CN109407530A - 一种基于区块链的智能家居系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于区块链的智能家居系统，该系统包括：室内环境监测装置、服务器、数据传输模块、门禁控制模块和室内环境调控终端。室内环境监测装置对室内环境进行实时监测，采集室内环境数据并通过数据传输模块发送至服务器；服务器对采集的室内环境数据进行处理，判断室内环境数据是否满足预设的室内环境监测指标，若某一室内环境数据不满足预设的室内环境监测指标时，则向室内环境调控终端发送控制指令；室内环境调控终端根据接收到的控制指令控制相应的家居设备运作。本发明通过室内环境监测装置获取室内环境数据，并对室内环境数据进行处理，根据处理结果智能化控制或者远程控制家居设备的运作，实现了家居设备的安全节能控制。
Description
技术领域
本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种基于区块链的智能家居系统。
背景技术
智能家居中，设置的家居设备能够接受用户在住宅内或者远程的控制指令。目前在用户家庭中出现的家居设备的种类和数量越来越多，如智能电视、智能冰箱、智能空调等。如何实现对家居设备的安全节能控制，是亟待解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于区块链的智能家居系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种基于区块链的智能家居系统，该智能家居系统包括：室内环境监测装置、服务器、数据传输模块、门禁控制模块和室内环境调控终端；室内环境监测装置用于对室内环境进行实时监测，采集室内环境数据并通过数据传输模块发送至服务器；服务器对采集的室内环境数据进行处理，判断室内环境数据是否满足预设的室内环境监测指标，若某一室内环境数据不满足预设的室内环境监测指标时，则向室内环境调控终端发送控制指令；室内环境调控终端根据接收到的控制指令控制相应的家居设备运作；服务器设置有区块链分布式数据存储模块，区块链分布式数据存储模块提供数据的分布式存储方式，数据包括：预设的室内环境监测指标、人脸识别数据库以及历史识别记录，部署以太坊区块链的私有链，建立特定产品的系统运作规则，即智能合约；门禁控制模块用于：通过图像采集装置采集人脸图像信息，经数据传输模块将采集的人脸图像信息传输至服务器，在服务器进行人脸匹配，匹配成功则开启门锁。
优选地，区块链分布式数据存储模块用于：数据存储、数据检测、数据追溯，具体地：数据存储是数据通过非加密对称的形式存储于一笔交易，每一笔交易包含数字签名、智能合约地址、时间戳记录，在区块链网络中，挖矿通过Merkle Tree的方式对交易进行验证；
数据检测，用于根据当前数据特征值匹配区块链数据账本中特定的加密数据；
数据追溯，通过检测某一时间段某一特定指标的历史记录，获取区块链交易的数据信息。
优选地，室内环境监测装置为分簇的无线传感器网络。
优选地，室内环境监测装置包括智能家居环境监测节点、簇头节点和基站：智能家居环境监测节点用于采集室内环境数据，簇头节点用于将自身采集的室内环境数据以及接收到的其簇内智能家居环境监测节点采集的室内环境数据进行融合后传递给基站，基站将接收到的室内环境数据经数据传输模块发送至服务器。
优选地，图像采集装置为图像传感器。
优选地，室内环境数据包括：室内的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、一氧化碳浓度、二氧化硫浓度、臭氧浓度和可吸入颗粒浓度。
优选地，家居设备包括空调设备、加湿设备、灯光设备、臭氧呼吸机、智能百叶窗和电源控制开关。
本发明的有益效果为：
基于无线传感器网络获取室内环境数据，并对室内环境数据进行处理，根据处理结果智能化控制或者远程控制家居设备的运作，实现了家居设备的安全节能控制。
本发明采用了分布式存储方式对数据进行存储，通过智能合约的承诺协议，将数据按照特定的规则存入区块链中，该存储方式能够有效地克服传统数据库存储方式在隐私保护、数据安全等方面遇到的问题。
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是本发明智能家居系统的结构图。
附图标记：室内环境监测装置1；服务器2；数据传输模块3；门禁控制模块4；室内环境调控终端5；家居设备6；图像采集装置7。
