基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的重要物質(zhì)周轉(zhuǎn)系統(tǒng)

0   引言

目前銀行等金融部門(mén)的重要物資周轉(zhuǎn)基本是采用卡封鎖管理來(lái)完成重要物資周轉(zhuǎn)的，這種管理系統(tǒng)在運(yùn)輸過(guò)程中、到達(dá)開(kāi)封都嚴(yán)重依賴(lài)人工，現(xiàn)實(shí)中總是有監(jiān)守自盜的現(xiàn)象，而無(wú)法追蹤?？ǚ馐且环N消耗品，也是不小的費(fèi)用開(kāi)支。為了更好地全流程監(jiān)控各個(gè)狀態(tài)，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的物質(zhì)周轉(zhuǎn)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)輸車(chē)、物品狀態(tài)，結(jié)合AI 識(shí)別技術(shù)，可以提前預(yù)防事件發(fā)生，并通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)完整地記錄各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)際情況，以及時(shí)預(yù)防事件發(fā)生，并可追溯發(fā)生過(guò)程，避免不必要的損失。

1   系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)建立一整套不依賴(lài)于人的管理監(jiān)控系統(tǒng)，這套系統(tǒng)包括：監(jiān)控管理平臺(tái)，帶實(shí)時(shí)定位和移動(dòng)監(jiān)控的運(yùn)輸車(chē)，帶電子標(biāo)簽識(shí)別的周轉(zhuǎn)箱和鎖周轉(zhuǎn)箱的無(wú)源電子鎖，出發(fā)地和目的地的管理系統(tǒng)，電子標(biāo)簽識(shí)別器，電子標(biāo)簽讀寫(xiě)器，用戶(hù)終端和電子鑰匙。通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)記錄環(huán)節(jié)的實(shí)際情況，不可篡改，可以永久追溯。整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

監(jiān)控管理云平臺(tái)負(fù)責(zé)管理車(chē)輛和調(diào)度車(chē)輛，監(jiān)控車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行軌跡，采集管理各個(gè)環(huán)節(jié)的視頻監(jiān)控，管理周轉(zhuǎn)箱和電子鑰匙，管理用戶(hù)、授權(quán)和取消授權(quán)電子鑰匙開(kāi)啟周轉(zhuǎn)箱的權(quán)限，監(jiān)控周轉(zhuǎn)箱的鎖狀態(tài)。監(jiān)控管理云平臺(tái)可以設(shè)置起始地和目的地，并可在起始地和目的地設(shè)置不同狀態(tài)。監(jiān)控管理平臺(tái)可以設(shè)置預(yù)測(cè)時(shí)間段，并在預(yù)測(cè)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)授權(quán)，超過(guò)時(shí)間段需要手動(dòng)申請(qǐng)動(dòng)態(tài)授權(quán)。

運(yùn)輸車(chē)帶實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)、移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、電子標(biāo)簽識(shí)別器，周轉(zhuǎn)箱上車(chē)后，電子標(biāo)簽識(shí)別器會(huì)自動(dòng)識(shí)別周轉(zhuǎn)箱進(jìn)入運(yùn)輸車(chē)中，電子標(biāo)簽識(shí)別器會(huì)和移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)交互，由網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(4G)把相關(guān)信息( 運(yùn)輸車(chē)編號(hào)，周轉(zhuǎn)箱編號(hào)，電子標(biāo)簽識(shí)別器編號(hào)，周轉(zhuǎn)箱起始地址和目的地址，周轉(zhuǎn)箱上此車(chē)的照片等) 傳輸至監(jiān)控管理云平臺(tái)中，運(yùn)輸過(guò)程中，監(jiān)控管理云平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛運(yùn)行軌跡，并可通過(guò)移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)查看車(chē)內(nèi)情況。

