CN111507799B - 一种基于区块链的异构智慧农业物联网设备及其租赁方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于区块链的异构智慧农业物联网设备及其租赁方法，包括数据处理中心、传输设备、功能设备以及终端设备；其中，所述数据处理中心包括云计算数据中心和边缘计算节点，所述传输设备包括移动互联网基站及互联网站点，所述功能设备包括过程设备，所述终端设备包括移动智能终端、互联网终端及进行区块链挖矿的矿工。使用该方法，分散的农户以及规模较小的农业种植公司可以根据自己的实际需要，租用专业智慧农业物联网设备，按照获得的数据及服务付费，而无需采购及维护复杂且昂贵的专业设备；而不同类别的专业提供商，可以利用自己的资金优势及专业优势，投资共享智慧农业设备并提供专业服务，获取额外的收益。

Description

一种基于区块链的异构智慧农业物联网设备及其租赁方法

技术领域

本发明具体涉及一种基于区块链的异构智慧农业物联网设备及其租赁方法。

背景技术

区块链：区块链是一个分散的公共分类账，可以存储数据（即，事务的记录）。区块链优于集中式账本方法，集中式账本方法存在瓶颈、单点故障和安全攻击以及道德风险，效率低下。另外，区块链将数据记录为块（例如，事务集合），这些块形成一个链表数据结构，以指示添加到区块链的数据之间的逻辑关系。不需要集中的实体或中介来维护数据块。相反，在整个区块链网络上复制和共享数据块，以防止系统故障、数据操纵和网络攻击。

挖矿：区块链中保证数据完整性和有效性的关键概念是将计算过程定义为挖矿。若要向当前区块链追加一个新的数据块，则需要区块链用户或矿工解决计算密集型工作证明（PoW），以获得一个散列值，该散列值将前一个块链接到当前的块。解决PoW后，将结果广播给网络中的其他矿工进行验证。如果多数矿工同意或达成共识，新区块将被成功添加。多重协商协议对成功的矿工给予奖励，作为解决PoW的激励。

智能合约：在区块链上下文中，智能合约是存储在区块链上的脚本。（可以认为它们与关系数据库管理系统中的存储过程大致类似。）因为它们位于链上，所以它们有一个唯一的地址。我们通过处理一个事务来触发一个智能合约。然后，根据触发事务中包含的数据，在网络中的每个节点上以规定的方式独立和自动地执行。（这意味着支持智能合约的区块链中的每个节点都运行一个虚拟机（VM），而区块链网络充当一个分布式VM。）

移动边缘计算：该体系结构的引入，可以利用移动环境中的可用计算能力。本地数据中心和服务器由服务提供商部署在移动网络的“边缘”，比如无线接入网络的基站。MEC是满足第五代（5G）网络低延迟要求的关键技术。移动设备可以访问边缘服务器来增强其计算能力（例如物联网传感数据处理）。

考虑目前的农业生产方式，我们发现为了提升农业生产效率，需要在农田建设时投入一些专业自动化及信息化设备，但是此类设备由于专业性较强且价格昂贵，分散的农户以及规模较小的农业种植公司没有采购的动力、也缺乏专业技能维护及使用此类专业设备，因此我们提出一种基于区块链租用此类智慧农业异构互联网设备的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明目的是提供一种基于区块链的异构智慧农业物联网设备租赁方法，使用该方法，分散的农户以及规模较小的农业种植公司可以根据自己的实际需要，租用专业智慧农业物联网设备，按照获得的数据及服务付费，而无需采购及维护复杂且昂贵的专业设备；而不同类别的专业提供商，可以利用自己的资金优势及专业优势，投资共享智慧农业设备并提供专业服务，获取额外的收益。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种基于区块链的异构智慧农业物联网设备，包括数据处理中心、传输设备、功能设备以及终端设备；其中，所述数据处理中心包括用于业务数据处理及持久化的云计算数据中心和用于处理移动终端卸载的区块链PoW任务，同时也用于处理实时性要求较高的控制设备及过程设备的动作控制的边缘计算节点，所述传输设备包括将功能设备及终端设备联接到数据处理中心的移动互联网基站及互联网站点，所述功能设备包括可以获取种植园种植环境及种植作物的某项属性特征的数采设备、可以通过处理时间及处理数量等计算单次使用价格的控制设备及计价需要考虑设备移动路径、范围及耗材使用量的过程设备，所述终端设备包括通过互联网或移动互联网接入系统，将用户的需求描述转换为调用智能合约脚本需要的参数及协议，并反馈计价清单，完成付费过程的移动智能终端、互联网终端及进行区块链挖矿的矿工。

