CN112486053B - 一种基于区块链工业园区环境监测管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于区块链工业园区环境监测管理系统，包括基于无线传感器网络的数据采集系统、区块链服务器和远程监控终端；基于无线传感器网络的数据采集系统用于通过无线传感器网络监测获取工业园区内的环境监测数据并发送到区块链服务器中；区块链服务器用于对接收的环境监测数据进行预处理，并分类上传至区块链中进行分布式存储；远程监控终端用于向区块链服务器发送工业园区环境监测数据的获取请求；区块链服务器还用于在接收到获取请求后，从区块链上获取与获取请求相应的工业园区环境监测数据并发送到远程监控终端。本发明提高了对工业园区环境监测管理的客观性和准确性。

Description

一种基于区块链工业园区环境监测管理系统

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，特别是一种基于区块链工业园区环境监测管理系统。

背景技术

随着越来越多的工业园区建设在城市中或城市周边，工业园区的环境状况受到社会各界的关注。目前，针对工业园区的环境监测通常是由专门的环境部门委派专业人员到达工业园区现场进行环境数据采样，并将采样的数据带回实验室进行分析和计算统计，得出工业园区的环境质量情况。

但是，存在一些工业园区为了逃避环境监测不达标的情况，在专业人员到达园区进行环境数据采样时或之前，针对性地进行停工停产，以使得园区的环境质量得到暂时性的提高，造成监测结果无法反应园区实际环境质量情况，对工业园区环境监测存在漏洞。

发明内容

针对上述工业园区专门停工停产应对环境监测而弄虚作假的问题，本发明旨在提供一种基于区块链工业园区环境监测管理系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

本发明示出一种基于区块链工业园区环境监测管理系统，包括基于无线传感器网络的数据采集系统、区块链服务器和远程监控终端；

基于无线传感器网络的数据采集系统用于通过无线传感器网络监测获取工业园区内的环境监测数据并发送到区块链服务器中；

区块链服务器用于对接收的环境监测数据进行预处理，并分类上传至区块链中进行分布式存储；

远程监控终端用于向区块链服务器发送工业园区环境监测数据的获取请求；

区块链服务器还用于在接收到获取请求后，从区块链上获取与获取请求相应的工业园区环境监测数据并发送到远程监控终端。

一种实施方式中，基于无线传感器网络的数据采集系统包括通信基站和分布于工业园区的监测节点，监测节点用于感知其所在区域的环境监测数据后，将获取的环境监测数据发送到通信基站；

通信基站用于将接收到的环境监测数据上传至区块链服务器中。

一种实施方式中，监测节点中设置有包括颗粒物浓度监测装置、噪声声级监测装置、温度监测装置、湿度监测装置、风力监测装置、风速监测装置、风向监测装置、光照强度监测装置、负氧离子监测装置、图像监测装置等中的一种或多种。

一种实施方式中，区块链服务器包括接收单元、预处理单元、分类单元、存储单元和查询单元；

接收单元用于接收由基于无线传感器网络的数据采集系统上传的环境监测数据；

预处理单元用于对接收的环境监测数据进行预处理，包括去除环境监测数据中的无效数据干扰；

分类单元用于对环境监测数据进行分类处理并对不同类型的数据进行相应的标识；

存储单元用于将标识后的环境监测数据上传至区块链中进行分布式存储；

查询单元用于根据接收到的获取请求从区块链中检索及筛选与该获取请求对应的环境监测数据，并生成相应的查询报告发送到远程监控终端。

本发明的有益效果为：通过在工业园区设置基于无线传感器网络的数据采集系统，实时采集工业园区的环境数据，并将采集的环境数据经过区块链服务器上传至区块链存储，使得工业园区的环境数据有迹可寻并且可追溯；管理人员或管理部门通过远程监控终端接入区块链服务器，能够随时获取工业园区的环境监测历史数据，有助于对工业园区的环境数据进行实时的监控和追溯，提高了对工业园区环境监测管理的客观性和准确性。

