CN111526022A - 一种适用于工业物联网的区块链令牌生成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于工业物联网的区块链令牌生成系统，包括数据采集模块、工业区块链令牌生成单元和区块链服务器；数据采集模块，用于通过在工业机器上配置数字接口来向工业区块链令牌生成单元发送通信请求或实时数据，和/或通过向商品上安装模拟或数字传感器来向工业区块链令牌生成单元发送实时数据等；本发明设计的工业区块链令牌生成系统，能够直接与传感器连接从设备上收集数据与操作请求，在本地处理数据后将数据发送到区块链平台，再由区块链平台进行相应应用操作，克服了集中式IOT平台中安全、信任和篡改的问题，从而构建了一种安全、可移植、独立于平台的适用于工业物联网的区块链令牌生成系统。

Description

一种适用于工业物联网的区块链令牌生成系统
技术领域
本发明涉及分布式系统技术领域，更为具体地，涉及一种适用于工业物联网的区块链令牌生成系统。
背景技术
区块链技术是一种在工业应用方面具有广泛应用潜力的新兴技术，其对于解决物联网中安全、信任等问题具有巨大潜力。现今，有通过在工业物联网设备上采用基于云的集中式IOT平台来解决安全问题的方案，但其同时产生了对集中式控制的信任问题，而区块链技术则可以通过数据共享和共识机制创建可信的应用环境，在保证可扩展性、隐私性、可靠性的同时解决安全和信任问题。
在过去的几年里，有很多对在工业领域应用区块链技术进行了各种测试、原型和概念证明，但在实际应用方面仍然进展缓慢。工业物联网与区块链技术的结合并没有确切标准，这使得促进这两者的结合应用非常困难。此外，如果想要利用数据交换存储技术来整合工业资源，有非常多的方面需要考虑，尤其是在设计时保证其互操作性、可移植性、可伸缩性和安全性。
在工业物联网中，在区块链平台上任何一个设备的动作都可能需要被追踪，互操作性意味着可以将任何工业设备连接到任何支持令牌和智能合约的区块链。可移植性意味着系统可插接到任何工业设备，使设备能够仅通过简单的命令就能使用区块链相关的操作。可伸缩性意味着系统能够以稳定的效率水平处理不断增长的工作量。安全性意味着可信系统不得损害其连接的工业设备的安全性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于工业物联网的区块链令牌生成系统，直接与传感器连接从设备上收集数据与操作请求，在本地处理数据后将数据发送到区块链平台，再由区块链平台进行相应应用操作，克服了集中式IOT平台中安全、信任和篡改的问题，从而构建了一种安全、可移植、独立于平台的适用于工业物联网的区块链令牌生成系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种适用于工业物联网的区块链令牌生成系统，包括数据采集模块、工业区块链令牌生成单元和区块链服务器；数据采集模块，用于通过在工业机器上配置数字接口来向工业区块链令牌生成单元发送通信请求或实时数据，和/或通过向商品上安装模拟或数字传感器来向工业区块链令牌生成单元发送实时数据；工业区块链令牌生成单元，用于为设备或货物设置区块链标识，使其唯一且实时地将相关数据信息存储在区块链中；同时提供接口帮助设备或货物调用区块链相关的服务，完成设备或货物与服务器之间的通信；区块链服务器，用于提供基于区块链的服务，用于进行复杂的区块链应用操作，在接收区块链层发送的应用请求和数据后，服务器会执行相应操作，并向区块链层返回对应数据；服务器提供的服务能够被拓展，以此来针对不同的应用场景提供对应的服务。
进一步的，所述工业区块链令牌生成单元包括通信接口驱动模块、命令解析器模块、数据收集过滤模块、区块链层模块和密码栈模块；所述通信接口驱动模块采集工业设备传输来的请求信号，提供以简单请求调用多种复杂区块链功能的入口；所述命令解析器模块将通信接口驱动模块提供的请求解析后，向区块链层模块发送调用相应区块链操作的请求；所述数据收集过滤模块用于从商品货物上的传感器实时地采集相应的数据，并对采集得到的数据进行过滤，将有效数据提供给区块链层模块，以区块链的形式存储；区块链层模块用于存储相应设备或货物的数据，完成基本的区块链操作，同时处理所述命令解析器模块发送来的请求，生成对区块链服务器的应用请求，将区块链应用请求和相关数据发送到区块链服务器；所述密码栈模块表示在加密芯片上执行的加密堆栈，用来保障区块链的安全，区块链层模块与外部密码芯片进行通信，由密码堆栈处理所有必需的密码操作，联网模块使用外部加密芯片来管理联网安全密钥和证书；设有网络驱动用于区块链层模块与区块链服务器之间的网络通信，将区块链层模块发送的应用请求和数据通过通信传输模块发送给区块链服务器。