进一步的，所述基于区块链的异构智慧农业物联网设备租赁方法，租赁方法由2类事件触发，一类是根据种植园情况制定的耕作计划；另外一类是突发性的临时事件；具体包括以下步骤: 首先假设种植园基础信息已经完成初始化，包括园区坐标、面积、边界范围和种植作物，初始化完成后，基础数据保存到云计算数据中心，同时调用专家决策支持模块根据种植园特征排定灌溉计划；

种植园管理人员根据该园区的计划，选择根据经验值下发任务，或者调用专家决策支持模块根据推荐模式下发任务；若需要专家决策支持模块推荐，则专家决策支持模块获取存储在云计算数据中心的作物生长模型，获取该阶段作物所需模型，同时租用可以提供种植园土壤墒情、土地肥力的设备提供土壤数据，租用气象设备提供气象数据，租用作物长势监测设备获取作物参数修正作物生长模型，并计算得出实际的需水需肥量；

确定任务后，云计算数据中心后台调度模块会获取种植园区内设施基础数据以及设备空闲时段；

管理人员确认任务内容与服务价格后，任务下发到云计算数据中心或边缘计算节点的任务执行模块，任务执行模块根据任务分解操作步骤，按调度模块确定时间完成水肥一体设备配肥供水，锁定并打开供水管网关键调度节点完成任务；

完成任务后，后台调度模块记录每个步骤的执行情况，并更新种植园信息，同时调用结算模块完成组价与支付，并将交易过程记录到区块链上完成本次调用。

本发明技术效果主要体现在以下方面：使用该方法，分散的农户以及规模较小的农业种植公司可以根据自己的实际需要，租用专业智慧农业物联网设备，按照获得的数据及服务付费，而无需采购及维护复杂且昂贵的专业设备；而不同类别的专业提供商，可以利用自己的资金优势及专业优势，投资共享智慧农业设备并提供专业服务，获取额外的收益。

附图说明

图1为本发明一种基于区块链的异构智慧农业物联网设备的体系结构图；

图2为本发明一种基于区块链的异构智慧农业物联网设备租赁方法的处理流程图；

图3为一种基于区块链的异构智慧农业物联网设备的软件结构图；

图4为一种基于区块链的异构智慧农业物联网设备类图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。

在本实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

另，在本具体实施方式中如未特别说明部件之间的连接或固定方式，其连接或固定方式均可为通过现有技术中常用的螺栓固定或钉销固定，或销轴连接等方式，因此，在本实施例中不在详述。

一种基于区块链的异构智慧农业物联网设备，如图1所示，本发明方案中将智慧农业物联网设备分类为4类设备：包括数据处理中心（由云计算数据中心和边缘计算节点组成）、传输设备（由移动互联网基站及互联网站点组成）、功能设备（由数采设备、控制设备及过程设备组成）以及终端设备（由移动智能终端、互联网终端及矿工组成）。

数据处理中心，云计算数据中心用于业务数据处理及持久化，包括种植园基础数据、作物生长模型、农事工艺模型数据的存储；边缘计算节点用于处理移动终端卸载的区块链PoW任务，同时也用于处理实时性要求较高的控制设备及过程设备的动作控制。

传输设备指通过有线及无线的方式，通过移动互联网及互联网，将功能设备及终端设备联接到数据处理中心的中间设备，主要包括但不局限于无线基站、路由器等。

功能设备指通过有线及无线的方式接入该系统，提供智慧农业业务某项数据及功能的智能化设备，该发明方案将功能设备分为3类：数采设备（如，土壤墒情监测设备、温度湿度监测设备、光照强度监测设备、土壤肥力监测设备、水质监测设备、作物长势监测设备等），通过使用该类设备可以获取种植园种植环境及种植作物的某项属性特征，此类设备不提供除数据外的其他功能及服务；控制设备（如，清洗设备、分选设备、包装设备等），此类设备一般可以通过处理时间及处理数量等计算单次使用价格，付费使用，使用过程不消耗除水电等一次能源外的特殊介质；过程设备（如，水肥一体设备、农药喷洒无人机、运输设备等），此类设备使用过程中伴随某种特殊耗材的消耗，计价需要考虑设备移动路径、范围及耗材使用量。单个功能设备需要运行区块链的客户端并通过一段智能合约脚本来定义该设备属性、操作及计价方式，并提供付费使用的接口。