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为本发明的框架结构图；

图2为本发明数据采集系统的框架结构图；

图3为本发明节点管理单元的框架结构图。

附图标记：

数据采集系统1、区块链服务器、远程监控终端3。

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

参见图1，其示出一种基于区块链工业园区环境监测管理系统，其特征在于，包括基于无线传感器网络的数据采集系统1、区块链服务器2和远程监控终端3；

基于无线传感器网络的数据采集系统1用于通过无线传感器网络监测获取工业园区内的环境监测数据并发送到区块链服务器2中；

区块链服务器2用于对接收的环境监测数据进行预处理，并分类上传至区块链中进行分布式存储；

远程监控终端3用于向区块链服务器2发送工业园区环境监测数据的获取请求；

区块链服务器2还用于在接收到获取请求后，从区块链上获取与获取请求相应的工业园区环境监测数据并发送到远程监控终端3。

上述实施方式中，通过在工业园区设置基于无线传感器网络的数据采集系统1，实时采集工业园区的环境数据，并将采集的环境数据经过区块链服务器2上传至区块链存储，使得工业园区的环境数据有迹可循；管理人员或管理部门通过远程监控终端3接入区块链服务器2，能够随时获取工业园区的环境监测历史数据，有助于对工业园区的环境数据进行实时的监控和追溯，提高了对工业园区环境监测管理的客观性和准确性。

在一种场景中，管理者通过远程监控终端3接入区块链服务器2，向区块链服发出基于某个时间段的环境监测数据获取请求，区块链服务器2从区块链中筛选出与该时间段对应的环境监测数据，并打包发送到远程监控终端3，供管理者查阅和进一步分析处理。

一种实施方式中，参见图2，基于无线传感器网络的数据采集系统1包括通信基站和分布与工业园区的监测节点，监测节点用于感知其所在区域的环境监测数据后，将获取的环境监测数据发送到通信基站；

通信基站用于将接收到的环境监测数据上传至区块链服务器2中。

上述实施方式中，通过在工业园区中各位置布置监测节点，有助于对工业园区的整体环境质量进行有效监测，通过覆盖整个工业园区的监测节点进行环境监测，避免存在监测死角，使得对工业园区的环境监测可靠性更高。

一种实施方式中，监测节点中设置有包括颗粒物浓度监测装置、噪声声级监测装置、温度监测装置、湿度监测装置、风力监测装置、风速监测装置、风向监测装置、光照强度监测装置、负氧离子监测装置、图像监测装置等中的一种或多种。

一种实施方式中，所述监测节点中还设置有通信单元，所述通信单元用于实现监测节点之间或者监测节点与通信基站之间的通信连接和数据交互。

其中监测节点中可以根据需要设置不同的环境监测装置以获取所需的环境监测数据，灵活性和针对性强。

一种实施方式中，区块链服务器2包括接收单元、预处理单元、分类单元、存储单元和查询单元；

接收单元用于接收由基于无线传感器网络的数据采集系统1上传的环境监测数据；

预处理单元用于对接收的环境监测数据进行预处理，包括去除环境监测数据中的无效数据干扰；

分类单元用于对环境监测数据进行分类处理并对不同类型的数据进行相应的标识；

存储单元用于将标识后的环境监测数据上传至区块链中进行分布式存储；

查询单元用于根据接收到的获取请求从区块链中检索及筛选与该获取请求对应的环境监测数据，并生成相应的查询报告发送到远程监控终端3。

在一种实施方式中，所述分类单元还包括：用于根据分类处理后的环境监测数据生成监测日志；所述查询单元还用于将该监测日志上传至区块链中进行存储。

区块链服务器2具备常规的数据处理能力，能够对接收到由数据采集系统1上传的环境监测数据进行处理(预处理和分类等)，并将处理后的数据上传至区块链进行分布式存储，完成工业园区环境监测数据的记录。