周轉(zhuǎn)箱用于周轉(zhuǎn)重要物資，其帶電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽可寫(xiě)入箱子編號(hào)、物資內(nèi)容和數(shù)量、起始地址和目的地址。周轉(zhuǎn)箱一旦被鎖上，沒(méi)有監(jiān)控管理平臺(tái)的授權(quán)，用戶(hù)終端得不到授權(quán)，電子鑰匙沒(méi)有授權(quán)，周轉(zhuǎn)箱是無(wú)法打開(kāi)的。

無(wú)源電子鎖用于鎖周轉(zhuǎn)箱，無(wú)源電子鎖和電子鑰匙配合使用，使用時(shí)電子鑰匙插入鎖芯內(nèi)給無(wú)源電子鎖供電，關(guān)閉和開(kāi)啟無(wú)源電子鎖，用戶(hù)終端都會(huì)監(jiān)測(cè)到狀態(tài)變化，并傳遞給監(jiān)控管理云平臺(tái)。電子鑰匙是開(kāi)啟和關(guān)閉無(wú)源電子鎖的工具，并給無(wú)源電子鎖供電，開(kāi)啟和關(guān)閉無(wú)源電子鎖都需要電子鑰匙，電子鑰匙還把開(kāi)關(guān)鎖的狀態(tài)傳遞給用戶(hù)終端，由用戶(hù)終端把信息傳遞給監(jiān)控管理云平臺(tái)。

用戶(hù)終端是手持式的，帶專(zhuān)用應(yīng)用程序，用戶(hù)終端是用戶(hù)和監(jiān)控管理云平臺(tái)的交互工具，用戶(hù)終端接收平臺(tái)授權(quán)等信息，并把授權(quán)信息傳遞給電子鑰匙，由電子鑰匙來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉電子鎖，同時(shí)電子鑰匙把鎖的狀態(tài)信息傳遞給用戶(hù)終端，由用戶(hù)終端把信息傳遞給監(jiān)控管理平臺(tái)。用戶(hù)終端的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用程序是采用動(dòng)態(tài)密碼授權(quán)的，密碼一次有效并有時(shí)效性的。

出發(fā)地監(jiān)控系統(tǒng)由攝像監(jiān)控設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)管理主機(jī)、電子標(biāo)簽識(shí)別器組成。周轉(zhuǎn)箱鎖閉后，用戶(hù)終端會(huì)把鎖狀態(tài)信息傳遞給監(jiān)控管理平臺(tái)，平臺(tái)會(huì)記錄下?tīng)顟B(tài)，電子標(biāo)簽識(shí)別器驗(yàn)證周轉(zhuǎn)箱出站進(jìn)入運(yùn)輸車(chē)，全程由攝像頭監(jiān)控錄像。

目的地監(jiān)控系統(tǒng)由攝像監(jiān)控設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)管理主機(jī)、電子標(biāo)簽識(shí)別器組成，當(dāng)周轉(zhuǎn)箱到達(dá)目的地時(shí)，電子標(biāo)簽識(shí)別器識(shí)別到正確的箱子到達(dá)本目的地，告知網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)，由網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)把信息傳遞給監(jiān)控管理平臺(tái)，監(jiān)控管理平臺(tái)確認(rèn)是到達(dá)真實(shí)目的地后，會(huì)給對(duì)應(yīng)的用戶(hù)終端發(fā)送對(duì)應(yīng)電子鑰匙的授權(quán)，以開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的無(wú)源電子鎖。攝像頭會(huì)監(jiān)控周轉(zhuǎn)箱的開(kāi)啟過(guò)程，并把視頻上傳至監(jiān)控管理平臺(tái)。

電子標(biāo)簽識(shí)別器是識(shí)別電子標(biāo)簽的工具。電子標(biāo)簽中保存周轉(zhuǎn)箱的相關(guān)信息，包括存放內(nèi)容、數(shù)量、發(fā)送人、接收人、押運(yùn)人、押運(yùn)車(chē)輛、起始地址、目的地址等信息。電子標(biāo)簽識(shí)別器讀取到正確信息給予放行，讀取到不正確信息后給發(fā)送告警到平臺(tái)^[1]。