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1，一种基于区块链的智能家居系统，该智能家居系统包括：室内环境监测装置1、服务器2、数据传输模块3、门禁控制模块4和室内环境调控终端5；室内环境监测装置5用于对室内环境进行实时监测，采集室内环境数据并通过数据传输模块3发送至服务器2；服务器2对采集的室内环境数据进行处理，判断室内环境数据是否满足预设的室内环境监测指标，若某一室内环境数据不满足预设的室内环境监测指标时，则向室内环境调控终端5发送控制指令；室内环境调控终端5根据接收到的控制指令控制相应的家居设备运作；
服务器2设置有区块链分布式数据存储模块，区块链分布式数据存储模块提供数据的分布式存储方式，数据包括：预设的室内环境监测指标、人脸识别数据库以及历史识别记录，部署以太坊区块链的私有链，建立特定产品的系统运作规则，即智能合约，保证整个区块链的真实性和部分去中心化。
门禁控制模块4用于：通过图像采集装置7采集人脸图像信息，经数据传输模块3将采集的人脸图像信息传输至服务器2，在服务器2进行人脸匹配，匹配成功则开启门锁。
优选地，区块链分布式数据存储模块用于：数据存储、数据检测、数据追溯，具体地：数据存储是数据通过非加密对称的形式存储于一笔交易，每一笔交易包含数字签名、智能合约地址、时间戳记录，保证交易的唯一性和不可篡改，在区块链网络中，挖矿通过Merkle Tree的方式对交易进行验证。
数据检测，用于根据当前数据特征值匹配区块链数据账本中特定的加密数据；
数据追溯，通过检测某一时间段某一特定指标的历史记录，获取区块链交易的数据信息，时间戳记录保证了所有交易的可追溯性。
优选地，室内环境监测装置1为分簇的无线传感器网络。
优选地，室内环境监测装置1包括智能家居环境监测节点、簇头节点和基站：智能家居环境监测节点用于采集室内环境数据，簇头节点用于将自身采集的室内环境数据以及接收到的其簇内智能家居环境监测节点采集的室内环境数据进行融合后传递给基站，基站将接收到的室内环境数据经数据传输模块发送至服务器。
优选地，图像采集装置7为图像传感器。
优选地，室内环境数据包括：室内的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、一氧化碳浓度、二氧化硫浓度、臭氧浓度和可吸入颗粒浓度。
优选地，家居设备6包括空调设备、加湿设备、灯光设备、臭氧呼吸机、智能百叶窗和电源控制开关。
优选地，在簇形成时，通过选举的方式选择簇头节点，具体是：
(1)从智能家居环境监测节点中确定N个临时簇头节点；
(2)对N个临时簇头节点进行筛选，具体为：利用下式计算任意两个临时簇头节点α、β之间的相似度值，若相似度值大于设定的阈值，则将其中一个能量较小的临时簇头节点恢复为智能家居环境监测节点；
式中，Sim(α，β)为临时簇头节点α和临时簇头节点β之间的相似度值，Eα为临时簇头节点α的当前剩余能量值，Eβ为临时簇头节点β的当前剩余能量值，E为无线传感器网络中智能家居环境监测节点的初始能量值，设无线传感器网络中所有节点的初始能量值均为E，d(α，β)为临时簇头节点α与临时簇头节点β之间的距离，SNRα和SNRβ分别为临时簇头节点α和临时簇头节点β的当前信噪比，d(α，BS)为临时簇头节点α与基站BS之间的距离，d(β，BS)为临时簇头节点β到基站BS之间的距离；
(3)将仍是临时簇头节点的智能家居环境监测节点作为该无线传感器网络的簇头节点，成为簇头节点的智能家居环境监测节点进行成簇广播，无线传感器网络中的智能家居环境监测节点选择与之通信距离最近的簇头节点进行加簇，成为相应簇头的簇成员节点。
有益效果：在进行分簇时，由于智能家居环境监测节点过于密集，很有可能出现簇头节点过于密集的情况，通过将计算任意两个临时簇头节点之间的相似度值与设定的相似度阈值进行比较，进而完成筛选，且在进行筛选时，不仅考虑了两个临时簇头节点不仅考虑了两个临时簇头节点的当前剩余能量值、当前信噪比的影响，而且考虑了距离因素的影响，该算法避免了簇头节点过密情况的发生，使得到的分簇结构更加合理，而且在确认簇头节点时，始终选择剩余能量值最大的临时簇头节点作为最终的簇头节点，这更有利于网络能量均衡，提高了该无线传感器网络的稳定性。
在一个实施例中，从所述智能家居环境监测节点中确定N个临时簇头节点，具体包括：
(1)将室内环境随机划分为N个区域；
(2)针对每个区域内的智能家居环境监测节点，根据自定义的概率公式计算智能家居环境监测节点成为临时簇头节点的概率值；