其中区块链服务器2对环境监测数据进行预处理包括对环境监测数据的中无法识别类型或者数据缺失的数据进行筛除，确保上传至区块链中环境数据为真实有效数据。

其中区块链服务器2对数据进行分类包括根据数据的类型(如PM2.5浓度数据、噪声数据、温度数据等)进行分类标识处理，有助于管理者根据所需的数据类型对接收到的数据进行查询和获取。

一种实施方式中，参见图3，基于无线传感器网络的数据采集系统1中，还包括节点管理单元，其中节点管理单元分别与各监测节点通信连接，节点管理单元用于监控各监测节点的运行状态，并根据各监测节点的运行性能信息对各监测节点进行分簇，其中针对每个簇的节点指派簇头节点和相应的子节点，子节点将自身获取的环境监测数据发送到相应的簇头节点，由簇头节点统一发送到通信基站。

其中监测节点的运行性能信息包括：监测节点的定位信息、监测节点的数据传输量信息、监测节点的剩余能量信息、监测节点与其邻域节点的通信速率信息。

由于工业园区中设置大量监测节点，因此设置节点管理单元对各监测节点进行管理，其中节点管理单元对监测节点的运行状况进行监测，当监测节点运行状况出现异常时，发出相应的警报消息；同时节点管理单元还能够对监测节点进行分簇传输设置管理，对数据采集系统1中的监测节点完成分簇设置，并周期性地对该分簇设置进行更新，每个簇的节点通过簇头节点集中簇中成员节点的数据并统一发送至通信基站并上传至区块链服务器2，有助于降低数据采集系统1的整体数据传输能耗。

一种实施方式中，节点管理单元中，对各监测节点进行分簇，进一步包括：

根据工业园区的地理位置划分成N个子区域，并将每个子区域中所包含的监测节点作为一个簇，并进一步从每个子区域的监测节点中选取簇头节点，包括：

分别计算子区域中监测节点的簇头优势值，其中采用的簇头优势值计算函数为：

式中，Y_i表示子区域中第i个监测节点的簇头优势值；其中i＝1,2,…,I，I表示子区域中监测节点的总数；D_J表示该第i个监测节点距离通信基站的距离；

表示该第i个监测节点距离子区域地理位置中心的距离；E_i表示该第i个监测节点的剩余能量百分比，

表示子区域中各监测节点的剩余能量百分比均值，E_T表示设定的界线能量阈值；S_i表示该第i个监测节点与其邻居节点的数据传输速率，

表示子区域中各监测节点与邻居节点的数据传输速率均值，其根据监测节点上报的运行性能信息统计所得，S_T表示设定的界线数据传输速率阈值；ω_D、ω_E和ω_S分别表示设定的距离、能量和传输速率的调节因子，用于进行归一化和比重调节，Ra表示随机量，其中Ra表示[0,1]范围内的随机数；

选取子区域中簇头优势值最高的监测节点作为该子区域对应的簇的簇头节点，该子区域中的其它监测节点作为子节点，子节点与对应的簇节点建立通信连接。

上述实施方式中，通过节点管理单元中收集工业园区中各监测节点的运行性能信息，并通过节点管理单元对各监测节点完成分簇以及簇头节点的指派，将相应的指派指令返回到监测单元中，由监测单元根据接收到的委派指令执行分区域分簇的数据传输方式。其中提出了一种针对工业园区监测节点的分簇技术方案；该方案中，首先根据工业园区的地理位置以及监测节点中的分布情况将工业园区分为多个不同的子区域，其中每个子区域中所包含的监测节点自成一簇(可以根据每个子区域中包含数量相当的监测节点作为子区域划分标准，也可以根据面积来进行划分)，针对每个子区域，根据监测节点的运行状性能信息计算每个监测节点的簇头优势值，其中提出了一种优化的簇头优势值计算函数，该函数中以距离、能量和传输速率作为成为簇头节点的评价标准，并突破性加入了界线能量阈值以及界线数据传输速率阈值作为评价参量，该参量中，有助于提高对应参量的评价准确度，例如针对能量评价部分中，如果区域中整体的能量均值越大，则能量评价部分的敏感度越低，证明能量并不是当前区域中最重要的评价因素，而当区域中整体的能量均值月底，则能量平价部分的敏感度越高，各监测节点会因为自身细微的能量参数差异而影响最终的簇头选择结果，能够有助于自适应地选择综合性能最佳的监测节点作为簇头节点，提高了簇头节点选择的效果。

