摘 要：提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)的安全性和真實(shí)性，是區(qū)塊鏈溯源應(yīng)用面臨的重要問(wèn)題。文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)安全可信的采集、記錄方法。該方法設(shè)計(jì)多采集設(shè)備減少數(shù)據(jù)缺失風(fēng)險(xiǎn)，使用認(rèn)證和加密方法來(lái)保障安全傳輸，利用采集設(shè)備和IOT網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)的篩選，對(duì)異常設(shè)備統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行警告。同時(shí)，通過(guò)移動(dòng)均值計(jì)算完成誤差約減的功能，減少不穩(wěn)定設(shè)備造成的數(shù)據(jù)偏差、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)冗余等問(wèn)題。另外，該機(jī)制還包含基于序號(hào)的同步策略，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸順序。最后系統(tǒng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該機(jī)制的可行性。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)過(guò)濾；數(shù)據(jù)處理

　　中圖分類號(hào)： TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

　　Abstract： Improving the authenticity and security of data collected by Internet of Things devices is an important problem in the application of blockchain traceability. This paper designed and implemented a safe and reliable method to collect and record data from the Internet of Things terminals. This method utilizes multi-device collection to reduce the risk of data missing， employs certification and encryption technologies to ensure secure transmission， uses collected equipment and IOT gateway to select data， calculates and gives warnings for the abnormal equipment. Data deviation， data errors， data redundancy and other problems caused by unstable equipment are reduced through the moving average method at the same time. In addition， the mechanism also includes a synchronization policy based on sequence numbers to ensure the correct data transmission Finally， the feasibility of the mechanism was verified through experiments.

　　Key words： IOT device； data acquisition； data filtering； data processing

　　1 引言

　　近年來(lái)食品安全、假冒偽劣產(chǎn)品等事件頻發(fā)，嚴(yán)重?fù)p害消費(fèi)者的利益，得到了各利益群體與政府的高度關(guān)注，2015年《中華人民共和國(guó)食品安全法》的相關(guān)文件指出：將建立全程可追溯的食品安全體系寫入法律[1]，促進(jìn)對(duì)溯源的需求，溯源可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從原料到成品、以及成品到原料的雙向可追溯功能。目前，通過(guò)建立中心化的溯源系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)產(chǎn)品全過(guò)程的數(shù)據(jù)信息，來(lái)監(jiān)督食品的安全，保證消費(fèi)者權(quán)益。因此，涌現(xiàn)了大量食品安全溯源系統(tǒng)，如“國(guó)家食品安全追溯平臺(tái)[2]”“藥品溯源系統(tǒng)”（碼上放心[3]）等，可以滿足用戶充分了解產(chǎn)品信息動(dòng)態(tài)的需求。但這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在中心化的機(jī)構(gòu)，存在數(shù)據(jù)中心易被攻擊、數(shù)據(jù)易篡改的問(wèn)題。

　　一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)是溯源系統(tǒng)與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，以保護(hù)數(shù)據(jù)不被篡改。但只能保證鏈上的數(shù)據(jù)不被篡改，數(shù)據(jù)可信，無(wú)法保證上傳至區(qū)塊鏈前的信息真實(shí)可信，而物聯(lián)網(wǎng)與溯源系統(tǒng)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化，以減少人工操作帶來(lái)的誤操作和人為篡改，從源頭增加數(shù)據(jù)的可信度，但由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有可移動(dòng)性、資源受限、受環(huán)境影響大、易受攻擊等特性，因此，使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)采集只是減少溯源數(shù)據(jù)造假的概率，數(shù)據(jù)可信問(wèn)題依然存在。如何提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)可用性、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈存儲(chǔ)系統(tǒng)這一環(huán)節(jié)的操作真實(shí)性、安全性，是區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的重要問(wèn)題。

　　因此，本文提出一種面向溯源應(yīng)用的可信數(shù)據(jù)采集機(jī)制，從而提高數(shù)據(jù)的可用性和可信度，加強(qiáng)溯源的實(shí)際效果和應(yīng)用價(jià)值。

　　區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)具備區(qū)塊鏈典型特征，即由去中心化的多個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)組成，所有節(jié)點(diǎn)共同來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)的操作需要通過(guò)共識(shí)機(jī)制得到確認(rèn)后實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)兼具傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)高吞吐量、低延遲的特點(diǎn)。BigchainDB[4]是一套典型的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，本文以區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)展開相關(guān)研究。

