CN114415550B - 一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法及系统，包括，接收传输的信号进行预处理，得到预信号并发送给信道；基于Shapley值合作博弈策略构建控制模型；利用区块链去中心化机制对所述控制模型进行精度训练，输出得到分布式控制模型；将所述分布式控制模型导入无线管控平台进行数据运算，控制各个所述信道的预信号传输。本发明通过改进信号处理方式，加快了调谐速度，有效的改善信号传输延时性，结合区块链去中心化机制增加信号传输安全性，提高分布式控制的精度，避免了网关组网环节，减少了繁琐的控制流程和信道的使用。

Description

一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法及系统

技术领域

本发明涉及智能客控、智能家居的技术领域，尤其涉及一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法及系统。

背景技术

物联网近年来的发展已经渐成规模，但在长期发展演进过程中也仍然存在许多需要攻克的难题，在设备安全方面，缺乏设备与设备之间相互信任的机制，所有的设备都需要和物联网中心的数据进行核对，一旦数据库崩塌，会对整个物联网造成很大的破坏；在个人隐私方面，中心化的管理架构无法自证清白，个人隐私数据被泄露的事件时有发生；在扩展能力方面，目前的物联网数据流都汇总到单一的中心控制系统，未来物联网设备将呈几何级数增长，中心化服务成本难以负担；在通信协作方面，全球物联网平台缺少统一的技术标准、接口，使得多个物联网设备彼此之间通信受到阻碍，并产生多个竞争性的标准和平台。

涉及到跨多个运营商、多个对等主体之间的协作时，建立信用的成本很高，区块链凭借“不可篡改”、“共识机制”和“去中心化”等特性，对物联网将产生重要的影响，概括如下：一、降低成本：区块链“去中心化”的特质将降低中心化架构的高额运维成本；二、隐私保护：区块链中所有传输的数据都经过加密处理，用户的数据和隐私将更加安全；三、设备安全：身份权限管理和多方共识有助于识别非法节点，及时阻止恶意节点的接入和作恶；四、追本溯源：数据只要写入区块链就难以篡改，依托链式的结构有助于构建可证可溯的电子证据存证；五、网间协作：区块链的分布式架构和主体对等的特点有助于打破物联网现存的多个信息孤岛桎梏，以低成本建立互信，促进信息的横向流动和网间协作。

目前市面上很多无线控制系统大多基于网关的集中控制，使用前需要组网，所有的设备和场景都存储在网关中，触发设备将命令发送给网关，网关再将命令发送给控制器执行，环节较多，网关依赖度很高，容易出错，如果能够通过去中心化技术，使每个控制器单独存储场景和数据，所有命令和数据不经过网关转发，且每个控制器状态变化时都会发送状态给网关，网关可以统计并协调每个控制器的工作状态，那么针对智能家居控制研发将会大有裨益。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：现有无线控制系统需要进行组网才能发送指令，存储的网关较多，执行环节复杂，容易出错，个人隐私容易泄露。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，接收传输的信号进行预处理，得到预信号并发送给信道；基于Shapley值合作博弈策略构建控制模型；利用区块链去中心化机制对所述控制模型进行精度训练，输出得到分布式控制模型；将所述分布式控制模型导入无线管控平台进行数据运算，控制各个所述信道的预信号传输。

作为本发明所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法的一种优选方案，其中：所述预处理包括，低频信号过滤和信号转换处理。

作为本发明所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法的一种优选方案，其中：所述低频信号过滤包括，

其中，D₀为通带的半径，m为输入信号，σ为平滑程度参数，用于表征低通滤波器的频带宽度。

作为本发明所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法的一种优选方案，其中：所述信号转换处理包括，

将滤波后的信号的频率转换为适合在信道中传输的频率：

其中，F(e^x)为转换后的连续频谱，r为移频量，x₁为滤波后的信号的频带对应的角频率，信道中传输的频率范围为2.4GHz～2.4835GHz。

作为本发明所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法的一种优选方案，其中：构建所述控制模型包括，

其中，V(C)为博弈特征控制函数，|fringe(C)|为边缘函数，即信道群体中所有信道节点的集合及其邻域球面上的边缘距离。

作为本发明所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法的一种优选方案，其中：所述精度训练包括，利用所述区块链去中心化机制将所述控制模型的核心节点能力下放到各个边缘节点；所述核心节点仅控制核心内容以做备份使用，且所述各个边缘节点为各自控制区域内设备服务；基于协作模式及相关共识机制完成原核心节点承担的信号认证、信号传输控制；设定训练阈值，若所述信号认证和所述信号传输的控制精度满足阈值要求，则结束训练，否则，循环迭代，直至满足所述阈值要求时停止。