终端设备主要分为2类，第1类指最终用户进行某项农事需求描述的设备（如，个人电脑、自动化集中监控系统、智能手机、专业功能手持器等），该类设备通过互联网或移动互联网接入系统，将用户的需求描述转换为调用智能合约脚本需要的参数及协议，并反馈计价清单，完成付费过程；第2类指进行区块链挖矿的矿工设备（如，计算机、矿机及矿池设备等）。

具体处理流程如图2所示，该发明方案所阐述的租赁方法由2类事件触发，一类是根据种植园情况制定的耕作计划（如灌溉计划、施肥计划、喷药计划、除草计划等）；另外一类是突发性的临时事件（如由突发高温触发的灌水操作，或由突发病虫害触发的喷药操作）。

此处以灌溉计划为例，描述调用该方法的流程。首先假设种植园基础信息已经完成初始化，包括园区坐标、面积、边界范围、种植作物等，初始化完成后，基础数据保存到云计算数据中心，同时调用专家决策支持模块根据种植园特征排定灌溉计划。

种植园管理人员根据该园区的灌溉计划，选择根据经验值下发灌溉任务，或者调用专家决策支持模块根据推荐灌溉模式下发任务；若需要专家决策支持模块推荐，则专家决策支持模块获取存储在云计算数据中心的作物生长模型，获取该阶段作物需水需肥模型，同时租用可以提供种植园土壤墒情、土地肥力的设备提供土壤数据，租用气象设备提供气象数据，租用作物长势监测设备获取作物参数修正作物生长模型，并计算得出实际的需水需肥量。

确定灌溉任务后，云计算数据中心后台调度模块会获取种植园区内灌溉设施基础数据以及设备空闲时段，例如，假设此处可以租用共享水肥一体设备及田间供水管网完成灌溉，则调度模块根据灌溉任务要求及水肥一体设备及田间供水管网能力与空闲时段，计算租用设备的时段及费用，以及所需水量，肥料的种类、数量，并计算价格。

管理人员确认灌溉任务内容与服务价格后，灌溉任务下发到云计算数据中心或边缘计算节点的任务执行模块，任务执行模块根据灌溉任务分解操作步骤，按调度模块确定时间完成水肥一体设备配肥供水，锁定并打开供水管网关键调度节点完成灌溉。

完成灌溉任务后，后台调度模块记录每个步骤的执行情况，并更新种植园信息，同时调用结算模块完成组价与支付，并将交易过程记录到区块链上完成本次调用。

本发明方案提出的物联网设备租赁方法需要借助一套软件实现，如图3所示，该软件由专家决策支持模块、调度模块、执行模块及结算模块组成。

专家决策支持模块：该模块以种植园的基础数据与种植作物的生长模型为基础，将各类农事业务（如，播种、灌溉、施肥、喷药等）分解为一系列可以由各类智慧农业物联网设备（如，水肥一体机、流量计、压力计、无人机、智能机器人等）完成的任务，并确定执行任务的参数和完成任务的评判标准。

调度模块：该模块根据专家决策支持模块确定的任务，根据需执行任务种植园覆盖范围内的物联网设备的性能和空闲时间，生成最优的服务租用清单及任务调度计划。

执行模块：该模块根据调度模块给出的任务调度计划时间节点，对租用的设备完成操作控制，并记录操作完成情况，任务完成时将执行结果提交结算模块。

结算模块：该模块根据调度模块给出的任务调度计划和执行模块提交的任务完成情况，进行服务费用组价结算，并完成支付，同时将交易记录提交区块链，完成一次业务租赁。

物联网设备分为采集设备、控制设备和过程设备3类组成，如图4所示。

采集设备：采集设备由不同类型的传感器（如，流量、压力、温度、湿度、位置等）组成，每个传感器需要定义传感器的类别、数据类型、单位、有效上限、有效下限；采集设备需要定义其计价类型（按时间段收费、按次收费、按数据流量收费），并定义其单价及提供数据的频率。

控制设备：控制设备由不同类型的执行器（如、继电器、断路器、旋转执行机构等）组成，每个执行器需要定义其类别、操作类型（即时型、延时型）、指令、协议；控制设备需要定义其控制方式及计价函数。

过程设备：该设备需要定义其能够完成的步骤，每个步骤及该设备进行的一组预定义的操作，该设备的实施范围及其组价函数；每一个步骤需要定义其开始时间、结束时间、执行路径（即一组坐标点）和计价函数。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (1)