在一种实施方式中，监测节点获取自身与其邻域节点的通信速率信息，包括：

各监测节点向其一条通信范围内的邻域节点广播“HELLO”应答信息，其中该“HELLO”应答信息中包含一定数据量的数据包、发出时间戳信息以及监测节点ID信息；由邻域节点接收到该“HELLO”应答信息后返回接收时间戳信息，同时监测节点记录接收到该由邻域节点返回的接收时间戳信息的接收时间；

同时监测节点接收由邻域节点发出的“HELLO”应答信息，并记录接收到该邻域节点发出的“HELLO”应答信息的接收时间；

获取自身与邻域节点的通信速率，其中采用的通信速率获取函数为：

式中，S_i表示第i个监测节点与其邻居节点的数据传输速率，t_f1表示该第i个监测节点广播“HELLO”应答信息的发出时刻，t_s1表示该第i个监测节点接收到邻域节点返回接收到该“HELLO”应答信息的接收时刻均值，t_s2表示该第i个监测节点接收到该由邻域节点返回的接收时间戳信息的接收时刻均值，t(t_f2-t_s3)表示第i个监测节点接收到各邻域节点发出的“HELLO”应答信息的接收时刻与相应“HELLO”应答信息发出时刻的时间差的均值。

针对监测节点获取自身的通信速率信息，本申请还提出了一种监测节点获取自身与其邻域节点的通信速率信息的技术方案。能够有效地提高通信速率信息获取的准确性。

通常，工业园区中的监测节点由专门的环境管理部门的专业人士来进行安装，确保每个监测节点位置选择以及分布的合理性，能够最大程度准确监测工业园区的环境数据。但是监测节点在安装之后，通常便由工业园区本身进行维护，或者进行周期性指派专门的人员到现场进行维护。然而，依然存在一些工业园区为了钻空子而违规地私自移动监测节点的位置，将其集中在环境质量好或者园区的角落部分，以使得监测的环境数据看似达标的隐患。针对上述问题，本申请还提出一种通过监测节点进行自检的技术方案，能够周期性地对监测节点的分布位置合理性进行自检，能够有助于及时发现、避免上述问题的发生。

一种实施方式中，监测节点中包括颗粒物浓度监测装置、噪声声级监测装置、温度监测装置、湿度监测装置、风力监测装置、风速监测装置、风向监测装置、光照强度监测装置、负氧离子监测装置中的多种时：

监测节点还包括自检单元，自检单元用于对采集结点自身的分布设置是否符合要求进行自检，并将自检结果发送到及节点管理单元；

节点管理单元用于向监测节点发送自检驱动指令驱动监测节点的自检单元进行自检，以及接收由自检单元发送的自检结果信息；并将自检结果信息发送到远程监控终端3。

一种实施方式中，节点管理单元同时向基于无线传感器网络的数据采集系统1中的各监测节点发送自检驱动指令；

监测节点的自检单元包括：在接收到该自检驱动指令后，向其自身的一跳通信范围内的邻居监测节点广播自身的状态信息，并接收由邻居节点广播的邻居节点状态信息；其中该状态信息包括：监测节点的监测数据类型；