作为本发明所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法的一种优选方案，其中：还包括，所述训练阈值设定为0.76,即V(C)≥0.76时，模型精度符合实际运用标准；根据历史信道传输信号数据作为比对样本，求取频率控制方差均值；所述频率控制方差均值为0.76，即将0.76作为阈值。

作为本发明所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法的一种优选方案，其中：所述分布式控制模型包括，

其中，△P_Ki：信道数据连接有功，△Q_Ki：信道无功削减量，i为常数。

作为本发明所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制系统的一种优选方案，其中：包括，触发模块，其包括开关面板、遥控器和传感器，所述开关面板、所述遥控器和所述传感器内部均设置有唯一ID标识，且不存储任何配置信息，每次触发时会通过无线发送自身的唯一ID；执行模块，其包括内部开关控制器、调光控制器、窗帘控制器和空调控制器，所述执行模块内的各个设备会存储用户配置的场景数据，记录感兴趣的所述触发模块内各个设备的唯一ID数据；无线网关，其用于配置场景时，接收所有的所述触发模块、所述执行模块的唯一ID，所述无线网关根据存储的唯一ID确认哪些设备是自己感兴趣的设备；服务器，其用于通过网络对无线网关发送控制命令，控制无线网关下的所有的所述执行模块，实现远程控制智能设备的功能。

作为本发明所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法的一种优选方案，其中：还包括，信号处理模块，其用于将所述触发模块中的信号的低频信号进行过滤，以及对过滤完成的信号进行转换；其中，分别采用金属铜和金属铝作为所述信号处理模块的电感和电容，且所述电感和所述电容分布在所述信号处理模块的不同叠层；所述信号处理模块的叠层由3层金属层组成，将其分别定义为M₁层、M₂层、M₃层，分别将电感L₁置于所述M₁层，将电感L₂置于所述M₂层，将电容C₁置于所述M₃层；信道与所述信号处理模块连接，其用于将所述信号处理模块发送的预信号传输给所述执行模块。

本发明的有益效果：本发明通过改进信号处理方式，加快了调谐速度，有效的改善信号传输延时性，结合区块链去中心化机制增加信号传输安全性，提高分布式控制的精度，避免了网关组网环节，减少了繁琐的控制流程和信道的使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法的流程示意图；

图2为本发明第一个实施例所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法的区块链去中心化网络拓扑结构示意图；

图3为本发明第一个实施例所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法的信号波形对比示意图；

图4为本发明第二个实施例所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制系统的主要模块结构分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”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和简化描述，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。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

智能网关设备是物联网技术实现的核心设备，智能网关设备可以对一定信号覆盖区域内的被控智能设备执行控制指令识别、数据采集、指令发送、协议转换动作，现有的智能网关设备通常在采集到用户的控制指令(如，语音控制指令或手势控制执行)后，将这些控制指令发送到云端服务器进行识别，然后根据获得的识别结果再执行相应的动作；但是，这种方式需要将采集的用户语音信息或者用户图像信息上传服务器，传输过程或者服务器本身都有可能暴露用户的隐私，并且需要进行组网操作，占用多个信道，控制过程过于繁琐且不可靠。

参照图1～图3，为本发明的第一个实施例，提供了一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法，具体包括：