2   系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一個(gè)周轉(zhuǎn)箱運(yùn)輸及開(kāi)啟的過(guò)程如下。

在出發(fā)地，電子標(biāo)簽讀寫(xiě)器與網(wǎng)絡(luò)管理主機(jī)連接，

通過(guò)電子標(biāo)簽讀寫(xiě)器把周轉(zhuǎn)箱的相關(guān)地址信息、內(nèi)容信息、運(yùn)輸車(chē)輛信息等寫(xiě)入到周轉(zhuǎn)箱上的電子標(biāo)簽內(nèi)，相關(guān)信息傳遞錄入到監(jiān)控管理平臺(tái)中便于后續(xù)驗(yàn)證查看狀態(tài)，監(jiān)控管理平臺(tái)會(huì)把周轉(zhuǎn)箱信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給目的地設(shè)備中和相關(guān)人員手持設(shè)備中。通過(guò)無(wú)源電子鎖將周轉(zhuǎn)箱鎖閉起來(lái)，進(jìn)入裝車(chē)運(yùn)輸狀態(tài)，目的地監(jiān)控系統(tǒng)全程錄像，并在出發(fā)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把相關(guān)信息遠(yuǎn)程傳遞給監(jiān)控管理平臺(tái)。監(jiān)控管理平臺(tái)根據(jù)實(shí)際情況規(guī)劃出車(chē)輛行走路線。出發(fā)地周轉(zhuǎn)箱寫(xiě)入信息及裝車(chē)流程如圖2。

周轉(zhuǎn)箱進(jìn)入運(yùn)輸車(chē)中，會(huì)檢測(cè)該周轉(zhuǎn)箱是否由該運(yùn)輸車(chē)輛承運(yùn)并確認(rèn)目的地，和監(jiān)控管理平臺(tái)上錄入信息一致的通過(guò)，不一致的告警提示調(diào)度更換。在運(yùn)輸過(guò)程中，通過(guò)車(chē)載定位系統(tǒng)，監(jiān)控管理平臺(tái)可以實(shí)時(shí)查看車(chē)輛行走路徑，并根據(jù)情況可以提醒駕駛員調(diào)整路線。車(chē)內(nèi)監(jiān)控通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送至監(jiān)控管理平臺(tái)，通過(guò)平臺(tái)可實(shí)時(shí)查看周轉(zhuǎn)箱和車(chē)輛的狀態(tài)和路徑。

車(chē)輛到達(dá)目的地后，定位信息會(huì)傳送到監(jiān)控管理平臺(tái)，監(jiān)控管理平臺(tái)會(huì)驗(yàn)證查看是否目的地正確，如有錯(cuò)誤及時(shí)提醒調(diào)整，以防止突發(fā)事件。周轉(zhuǎn)箱從運(yùn)輸車(chē)輛卸下后，目的地的電子標(biāo)簽識(shí)別器會(huì)讀取周轉(zhuǎn)箱上的電子標(biāo)簽信息，自動(dòng)識(shí)別是否是正確的周轉(zhuǎn)箱。如是錯(cuò)誤的，會(huì)通過(guò)識(shí)別器連接的網(wǎng)絡(luò)通知監(jiān)控管理平臺(tái)，平臺(tái)提示接收人員、駕駛員等相關(guān)人員拒絕接收。如正確無(wú)誤，監(jiān)控管理平臺(tái)會(huì)通過(guò)對(duì)接收人員的權(quán)限審核，平臺(tái)并驗(yàn)證是否在預(yù)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，如果在設(shè)置的預(yù)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，下發(fā)動(dòng)態(tài)授權(quán)給接收人員的用戶(hù)終端；如果不在預(yù)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，管理員需手動(dòng)申請(qǐng)，平臺(tái)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證審核通過(guò)后再下發(fā)動(dòng)態(tài)授權(quán)；如驗(yàn)證審核有異常，不能下發(fā)動(dòng)態(tài)授權(quán)。用戶(hù)終端通過(guò)無(wú)線傳輸把動(dòng)態(tài)授權(quán)傳送給接收人員的電子鑰匙，電子鑰匙開(kāi)啟無(wú)源電子鎖，從而開(kāi)啟周轉(zhuǎn)箱，開(kāi)閉鎖狀態(tài)及時(shí)通過(guò)用戶(hù)終端傳遞至監(jiān)控管理平臺(tái)，以便平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

