CN111968000B - 一种基于双链机制的智慧农业数据监测与自动控制方法 - Google Patents
一种基于双链机制的智慧农业数据监测与自动控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双链机制的智慧农业数据监测与自动控制方法，农业参与部门的边缘服务器作为区块链全节点共同存储与维护主链与侧链两条区块链。主链存储感知数据凭证、数据索引与验证的智能合约集，侧链存储分析结果与执行农业各类自动控制的智能合约集。该架构使用智能合约技术实现智慧农业的自动控制；通过链下存储链上验证的方式保障了感知数据的完整性与真实性，并减少了区块链数据存储的开销；使用双链机制进一步提高了系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及农业信息技术领域，尤其涉及一种基于双链机制的农业数据监测与自动控制方法。
背景技术
随着现代化技术的发展，新一代信息技术逐渐出现在农业发展的舞台，传统农业发展机制迎来了全新的发展机遇。物联网技术的介入使得智慧农业发展成型，提高了农业整体的生产效率同时又促进了农业现代化的进程。农业物联网是传统农业与物联网技术的结合产物，通过各种先进的仪器对智慧种植过程中的实时数据进行感知，并通过物联网分析这些数据，最后实施相应的解决策略，以此达到帮助农业增产、优化的目的。
而目前基于物联网的农业种植控制方法依赖高度中心化的数据管理架构，在该架构中，数据被集中化管理因而缺少透明度，其安全性与完整性无法得到保障，甚至相关数据可能被篡改、丢失。此外现有的农业种植仪器的控制方法也主要采用中心化的操作管理，同时如果控制程序在中心平台被人为恶意篡改，则无法得到有效监管。这些都会导致农业仪器的误操作，造成农业巨大的生产与经济损失。
然而目前基于区块链的农业控制应用主要将农业的感知数据直接写入区块链中，由于区块链属于分布式账本技术，所有参与节点就需要存储所有的感知数据，这会大大增加区块链参与节点的存储开销。此外，现有的方法主要将应用数据(例如控制程序，控制参数等数据)与感知数据写入同一个区块链时，而在使用相应数据时就需要从海量的区块数据中进行查找，这会给数据应用带来较长的延时。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于双链机制的智能农业数据监测与自动控制方法，能够保障感知数据的完整性与真实性，减少区块链数据存储的开销，并进一步提高系统性能。
技术方案：一种基于双链机制的智慧农业数据监测与自动控制方法，包括以下步骤：
(1)感知器网关搜集各感知器中的感知数据，优选采用哈希函数计算感知数据凭证；向边缘服务器发布感知数据凭证，边缘服务器将感知数据凭证存储在主链的区块中；感知器网关向数据存储平台发送感知数据，数据存储平台将感知数据存储在指定的数据缓存中；
(2)数据存储平台利用主链中的索引智能合约获取数据凭证在主链中的区块位置信息，并将感知数据及其在主链的区块位置信息合并为一个完整数据块，对该数据块形成IPFS(InterPlanetary File System,星际文件系统)存储地址以实现数据同步，并将该存储地址存储在地址列表中；然后利用IPFS实现数据块的分布式存储；所述区块位置信息包括区块链高度与区块中的交易信息id。
(3)数据分析平台利用地址列表，从数据存储平台提取所需的数据块，然后利用私钥对数据块加密以实现数字签名，并在签名后的数据块后面附加验证标识，然后广播至区块链全节点；区块链全节点接收到具有验证标识的数据块后，调用主链中的验证智能合约实现数据验证；如果存在异常数据，则区块链全节点向数据分析平台、数据存储平台发送异常报告，同时将该异常报告记录在主链中；
(4)如果数据分析平台接收到数据异常报告，则从分析数据集中剔除异常数据，再进行分析；如果数据无异常，则数据分析平台直接对感知数据进行分析；然后数据分析平台将分析结果向所有区块链全节点进行发布；
(5)区块链全节点接收到分析结果后，将其存储在侧链中；所述侧链中部署着农业自动控制智能合约；不同的分析结果触发农业自动控制智能合约中相应的控制方案；控制方案包含控制方案标识信息，执行器信息及其相应的控制命令信息；控制方案由区块链全节点发送至执行网关，并将控制方案信息记录在侧链中，以便对农业控制信息进行溯源与管理；
(6)执行网关接收到控制方案后，首先从控制方案中提取控制方案标识信息，对加密的控制方案标识进行签名，并将签名后的控制方案标识广播至所有的区块链全节点；然后从控制方案中的提取相应的执行器信息与控制命令信息，并将控制命令转发至相应的执行器实现农业种植的自动控制。
进一步的，步骤(2)中，所述数据存储平台利用主链中的索引智能合约获取数据凭证在主链中的区块位置信息，具体步骤为：数据存储平台在感知数据后面添加索引标识形成索引请求，并将索引请求发送至区块链全节点；区块链全节点接收到具有索引请求后，调用索引智能合约，通过索引智能合约计算所需索引的感知数据的哈希值，然后按照从最新区块往其前一区块的顺序搜索该哈希值，并将搜索到的哈希值的区块位置信息返回至数据存储平台。