S1：接收传输的信号进行预处理，得到预信号并发送给信道。其中需要说明的是，预处理包括：

低频信号过滤和信号转换处理；

低频信号过滤包括：

其中，D₀为通带的半径，m为输入信号，σ为平滑程度参数，用于表征低通滤波器的频带宽度；

信号转换处理包括：

将滤波后的信号的频率转换为适合在信道中传输的频率：

其中，F(e^x)为转换后的连续频谱，r为移频量，x₁为滤波后的信号的频带对应的角频率，信道中传输的频率范围为2.4GHz～2.4835GHz。

S2：基于Shapley值合作博弈策略构建控制模型。本步骤需要说明的是，构建控制模型包括：

其中，V(C)为博弈特征控制函数，|fringe(C)|为边缘函数，即信道群体中所有信道节点的集合及其邻域球面上的边缘距离。

S3：利用区块链去中心化机制对控制模型进行精度训练，输出得到分布式控制模型。其中还需要说明的是，精度训练包括：

利用区块链去中心化机制将控制模型的核心节点能力下放到各个边缘节点；

核心节点仅控制核心内容以做备份使用，且各个边缘节点为各自控制区域内设备服务；

基于协作模式及相关共识机制完成原核心节点承担的信号认证、信号传输控制；

设定训练阈值，若信号认证和信号传输的控制精度满足阈值要求，则结束训练，否则，循环迭代，直至满足阈值要求时停止。

具体的，还包括：

训练阈值设定为0.76,即V(C)≥0.76时，模型精度符合实际运用标准；

根据历史信道传输信号数据作为比对样本，求取频率控制方差均值；

频率控制方差均值为0.76，即将0.76作为阈值。

进一步的，分布式控制模型包括：

其中，△P_Ki：信道数据连接有功，△Q_Ki：信道无功削减量，i为常数。

S4：将分布式控制模型导入无线管控平台进行数据运算，控制各个信道的预信号传输。

较佳的，Shapley值即为比例联盟Shapley值，其基本思路是：定义在参与者集合N上的博弈v中的参与者形成同盟,各个同盟之间首先进行商博弈并得到其支付,然后一个同盟所获得的支付在其内部的各个成员之间进行分配，同盟内部的分配是根据一种比例规则,即根据各成员在原博弈v中的Shapley值所占的比例进行分配。

优选地，本实施例通过引用Shapley值合作博弈策略构建控制模型，将全部的信道视为参与者集合N，各个信道同盟(相同设备)之间进行博弈(比较)得到控制权，一个信道同盟所获得的控制权在其内部成员(各个信道节点)之间进行分配，并结合区块链去中心化机制对控制模型进行精度训练，输出得到分布式控制模型，由此实现对控制系统下的多个信道的分布式信号控制。

优选的是，为了对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择以传统的组网控制方法与采用本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本发明方法所具有的真实效果。

传统的组网控制方法握手错误率高、组网连接慢、通信安全性低，为验证本发明方法相对于传统方法具有较高的通信安全性、信号传输频率和较快的控制速度，本实施例中将采用传统的组网控制方法和本发明方法分别对某一类智能家居设备的信道传输和控制效率进行实时测量对比。

采用传统方法利用NB-loT(窄带物联网)网络实现各部件之间的通信，结合边缘计算代理服务器进行采集信息的数据信息计算，获得信号握手的转换信息流进行传输；而采用本发明方法则基于区块链技术、Shapley值合作博弈策略和唯一标识ID认证筛选出安全终端进行传输，利用MATLB软件编程进行仿真模拟测试，并输出测试数据。

参照图3，为本实施例的传统方法与本发明方法进行对比测试的波形数据示意图，根据图3的示意，能够直观的看出，本发明方法输出的波形位于传统方法输出波形的上方，即本发明方法的信号频率更稳定更高，占用信道较少，且速度较快，验证了本发明对于智能家居设备控制的稳定性更好。

实施例2

参照图4，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种基于区块链去中心化的分布式无线控制系统，具体包括：

触发模块，其包括开关面板、遥控器和传感器，开关面板、遥控器和传感器内部均设置有唯一ID标识，且不存储任何配置信息，每次触发时会通过无线发送自身的唯一ID。

执行模块，其包括内部开关控制器、调光控制器、窗帘控制器和空调控制器，执行模块内的各个设备会存储用户配置的场景数据，记录感兴趣的触发模块内各个设备的唯一ID数据。

无线网关，其用于配置场景时，接收所有的触发模块、执行模块的唯一ID，无线网关根据存储的唯一ID确认哪些设备是自己感兴趣的设备。

服务器，其用于通过网络对无线网关发送控制命令，控制无线网关下的所有的执行模块，实现远程控制智能设备的功能。

信号处理模块，其用于将触发模块中的信号的低频信号进行过滤，以及对过滤完成的信号进行转换；其中，分别采用金属铜和金属铝作为信号处理模块的电感和电容，且电感和电容分布在信号处理模块的不同叠层。

信号处理模块的叠层由3层金属层组成，将其分别定义为M₁层、M₂层、M₃层，分别将电感L₁置于M₁层，将电感L₂置于M₂层，将电容C₁置于M₃层。

信道与信号处理模块连接，其用于将信号处理模块发送的预信号传输给执行模块。

优选地，本实施例还需要详细说明的是，当执行模块收到触发模块的信号时，会查询自身存储的场景数据中是否有此触发模块的ID，以此确定自己是否需要执行相应的动作，每个执行模块直接接收触发模块的信号，分布式的存储和执行动作，无需无线网关干预。

