孔并启动；
Step4.基于区块链的位置信息采集装置采集牲畜活动轨迹并上传；到达预设采集周期后，生成一条记录，记录格式包含序号、UTC时间、经度、纬度、高度、当前区块高度BlockHeight、当前区块哈希Blockhash；多条记录通过Merkle树方式组织成一个文件；到达预设存储周期后，将该文件上传云存储，并将该文件Merkle根由标签进行数字签名，由MultisigAddr发起向自身的转账交易，在支付一定的交易手续费后，通过交易附言，将该签名和云存储地址公开；
Step5.验证方对野外养殖牲畜活动轨迹数据的获取与验证；验证方由MultisigAddr获得所有历史交易，从中提取标签公钥，各轨迹文件下载地址和签名，从云存储下载各轨迹文件，并验证签名，验证通过说明文件没有被冒用和篡改，不通过否认该记录；基于区块链逐条记录检查记录中区块高度和区块哈希是否正确，且检查各记录中UTC时间和区块链中对应区块生成时间的匹配性，不通过否认该记录，防止数据时间被向后修改；将各记录按时间排序，检查记录UTC时间的连续性，不连续则否认该记录，防止数据时间向前修改；通过GPRS网络发送签名命令，标签可实时签名，证明装置当前的有效性；全部验证完毕后，该轨迹文件为牲畜的真实轨迹，可通过该轨迹验证牲畜是否是野外养殖；
Step6.基于区块链的位置信息采集装置的回收；牲畜售出时需现场拆下装置，装置所有者发起装置回收操作，由装置所有者和装置共同签名，提走MultisigAddr中区块链代币，并删除MultisigAddr私钥，该装置在更换电子标签后装置可回收再利用；装置内的电子标签在拆卸后自毁，防止装备所有者将野外放养牲畜的位置信息采集装置置换到普通圈养牲畜上。
2.根据权利要求1所述的一种野外养殖位置信息存储与验证方法，其特征在于：在Step1-6中，所述基于区块链的位置信息采集装置包括罩体(1)，控制模块(2)，多向动能发电模块(3)，电源模块(4)，散热片(5)，太阳能接收板(6)，密封塞(7)，固定螺栓(8)，光电转换器(9)，太阳能输入接头Ⅰ(10)，防水密封垫Ⅰ(11-1)，收缩膜(62)；其中罩体(1)安装在散热片(5)上部；太阳能接收板(6)安装在罩体(1)表面；罩体(1)顶部表面有一凹陷，凹陷内部安装有穿过罩体(1)顶部的固定螺栓(8)，固定螺栓(8)穿过散热片(5)；凹陷顶部安装有密封塞(7)；光电转换器(9)安装在罩体(1)内侧顶部，太阳能输入接头Ⅰ(10)与光电转换器(9)连接；防水密封垫Ⅰ(11-1)安装在罩体(1)边缘底部；散热片(5)下部与控制模块(2)相连；控制模块(2)下方安装有圆柱形的多向动能发电模块(3)；电源模块(4)可套在多向动能发电模块(3)上结合为一体；收缩膜(62)受热后将电源模块(4)与多向动能发电模块(3)接合处密封。
3.根据权利要求2所述的一种野外养殖位置信息存储与验证方法，其特征在于：所述控制模块(2)包括防腐蚀外壳(12)，防水密封垫Ⅱ(11-2)，控制电路板(13)，固定底板(14)，散热片固定螺丝(15)，控制电路板固定螺丝(16)，内嵌式开关(63)，RFID读写器(69)，电子标签(70)；其中散热片(5)利用散热片固定螺丝(15)安装在防腐蚀外壳(12)上，防腐蚀外壳(12)顶部边缘处安装有防水密封垫Ⅱ(11-2)；控制电路板(13)安装在防腐蚀外壳(12)内侧中部，其下方安装有固定底板(14)；若干散热片固定螺丝(15)将控制电路板(13)固定在固定底板(14)上；内嵌式开关(63)安装在控制模块(2)底部，穿过固定底板(14)与控制电路板(13)相连；RFID读写器(69)安装在固定底板(14)上，电子标签(70)插入在RFID读写器(69)中，RFID读写器(69)与控制电路板(13)相连。