根据接收到的邻居节点状态信息，计算自身的自检评分值，其中采用的自检评分值计算函数为：

式中，P_z表示监测节点的自检评分值，N_z表示邻居节点中与自身监测数据类型相同的邻居节点的总数，其根据接收到的邻居节点状态信息中的监测节点的监测数据类型进行统计所得；N_L表示邻居节点的总数，其根据接收到的邻居节点状态信息的数量进行统计所得；δ_N表示设定的多样性密度阈值；

表示判定函数，当

时，

否则，

M_z表示预存的基于无线传感器网络的数据采集系统1中用于监测与自身监测数据类型相同的监测节点的总数；δ_M表示设定的分类节点密度阈值，

表示判定函数，当

时，

否则

R_z表示该监测节点的一跳通信半径，δ_R表示设定的聚集密度阈值；

表示判定函数，当

时，

否则

μ₁、μ₂、μ₃分别表示设定的条件比重因子；

当获取的自检评分值P_z大于设定的阈值T时，则输出自检结果为分布异常，并将自检结果传输到节点管理单元中。

在一种优选的实施方式中，条件比重因子μ₁＝1，μ₂＝0.5，μ₃＝0.5，阈值T＝0.9。

上述技术方案中，以各监测节点为基础，各监测节点能够通过获取其自身周边邻域节点的信息来判断自身的布置位置是否合理，其中提出了一种优化的自检评分值计算函数能够通过3个维度来评判自身的位置的合理性，当不符合标准时通过节点管理单元向远程监控终端3发出异常信息，及时发现监测节点的异常情况。

相比与传统的系统通过每个节点的定位信息来判断节点分布合理性的技术方案相比，本申请上述技术方案，能够避免定位信息对竖直位置的监测准确性不足，以及功耗过高的问题，提高了监测节点分布情况自检的效果。

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分析，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 (3)

1.一种基于区块链工业园区环境监测管理系统，其特征在于，包括基于无线传感器网络的数据采集系统、区块链服务器和远程监控终端；

所述基于无线传感器网络的数据采集系统用于通过无线传感器网络监测获取工业园区内的环境监测数据并发送到所述区块链服务器中；

所述区块链服务器用于对接收的环境监测数据进行预处理，并分类上传至区块链中进行分布式存储；

所述远程监控终端用于向所述区块链服务器发送工业园区环境监测数据的获取请求；

所述区块链服务器还用于在接收到所述获取请求后，从区块链上获取与所述获取请求相应的工业园区环境监测数据并发送到远程监控终端；

所述基于无线传感器网络的数据采集系统包括通信基站和分布于工业园区的监测节点，监测节点用于感知其所在区域的所述环境监测数据后，将获取的环境监测数据发送到通信基站；

所述通信基站用于将接收到的环境监测数据上传至所述区块链服务器中；

所述监测节点中设置有颗粒物浓度监测装置、噪声声级监测装置、温度监测装置、湿度监测装置、风力监测装置、风速监测装置、风向监测装置、光照强度监测装置、负氧离子监测装置、图像监测装置中的一种或多种；

所述基于无线传感器网络的数据采集系统中，还包括节点管理单元，其中所述节点管理单元分别与各所述监测节点通信连接，所述节点管理单元用于监控各监测节点的运行状态，并根据各监测节点的运行性能信息对各监测节点进行分簇，其中针对每个簇的节点指派簇头节点和相应的子节点，子节点将自身获取的环境监测数据发送到相应的簇头节点，由簇头节点统一发送到所述通信基站；

其中，当所述监测节点中包括颗粒物浓度监测装置、噪声声级监测装置、温度监测装置、湿度监测装置、风力监测装置、风速监测装置、风向监测装置、光照强度监测装置、负氧离子监测装置中的多种时：