周轉(zhuǎn)箱運(yùn)輸監(jiān)控管理分系統(tǒng)及流程示意圖如圖3。

用戶(hù)終端接收授權(quán)及電子鑰匙開(kāi)鎖流程如圖4。

3   區(qū)塊鏈應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以以太坊區(qū)塊鏈技術(shù)作為底層的技術(shù)支持，基于現(xiàn)有物資周轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，建立用戶(hù)之間、用戶(hù)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間獲取數(shù)據(jù)、服務(wù)的不可篡改的契約交易關(guān)系的區(qū)塊鏈應(yīng)用平臺(tái)。整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)是由多個(gè)客戶(hù)端節(jié)點(diǎn)組成，各節(jié)點(diǎn)都是完整的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)都有整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)地址的完整備份。這些節(jié)點(diǎn)可以分別由不同的機(jī)構(gòu)或一個(gè)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的多個(gè)數(shù)據(jù)中心來(lái)分別維護(hù)。區(qū)塊鏈的區(qū)塊之間通過(guò)哈希值連接在一起，此哈希值由區(qū)塊頭部字段組合計(jì)算而成。區(qū)塊中的交易通過(guò)梅克爾樹(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織在一起，其中梅克爾樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)存放在區(qū)塊的頭部中。

用戶(hù)或者平臺(tái)制定自己能夠提供數(shù)據(jù)或者服務(wù)的條件，應(yīng)用將條件編譯成為智能合約腳本，然后發(fā)布到系統(tǒng)，此后，系統(tǒng)通過(guò)審核和編譯，形成去中心化的應(yīng)用提供給其他用戶(hù)，其他用戶(hù)如果有需求并且能夠滿(mǎn)足條件響應(yīng)后，智能合約通過(guò)在區(qū)塊鏈上的執(zhí)行來(lái)完成合約內(nèi)容，通過(guò)所有其他全節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證后，達(dá)成合約并且不能篡改。系統(tǒng)上的去中心化應(yīng)用是通過(guò)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)約定好的接口進(jìn)行調(diào)用和驗(yàn)證，獲取遠(yuǎn)端物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)和服務(wù)，提供給區(qū)塊鏈去中心化應(yīng)用的用戶(hù)^[2-3]。

整個(gè)系統(tǒng)從架構(gòu)設(shè)計(jì)上來(lái)看，可以分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、智能合約層、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層和應(yīng)用層五個(gè)層次，如圖5 所示。

1）最底層的數(shù)據(jù)層，主要負(fù)責(zé)對(duì)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，包含區(qū)塊數(shù)據(jù)和事務(wù)交易數(shù)據(jù)哈希地址的存儲(chǔ)。包括的技術(shù)主要是一些通用的基礎(chǔ)模塊，比如網(wǎng)絡(luò)通訊庫(kù)，流處理，線程封裝，消息封裝與解碼，系統(tǒng)時(shí)間，基礎(chǔ)加密算法，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)等。

2）第2 層是系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層，包括：共識(shí)算法，P2P網(wǎng)絡(luò)以及驗(yàn)證機(jī)制。一般包含了區(qū)塊鏈的主要邏輯，如共識(shí)模塊，交易處理模塊，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)處理模塊等，難點(diǎn)在于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)和并發(fā)處理。在本系統(tǒng)中針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下的節(jié)點(diǎn)承載能力與應(yīng)用需求，替換了傳統(tǒng)以太坊上的工作量證明共識(shí)機(jī)制，采用基于Tendermint 共識(shí)機(jī)制的Ethermint。

3）第3 層是智能合約層，基于Json Standard RPC 的交互RPC 模塊與EVM（以太坊虛擬機(jī)）模塊，基于EVM 模塊運(yùn)行智能合約交互處理區(qū)塊鏈與共識(shí)的相關(guān)事務(wù)，基于JSON-RPC 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)程序上請(qǐng)求服務(wù)，進(jìn)行區(qū)塊節(jié)點(diǎn)的一致性處理和網(wǎng)絡(luò)層事務(wù)的交互，從而實(shí)現(xiàn)各種交易轉(zhuǎn)賬等具體商業(yè)活動(dòng)的完整過(guò)程。通過(guò)類(lèi)似JavaScript 編程語(yǔ)言的Solidity 語(yǔ)言，靈活編寫(xiě)、在區(qū)塊鏈中嚴(yán)格執(zhí)行的適用于各種應(yīng)用的智能合約腳本。

4）第4 層是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層，同樣通過(guò)基于Json Standard RPC 的交互RPC 模塊，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)已有的接口，調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息、操控指令和發(fā)布智能合約到智能合約層與區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互處理相關(guān)的事務(wù)，應(yīng)用層去中心化應(yīng)用用戶(hù)通過(guò)底層區(qū)塊鏈平臺(tái)能夠間接的獲取、交易物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)和控制權(quán)。

5）最上層的是去中心化應(yīng)用層。它通過(guò)封裝了以太坊JSON RPC 接口的web3.js 接口庫(kù)，與智能合約層、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換。去中心化應(yīng)用中，所有的智能合約都經(jīng)過(guò)編譯后以二進(jìn)制代碼的形式運(yùn)行在區(qū)塊鏈系統(tǒng)的EVM（以太坊虛擬機(jī)）上，并用到了RPC 接口的調(diào)用。區(qū)塊鏈上的智能合約提供自治的服務(wù)，即為在平臺(tái)中設(shè)計(jì)去中心化的應(yīng)用程序提供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備信息或操作為用戶(hù)服務(wù)^[4-5]。

4   結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的物資周轉(zhuǎn)系統(tǒng)，可有效解決物資流轉(zhuǎn)過(guò)程中不易監(jiān)控、不易管控、不易追溯的問(wèn)題，并預(yù)防不良事件的發(fā)生。本系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)存在信號(hào)不穩(wěn)定狀況，區(qū)塊鏈子系統(tǒng)存在信息傳遞延遲過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，但總體上部影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在金融行業(yè)的貴金屬和現(xiàn)金轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，得到了肯定和認(rèn)可。該系統(tǒng)具有通用性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋航.萬(wàn)物互聯(lián):物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)與安全[M].北京:清華大學(xué)出版社,2019.

[ 2 ] D I E D R I C H H . E t h e r e u m : B l o c k c h a i n s , D i g i t a lAssets, Smart Contracts, Decentralized AutonomousOrganizations[M].Wildfire Publishing,2016:53.

[3] MALVIYA H. How Blockchain will Defend IOT[J]. SSRNElectronic Journal,2016(1).

[4] HARDJONO T, SMITH N.Cloud-Based Commissioningof Constrained Devices using Permissioned Blockchains[C].

Proceedings of the 2nd ACM International Workshop on IoT Privacy, Trust, and Security. ACM,2016: 29-36.

[5] ATZEI N,BARTOLETTI M,CIMOLI T.A Survey of Attackson Ethereum Smart Contracts (SoK)[C].International Conference on Principles of Security and Trust. Springer,Berlin, Heidelberg,2017: 164-186.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年1月期）