CN109743177A

CN109743177A - 一种基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统

Info

Publication number: CN109743177A
Application number: CN201811631315.0A
Authority: CN
Inventors: 吴迪; 廖学文; 周立翊; 吴超
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2038-12-29
Also published as: CN109743177B

Abstract

本发明公开了一种基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，包括：数据获取及存储模块，用于获取物联网数据并进行数据分片，获得数据片并将数据片存储于区域服务器中，将数据片对应的哈希地址存储于区块链上；智能合约模块，用于接收数据消费者发送的数据交易请求以及对应的哈希地址，根据哈希地址获取对应的数据片，并执行交易。本发明中通过将物联网数据分布存储于区域服务器中，并将哈希地址存储于区块链上，在分散式存储数据的同时，利用区块链对数据进行了统筹，且基于智能合约模块进行数据的交易，保证了数据交易的公正性，充分利用了数据。本发明中还引入了激励机制，通过发送激励奖金激励用户主动去采集数据，提高了数据的质量。

Description

一种基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统

技术领域

本发明涉及互联网技术领域，更具体地说，涉及一种基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统。

背景技术

物联网技术作为现实和网络世界的连接基础备受关注，应用也十分广泛。小到智能家居，大到环境保护、智能工业都需要应用物联网技术。

随着物联网技术被广泛应用，也会产生大量的物联网数据。但是现有技术中的物联网数据缺乏有效的管理，导致物联网数据没有被充分利用，存在物联网数据浪费的问题。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供了一种基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统。

本发明提供的一种基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，其特征在于,包括：

数据获取及存储模块，用于获取物联网数据，对所述物联网数据进行数据分片，获得数据片并将所述数据片存储于区域服务器中，将所述数据片对应的哈希地址存储于区块链上；

智能合约模块，用于接收数据消费者发送的数据交易请求以及与所述数据交易请求对应的哈希地址和公钥，根据哈希地址获取对应的数据片，并执行交易；

其中，所述物联网数据由部署于共享交通工具上的传感器采集获得，所述区域服务器部署有分布式文件系统，所述执行交易的过程为根据所述公钥对获取得到的数据片进行加密，并获取所述数据消费者释放的交易金。

可选地,所述数据获取及存储模块包括：

数据获取单元，用于获取由数据提供者通过移动终端进行上传的物联网数据，所述物联网数据包括由传感器采集的环境数据、所述环境数据对应的采集时间及采集位置；

数据存储单元，用于将所述数据片存储于区域服务器中，并将所述数据片对应的哈希地址、采集时间及采集位置存储于区块链上；

其中，所述传感器部署于共享交通工具上，且所述传感器与所述移动终端通讯连接。

可选地,所述数据获取单元还用于获取由数据提供者通过移动终端加密后的物联网数据及对应的密钥，以使得数据消费者根据所述密钥对加密后的物联网数据进行解密。

可选地,所述数据获取及存储模块还包括：

数据分片单元，用于根据merkletree数据结构对物联网数据进行分片，获得数据片并计算所述数据片对应的哈希地址。

可选地,所述智能合约模块还用于接收第一质量属性值，所述第一质量属性值由所述数据消费者根据其选择的数据片进行计算得到；

所述智能合约模块还用于在获取到对应的数据片后，计算所述数据片的第二质量属性值，并将所述第二质量属性值与所述第一质量属性值对比，在所述第二质量属性值与所述第一质量属性值不一致时，关闭交易。

可选地,所述智能合约模块还用于在执行完交易后，根据被交易的数据片向对应的数据提供者发放激励奖金。

可选地,所述智能合约模块还用于根据交易数据片的质量属性值计算激励奖金值；

所述激励奖金值由奖金求取公式计算得到，所述奖金求取公式为：

其中，m'为每个数据点的奖金，M为奖金总值，d为数据点数量，n为交易数据片包含的数据点个数，w_i为奖金权重值，

所述奖金权重值由权重求取公式计算得到，所述权重求取公式为：

w_i＝m'×[(QA(s_i)-α)+1]；

其中，QA(s_i)为数据点的质量属性值，p为当天采集数据的总人数。

可选地,所述质量属性值由质量属性求取公式计算得到，所述质量属性求取公式为：

其中，accuracy为数据的准确属性值，由准确属性求取公式计算得到；timeliness_i为数据的时效属性值，由时效属性求取公式计算得到；logicality_i为数据的逻辑属性值，由逻辑属性求取公式求取得到；