式中，P(j)表示智能家居环境监测节点j成为簇头节点的概率值，Rj表示智能家居环境监测节点j的通信半径，A表示跟智能家居环境监测节点j位于同一区域内的智能家居环境监测节点个数，d(a，j)表示智能家居环境监测节点a与智能家居环境监测节点j的距离，d(j，BS)表示智能家居环境监测节点j与基站的距离，Ej表示智能家居环境监测节点j的当前剩余能量值，Ea表示智能家居环境监测节点a的当前剩余能量值，|Ej-Ea|表示智能家居环境监测节点j与智能家居环境监测节点a的当前剩余能量的绝对差值，A表示当前区域内智能家居环境监测节点数，Dj表示智能家居环境监测节点j的网络连通度，Da表示智能家居环境监测节点a的网络连通度；η1、η2、η3和η4为权重系数，且满足η1+η2+η3+η4＝1；
(3)针对每个区域，选择每个区域内最大的概率值的智能家居环境监测节点作为临时簇头节点。
有益效果：本实施例首先将需要进行监测的室内环境划分为多个区域，针对每个区域，计算每个区域内所有智能家居环境监测节点成为临时簇头节点的概率值，在求解智能家居环境监测节点成为临时簇头节点的概率值时，考虑了智能家居环境监测节点j与其他在同一区域内的智能家居环境监测节点之间的距离、智能家居环境监测节点j与基站之间的距离、智能家居环境监测节点当前剩余能量值以及链路质量的因素的影响，该做法提高了分簇的合理性，使得剩余能量较大的智能家居环境监测节点成为临时簇头节点，有效的均衡整个网络的能耗，延长网络的生命周期。
在一个实施例中，完成分簇之后。定期对簇头节点进行检测，若簇头节点当前的剩余能量低于设定的能量阈值时，选择该簇头节点所在区域内的信誉值最大的智能家居环境监测节点作为新的簇头节点；其中，智能家居环境监测节点e的信誉值的计算公式为：
式中，F(e)表示智能家居环境监测节点e的信誉值，De表示智能家居环境监测节点e到其所在区域g的区域中心的距离，Ng表示区域g内智能家居环境监测节点个数，Areag为簇g覆盖区域的面积，Dg表示区域g内所有智能家居环境监测节点到区域中心的距离之和，Eres(e)表示智能家居环境监测节点e的当前剩余能量值，Eres(b)表示智能家居环境监测节点b的当前剩余能量值，b、c、ω1为权重系数，且0＜ω1＜1，簇的中心位置是指该簇覆盖区域的中心位置。
有益效果：当进行簇头节点检测时，簇头节点的当前剩余能量值低于设定的能量阈值时，通过计算其簇内其他簇成员节点的信誉值，选择信誉值最大的簇成员节点作为新的簇头节点，该算法考虑了簇成员节点的当前剩余能量值以及簇成员节点到所处区域的区域中心距离的影响，该算法不仅使得剩余能量较大的簇成员节点成为新的簇头节点，而且也保证了数据传播路径的简洁性，降低了在进行数据传输时的能量消耗，延长了该无线传感器网络的生命周期。同时在对簇头节点进行筛选时，通过计算智能家居环境监测节点成为簇头节点的概率值来选择簇头节点，在对簇头节点进行更换时，设置一个退出簇头节点的能量阈值，这样能保证节点在担任簇头节点期间能够完成较多次的数据传输工作，避免频繁更换簇头带来的网络“抖动”现象，降低了无线传感器网络的能量消耗。
优选地，区块链是一个分布式的P2P组网结构，每一个区块链节点都是拥有完整区块链数据的独立个体，即多冗余备份，保证了网络的耐攻击性和高容错性。在区块链系统中，每一个区块链节点相当于一个矿工，矿工通过打包交易并开启挖矿模式。在智能家居系统中，需要进行加密存储的数据都是通过交易的方式打包进入区块链进行存储。服务器2负责调用预先多方签名的智能合约(相当于建立了特定产品的系统运作规则)。交易是通过基于密码学原理的数字签名进行加密传输，因此，发送交易双方无需考虑节点信任和敏感信息等问题，所有的交易都可以在网络中任意传播。
优选地，以室内环境监测为例，本发明智能家居系统的具体实施步骤如下：
室内环境监测装置1将采集的室内环境数据发送至服务器2，服务器2对接收的室内环境数据进行筛选和部分哈希处理，拟采用两套数据库存储方案，包括：涉及防篡改的真实数据和个人隐私数据进行区块链存储，基本数据信息则使用传统数据库存储。
在部署好的区块链数据存储的开发环境中启动以太坊区块链的私有链——“智慧链”。在区块链节点中分别创建人脸识别数据账户、人脸识别身份认证账户、室内环境监测账户，同时获得对应账户的私钥。
编写区块链数字化的智能合约承诺协议。包括：数据存储、数据检测、数据追溯。
多方用户共同参与制定智能合约规则，通过私钥签名以确保合约的有效性。将智能合约协议写入区块链中，签名通过的合约通过P2P网络进行扩散，并以交易的形式存入区块链交易池，等待区块链节点的共识和验证；验证成功的合约写入区块链账本中。