进一步的，服务器包括云服务器或内部服务器。
进一步的，所述通信传输模块包括以太网模块或无线通信模块。
进一步的，所述无线通信模块包括WIFI模块。
本发明的有益效果是：
(1)本发明设计的工业区块链令牌生成系统，直接与传感器连接从设备上收集数据与操作请求，在本地处理数据后将数据发送到区块链平台，再由区块链平台进行相应应用操作，克服了集中式IOT平台中安全、信任和篡改的问题，从而构建了一种安全、可移植、独立于平台的适用于工业物联网的区块链令牌生成系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。本说明书中公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在对实施例进行描述之前，需要对一些必要的术语进行解释。例如：
若本申请中出现使用“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不应当由这些术语所限制。这些术语仅用来区分一个元件和另一个元件。因此，下文所讨论的“第一”元件也可以被称为“第二”元件而不偏离本发明的教导。应当理解的是，若提及一元件“连接”或者“联接”到另一元件时，其可以直接地连接或直接地联接到另一元件或者也可以存在中间元件。相反地，当提及一元件“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时，则不存在中间元件。
在本申请中出现的各种术语仅仅用于描述具体的实施方式的目的而无意作为对本发明的限定，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式意图也包括复数形式。
当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，这些术语指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在和/或附加。
如图1所示，一种适用于工业物联网的区块链令牌生成系统，包括数据采集模块、工业区块链令牌生成单元和区块链服务器；数据采集模块，用于通过在工业机器上配置数字接口来向工业区块链令牌生成单元发送通信请求或实时数据，和/或通过向商品上安装模拟或数字传感器来向工业区块链令牌生成单元发送实时数据；工业区块链令牌生成单元，用于为设备或货物设置区块链标识，使其唯一且实时地将相关数据信息存储在区块链中；同时提供接口帮助设备或货物调用区块链相关的服务，完成设备或货物与服务器之间的通信；区块链服务器，用于提供基于区块链的服务，用于进行复杂的区块链应用操作，在接收区块链层发送的应用请求和数据后，服务器会执行相应操作，并向区块链层返回对应数据；服务器提供的服务能够被拓展，以此来针对不同的应用场景提供对应的服务。
进一步的，所述工业区块链令牌生成单元包括通信接口驱动模块、命令解析器模块、数据收集过滤模块、区块链层模块和密码栈模块；所述通信接口驱动模块采集工业设备传输来的请求信号，提供以简单请求调用多种复杂区块链功能的入口；所述命令解析器模块将通信接口驱动模块提供的请求解析后，向区块链层模块发送调用相应区块链操作的请求；所述数据收集过滤模块用于从商品货物上的传感器实时地采集相应的数据，并对采集得到的数据进行过滤，将有效数据提供给区块链层模块，以区块链的形式存储；区块链层模块用于存储相应设备或货物的数据，完成基本的区块链操作，同时处理所述命令解析器模块发送来的请求，生成对区块链服务器的应用请求，将区块链应用请求和相关数据发送到区块链服务器；所述密码栈模块表示在加密芯片上执行的加密堆栈，用来保障区块链的安全，区块链层模块与外部密码芯片进行通信，由密码堆栈处理所有必需的密码操作，联网模块使用外部加密芯片来管理联网安全密钥和证书；设有网络驱动用于区块链层模块与区块链服务器之间的网络通信，将区块链层模块发送的应用请求和数据通过通信传输模块发送给区块链服务器。