　　2 相關(guān)工作

　　2.1傳統(tǒng)溯源應(yīng)用

　　食品安全一直受到社會(huì)的廣泛關(guān)注，為了提高對(duì)食品的監(jiān)督，目前針對(duì)溯源系統(tǒng)的研究也較為豐富，邱榮洲等人[5]設(shè)計(jì)了一套基于溯源技術(shù)的蔬菜基地管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了蔬菜基地企業(yè)內(nèi)部的溯源，消費(fèi)者通過(guò)該系統(tǒng)溯源蔬菜相關(guān)信息。姜爽等人[6]構(gòu)建了一種第三方溯源平臺(tái)，通過(guò)第三方平臺(tái)對(duì)生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，產(chǎn)品采用二維碼技術(shù)來(lái)記錄信息的流通過(guò)程，以此向用戶提供溯源數(shù)據(jù)。王雅君等人[7]為實(shí)現(xiàn)對(duì)海產(chǎn)食品質(zhì)量信息的全程追溯，建立了基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過(guò)程跟蹤與產(chǎn)品質(zhì)量追溯模型，但多采用人工的方式錄入以及將關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)整理后存儲(chǔ)于集中式的數(shù)據(jù)庫(kù)。由文獻(xiàn)[5～7]得出，現(xiàn)有的溯源系統(tǒng)多采用集中式的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)溯源信息，存在中心機(jī)構(gòu)易被攻擊、信息泄露、數(shù)據(jù)易被篡改等問(wèn)題，所以很難保證溯源信息的可信、可靠。

　　2.2 區(qū)塊鏈溯源應(yīng)用

　　區(qū)塊鏈技術(shù)不可篡改、可追溯、去中心化的特性使其成為解決現(xiàn)有溯源系統(tǒng)的重要技術(shù)手段、應(yīng)用場(chǎng)景以及研究熱點(diǎn)。2018年，阿里巴巴和普華永道[8]將應(yīng)用區(qū)塊鏈等新技術(shù)共同打造透明、可追溯的跨境食品供應(yīng)鏈，搭建更為安全的食品市場(chǎng)。零售巨頭沃爾瑪[9]利用IBM基于超級(jí)賬本架構(gòu)的區(qū)塊鏈解決方案，成功地完成兩個(gè)區(qū)塊鏈試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)豬肉和美洲芒果的安全溯源。另外，Badzar[10]旨在通過(guò)探索區(qū)塊鏈技術(shù)在物流中的應(yīng)用潛力，重點(diǎn)是提高供應(yīng)商和消費(fèi)者的信息透明度，實(shí)現(xiàn)對(duì)商品的可信溯源。Kumar[11]提出將區(qū)塊鏈技術(shù)用于大米的農(nóng)產(chǎn)品溯源中，來(lái)跟蹤查詢大米整個(gè)流程的所有狀態(tài)，以此來(lái)驗(yàn)證大米的質(zhì)量。可見區(qū)塊鏈技術(shù)難篡改、可追溯、透明性的特點(diǎn)可提高商品的存儲(chǔ)安全和可信溯源。

　　2.3 基于區(qū)塊鏈及物聯(lián)網(wǎng)溯源應(yīng)用

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的溯源方式應(yīng)用廣泛，文獻(xiàn)[12～14]分別提出的Waltonchain[12]、溯源鏈[13]、優(yōu)物鏈[14]，都是基于區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的項(xiàng)目，主要應(yīng)用集中在對(duì)食品生鮮以及醫(yī)療藥品領(lǐng)域，但物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與區(qū)塊鏈的結(jié)合仍面臨一些挑戰(zhàn)，文獻(xiàn)[15～16]針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與區(qū)塊鏈展開分析，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量急劇增多，且設(shè)備終端越來(lái)越智能化，但同時(shí)也帶來(lái)了數(shù)據(jù)可靠性的挑戰(zhàn)。另外Makhdoom等人[17]實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試案例，該場(chǎng)景下用戶可自定義產(chǎn)品配送溫度閾值，運(yùn)輸中超過(guò)閾值會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信息。其中采集的溫度數(shù)據(jù)會(huì)被上傳至區(qū)塊鏈存儲(chǔ)，保證信息真實(shí)、可追溯，但該過(guò)程中存在由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不穩(wěn)定且易受攻擊造成的數(shù)據(jù)丟失、異常而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真的問(wèn)題。綜上，如何提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性、安全性，是物聯(lián)網(wǎng)溯源系統(tǒng)需要解決的重要問(wèn)題。

　　3 可信溯源數(shù)據(jù)采集機(jī)制

　　3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　為了提高溯源信息的真實(shí)性、安全性，滿足用戶溯源的實(shí)際應(yīng)用需求，減少物聯(lián)網(wǎng)采集設(shè)備不穩(wěn)定且易受攻擊造成的影響，本文設(shè)計(jì)了一套面向溯源應(yīng)用的可信數(shù)據(jù)采集機(jī)制。