所述监测节点还包括自检单元，所述自检单元用于对采集结点自身的分布设置是否符合要求进行自检，并将自检结果发送到及节点管理单元；

所述节点管理单元用于向所述监测节点发送自检驱动指令驱动所述监测节点的自检单元进行自检，以及接收由自检单元发送的自检结果信息；并将自检结果信息发送到远程监控终端；

所述节点管理单元同时向基于无线传感器网络的数据采集系统中的各监测节点发送自检驱动指令；

监测节点的自检单元包括：在接收到该自检驱动指令后，向其自身的一跳通信范围内的邻居监测节点广播自身的状态信息，并接收由邻居节点广播的邻居节点状态信息；其中该状态信息包括：监测节点的监测数据类型；

根据接收到的邻居节点状态信息，计算自身的自检评分值，其中采用的自检评分值计算函数为：

式中，P_z表示监测节点的自检评分值，N_z表示邻居节点中与自身监测数据类型相同的邻居节点的总数，其根据接收到的邻居节点状态信息中的监测节点的监测数据类型进行统计所得；N_L表示邻居节点的总数，其根据接收到的邻居节点状态信息的数量进行统计所得；δ_N表示设定的多样性密度阈值；

表示判定函数，当

时，

否则，

M_z表示预存的基于无线传感器网络的数据采集系统中用于监测与自身监测数据类型相同的监测节点的总数；δ_M表示设定的分类节点密度阈值，

表示判定函数，当

时，

否则

R_z表示该监测节点的一跳通信半径，δ_R表示设定的聚集密度阈值；

表示判定函数，当

时，

否则

μ₁、μ₂、μ₃分别表示设定的条件比重因子；

当获取的自检评分值P_z大于设定的阈值T时，则输出自检结果为分布异常，并将自检结果传输到节点管理单元中。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链工业园区环境监测管理系统，其特征在于，所述区块链服务器包括接收单元、预处理单元、分类单元、存储单元和查询单元；

所述接收单元用于接收由所述基于无线传感器网络的数据采集系统上传的所述环境监测数据；

所述预处理单元用于对接收的环境监测数据进行预处理，包括去除环境监测数据中的无效数据干扰；

所述分类单元用于对环境监测数据进行分类处理并对不同类型的数据进行相应的标识；

所述存储单元用于将标识后的环境监测数据上传至所述区块链中进行分布式存储；

所述查询单元用于根据接收到的所述获取请求从区块链中检索及筛选与该获取请求对应的环境监测数据，并生成相应的查询报告发送到所述远程监控终端。

3.根据权利要求1所述的一种基于区块链工业园区环境监测管理系统，其特征在于，所述节点管理单元中，对各所述监测节点进行分簇，进一步包括：

根据工业园区的地理位置划分成N个子区域，并将每个子区域中所包含的监测节点作为一个簇，并进一步从每个子区域的监测节点中选取簇头节点，包括：

分别计算子区域中监测节点的簇头优势值，其中采用的簇头优势值计算函数为：

式中，Y_i表示子区域中第i个监测节点的簇头优势值；其中i＝1,2,…,I，I表示子区域中监测节点的总数；D_J表示该第i个监测节点距离通信基站的距离；

表示该第i个监测节点距离子区域地理位置中心的距离；E_i表示该第i个监测节点的剩余能量百分比，

表示子区域中各监测节点的剩余能量百分比均值，E_T表示设定的界线能量阈值；S_i表示该第i个监测节点与其邻居节点的数据传输速率，

表示子区域中各监测节点与邻居节点的数据传输速率均值，其根据监测节点上报的运行性能信息统计所得，S_T表示设定的界线数据传输速率阈值；ω_D、ω_E和ω_S分别表示设定的距离、能量和传输速率的调节因子，用于进行归一化和比重调节，Ra表示随机量，其中Ra表示[0,1]范围内的随机数；

选取子区域中簇头优势值最高的监测节点作为该子区域对应的簇的簇头节点，该子区域中的其它监测节点作为子节点，子节点与对应的簇节点建立通信连接。

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