进一步的，服务器包括云服务器或内部服务器。
进一步的，所述通信传输模块包括以太网模块或无线通信模块。
进一步的，所述无线通信模块包括WIFI模块。
实施例
工业物联网区块链令牌生成系统包含三个重要的部分：工业设备、工业区块链令牌生成单元以及服务器，整个系统架构如图1所示，包括：
搭建工业区块链令牌生成单元
1.选用4ZeroBox作为工业区块链令牌生成单元开发的硬件载体。
在与工业机器连接方面，4ZeroBox配备了最流行的工业通信接口(RS232，RS485，以太网和CAN)，并且还提供了可用于最常用协议的现成软件库(ModBus，EtherCat，CANBus，西门子S7)。该系统具有13个模拟输入，可以连接4-20mA，0-10V，电阻和电流线圈传感器。在向区块链服务器通信方面，工业区块链令牌生成单元可以通过内置以太网和WiFi接口的4ZeroBox与远程服务器进行通信。网关支持最常用的TCP/IP协议(HTTP，HTTPS，MQTT，MQTTS和其他协议)，这些协议具有可用的软件库。可以安装GSM扩展板。这满足了支持与工业机器、传感器和区块链服务器进行不同通信协议的交互的需求。4ZeroBox可以链接到基于云的专用设备管理器，监视部署设备的状态，并执行空中固件更新和远程过程调用。4ZeroBox配备了板载加密芯片(Microchip ATECC508A)，其符合最先进的I-IOT安全标准，并支持椭圆曲线加密。
2.借助Zerynth平台，使用C和Python语言编程4ZeroBox。
通过开发一套用于实现区块链功能的定制AT命令，使工业区块链令牌生成单元能够充当工业设备与区块链的桥梁。表1为开发AT命令集。其中，AT命令专门针对以太坊家族的区块链。仅需要修改命令解析模块就能够以最小的更改包含这些智能合约的接口。
表1部分AT命令
Figure BDA0002447865730000051
4ZeroBox配备的ATECC508A加密元件支持用于签署以太坊交易的secp256r1曲线。将以太坊作为区块链层的平台，通过调用以太坊区块链相关Zerynth库，实现区块链层的功能。通信接口驱动程序和数据采集过滤模块的读数以单个字节数组进行编码，以避免达到以太坊虚拟机的最大堆栈大小。
使用官方以太坊编程语言Solidity开发通用智能合约。合约用来存储获取的数据，并通过产生区块链令牌来创建数字双胞胎，以实现且不限于以下功能：
1)创建货物。商品生产者调用此功能，指定消费者地址，当前地址以及负责运输的下一个代理商的地址。
2)拿取货物。下一个负责运输的代理调用此功能，并指定链中的下一个接收者。
3)交出货物。当前的包裹承运人将货物的所有权转让给取货人。
4)承运人检索表。此函数返回更新后的承运人列表，以便例如在取走货物后，通过检查列表的最后一个元素，可以确保代理商已转让所有权。
5)货物传递时间表。此函数返回货物的传输时间，以检查特定商品的每次传输何时发生。
6)更新货物位置。当前运输者调用此功能以更新所运货物的位置。
7)创建货件。此功能在合约中注册新的货件元数据(ID，发送方地址，接收方地址，初始值)。
8)更新货件。此功能存储从设备传感器接收的数据并相应地更新商品数值。
9)获取货运数据。此功能返回所有注册的信息，包括当前值和从传感器记录的数据历史。
10)完成发货。此功能将装运标记为已完成并已交付。此功能要求呼叫者支付货款。
工业区块链令牌生成系统工作流程
以供应链为例展现系统的工作流程：
1.创建货物：生产机器人在生产现场生产一个货物实体，系统生成货物的ID以及当前货物的承运者ID，运输机器人检测到货物被创建，准备前往生产现场拿取货物。
2.货物转移：运输机器人通过二维码识别生产机器人，取得货物实体，调用函数将区块链平台上的货物信息进行所有权转移。该次转移需记录转移ID、转移时间、发送者和接收者。
3.中间位置更新：运送中的货物的位置信息会周期性地上传到区块链平台，记录其位置及对应时间。
货物交付：运输机器人到达目标地点附近停止移动，摄像头识别运输机器人二维码，向区块链平台发布信号，表明承运者到达指定地点。货物实体交付后更新货物信息，将货物所有权转移，状态标记为已完成运输。
