CN108737511A - 一种基于区块链的大气污染监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于区块链的大气污染监测系统，包括数据转发模块、污染监测子系统以及由多个数据校验节点组成的区块链校验网络；所述的污染监测子系统用于对大气污染进行监测，获取大气污染浓度数据并发送至数据转发模块，污染监测子系统包括用于采集大气污染浓度数据的多个传感器节点和用于与数据转发模块通信的基站，传感器节点与基站为单跳距离时，传感器节点直接将采集的大气污染浓度数据发送至基站；传感器节点与基站为多跳距离时，传感器节点根据设定的路由策略向基站发送所采集的大气污染浓度数据；所述数据转发模块在接收到基站发送的大气污染浓度数据后，转发至所述区块链校验网络。

Description

一种基于区块链的大气污染监测系统
技术领域
本发明涉及大气监测技术领域，具体涉及一种基于区块链的大气污染监测系统。
背景技术
相关技术中，对城市大气污染监测的方法主要有：
(1)传统方法，即人工取样实验室分析的方法。这种方法只能得到大气污染监测区域内某段时间内的监测值，无法进行实时监测，监测结果受人为的影响很大，同时，当大气污染监测区域有害气体浓度很高时会严重伤害监测人员的身体健康；
(2)目前比较流行的在线监测，多采用国外进口的自动化大气环境监测设备进行监测，这种监测方法，尽管能够实现实时监测，但所用设备结构复杂、价格昂贵、难以维护、运营成本高且其工作环境苛刻。
物联网通过各种信息传感设备，实时采集需要监控、连接、互动的物体各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。物联网系统中每时每刻都在进行着与数据有关的操作，包括数据采集、数据传输和数据存储等环节。数据在每一个环节都容易受到恶意攻击和非法篡改操作。在数据采集环节，非法节点可以冒充或者攻击合法节点进行非法感测数据的上传；在数据传输环节，一方面由于信道质量不佳可能引起误码，另一方面由于数据在传输过程中容易被恶意修改，最终导致上传的数据不合法等。因此，在数据存储前进行数据校验是必不可少的操作。数据校验的目的是为了防止非法节点的冒充和攻击行为、杜绝数据在传输过程中被恶意篡改、保证数据的真实性、合法性与完整性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于区块链的大气污染监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种基于区块链的大气污染监测系统，包括数据转发模块、污染监测子系统以及由多个数据校验节点组成的区块链校验网络；所述的污染监测子系统用于对大气污染进行监测，获取大气污染浓度数据并发送至数据转发模块，污染监测子系统包括用于采集大气污染浓度数据的多个传感器节点和用于与数据转发模块通信的基站，传感器节点与基站为单跳距离时，传感器节点直接将采集的大气污染浓度数据发送至基站；传感器节点与基站为多跳距离时，传感器节点根据设定的路由策略向基站发送所采集的大气污染浓度数据；所述数据转发模块在接收到基站发送的大气污染浓度数据后，转发至所述区块链校验网络；所述区块链校验网络中的多个数据校验节点负责对所述数据转发模块转发的所述大气污染浓度数据进行校验并保存；各所述数据校验节点为区块链节点，多个所述数据校验节点组成一个分布式数据库。
进一步地，系统还包括认证中心，认证中心对所述数据转发模块、所述传感器节点、基站和所述数据校验节点进行授权认证。
优选地，传感器节点在通过认证中心的授权认证后成为合法传感器节点，并获取唯一的传感器节点数字证书和对称密钥；基站在通过认证中心的授权认证后成为合法基站，并获取唯一的基站数字证书和对称密钥；所述数据转发模块在通过认证中心的授权认证后，获取唯一的数据转发模块数字证书和对称密钥；所述数据校验节点在通过认证中心的授权认证后成为合法数据校验节点，并获取唯一的公钥、私钥、数据校验节点数字证书和对称密钥；所述公钥，用于通过所述数据转发模块向所述区块链校验网络和所述污染监测子系统广播；所述私钥，用于通过人为在所述数据校验节点间共享。