所述准确属性求取公式为：

其中，distance_i为数据源i和其他数据之间的欧几里德距离，且Mean(s i)表示数据分片si的平均值；

所述时效属性求取公式为：

其中，tdistance_i为数据源i与其他数据在采集时间之间的欧几里得距离，且Time(s i)表示数据si的平均采集时间；

所述逻辑属性求取公式为：

可选地,所述智能合约模块根据所述哈希地址获取对应的数据片具体为：

所述智能合约模块将所述哈希地址发送至权威机构，并获取由所述权威机构返回的数据片；

所述权威机构用于根据所述哈希地址在区域服务器中下载对应的数据片，并将数据片发送至所述智能合约模块。

可选地,所述智能合约模块还用于在接收到数据消费者发送的数据交易请求之后的预置时限内没有接收到哈希地址和第一质量属性值时，关闭交易。

本发明具有以下有益效果：

本发明中通过数据获取及存储模块将物联网数据进行分片后分布存储于区域服务器中，并将数据片对应的哈希地址存储于区块链上，在分散式存储物联网数据的同时，利用区块链对物联网数据进行了统筹，以便于数据消费者在区块链上选择感兴趣的物联网数据；另外，基于智能合约模块进行物联网数据的交易，保证了物联网数据交易的公正性，并能够保护双方的隐私，有利于促进物联网数据的交易，充分利用了物联网数据。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例提供的一种基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统的总体框架示意图

图3为本发明实施例提供的一种智能合约模块执行的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种物联网数据管理系统的总体执行流程。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，图1为本发明实施例提供的一种基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统的总体框架示意图。

本发明实施例提供的一种基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，其特征在于,包括：

数据获取及存储模块101，用于获取物联网数据，对所述物联网数据进行数据分片，获得数据片并将所述数据片存储于区域服务器中，将所述数据片对应的哈希地址存储于区块链上；

在本发明实施例中，所述数据获取及存储模块具体包括：数据获取单元和数据存储单元，数据获取单元用于获取由数据提供者通过移动终端进行上传的物联网数据，所述物联网数据包括由传感器采集的环境数据、所述环境数据对应的采集时间及采集位置。其中，物联网数据主要来源于数据提供者的上传，数据提供者可以将其移动终端与采集环境数据的传感器绑定，并在获取到传感器采集到的环境数据后，将环境数据作为物联网数据上传至数据获取及存储模块101上。

在一种可选的实施方式中，传感器可以部署在共享单车或共享汽车等共享交通工具上，用户可以在移动终端处通过扫描传感器上的二维码等方式与传感器建立通讯连接；在用户骑行或驾驶的过程中，传感器实时采集环境数据(例如PM2.5、环境温度和环境湿度等)，并发送至移动终端上，移动终端记录环境数据的采集位置和采集时间，然后将环境数据及其对应的采集位置和采集时间进行打包并实时上传至数据获取及存储模块101上。另外，为了便于后期追溯数据的来源，保障数据的安全性，移动终端还可以将传感器的元数据，例如传感器的MAC地址、坐标等信息，一并进行打包上传。

可以理解的是，由于传感器可能分布于不同的区域，且用户骑行或驾驶的过程中，也会经过不同的区域，因此，为了便于物联网数据的上传和存储，可以将数据获取及存储模块101部署于部署有分布式文件系统的区域服务器上，即物联网数据被上传至区域服务器上。

此外，在本发明实施例中，所述数据获取及存储模块具体还包括：数据分片单元，用于根据merkletree数据结构对物联网数据进行分片，获得数据片并计算所述数据片对应的哈希地址。在物联网数据被上传至区域服务器后，在区域服务器端会进行数据分片。在一种可选地实施方式中，物联网数据被根据merkletree数据结构进行分片，该数据分片方法具体是：以时间(例如“天”)为单位，假设每天有n个传感器上传了数据(值得注意的是，n不是固定的，因为每天上传数据的传感器数量可能是不一样的)，第一天有一个传感器共被m个用户用终端绑定并上传了数据，那么对于这个传感器来说，一共生成了m片数据。在区域服务器端，首先将这m个数据分别做哈希运算，然后将相邻的两个数据块为一对向上做哈希运算，直到生成一个merkleTree根。因此，第一天结束后共有n个merkleTree生成，以后对于每个传感器来说，都是将数据插入到各自对应的merkleTree上，并在每天结束后更新merkleTree。采用merkletree数据结构进行数据分片，既能够起到存储数据的作用，还能够在后续追溯数据来源的过程中起到验证数据的作用。