在本实施例中的其余技术特征，本领域技术人员均可以根据实际情况进行灵活选用和以满足不同的具体实际需求。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实现本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的算法，方法或系统等，均在本发明的权利要求书请求保护的技术方案限定技术保护范围之内。
对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。
本领域技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法实现所描述的功能，但是这种实现不应超出本发明的范围。
所揭露的系统、模块和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例，仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，可以仅仅是一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以说通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述分立部件说明的单元可以是或者也可以不收物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者可以不收物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例的方案的目的。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种适用于工业物联网的区块链令牌生成系统，其特征在于，包括数据采集模块、工业区块链令牌生成单元和区块链服务器；
数据采集模块，用于通过在工业机器上配置数字接口来向工业区块链令牌生成单元发送通信请求或实时数据，和/或通过向商品上安装模拟或数字传感器来向工业区块链令牌生成单元发送实时数据；
工业区块链令牌生成单元，用于为设备或货物设置区块链标识，使其唯一且实时地将相关数据信息存储在区块链中；同时提供接口帮助设备或货物调用区块链相关的服务，完成设备或货物与服务器之间的通信；
区块链服务器，用于提供基于区块链的服务，用于进行复杂的区块链应用操作，在接收区块链层发送的应用请求和数据后，服务器会执行相应操作，并向区块链层返回对应数据；服务器提供的服务能够被拓展，以此来针对不同的应用场景提供对应的服务。
2.根据权利要求1所述的一种适用于工业物联网的区块链令牌生成系统，其特征在于，所述工业区块链令牌生成单元包括通信接口驱动模块、命令解析器模块、数据收集过滤模块、区块链层模块和密码栈模块；
所述通信接口驱动模块采集工业设备传输来的请求信号，提供以简单请求调用多种复杂区块链功能的入口；所述命令解析器模块将通信接口驱动模块提供的请求解析后，向区块链层模块发送调用相应区块链操作的请求；所述数据收集过滤模块用于从商品货物上的传感器实时地采集相应的数据，并对采集得到的数据进行过滤，将有效数据提供给区块链层模块，以区块链的形式存储；区块链层模块用于存储相应设备或货物的数据，完成基本的区块链操作，同时处理所述命令解析器模块发送来的请求，生成对区块链服务器的应用请求，将区块链应用请求和相关数据发送到区块链服务器；所述密码栈模块表示在加密芯片上执行的加密堆栈，用来保障区块链的安全，区块链层模块与外部密码芯片进行通信，由密码堆栈处理所有必需的密码操作，联网模块使用外部加密芯片来管理联网安全密钥和证书；设有网络驱动用于区块链层模块与区块链服务器之间的网络通信，将区块链层模块发送的应用请求和数据通过通信传输模块发送给区块链服务器。
3.根据权利要求1所述的一种适用于工业物联网的区块链令牌生成系统，其特征在于，服务器包括云服务器或内部服务器。
4.根据权利要求2所述的一种适用于工业物联网的区块链令牌生成系统，其特征在于，所述通信传输模块包括以太网模块或无线通信模块。
5.根据权利要求2所述的一种适用于工业物联网的区块链令牌生成系统，其特征在于，所述无线通信模块包括WIFI模块。
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