本发明的有益效果为：采用污染监测子系统技术获取大气污染浓度数据，无需布线，节省人力物力，可扩展性好，适合构建大规模的监测系统，适合推广应用；利用数据校验节点来完成数据校验任务，将校验工作从数据转发模块分发给校验节点，可以克服由于校验任务过于集中而带来的校验效率低、速度慢、传输时延高、易受攻击等问题。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一个示例性实施例的系统结构连接框图；
图2是本发明一个示例性实施例的数据处理子系统的结构示意图。
附图标记：
数据转发模块1、污染监测子系统2、区块链校验网络3、数据处理子系统4、预处理模块10、聚类处理模块20、数据库30。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本实施例提供了一种基于区块链的大气污染监测系统，包括数据转发模块1、污染监测子系统2以及由多个数据校验节点组成的区块链校验网络3；所述的污染监测子系统2用于对大气污染进行监测，获取大气污染浓度数据并发送至数据转发模块1，污染监测子系统2包括用于采集大气污染浓度数据的多个传感器节点和用于与数据转发模块通信的基站；所述数据转发模块1在接收到基站发送的大气污染浓度数据后，转发至所述区块链校验网络3；所述区块链校验网络3中的多个数据校验节点负责对所述数据转发模块1转发的所述大气污染浓度数据进行校验并保存；各所述数据校验节点为区块链节点，多个所述数据校验节点组成一个分布式数据库。
其中，传感器节点与基站为单跳距离时，传感器节点直接将采集的大气污染浓度数据发送至基站；传感器节点与基站为多跳距离时，传感器节点根据设定的路由策略向基站发送所采集的大气污染浓度数据。
进一步地，如图1、图2所示，系统还包括与区块链校验网络3连接的数据处理子系统4，所述数据处理子系统4用于对校验后的大气污染浓度数据依次进行预处理、聚类处理，将聚类处理后的大气污染浓度数据存入数据库。所述数据处理子系统4包括依次连接的预处理模块10、聚类处理模块20和数据库30。
进一步地，系统还包括认证中心，认证中心对所述数据转发模块1、所述传感器节点、基站和所述数据校验节点进行授权认证。在一个实施例中，传感器节点在通过认证中心的授权认证后成为合法传感器节点，并获取唯一的传感器节点数字证书和对称密钥；基站在通过认证中心的授权认证后成为合法基站，并获取唯一的基站数字证书和对称密钥；所述数据转发模块1在通过认证中心的授权认证后，获取唯一的数据转发模块1数字证书和对称密钥；所述数据校验节点在通过认证中心的授权认证后成为合法数据校验节点，并获取唯一的公钥、私钥、数据校验节点数字证书和对称密钥；所述公钥，用于通过所述数据转发模块1向所述区块链校验网络3和所述污染监测子系统2广播；所述私钥，用于通过人为在所述数据校验节点间共享。
本发明上述实施例采用污染监测子系统技术获取大气污染浓度数据，无需布线，节省人力物力，可扩展性好，适合构建大规模的监测系统，适合推广应用；利用数据校验节点来完成数据校验任务，将校验工作从数据转发模块1分发给校验节点，可以克服由于校验任务过于集中而带来的校验效率低、速度慢、传输时延高、易受攻击等问题。
在一个实施例中，预处理模块10用于对大气污染浓度数据进行预处理，具体为：对存在0值或负值的大气污染浓度数据进行预处理，将0值或负值替换为预先设定的替代值。本实施例能够防止大气污染浓度数据中的0值或负值对后续的大气污染浓度数据聚类处理造成影响。聚类处理模块20对预处理后的大气污染浓度数据进行聚类，并将聚类后的大气污染浓度数据发送至数据库30进行存储。其中，聚类的方法采用现有的聚类算法，如K-means聚类算法等。
在一个实施例中，所述设定的路由策略具体包括：
(1)网络初始化时，基站向所有传感器节点广播邻居节点列表构建消息，收到该邻居节点列表构建消息后，传感器节点通过信息交互获取邻居节点信息，并构建邻居节点列表；传感器节点从自己的一跳邻居节点中选择到基站距离比自身到基站的距离较小的邻居节点作为初选转发节点，归入初选转发节点集合；
(2)传感器节点将初选转发节点集中满足下列条件的传感器节点作为候选转发节点，归入候选转发节点集合中，并在候选转发节点集合中选择一个传感器节点作为下一跳，将大气污染浓度数据包发送给该下一跳：