较佳的，当执行模块在状态变化时，会通过无线发送自身的状态信息，无线网关收到后会确认是否是自己感兴趣的设备，如果是，则通过网口转发状态信息到服务器，实现远程统计智能设备的状态。

优选地是，本实施例还需要再次说明的是，实施例1中提供的分布式无线控制方法以编程代码的方式导入本实施例中的分布式无线控制系统中运行，部分运行代码如下：

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，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精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于区块链去中心化的分布式无线控制方法，其特征在于：包括，

接收传输的信号进行预处理，得到预信号并发送给信道；

基于Shapley值合作博弈策略构建控制模型；

利用区块链去中心化机制对所述控制模型进行精度训练，输出得到分布式控制模型；

将所述分布式控制模型导入无线管控平台进行数据运算，控制各个所述信道的预信号传输；

所述预处理包括，低频信号过滤和信号转换处理；

构建所述控制模型包括，

其中，V(C)为博弈特征控制函数，|fringe(C)|为边缘函数，即信道群体中所有信道节点的集合及其邻域球面上的边缘距离；

所述精度训练包括，

利用所述区块链去中心化机制将所述控制模型的核心节点能力下放到各个边缘节点；

所述核心节点仅控制核心内容以做备份使用，且所述各个边缘节点为各自控制区域内设备服务；

基于协作模式及相关共识机制完成原核心节点承担的信号认证、信号传输控制；

设定训练阈值，若所述信号认证和所述信号传输的控制精度满足阈值要求，则结束训练，否则，循环迭代，直至满足所述阈值要求时停止；

所述训练阈值设定为0.76,即V(C)≥0.76时，模型精度符合实际运用标准；

根据历史信道传输信号数据作为比对样本，求取频率控制方差均值；

所述频率控制方差均值为0.76，即将0.76作为阈值；

所述分布式控制模型包括，

其中，ΔP_Ki：信道数据连接有功，ΔQ_Ki：信道无功削减量，i为常数。

2.根据权利要求1所述的基于区块链去中心化的分布式无线控制方法，其特征在于：所述低频信号过滤包括，

其中，D₀为通带的半径，m为输入信号，σ为平滑程度参数，用于表征低通滤波器的频带宽度。

3.根据权利要求2所述的基于区块链去中心化的分布式无线控制方法，其特征在于：所述信号转换处理包括，

将滤波后的信号的频率转换为适合在信道中传输的频率：

其中，F(e^x)为转换后的连续频谱，r为移频量，x₁为滤波后的信号的频带对应的角频率，信道中传输的频率范围为2.4GHz～2.4835GHz。

4.一种如权利要求1～3任一所述的基于区块链去中心化的分布式无线控制方法的分布式无线控制系统，其特征在于：包括，

触发模块，其包括开关面板、遥控器和传感器，所述开关面板、所述遥控器和所述传感器内部均设置有唯一ID标识，且不存储任何配置信息，每次触发时会通过无线发送自身的唯一ID；

执行模块，其包括内部开关控制器、调光控制器、窗帘控制器和空调控制器，所述执行模块内的各个设备会存储用户配置的场景数据，记录感兴趣的所述触发模块内各个设备的唯一ID数据；

无线网关，其用于配置场景时，接收所有的所述触发模块、所述执行模块的唯一ID，所述无线网关根据存储的唯一ID确认哪些设备是自己感兴趣的设备；

服务器，其用于通过网络对无线网关发送控制命令，控制无线网关下的所有的所述执行模块，实现远程控制智能设备的功能。

5.根据权利要求4所述的一种基于区块链去中心化的分布式无线控制系统，其特征在于：还包括，

信号处理模块，其用于将所述触发模块中的信号的低频信号进行过滤，以及对过滤完成的信号进行转换；其中，分别采用金属铜和金属铝作为所述信号处理模块的电感和电容，且所述电感和所述电容分布在所述信号处理模块的不同叠层；

所述信号处理模块的叠层由3层金属层组成，将其分别定义为M₁层、M₂层、M₃层，分别将电感L₁置于所述M₁层，将电感L₂置于所述M₂层，将电容C₁置于所述M₃层；

信道与所述信号处理模块连接，其用于将所述信号处理模块发送的预信号传输给所述执行模块。

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