数据存储单元用于将所述数据片存储于区域服务器中，并将所述数据片对应的哈希地址、采集时间及采集位置存储于区块链上。具体地，可以选用星际文件系统(InterPlanetary File System，IPFS)作为分布式存储协议，根据具体环境，例如数据采集地区的大小、人口流量、单车投放量等因素划分出不同的区域来搭建服务器，服务器的性能也可根据上述环境进行选择，并在服务器上部署分布式文件系统，即所有的区域服务器共同组成了分布式存储环境。数据提供者的移动终端在收集数据的过程中，会选择离自己最近的区域服务器进行上传，直到用户停止采集数据时，当前的区域服务器将数据分片处理后广播给其他的区域服务器。

此外,所述数据获取单元还用于获取由数据提供者通过移动终端加密后的物联网数据及对应的密钥，以使得数据消费者根据所述密钥对加密后的物联网数据进行解密。即在移动终端上传物联网数据前，移动终端预先对物联网数据进行加密，并将用于解密的密钥以及加密后的物联网数据一并进行上传。该密钥有两个作用，分别为标记数据来源于哪个用户和作为交易账户，一方面可以便于后续追溯数据的来源，另一方面可以作为数据提供者的交易账户。

在本发明实施例中，将物联网数据进行分片后存储于区域服务器中，并将分片后的物联网数据对应的哈希地址存储于区块链上，有两个好处：一方面，数据消费者想要下载数据时，首先预览区块链上的数据地址，然后才根据地址去下载服务器上的真实数据，不直接和数据打交道，无法对数据进行操作，且免却了在众多的区域服务器上来回寻找物联网数据的繁杂步骤，优化了数据消费体验；另一方面，物联网数据若出现问题，例如遭到毁坏或恶意篡改，则可根据区块链上的地址找到数据所在服务器，进一步通过密钥定位到具体是哪个传感器的数据出错。基于这两方面，保证了数据的安全性。另外，由于物联网数据是经过加密处理的，不会透漏任何用户的隐私。

智能合约模块102，用于接收数据消费者发送的数据交易请求以及与所述数据交易请求对应的哈希地址和公钥，根据哈希地址获取对应的数据片，并执行交易；其中，执行交易的过程具体为根据所述公钥对获取得到的数据片进行加密，并获取所述数据消费者释放的交易金。由于物联网数据被分片存储于区域服务器中，而物联网数据对应的哈希地址、数据采集的时间和位置等信息则被存储在区块链上，因此，数据消费者可以在区块链上浏览物联网数据对应的哈希地址、采集时间和采集位置等信息，在选择了自己感兴趣的数据之后，根据区块链上所提供的哈希地址，在区域服务器上下载对应的物联网数据。在数据消费者确定购买该部分数据时，数据消费者可以向智能合约模块102提出数据交易请求，并且向智能合约模块102提供欲购买的物联网数据所对应的哈希地址，智能合约模块102根据该哈希地址找到对应的数据片之后，可以执行交易，即采用数据消费者提供的公钥对区域服务器上的物联网数据进行加密，数据消费者则释放相应的购买资金至智能合约模块102上。其中，智能合约模块102对物联网数据进行加密后，该部分物联网数据除了购买者外，其他的数据消费者无法再查看，保证了被购买的物联网数据的独占性，以促进物联网数据的交易。

在一种可选的实施方式中，为了确保数据消费者没有恶意伪造数据或数据的哈希地址，保证交易的公平和透明性，所述智能合约模块还用于接收第一质量属性值；以及在获取到对应的数据片后，计算所述数据片的第二质量属性值，并将所述第二质量属性值与所述第一质量属性值对比，在所述第二质量属性值与所述第一质量属性值不一致时，关闭交易。其中，所述第一质量属性值由所述数据消费者根据其选择的数据片进行计算得到，第二质量属性值则由智能合约模块根据下载得到的数据片进行计算得到。若数据消费者提供的是正确的哈希地址且没有伪造数据，则第一质量属性值和第二质量属性值相等，交易可以进行，否则，需要关闭交易。

在本发明实施例中，第一质量属性值和第二质量属性值均为物联网数据的质量属性值，代表着物联网数据的质量属性，可用于评价其质量等级，以便于数据消费者根据质量属性值的大小去选择感兴趣的物联网数据。具体地，质量属性值由三个指标来进行衡量和计算，分别为：准确属性值、时效属性值和逻辑属性值，即物联网数据的质量可以由准确性、时效性和逻辑性来进行评价。