进一步的，步骤(3)中，所述区块链全节点接收到具有验证标识的数据块后，调用主链中的验证智能合约实现数据验证，具体步骤为：首先利用数据分析平台的公钥对数据块进行解签名，然后提取其中的区块位置信息，根据区块位置信息获取感知数据凭证；其次，提取数据块中的感知数据，并进行哈希计算，将计算值与感知数据凭证进行比对，如果两者一致，说明数据无异常；如果两者不一致，说明数据缺失或已被篡改，则向数据分析平台发送异常报告。
更进一步的，步骤(6)中，所述区块链全节点能够有效确认控制方案被执行网关正确接收，并不再重复发送相关信息，具体实现步骤为：区块链全节点接收到来自执行网关的签名后的控制方案标识后，首先利用执行网关公钥进行解签名，获取控制方案标识，其次通过控制方案标识确认相应的控制方案已被执行网关正确接收，则该区块链全节点不再发送相应的执行方案。
本发明的有益效果是：使用智能合约技术实现智慧农业的自动控制；通过链下存储链上验证的方式保障了感知数据的完整性与真实性，并减少了区块链数据存储的开销；使用双链机制进一步提高了系统性能。
附图说明
图1为一种双链机制的农业数据监测与自动控制方法的系统示意图；
图2为数据存储平台与主链之间的进行数据同步的示意图；
图3智能合约中控制方案被触发的过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明涉及的设备包括感知农业数据的感知器(例如扫码枪、小型气象站、土壤温湿度感知器、远程监测器等)，感知器网关，数据存储平台，数据分析平台，智慧农业的执行器(例如自动灌溉仪，自动施肥仪，农药自动喷洒器等)，由智慧农业参与者(例如农业种植公司和政府等)内部的边缘服务器作为区块链全节点组成对等网络，区块链全节点共同存储与维护用于数据监测的主链与用于执行自动控制的侧链。
一种基于双链机制的农业数据监测与自动控制方法，包括以下步骤：
步骤一，感知器网关搜集各感知器中的感知数据，利用哈希函数计算感知数据凭证，利用私钥对感知数据、感知数据凭证进行签名，然后向边缘服务器发布感知数据凭证，边缘服务器利用感知器网关公钥对签名验证成功后，将数据凭证存储在主链的区块中。感知器网关向数据存储平台发送感知数据，数据存储平台利用感知器网关公钥对签名验证成功后，将感知数据存储在指定的数据缓存中。
步骤二，数据存储平台在感知数据后面添加索引标识形成索引请求，并将索引请求发送至区块链全节点。区块链全节点接收到具有索引请求后，调用索引智能合约，通过索引智能合约计算所需索引的感知数据的哈希值，然后按照从最新区块往其前一区块的顺序搜索该哈希值，并将搜索到的哈希值的区块位置信息(包括区块链高度与区块中的交易信息id)返回至数据存储平台。数据存储平台将感知数据及其在主链的区块位置信息合并为一个完整数据块，对该数据块通过多重哈希函数形成IPFS(InterPlanetary File System,星际文件系统)存储地址以实现数据同步，如图2所示，并将该地址存储在地址列表中。然后利用IPFS系统实现数据块的分布式存储。
步骤三，数据分析平台利用地址列表，从数据存储平台提取所需的数据块，然后利用私钥对数据块加密以实现数字签名，并在签名后的数据块后面附加验证标识，然后广播至区块链全节点。区块链全节点接收到具有验证标识的数据块后，调用主链中的验证智能合约实现数据验证，具体步骤为：首先利用数据分析平台的公钥对数据块进行解签名，然后提取其中的区块位置信息，根据区块位置信息获取感知数据凭证。然后提取数据块中的感知数据，并进行哈希计算，将计算值与感知数据凭证进行比对，如果两者一致，说明数据无异常。如果两者不一致，说明数据缺失或已被篡改，则向数据分析平台发送异常报告。如果存在异常数据，则区块链全节点向数据分析平台、数据存储平台发送异常报告，同时将该异常记录在主链中。
步骤四，如果数据分析平台接收到数据异常报告，则从分析数据集中剔除异常数据，针对剩余的感知数据再进行分析。如果数据无异常，数据分析平台则直接对感知数据进行分析。然后数据分析平台将分析结果向所有区块链全节点进行发布。
步骤五，区块链全节点将接收到分析结果后，将其存储在侧链中。侧链中部署着各类农业自动控制智能合约，其结构如图3所示，不同的分析结果触发智能合约中相应的控制方案，控制方案包含控制方案标识，执行器信息及其相应的控命令；控制方案由区块链全节点利用自己的私钥进行签名并发送至执行网关，并将控制方案信息记录在侧链中，以便对农业控制信息进行溯源与管理。
步骤六，执行网关接收到控制方案后，首先利用区块链全节点的公钥进行解签名；解签名完成后，则从控制方案中提取控制方案标识信息，利用执行网关的私钥对加密控制方案标识进行签名，并将签名后的控制方案标识广播至所有的区块链全节点；然后从控制方案中的提取相应的执行器信息与控制命令信息，并将控制命令转发至相应的执行器实现农业种植的自动控制。