1.一种基于区块链的异构智慧农业物联网设备，其特征在于：包括数据处理中心、传输设备、功能设备以及终端设备；其中，所述数据处理中心包括用于业务数据处理及持久化的云计算数据中心和用于处理移动终端卸载的区块链PoW任务，同时也用于处理实时性要求较高的控制设备及过程设备的动作控制的边缘计算节点，所述传输设备包括将功能设备及终端设备联接到数据处理中心的移动互联网基站及互联网站点，所述功能设备包括可以获取种植园种植环境及种植作物的某项属性特征的数采设备、可以通过处理时间及处理数量等计算单次使用价格的控制设备及计价需要考虑设备移动路径、范围及耗材使用量的过程设备，所述终端设备包括通过互联网或移动互联网接入系统，将用户的需求描述转换为调用智能合约脚本需要的参数及协议，并反馈计价清单，完成付费过程的移动智能终端、互联网终端及进行区块链挖矿的矿工；

基于区块链的异构智慧农业物联网设备租赁方法，租赁方法由2类事件触发，一类是根据种植园情况制定的耕作计划；另外一类是突发性的临时事件；具体包括以下步骤：首先假设种植园基础信息已经完成初始化，包括园区坐标、面积、边界范围和种植作物，初始化完成后，基础数据保存到云计算数据中心，同时调用专家决策支持模块根据种植园特征排定灌溉计划；种植园管理人员根据该园区的计划，选择根据经验值下发任务，或者调用专家决策支持模块根据推荐模式下发任务；若需要专家决策支持模块推荐，则专家决策支持模块获取存储在云计算数据中心的作物生长模型，获取该阶段作物所需模型，同时租用可以提供种植园土壤墒情、土地肥力的设备提供土壤数据，租用气象设备提供气象数据，租用作物长势监测设备获取作物参数修正作物生长模型，并计算得出实际的需水需肥量；确定任务后，云计算数据中心后台调度模块会获取种植园区内设施基础数据以及设备空闲时段；管理人员确认任务内容与服务价格后，任务下发到云计算数据中心或边缘计算节点的任务执行模块，任务执行模块根据任务分解操作步骤，按调度模块确定时间完成水肥一体设备配肥供水，锁定并打开供水管网关键调度节点完成任务；完成任务后，后台调度模块记录每个步骤的执行情况，并更新种植园信息，同时调用结算模块完成组价与支付，并将交易过程记录到区块链上完成本次调用；

基于区块链的异构智慧农业物联网设备租赁系统，由专家决策支持模块、调度模块、执行模块及结算模块组成；

专家决策支持模块：该模块以种植园的基础数据与种植作物的生长模型为基础，将各类农事业务，如播种、灌溉、施肥、喷药，分解为一系列可以由各类智慧农业物联网设备，如水肥一体机、流量计、压力计、无人机、智能机器人完成的任务，并确定执行任务的参数和完成任务的评判标准；

调度模块：该模块根据专家决策支持模块确定的任务，根据需执行任务种植园覆盖范围内的物联网设备的性能和空闲时间，生成最优的服务租用清单及任务调度计划；

执行模块：该模块根据调度模块给出的任务调度计划时间节点，对租用的设备完成操作控制，并记录操作完成情况，任务完成时将执行结果提交结算模块；

结算模块：该模块根据调度模块给出的任务调度计划和执行模块提交的任务完成情况，进行服务费用组价结算，并完成支付，同时将交易记录提交区块链，完成一次业务租赁；

物联网设备分为采集设备、控制设备和过程设备3类组成，采集设备：采集设备由不同类型的传感器，如流量、压力、温度、湿度、位置组成，每个传感器需要定义传感器的类别、数据类型、单位、有效上限、有效下限；采集设备需要定义其计价类型，按时间段收费、按次收费、按数据流量收费，并定义其单价及提供数据的频率；

控制设备：控制设备由不同类型的执行器，如继电器、断路器、旋转执行机构组成，每个执行器需要定义其类别、操作类型，即时型、延时型、指令、协议；控制设备需要定义其控制方式及计价函数；

过程设备：该设备需要定义其能够完成的步骤，每个步骤及该设备进行的一组预定义的操作，该设备的实施范围及其组价函数；每一个步骤需要定义其开始时间、结束时间、执行路径即一组坐标点和计价函数。

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