式中，Pj为传感器节点i的初选转发节点集合中初选转发节点j的当前剩余能量，Pjc为初选转发节点j转发一个大气污染浓度数据包到下一跳所消耗的能量，nj为目前初选转发节点j已存储的需要转发的大气污染浓度数据包个数，h为设定的能量衰减系数，mi为传感器节点i需转发给下一跳的大气污染浓度数据包数目，Pjr为初选转发节点j接收一个新的大气污染浓度数据包所消耗的能量，Qj为初选转发节点j的当前剩余带宽，QT为设定的带宽下限，f(Qj-QT)为设定的取值函数，当Qj-QT>0时，f(Qj-QT)＝1，当Qj-QT≤0时，f(Qj-QT)＝0。
本实施例创新性地提出了候选转发节点集合的选择机制，通过该机制选择能够作为下一跳的候选转发节点，能够保障大气污染浓度数据能够向基站方向传输，并且确保候选转发节点具有足够的可用宽带和能量资源，避免因为传感器节点资源不足而造成丢包的问题，从而保障大气污染浓度数据中继传输的可靠性。
特别地，由于传感器节点的资源一直在消耗和变化，设置传感器节点定期更新自己的候选转发节点集合。
在一个实施例中，传感器在候选转发节点集合中选择优先级最高的候选转发节点作为下一跳；其中，由候选转发节点计算自身的优先级并将自己的优先级信息反馈给上一跳的传感器节点，传感器节点接收到候选转发节点反馈回的优先级信息后对候选转发节点集合中的候选转发节点按优先级从大到小的顺序进行排序，得到转发优先级列表；设定优先级的计算公式为：
式中，Uk表示传感器节点i的候选转发节点k的优先级值，Qk为传感器节点i的候选转发节点k的当前剩余带宽，QT为设定的带宽下限，Pk为候选转发节点k的当前剩余能量，Pkc为候选转发节点k转发一个大气污染浓度数据包到下一跳所消耗的能量，nk为目前候选转发节点k已存储的需要转发的大气污染浓度数据包个数，h为设定的能量衰减系数，mi为传感器节点i需转发给下一跳的大气污染浓度数据包数目，Pkr为候选转发节点k接收一个新的大气污染浓度数据包所消耗的能量，Pk0为候选转发节点k的初始能量，Si,o为传感器节点i到基站的距离，Sk,o为候选转发节点k到基站的距离，d1、d2、d3为设定的权重值。
本实施例创新性地设定了候选转发节点的优先级的计算公式，使得传感器节点能够得到候选转发节点的转发优先级列表；
本实施例中，传感器节点在候选转发节点集合中选择转发优先级列表中优先级最高的候选转发节点作为下一跳，有利于率先使用资源更为充足、能力更强的候选转发节点进行大气污染浓度数据包的转发，为大气污染浓度数据包的转发提供更好的服务质量，且有益于均衡各候选转发节点的负载，在整体上延长了网络的生命周期，提高了大气污染浓度数据管理系统在数据采集方面的可靠性。
在一个实施例中，网络每运行一个时间段后，基站计算各传感器节点的信任值Ei，当Ei小于设定的信任值阈值时，基站将对应的传感器节点i判定为恶意节点，并向所有传感器节点广播恶意节点的标识，若传感器节点的候选转发节点集中包含该恶意节点，传感器节点则将候选转发节点集中的该恶意节点删除，并更新转发优先级列表；其中，传感器节点的信任值Ei的计算公式为：
式中，Ei(t)表示传感器节点i在网络运行的第t个时间段的信任值，Ei(t-1)为传感器节点i在网络运行的第t-1个时间段的信任值，每个传感器节点皆设有初始信任值，Y为设定的信任值衰减系数，，Zi为传感器节点i的一跳邻居节点个数，rl为在前一个时间段内所述第l个邻居节点的所有更新的候选转发节点集合中，包含了传感器节点i的候选转发节点集合个数；Rl为传感器节点i的第l个邻居节点在前一个时间段内更新候选转发节点集合的次数。
本实施例创造性地通过基站对各传感器节点的信任值进行定期检测，其中仅仅利用传感器节点充当候选转发节点的情况来判定传感器节点的受信任程度，具备一定的鲁棒性，且无需收集更多关于传感器节点的其他信息就能进行恶意节点的判断，简单便捷。