1、准确性表示在当前数据点采集的数据与周围数据点的相似度，环境数据之间是有相关性的，越相似则该数据点的数据更准确。数据准确性由与所有其他数据源的距离的倒数表示。首先，可以将数据源i和其他数据之间的欧几里德距离定义为：

其中Mean(s i)表示数据分片si的平均值。进一步地，数据分片的准确性可以定义为：

其中，accuracy为数据的准确属性值。

2、时效性用来表示在当前数据点采集到的数据与在其他点采集到的数据之前的时间间隔，时间间隔越短表示数据时效性高，数据质量就越高。时效性由与所有其他数据源的采集时间差的距离的倒数表示。首先，可以将数据源i和其他数据采集时间之间的欧几里德距离定义为：

其中，Time(s i)表示数据si的平均采集时间。进一步，可以将数据分片的时效性定义为：

其中，timeliness_i为数据的时效属性值。

3、逻辑性表示数据的内部逻辑性。例如，PM 10颗粒测量结果必须是在相同条件下大于PM 2.5。因此，逻辑性可以定义为：

其中，logicality_i为数据的逻辑属性值。

最后，质量属性值可以由以下公式定义：

则为质量属性值。

在一种可选的实施方式中,为了激励数据提供者上传物联网数据，所述智能合约模块还用于在执行完交易后，根据被交易的数据片向对应的数据提供者发放激励奖金。由于当前的物联网数据采集方式都是通过将传感器部署到固定位置来采集数据，部署方式耗费巨大的人力物力，不够灵活，且传感器的维护成本高；而本发明实施例中将传感器部署到共享单车等共享交通工具上，可以使传感器进行流动采集物联网数据，并且采用了发放激励奖金的方式去激励用户主动执行采集物联网数据的任务而不用请专业人员进行工作，节省了大量成本，并且由于是激励用户主动去执行采集，能够提高采集的物联网数据的质量。

具体地,所述智能合约模块还用于根据交易数据片的质量属性值计算激励奖金值；

w_i＝m'×[(QA(s_i)-α)+1]；

其中，QA(s_i)为数据点的质量属性值，p为当天采集数据的总人数。显然，针对用户在骑行共享单车的同时进行物联网数据采集，用户骑车的次数越多，骑行时间越长，采集的数据质量越高，则会在交易过程中获得更高的奖金激励。通过用户激励的方式来获取物联网数据，既能够激励用户使用共享出行交通工具，为共享出行行业带来盈利，又为物联网行业提供了实时数据。

在一种可选的实施方式中,为了保证交易过程受到监管，在交易过程中，可以引进权威机构。具体地，权威机构参与进交易的过程如下：

所述智能合约模块将所述哈希地址发送至权威机构，并获取由所述权威机构返回的数据片；所述权威机构用于根据所述哈希地址在区域服务器中下载对应的数据片，并将数据片发送至所述智能合约模块。权威机构主要起到两个作用，第一，起到监管的作用，权威机构能够有最高的权限，可以随时停止和开启交易，权威机构具体可以为政府，以监管交易的进行；第二，由于交易过程中可能出现潜在的问题，此时，数据消费者和数据提供者均可以发起调查请求，权威机构则可以用最高权限调用资源查明出现问题的原因，以确保交易的公正性。

对于物联网数据的交易管理方面，有时候数据交易事务会失败，有两方面原因。一方面是客观原因，例如数据提供者或数据消费者与网络断开连接；一方面是主观造成的原因，即数据消费者伪造了质量属性值。针对以上原因，本发明实施例中设置了智能合约模块来解决，其中智能合约模块是在区块链上运行的程序，能够保证数据不可篡改和实现隐私保护，并且确保交易的可靠性，合同需要由区块链网络中的多个节点进行验证和签名，以确保其正确性。智能合约模块能够保证交易按照既定规则执行，将用于规范数据消费者和数据提供者。