4.根据权利要求3所述的一种野外养殖位置信息存储与验证方法，其特征在于：所述控制电路板(13)包括电路板Ⅰ(17)，STM32单片机(18)，北斗定位芯片(19)，进线口Ⅰ(20)，太阳能输入接口Ⅰ(21)，电源与控制排线(22)，电源与控制接口Ⅰ(23)，电池槽(66)，纽扣电池(67)，GPRS芯片(68)；其中STM32单片机(18)安装在电路板Ⅰ(17)的下方，北斗定位芯片(19)位于STM32单片机(18)右侧；电路板Ⅰ(17)中部开有小孔，使罩体(1)顶部的固定螺栓(8)穿过；进线口Ⅰ(20)位于电路板Ⅰ(17)上部，太阳能输入接口Ⅰ(21)和电源与控制排线(22)放置在进线口Ⅰ(20)中；太阳能输入接口Ⅰ(21)与罩体(1)中的太阳能输入接头Ⅰ(10)相连；电源与控制接口Ⅰ(23)安装在电路板Ⅰ(17)上，并与电源与控制排线(22)相连；STM32单片机(18)与北斗定位芯片(19)、电源与控制接口Ⅰ(23)以及控制模块(2)中的内嵌式开关(63)相连；电池槽(66)位于STM32单片机(18)左上方，电池槽(66)中安装有纽扣电池(67)，电池槽(66)与STM32单片机(18)和北斗定位芯片(19)连接；GPRS芯片(68)安装在STM32单片机(18)左侧，并与STM32单片机(18)相连。
5.根据权利要求2所述的一种野外养殖位置信息存储与验证方法，其特征在于：所述多向动能发电模块(3)包括壳体(24)，垂直线圈柱(25-1)，弧形线圈柱(25-2)，隔板(25)，永磁球体(27)，线管Ⅰ(28)，线管Ⅱ(29)，太阳能输入接口Ⅱ(30)，动能输入接口(31)，电源与控制接口Ⅱ(32)，固定槽(33)，固定内衬(34)，球形卡扣(35)，触点开关(64)；其中壳体(24)为圆柱形中空柱并与控制模块(2)相连，壳体(24)中部安装有垂直走向垂直线圈柱(25-1)，垂直线圈柱(25-1)顶部和底部安装有隔板(26)，若干弧形线圈柱(25-2)围绕垂直线圈柱(25-1)对称安装；垂直线圈柱(25-1)与弧形线圈柱(25-2)均有一可活动的永磁球体(27)；线管Ⅰ(28)安装在壳体(24)内部一侧并穿过控制模块(2)中的固定底板(14)，与控制电路板(13)的进线口Ⅰ(20)相连；线管Ⅱ(29)安装在上下隔板(26)左侧并从上部隔板中穿过，与线管Ⅰ(28)相连，垂直线圈柱(25-1)和弧形线圈柱(25-2)的电流输出线路通过线管Ⅱ(29)进入线管Ⅰ(28)中，并从线管Ⅰ(28)下部伸出与动能输入接口(31)相连；太阳能输入接口Ⅰ(21)连接的电流输出线路和电源与控制排线(22)进入线管Ⅰ(28)中，并从线管Ⅰ(28)下部伸出分别与太阳能输入接口Ⅱ(30)、电源与控制接口Ⅱ(32)相连；壳体(24)外部表面开有若干固定槽(33)；固定槽(33)槽中安装有固定内衬(34)；触点开关(64)安装在固定槽(33)下方，与控制模块(2)中的内嵌式开关(63)串联在同一电路中；位于触点开关(64)下方，与固定槽(33)在同一直线方向上安装有具有弹性的球形卡扣(35)。