本实施例中若传感器节点的候选转发节点集中包含该恶意节点，传感器节点则将候选转发节点集中的该恶意节点删除，并更新转发优先级列表，有利于进一步提高大气污染浓度数据传输的可靠性和安全性，提高大气污染浓度数据管理系统的稳定性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种基于区块链的大气污染监测系统，其特征是，包括数据转发模块、污染监测子系统以及由多个数据校验节点组成的区块链校验网络；所述的污染监测子系统用于对大气污染进行监测，获取大气污染浓度数据并发送至数据转发模块，污染监测子系统包括用于采集大气污染浓度数据的多个传感器节点和用于与数据转发模块通信的基站，传感器节点与基站为单跳距离时，传感器节点直接将采集的大气污染浓度数据发送至基站；传感器节点与基站为多跳距离时，传感器节点根据设定的路由策略向基站发送所采集的大气污染浓度数据；所述数据转发模块在接收到基站发送的大气污染浓度数据后，转发至所述区块链校验网络；所述区块链校验网络中的多个数据校验节点负责对所述数据转发模块转发的所述大气污染浓度数据进行校验并保存；各所述数据校验节点为区块链节点，多个所述数据校验节点组成一个分布式数据库。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的大气污染监测系统，其特征是，还包括认证中心，认证中心对所述数据转发模块、所述传感器节点、基站和所述数据校验节点进行授权认证。
3.根据权利要求2所述的一种基于区块链的大气污染监测系统，其特征是，传感器节点在通过认证中心的授权认证后成为合法传感器节点，并获取唯一的传感器节点数字证书和对称密钥；基站在通过认证中心的授权认证后成为合法基站，并获取唯一的基站数字证书和对称密钥；所述数据转发模块在通过认证中心的授权认证后，获取唯一的数据转发模块数字证书和对称密钥；所述数据校验节点在通过认证中心的授权认证后成为合法数据校验节点，并获取唯一的公钥、私钥、数据校验节点数字证书和对称密钥；所述公钥，用于通过所述数据转发模块向所述区块链校验网络和所述污染监测子系统广播；所述私钥，用于通过人为在所述数据校验节点间共享。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的大气污染监测系统，其特征是，系统还包括与区块链校验网络连接的数据处理子系统，所述数据处理子系统用于对校验后的大气污染浓度数据依次进行预处理、聚类处理，将聚类处理后的大气污染浓度数据存入数据库。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于区块链的大气污染监测系统，其特征是，所述设定的路由策略具体包括：
(1)网络初始化时，基站向所有传感器节点广播邻居节点列表构建消息，收到该邻居节点列表构建消息后，传感器节点通过信息交互获取邻居节点信息，并构建邻居节点列表；传感器节点从自己的一跳邻居节点中选择到基站距离比自身到基站的距离较小的邻居节点作为初选转发节点，归入初选转发节点集合；
(2)传感器节点将初选转发节点集中满足下列条件的传感器节点作为候选转发节点，归入候选转发节点集合中，并在候选转发节点集合中选择一个传感器节点作为下一跳，将大气污染浓度数据包发送给该下一跳：
式中，Pj为传感器节点i的初选转发节点集合中初选转发节点j的当前剩余能量，Pjc为初选转发节点j转发一个大气污染浓度数据包到下一跳所消耗的能量，nj为目前初选转发节点j已存储的需要转发的大气污染浓度数据包个数，h为设定的能量衰减系数，mi为传感器节点i需转发给下一跳的大气污染浓度数据包数目，Pjr为初选转发节点j接收一个新的大气污染浓度数据包所消耗的能量，Qj为初选转发节点j的当前剩余带宽，QT为设定的带宽下限，f(Qj-QT)为设定的取值函数，当Qj-QT>0时，f(Qj-QT(＝1，当Qj-QT≤0时，f(Qj-QT)＝0。
6.根据权利要求5所述的一种基于区块链的大气污染监测系统，其特征是，网络每运行一个时间段后，基站计算各传感器节点的信任值Ei，当Ei小于设定的信任值阈值时，基站将对应的传感器节点i判定为恶意节点，并向所有传感器节点广播恶意节点的标识，若传感器节点的候选转发节点集中包含该恶意节点，传感器节点则将候选转发节点集中的该恶意节点删除。
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