上述步骤六中，区块链全节点能够有效确认控制方案被执行网关正确接收，并不再重复发送相关信息，其实现方式如下：
当区块链全节点接收到来自执行网关的签名后的控制方案标识，首先利用执行网关公钥进行解签名，获取控制方案标识，通过控制方案标识确认相应的控制方案已被执行网关正确发送与接收，该区块链全节点则不再发送相应的执行方案。
Claims (5)
1.一种基于双链机制的智慧农业数据监测与自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)感知器网关搜集各感知器中的感知数据，计算感知数据凭证，然后向边缘服务器发布感知数据凭证，边缘服务器将感知数据凭证存储在主链的区块中；感知器网关向数据存储平台发布感知数据，数据存储平台将感知数据存储在指定的数据缓存中；
(2)数据存储平台利用主链中的索引智能合约获取数据凭证在主链中的区块位置信息，并将感知数据及其在主链的区块位置信息合并为一个完整数据块，对该数据块形成IPFS存储地址以实现数据同步，并将该存储地址存储在地址列表中；然后利用IPFS实现数据块的分布式存储；
(3)数据分析平台利用地址列表，从数据存储平台提取所需的数据块，然后利用私钥对数据块加密以实现数字签名，并在签名后的数据块后面附加验证标识，然后广播至区块链全节点；区块链全节点接收到具有验证标识的数据块后，调用主链中的验证智能合约实现数据验证；如果存在异常数据，则区块链全节点向数据分析平台、数据存储平台发送异常报告，同时将该异常报告记录在主链中；
(4)如果数据分析平台接收到数据异常报告，则从分析数据集中剔除异常数据，再进行分析；如果数据无异常，则数据分析平台直接对感知数据进行分析；然后数据分析平台将分析结果向所有区块链全节点进行发布；
(5)区块链全节点接收到分析结果后，将其存储在侧链中；所述侧链中部署着农业自动控制智能合约；不同的分析结果触发农业自动控制智能合约中相应的控制方案；控制方案包含控制方案标识信息，执行器信息及其相应的控制命令信息；控制方案由区块链全节点送至执行网关，并将控制方案信息记录在侧链中，以便对农业控制信息进行溯源与管理；
(6)执行网关接收到控制方案后，首先从控制方案中提取控制方案标识，对控制方案标识进行签名，并将签名后的控制方案标识广播至所有的区块链全节点；然后从控制方案中提取相应的执行器信息与控制命令信息，并将控制命令转发至相应的执行器实现农业种植的自动控制。
2.根据权利要求1所述的基于双链机制的智慧农业数据监测与自动控制方法，其特征在于，步骤(2)中，所述数据存储平台利用主链中的索引智能合约获取数据凭证在主链中的区块位置信息，具体步骤为：数据存储平台在感知数据后面添加索引标识形成索引请求，并将索引请求发送至区块链全节点；区块链全节点接收到索引请求后，调用索引智能合约，通过索引智能合约计算所需索引的感知数据的哈希值，然后按照从最新区块往其前一区块的顺序搜索该哈希值，并将搜索到的哈希值的区块位置信息返回至数据存储平台。
3.根据权利要求1所述的基于双链机制的智慧农业数据监测与自动控制方法，其特征在于，步骤(2)中，所述区块位置信息包括区块链高度与区块中的交易信息id。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于双链机制的智慧农业数据监测与自动控制方法，其特征在于，步骤(3)中，所述区块链全节点接收到具有验证标识的数据块后，调用主链中的验证智能合约实现数据验证，具体步骤为：首先，利用数据分析平台的公钥对数据块进行解签名，然后提取其中的区块位置信息，根据区块位置信息获取感知数据凭证；其次，提取数据块中的感知数据，并进行哈希计算，将计算值与感知数据凭证进行比对，如果两者一致，说明数据无异常；如果两者不一致，说明数据缺失或已被篡改，则向数据分析平台发送异常报告。
5.根据权利要求1所述的基于双链机制的智慧农业数据监测与自动控制方法，其特征在于，步骤(6)中，当所述区块链全节点接收到来自执行网关的签名后的控制方案标识后，首先利用执行网关公钥进行解签名，获取控制方案标识，其次通过控制方案标识确认相应的控制方案已被执行网关正确接收，则该区块链全节点不再发送相应的执行方案。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 210003, 66 new model street, Gulou District, Jiangsu, Nanjing Applicant after: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Address before: 210000 No. 186 Software Avenue, Yuhuatai District, Nanjing, Jiangsu Province Applicant before: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |