基于NB-IoT与区块链技术的物联网系统及实现方法与流程

本发明涉及物联网技术领域，特别是涉及一种基于nb-iot与区块链技术的多维参数感知传感终端的物联网系统及其实现方法。

背景技术：

物联网(theinternetofthings，iot)是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集需要监控、连接、互动物体的声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。

然而，传统的物联网在数据处理中，和互联网上存在的许多安全问题类似，有许多环节存在安全上的隐患，物联网数据容易篡改，安全性差。

技术实现要素：

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于nb-iot与区块链技术的物联网系统及实现方法，通过采用物联网与区块链技术相结合，一方面可以监测不同传感数据，实现实时数据采集与管理，另一方面通过采用区块链技术存储相应传感数据和时间及位置信息哈希数值，为数据来源可靠性提供了保证。

为达上述及其它目的，本发明提出一种基于nb-iot与区块链技术的物联网系统，包括：

传感器节点网络，包括n个传感器终端节点，采集各种传感器数据及时间、位置信息等多维数据，各传感器终端节点还将采集获得的多维数据在各传感器终端节点内通过哈希硬件组包后计算哈希结果，而后将各维度数据计算的哈希结果通过第二上行链路发送到附近的区块链节点云进行存储，，并于接收到区块链节点云的接收成功响应后，以周期方式将加密后的多维数据结果通过第一上行链路给设备监护云平台；

设备监护云平台，用于对接收到的传感器数据进行处理、计算、融合存储，并对所述传感器节点网络的各传感器终端节点进行管理；

区块链节点云，用于获取并存储各传感器终端节点发送的传感器数据哈希数值，以便对传感器数据进行防伪溯源；

联网设备终端，用于访问所述设备监护云平台和区块链节点云分别获取传感器数据和相应的哈希数据，验证数据的可信性。

优选地，各传感器终端节点包括支持哈希硬件计算的mcu以及与之连接的光强传感器、温湿度传感器、气体传感器、加速度传感器、定位模块、nb-iot通信模块以及时间模块，各传感器终端节点采用周期工作的方式，初始处于休眠状态，只有mcu的计时器工作，当计时器计数至预设时间时触发计时器中断事件，唤醒mcu进入工作模式，mcu被唤醒后控制采集各传感器的传感数据和对应的时间戳及位置信息，并将数据送入其支持多种哈希算法的硬件单元模块进行运算，通过所述nb-iot通信模块将传感器数据、位置信息等多维数据加密计算的哈希结果通过第二上行链路上传至所述区块链节点云，接收到区块链节点云的接收成功响应后将以上加密后的多维数据通过第一上行链路上传至所述设备监护云平台。

优选地，所述设备监护云平台于接收到各传感器终端节点传送的传感器数据后，对接收到的传感器数据进行解析，并按照节点名称分别存储到对应的数据库中，于传感器数据接收成功后，发送接收成功的响应信号至相应的传感器终端节点。

优选地，当接收到所述设备监护云平台接收成功的响应后，传感器终端节点重新进行启动计数器计数，进入低功耗休眠状态，以降低系统的功耗。

优选地，所述传感器节点网络还包括传感器数据异常报警模块，所述设备监护云平台根据设定的传感器正常阈值判断接收到的传感器数据是否发生异常，若判断结果为数据异常时，则会产生报警响应信号通过nb-iot通信模块传送至相应的传感器终端节点，由所述传感器终端节点通过所述传感器数据异常报警模块进行报警。

优选地，各传感器终端节点通过nb-iot通信模块连接的串口开启中断获取所述设备监护云平台发送的控制命令，并根据相应的控制命令进行执行调整。

优选地，所述控制命令包括调整所述传感器终端节点休眠周期大小、报警响应以及调整各传感器数据摘要安全等级的命令。

优选地，各传感器终端节点的mcu读取到各传感器的传感器数据后，判断各传感器数据的摘要安全等级，根据各传感器数据对应的摘要安全等级对各传感器数据通过哈希硬件组包后计算哈希结果。

优选地，所述区块链节点云按照区块划分可以分为n个节点，各传感器终端节点发送哈希结果给不同区块进行存储哈希数值。

为达到上述目的，本发明还提供一种基于nb-iot与区块链技术的物联网系统的实现方法，包括如下步骤：

步骤s1，传感器节点网络的n个传感器终端节点采集各种传感器数据及时间、位置信息等多维数据在各传感器终端节点内通过哈希硬件组包后计算哈希结果，将以上多维数据加密后通过第二上行链路给附近的区块链节点云进行存储，为数据安全可信提供数字安全证明；

步骤s2，接收到区块链节点云的接收成功响应后，各传感器终端节点将采集获得传感器数据及时间、位置信息等多维数据加密后通过第一上行链路以周期方式发送到设备监护云平台；

步骤s3，利用联网设备终端访问设备监护云平台和区块链节点云，分别获取传感器数据和相应的哈希数据，以验证数据的可信性。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用传统物联网监护与区块链技术相结合，一方面可以监测不同传感数据，实现实时数据采集与管理；另一方面通过采用区块链技术存储相应传感数据和时间及位置信息哈希数值，可以为数据来源可靠性提供保证，为疫苗冷链溯源，食品安全等场景提供帮助。

2、本发明可以直接在传感器终端节点运行不同的哈希算法，不仅减少了数据传输的复杂过程，避免了在传感数据在传输过程中被人为更改进行打哈希(假哈希)，采用直接在传感终端节点在采集完数据后直接进行哈希运算为哈希数据来源准确性与可靠性提供帮助。

附图说明

图1为本发明一种基于nb-iot与区块链技术的物联网系统的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中各传感器终端节点的结构示意图；

图3为本发明具体实施例中各传感器终端节点模块的工作周期图；

图4为本发明具体实施例中传感器终端节点中断事件触发工作流程图；

图5为本发明具体实施例中各传感器终端节点的工作流程图；

图6为本发明一种基于nb-iot与区块链技术的物联网系统的实现方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种基于nb-iot与区块链技术的物联网系统的结构示意图。如图1所示，本发明一种基于nb-iot与区块链技术的物联网系统，包括：

传感器节点网络101，包括n个传感器终端节点，用于采集各种传感器数据及时间、位置信息等多维数据在各传感器终端节点mcu内部哈希硬件组包后计算哈希结果，并将以上多维数据计算的哈希结果通过第二上行链路2给附近的区块链节点云103进行存储，各传感器终端节点还将采集获得传感器数据及时间、位置信息等多维数据加密后通过第一上行链路1以周期方式发送到设备监护云平台102，为数据安全可信提供数字安全证明。具体地说，传感器节点网络101的各传感器终端节点可通过多个传感器采集物理世界的传感器数据(例如光强，温湿度，气体，加速度，北斗定位信息等)在各传感器终端节点mcu内部哈希硬件(支持：sha-1,sha-256,sha-224,md5算法)进行组包后采用相应的哈希算法计算哈希数据，然后将多维数据计算的哈希结果通过第二上行链路2给附近的区块链节点云103进行存储，当接收到区块链节点云的接收成功响应后，再按周期方式将加密后的多维数据通过第一上行链路1发送到设备监护云平台102。

图2为本发明具体实施例中各传感器终端节点的结构示意图。如图2所示，各传感器终端节点包括支持哈希硬件计算的低功耗mcu以及与之采用i2c，uart，i/o，fsmc等通信方式连接的光强传感器、温湿度传感器、气体传感器、加速度传感器、北斗导航定位模块、nb-iot通信模块、传感器数据异常报警模块、时间模块以及电源模块，各传感器终端节点采用周期工作的方式，周期工作通过mcu内部计数器控制实现，即周期触发计时器中断唤醒mcu周期工作，具体地说，各传感器终端节点初始处于休眠状态，即mcu处于休眠只有计时器进行计数，当计时器计数至预设时间时触发计时器中断事件，唤醒mcu进入工作模式，即传感器终端节点进入工作模式，mcu被唤醒后控制采集各传感器的传感数据和对应的时间戳(由时间模块通过高精度时钟采集获得，本发明采用单独的外置时间模块是为了防止mcu突然死机或者时间误差问题)及位置信息，并将数据送入其支持多种哈希算法的硬件单元模块进行运算，通过nb-iot通信模块将传感器数据、位置信息等多维数据计算的哈希结果通过第二上行链路2上传至附近的区块链节点云103，在接收到区块链节点云103接收成功的响应后，将以上加密后的多维数据结果发送到设备监护云平台102进行存储，以便后续对数据进行防伪溯源，当接收到设备监护云平台102接收成功的响应后，该传感器终端节点重新进行启动计数器计数，进入低功耗休眠状态，以降低系统的功耗。

图3为本发明具体实施例中各传感器终端节点的工作周期示意图，当传感器节点处于休眠状态时，mcu处于休眠只有计时器进行计数，当计数至t1时触发计时器中断事件，mcu唤醒可信传感器节点进入工作模式。首先通过初始化个传感器单元，采集传感器数据和对应的时间戳和位置信息；完成后将传感器数据送入支持多种哈希算法的哈希硬件单元模块采用sha-1,sha-256,sha-224,md5算法等进行哈希运算；通过nb-iot通信模块将传感器数据、位置信息上传至设备监护云，等待云平台响应接收成功后，将哈希运算结果发送到附近区块链节点进行存储直到收到区块链响应接收成功后，终端重新启动计数器计数，进入低功耗休眠状态，整个工作周期中，休眠时间为tsleep，触发数据采集时间为tsactive。

各传感器终端节点还包括电源模块，电源模块用于给其他模块提供电能，在本发明具体实施例中，电源模块可以采用供电电源，也可以采用电池供电。优选地，各传感器终端节点还可以包括输出显示模块，该输出显示模块可以是tft显示屏，mcu采集获得的各种传感数据、时间、位置信息等都可以显示在tft显示屏上，以方便本地快速查看。若各传感器终端节点采用供电电源，则此时可以外加输出显示模块，例如tft屏，以对于数据实时性要求高的系统采用，若各传感器终端节点采用电池供电，则不采用tft显示屏，以延长电池寿命，适用于低速度数据监测采集领域，在此情况下，整个传感器休眠周期tsleep应大于tsactive用来降低传感器终端工作时间，进一步延长电池工作寿命。

优选地，各传感器终端节点还接收设备监护云平台102发送的控制命令，在本发明具体实施例中，各传感器终端节点通过nb-iot通信模块连接的串口开启中断，通过下行链路1接收设备监护云平台102的控制命令，所述控制命令包括调整终端休眠周期tsleep大小、报警响应以及调整各传感器数据的摘要安全强度。如图4所示，当发生串口事件中断时，传感器终端节点的mcu被唤醒，接收并解析串口数据，根据解析结果设定新的计时器周期t1，更新哈希摘要安全等级，对报警装置变量赋值以防止误触发，最后计时器清零，重新休眠、计数。以报警响应为例，当各传感器终端节点采集的数据、时间和位置信息传送至设备监护云平台102后，设备监护云平台102会根据设定的传感器正常阈值判断数据是否发生异常，若判断结果为数据异常时，则会产生报警响应信号通过nb-iot通信模块传送至相应的传感器终端节点，相应传感器终端节点发生串口中断事件，其mcu被唤醒，根据该报警响应信号控制传感器数据异常报警模块进行异常报警。

也就是说，各传感器终端节点内对于不同来源的数据可以通过设备监护云平台102设置摘要安全等级，对于不同的摘要安全等级的数据则采用不同的哈希算法计算哈希数据，在本发明具体实施例中，所述支持哈希硬件计算的低功耗mcu内部的哈希硬件支持sha-1,sha-256,sha-224,md5算法，如图5所示，当读取各传感器终端节点的传感器数据后，获取并判断各传感器数据的摘要安全等级，并根据各传感器数据对应的摘要安全等级采用相应的哈希算法对采集的传感器数据进行哈希计算，由于每种哈希算法的具体计算方法与现有技术相同，在此不予赘述。

设备监护云平台102，用于对接收到的传感器数据进行处理、计算、融合存储，并对传感器节点网络的各传感器终端节点进行管理。

具体地说，设备监护云平台102于接收到各传感器终端节点传送的传感器数据后，将接收到的传感器数据进行解析，并按照节点名称分别存储到对应的数据库中，于接收成功后，通过第一下行链路1发送接收成功的响应信号至相应的传感器终端节点，同时，设备监护云平台102还对接收的传感器数据根据设定的传感器正常阈值判断数据是否发生异常，于判断数据异常时，返回报警响应信号至相应的传感器终端节点，以进行异常报警。

优选地，设备监护云平台102还通过第一下行链路1向对应的传感器终端节点发送数据、周期和各传感器数据摘要安全等级调整的控制命令，以对相应的传感器终端节点调整终端休眠周期tsleep大小及调整各传感器采集数据的摘要安全等级。在本发明具体实施例中，用户可以通过联网设备终端，例如手机、ipad、pc及其它支持联网的设备，通过注册账户访问设备监护云平台102以获取传感器数据，也可以通过联网设备终端发送调整传感器终端的数据采集的速率和传感器正常阈值大小的调整指令至设备监护云平台102，设备监护云平台102收到调整指令后，进行各传感器正常阈值调整，并通过下行链路1发送给对应的传感器终端节点，进行调整发送数据周期大小。

在本发明中，设备监护云平台102采用并行工作方式，一直处于如下事件侦听：1、是否有授权节点发送传感数据，2、是否有授权设备(联网设备终端)获取传感器数据和发送控制命令，3、是否有授权设备(联网设备终端)发送阈值调整指令，4、是否有传感数据超过正常阈值的事件，若有传感数据超过正常阈值的事件则触发响应相应的事件，否则一直处于侦听过程中。

区块链节点云103，用于获取各传感器终端节点发送的传感器数据哈希数值，以便对数据进行防伪溯源。

具体地说，各传感器终端节点将传感器数据，北斗导航定位的位置信息，时间模块时间戳在mcu内部哈希硬件(支持：sha-1,sha-256,sha-224,md5算法)进行组包后计算哈希数据，并通过第二上行链路2发送到附近区块链节点云103进行存储，为数据安全可信提供数字安全证明，这样，手机、ipad、pc及其它支持联网的设备等联网设备终端104则可以通过注册账户访问设备监护云平台102和区块链节点云103分别获取传感器数据和相应数据的哈希数据来验证数据的可信性，区块链节点云103于接收成功后则会通过第二下行链路发送接收成功的响应至传感器节点网络101。

在本发明中，各传感器终端节点内对于不同来源的数据可以通过设备监护云平台102设置摘要安全等级，对于不同的摘要安全等级的数据会采用不同的哈希算法计算哈希数据，在本发明具体实施例中，所述支持哈希硬件计算的低功耗mcu内部的哈希硬件支持sha-1、sha-256、sha-224、md5算法，对于哈希的每种算法(md5，sha-1.sha-224，sha-256)，低功耗mcu内部的哈希硬件(hash)都会计算消息或数据文件(传感器数据)的压缩表示，具体地说，当在输入上提供任何长度小于264位的消息时，哈希处理内核会分别生成一个固定长度的输出字符串，称为消息摘要，该mcu的哈希硬件算法支持md5摘要，大小为128位，sha-1摘要大小位160位，sha-224和sha-256摘要大小分别为224和256位；然后，可以使用数字签名算法处理消息摘要，以生成用于验证数据来源没有被篡改的的签名：哈希消息，这样，数字签名的验证者想要验证数据没有被篡改(数据来源可靠性)必须使用与数字签名创建者相同的哈希算法进行验证，才可以证明数据的来源是否“安全”。可见，本发明在硬件上进行获取哈希消息与传统在区块链节点上运算哈希消息的过程相比，一方面缓解了云平台在未来数据过大导致计算量大的压力，实现了去中心化的边缘计算，另一方面避免了传感器数据在上传给区块链节点过程中被篡改的风险，提高了数据的可信性。

本发明中，区块链节点云103按照区块划分可以分为n个节点，各传感器终端节点发送给不同区块进行存储哈希数值，不同区块节点可以按照权限获取任意节点不同时间段的哈希数值，为数据来源可靠性验证提供验证渠道。

联网设备终端104，用于访问设备监护云102和区块链节点云103分别获取传感器数据和相应的哈希数据，验证数据的可信性。即，联网设备终端104对获取的传感器数据采用与相应哈希数据的数字签名创建者相同的哈希算法进行哈希计算，将计算结果与得到的哈希数据进行比较，从而验证数据的可信性。

在本发明具体实施例中，联网设备终端104为手机、ipad、pc及其它支持联网的设备，所述联网设备终端104还可以设定各传感器终端节点的数据采集的速率和传感器正常阈值大小发送给设备监护云平台102，设备监护云平台102收到命令信息后，根据对应节点数据发送周期和传感器阈值进行调整，并通过下行链路1发送给对应传感器终端节点，进行调整发送数据周期大小。

可见，本发明一方面实现了数据正常的采集和运程监护与管理，另一方面通过计算哈希生成的消息摘要数据上传至区块链节点(第三方运行：一般政府或中立组织运营)为数据安全可信提供了保证。

图6为本发明一种基于nb-iot与区块链技术的物联网系统的实现方法的步骤流程图。如图6所示，本发明一种基于nb-iot与区块链技术的物联网系统的实现方法，包括如下步骤：

步骤s1，传感器节点网络的n个传感器终端节点采集各种传感器数据及时间、位置信息等多维数据在各传感器终端节点mcu内部哈希硬件组包后计算哈希结果，并将以上多维数据计算的哈希结果通过第二上行链路2发送到附近的区块链节点云进行存储，为数据安全可信提供数字安全证明。

步骤s2，接收到区块链节点云的接收成功响应后，各传感器终端节点将以周期工作方式将以上加密后的多维数据通过第一上行链路1给设备监护云平台。具体地说，传感器节点网络的各传感器终端节点可通过多个传感器采集物理世界的传感器数据(例如光强，温湿度，气体，加速度等)以及时间、位置信息等多维数据加密后按周期方式将数据通过第一上行链路1给设备监护云平台，以由设备监护云平台对接收到的传感器数据进行处理、计算、融合存储。

在本发明中，各传感器终端节点采用周期工作的方式，周期工作通过mcu内部计数器控制实现，即周期触发计时器中断唤醒mcu周期工作，具体地说，各传感器终端节点初始处于休眠状态，即mcu处于休眠只有计时器进行计数，当计时器计数至预设时间时触发计时器中断事件，唤醒mcu进入工作模式，即传感器终端节点进入工作模式，mcu被唤醒后控制采集各传感器的传感数据和对应的时间戳及位置信息，并将数据送入其支持多种哈希算法的硬件单元模块进行运算，通过nb-iot通信模块将传感器数据及时间、位置信息等多维数据通过哈希硬件组包后计算哈希结果通过第一上行链路二上传至附近的区块链节点云进行存储，为数据安全可信提供数字安全证明；。

在本发明具体实施例中，各传感器终端节点内对于不同来源的数据可以通过设备监护云平台设置摘要安全等级，对于不同的摘要安全等级的数据则采用不同的哈希算法计算哈希数据，在本发明具体实施例中，所述支持哈希硬件计算的低功耗mcu内部的哈希硬件支持sha-1,sha-256,sha-224,md5算法，根据各传感器数据对应的摘要安全等级采用相应的哈希算法对采集的传感器数据进行哈希计算，由于每种哈希算法的具体计算方法与现有技术相同，在此不予赘述。

步骤s3，利用联网设备终端访问设备监护云平台和区块链节点云，分别获取多维数据和与其相对应的哈希数据，以验证数据的可信性。具体地，联网设备终端对获取的传感器数据采用与相应哈希数据的数字签名创建者相同的哈希算法进行哈希计算，将计算结果与得到的哈希数据进行比较，从而验证数据的可信性。

优选地，本发明一种基于nb-iot与区块链技术的物联网系统的实现方法，还包括如下步骤：

各传感器终端节点还接收设备监护云平台发送的控制命令。在本发明具体实施例中，各传感器终端节点通过nb-iot通信模块连接的串口开启中断，以用来接收设备监护云平台的控制命令，所述控制命令包括调整终端休眠周期tsleep大小、报警响应以及调整各传感器数据的摘要安全等级。

具体地，设备监护云平台通过第一下行链路1向对应的传感器终端节点发送数据发送周期和各传感器数据摘要安全等级调整的控制命令，以对对应的传感器终端节点调整终端休眠周期tsleep大小以及调整各传感器采集数据的摘要安全等级。在本发明具体实施例中，用户可以通过联网设备终端，例如手机、ipad、pc及其它支持联网的设备，通过注册账户访问设备监护云平台以获取传感器数据，也可以通过联网设备终端发送调整传感器终端的数据采集的速率和传感器正常阈值大小的调整指令至设备监护云平台，设备监护云平台收到调整指令后，进行各传感器正常阈值调整，并通过第一下行链路1发送给对应的传感器终端节点，进行调整发送数据周期大小。设备监护云平台还对接收的传感器数据根据设定的传感器正常阈值判断数据是否发生异常，于判断数据异常时，返回报警响应信号至相应的传感器终端节点，以进行异常报警。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。