6.根据权利要求2所述的一种野外养殖位置信息存储与验证方法，其特征在于：所述电源模块(4)包括密封套(36)，电池仓(37)，圆形卡槽(38)，卡扣(39)，太阳能充电电池(40)，动能充电电池(41)，固定台(42)，支撑板(43)，电池固定螺丝(44)，电源控制板(45)，固定顶板(46)，电源控制板固定螺丝(47)，线管Ⅲ(48)，电源与控制接头(49)，太阳能输入接头Ⅱ(50)，动能输入接头(51)；压块(65)；其中密封套(36)为圆柱形中空，切面直径略大于多向动能发电模块(3)中的壳体(24)，密封套(36)下部开有若干与多向动能发电模块(3)中球形卡扣(35)数量一致的圆形卡槽(38)，顶部有若干与多向动能发电模块(3)中固定槽(33)数量一致的向内弯曲的卡扣(39)；电池仓(37)顶部与密封套(36)连接，电池仓(37)内侧底部左右分别安装有太阳能充电电池(40)和动能充电电池(41)；电池仓(37)内部上方左右两侧安装有固定台(42)，电池固定螺丝(44)穿过支撑板(43)将电池放置在固定台(42)上；固定顶板(46)安装在电池仓(37)内部右方顶部，电源控制板(45)位于固定顶板(46)下方，并使用电源控制板固定螺丝(47)固定在固定顶板(46)上；线管Ⅲ(48)位于密封套(36)内，其中一端穿过固定顶板(46)，另一端分别有电源与控制接头(49)、太阳能输入接头Ⅱ(50)、动能输入接头(51)，电源与控制接头(49)与发电模块(3)中的电源与控制接口Ⅱ(32)连接，太阳能输入接头Ⅱ(50)发电模块(3)中的与太阳能输入接口Ⅱ(30)连接，动能输入接头(51)与发电模块(3)中的动能输入接口(31)连接；压块(65)为密封套(36)内侧突起物，与多向动能发电模块(3)中的触点开关(64)相对应。
7.根据权利要求6所述的一种野外养殖位置信息存储与验证方法，其特征在于：所述电源控制板(45)包括电路板Ⅱ(52)，MPPT控制器(53)，电量检测模块(54)，电源切换模块(55)，进线口Ⅱ(56)，MPPT连接端(57)，动能输入连接端(58)，电源与控制接口Ⅲ(59)，电源与控制排线Ⅱ(60)，集成稳压器(61)；其中MPPT控制器(53)安装在电路板Ⅱ(52)左侧，并与电源模块(4)中的太阳能充电电池(40)相连；电量检测模块(54)位于MPPT控制器(53)下方，与电源模块(4)中的太阳能充电电池(40)和动能充电电池(41)连接，并通过电源与控制接口Ⅲ(59)与控制模块(2)中的STM32单片机(18)相连；集成稳压器(61)位于MPPT控制器(53)右侧，并与电源模块(4)中的动能充电电池(41)相连；电源切换模块(55)安装在电路板Ⅱ(52)右侧，通过电源与控制接口Ⅲ(59)与控制模块(2)中的STM32单片机(18)连接；进线口Ⅱ(56)位于电源切换模块(55)左侧并与电源模块(4)中的线管Ⅲ(48)连接；电源与控制接口Ⅲ(59)和电源与控制排线Ⅱ(60)连接，电源与控制排线Ⅱ(60)另一端与电源模块(4)中的电源与控制接头(49)相连；MPPT连接端(57)与MPPT控制器(53)相连，另一端与太阳能输入接头Ⅱ(50)连接；动能输入连接端(58)一端与集成稳压器(61)连接，另一端与电源模块(4)中的动能输入接头(51)相连。
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