服务器2通过调用区块链的智能合约协议与区块链数据进行交互，完成隐私数据加密存储、人脸识别信息匹配、室内环境数据检测等预设功能。
优选地，智能合约协议包括智能家居数据存储合约、人脸识别检测合约、室内环境数据追溯合约等。
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 (8)
1.一种基于区块链的智能家居系统，其特征是，包括：室内环境监测装置、服务器、数据传输模块、门禁控制模块和室内环境调控终端；
所述室内环境监测装置用于对室内环境进行实时监测，采集室内环境数据并通过所述数据传输模块发送至所述服务器；所述服务器对采集的室内环境数据进行处理，判断室内环境数据是否满足预设的室内环境监测指标，若某一室内环境数据不满足预设的室内环境监测指标时，则向所述室内环境调控终端发送控制指令；所述室内环境调控终端根据接收到的控制指令控制相应的家居设备运作；
所述服务器设置有区块链分布式数据存储模块，所述区块链分布式数据存储模块提供数据的分布式存储方式，数据包括：预设的室内环境监测指标、人脸识别数据库以及历史识别记录，部署以太坊区块链的私有链，建立特定产品的系统运作规则，即智能合约；
所述门禁控制模块用于：通过图像采集装置采集人脸图像信息，经所述数据传输模块将采集的人脸图像信息传输至所述服务器，在所述服务器进行人脸匹配，匹配成功则开启门锁。
2.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征是，所述区块链分布式数据存储模块用于：数据存储、数据检测、数据追溯，具体地：所述数据存储是所述数据通过非加密对称的形式存储于一笔交易，每一笔交易包含数字签名、智能合约地址、时间戳记录，在区块链网络中，挖矿通过Merkle Tree的方式对交易进行验证；
所述数据检测，用于根据当前数据特征值匹配区块链数据账本中特定的加密数据；
所述数据追溯，通过检测某一时间段某一特定指标的历史记录，获取区块链交易的数据信息。
3.根据权利要求2所述的智能家居系统，其特征是，所述室内环境监测装置为分簇的无线传感器网络。
4.根据权利要求3所述的智能家居系统，其特征是，所述室内环境监测装置包括智能家居环境监测节点、簇头节点和基站：所述智能家居环境监测节点用于采集室内环境数据，所述簇头节点用于将自身采集的室内环境数据以及接收到的其簇内智能家居环境监测节点采集的室内环境数据进行融合后传递给所述基站，所述基站将接收到的室内环境数据经数据传输模块发送至所述服务器。
5.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征是，所述图像采集装置为图像传感器。
6.根据权利要求4所述的智能家居系统，其特征是，所述室内环境数据包括：室内的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、一氧化碳浓度、二氧化硫浓度、臭氧浓度和可吸入颗粒浓度。
7.根据权利要求6所述的智能家居系统，其特征是，所述家居设备包括空调设备、加湿设备、灯光设备、臭氧呼吸机、智能百叶窗和电源控制开关。
8.根据权利要求4所述的智能家居系统，其特征是，在簇形成时，通过选举的方式选择簇头节点，具体是：
(1)从智能家居环境监测节点中确定N个临时簇头节点；
(2)对N个临时簇头节点进行筛选，具体为：利用下式计算任意两个临时簇头节点α、β之间的相似度值，若相似度值大于设定的阈值，则将其中一个能量较小的临时簇头节点恢复为智能家居环境监测节点；
式中，Sim(α,β)为临时簇头节点α和临时簇头节点β之间的相似度值，Eα为临时簇头节点α的当前剩余能量值，Eβ为临时簇头节点β的当前剩余能量值，E为所述无线传感器网络中智能家居环境监测节点的初始能量值，设所述无线传感器网络中所有节点的初始能量值均为E，d(α,β)为临时簇头节点α与临时簇头节点β之间的距离，SNRα和SNRβ分别为临时簇头节点α和临时簇头节点β的当前信噪比，d(α,BS)为临时簇头节点α与基站BS之间的距离，d(β,BS)为临时簇头节点β到基站BS之间的距离；
(3)将仍是临时簇头节点的智能家居环境监测节点作为该无线传感器网络的簇头节点，成为簇头节点的智能家居环境监测节点进行成簇广播，所述无线传感器网络中的智能家居环境监测节点选择与之通信距离最近的簇头节点进行加簇，成为簇成员节点。
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