具体地，可以参阅图3，图3为本发明实施例提供的一种智能合约模块执行的流程示意图。其中，智能合约模块主要用于执行以下步骤：

(1)获取由数据消费者发来的哈希地址和第一质量属性值；

(2)收到哈希地址后向权威机构请求对应的物联网数据；

(3)获取由权威机构发来的物联网数据；

(4)根据获取的物联网数据计算第二质量属性值，验证与接收到的第一质量属性值的一致性；

(5)验证通过后，根据数据消费者提供的总资金计算并释放每个采集用户的激励奖金；

(6)监听调查请求；

(7)关闭和执行交易。

由图3中可知，所述智能合约模块还用于在接收到数据消费者发送的数据交易请求之后的预置时限内没有接收到哈希地址和第一质量属性值时，关闭交易，即在数据消费者请求交易后而又不发送相应的哈希地址和第一质量属性值时，关闭交易。这样，不仅可以处理网络连接断开所产生的影响，还可以防止恶意行为故意不响应而永久锁定智能合约中的资金。其中，预置时限可以根据具体交易情况进行设置，例如设置为1分钟或5分钟等，此处不做具体限定。

为了便于理解，以下将结合图4对本发明实施例所提供的物联网数据管理系统的总体执行流程进行详细的说明。

1、数据加密。骑行用户(即数据提供者)在采集数据前就在移动终端上创建了加密密钥(例如加密方式选择AES)，将采集到的物联网数据加密后存储到区域服务器。

2、骑行用户在骑行结束后，将步骤1中创建的用于解密的密钥存储到区域服务器上。

3、物联网数据上传至区域服务器后，在区域服务器端进行数据分片。

4、区域服务器将每个数据片的哈希地址存储在区块链上，同时存储数据片所属的采集位置和采集时间。

5、数据消费者(例如某公司或机构)浏览区块链，根据步骤4中数据片所属的采集位置和采集时间选择其感兴趣的数据片的哈希地址。

6、数据消费者根据所选择的哈希地址从部署有分布式文件系统的区域服务器中下载其感兴趣的数据片，这里的数据片包含两个部分，一部分是传感器数据(例如MAC地址等)和物联网环境数据，另一部分是数据对应的密钥。

7、数据消费者采用下载的密钥解密步骤6下载的数据，并计算物联网数据对应的质量属性值QA，然后基于QA结果决定是否购买相应的数据分片。

8、数据消费者创建非对称密钥对，将用于加密的公钥、欲购买的物联网数据对应的哈希地址和QA发送给智能合约，启动智能合约。

9、智能合约将步骤8中获得的哈希地址转发至权威机构，并向权威机构索要数据。

10、权威机构根据哈希地址从分布式系统中下载物联网数据。

11、权威机构将下载得到的物联网数据发给智能合约。

12、智能合约用步骤11获得的物联网数据计算QA，并与步骤8提供的QA进行比对，若两个QA值相等则继续向下执行，否则关闭交易。

13、智能合约用步骤8提供的公钥加密骑行用户提供的AES密钥，这确保当前提出交易的数据消费者只有其本人可以解密该AES密钥，其他消费者即使下载了同样的数据片，由于被上一位消费者购买过，无法解密也就无法看到数据内容。

14、数据消费者释放资金至智能合约。

15、智能合约计算激励金额，开启支付通道。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，其特征在于,包括：

2.根据权利要求1所述的基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，其特征在于,所述数据获取及存储模块包括：

3.根据权利要求2所述的基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，其特征在于,所述数据获取单元还用于获取由数据提供者通过移动终端加密后的物联网数据及对应的密钥，以使得数据消费者根据所述密钥对加密后的物联网数据进行解密。

4.根据权利要求1所述的基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，其特征在于,所述数据获取及存储模块还包括：

5.根据权利要求1所述的基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，其特征在于,所述智能合约模块还用于接收第一质量属性值，所述第一质量属性值由所述数据消费者根据其选择的数据片进行计算得到；

6.根据权利要求5所述的基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，其特征在于,所述智能合约模块还用于在执行完交易后，根据被交易的数据片向对应的数据提供者发放激励奖金。

7.根据权利要求6所述的基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，其特征在于,所述智能合约模块还用于根据交易数据片的质量属性值计算激励奖金值；

w_i＝m'×[(QA(s_i)-α)+1]；

8.根据权利要求7所述的基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，其特征在于,所述质量属性值由质量属性求取公式计算得到，所述质量属性求取公式为：

所述准确属性求取公式为：

所述时效属性求取公式为：

所述逻辑属性求取公式为：

9.根据权利要求1所述的基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，其特征在于,所述智能合约模块根据所述哈希地址获取对应的数据片具体为：

10.根据权利要求5所述的基于区块链以及共享环境的物联网数据管理系统，其特征在于,所述智能合约模块还用于在接收到数据消费者发送的数据交易请求之后的预置时限内没有接收到哈希地址和第一质量属性值时，关闭交易。