　　系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，分為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集模塊、通信模塊、IOT（Internet of Things， 物聯(lián)網(wǎng)）網(wǎng)關(guān)模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

　?。?）物聯(lián)網(wǎng)采集設(shè)備：主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定制采集，采集模塊主要由傳感器采集，并可進(jìn)行一定處理，然后發(fā)送至網(wǎng)關(guān)模塊。

　?。?）IOT網(wǎng)關(guān)：又分為通信模塊和網(wǎng)關(guān)模塊。通信模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)采集模塊與IOT網(wǎng)關(guān)的通信功能，可通過(guò)WiFi方式完成連接。網(wǎng)關(guān)模塊主要作用：一是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，IOT網(wǎng)關(guān)作為邊緣計(jì)算的重要形式，可以承擔(dān)數(shù)據(jù)處理的功能；二是作為客戶端，與區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。

　?。?）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)平臺(tái)是區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)。將IOT網(wǎng)關(guān)模塊處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)中。前端主要完成數(shù)據(jù)的采集，中間為數(shù)據(jù)的處理與傳輸，底層是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，層級(jí)模塊相互依賴，共同作用，完成溯源功能。

　　3.2 數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)流程

　　本文提出的溯源可信數(shù)據(jù)采集機(jī)制主要包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三部分操作。下面以肉豬溯源為例對(duì)該機(jī)制的運(yùn)行流程進(jìn)行描述（并未包括同步策略部分），如圖2所示。

　　本文使用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)BigchainDB來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)中包含資產(chǎn)數(shù)據(jù)和附加數(shù)據(jù)兩部分。資產(chǎn)數(shù)據(jù)包括溯源對(duì)象的基本信息，比如將溯源對(duì)象肉豬的編號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)資產(chǎn)ID，該信息具有不可更改性和唯一性。

　　附加數(shù)據(jù)是資產(chǎn)數(shù)據(jù)的屬性信息，可以通過(guò)資產(chǎn)的創(chuàng)建（Create）、轉(zhuǎn)讓（Transfer）方法，進(jìn)行屬性的增加和修改。另外，附加數(shù)據(jù)還包括采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，比如肉豬所在環(huán)境的溫度、濕度和CO2等。

　　本研究利用該機(jī)制對(duì)該溯源對(duì)象肉豬的附加信息進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)，具體步驟為：

　　（1）數(shù)據(jù)采集

　　由于采集設(shè)備具有移動(dòng)性，易受外界的攻擊，為了保證采集數(shù)據(jù)的安全性，本文首先要對(duì)采集設(shè)備的身份進(jìn)行認(rèn)證。具體為：IOT網(wǎng)關(guān)生成一對(duì)公私鑰，根據(jù)IP列表，將公鑰發(fā)出，終端接收到公鑰信息后，使用該公鑰將其IP、標(biāo)識(shí)信息以及對(duì)稱加密密鑰（安全數(shù)據(jù)傳輸，見下文）加密，再發(fā)送給IOT網(wǎng)關(guān)，IOT網(wǎng)關(guān)收到之后使用私鑰解密，并將IP及標(biāo)識(shí)信息與網(wǎng)關(guān)存有的認(rèn)證信息核對(duì)，如果一致，則身份認(rèn)證通過(guò)。IOT網(wǎng)關(guān)給終端發(fā)送認(rèn)證成功信息，終端就可以繼續(xù)后續(xù)采集傳輸工作了。如果終端未收到認(rèn)證成功信息，則處于等待狀態(tài)，間隔一定時(shí)間后繼續(xù)給IOT網(wǎng)關(guān)發(fā)送認(rèn)證信息。為了加強(qiáng)采集設(shè)備身份安全性，可定期驗(yàn)證采集設(shè)備身份。

　　另外，采集設(shè)備的不穩(wěn)定性可能會(huì)造成數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)異常，為了降低這種風(fēng)險(xiǎn)，這里使用多個(gè)設(shè)備同時(shí)采集養(yǎng)殖場(chǎng)肉豬所在環(huán)境的溫度、濕度、CO2等信息，如圖2中①所示。采集設(shè)備還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，設(shè)置溫度范圍值。假定設(shè)置肉豬的運(yùn)輸環(huán)境溫度值范圍為15℃-45℃，進(jìn)行數(shù)據(jù)分類發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。如圖2中②所示，若采集肉豬的環(huán)境溫度在該范圍內(nèi)，輸出該溫度值，如果不在該范圍內(nèi)，則輸出Fail，采集設(shè)備將結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送給IOT網(wǎng)關(guān)。

　　為了提高采集設(shè)備傳輸?shù)陌踩?，本文采用加密方式進(jìn)行傳輸，如圖3所示，對(duì)稱加密速度快，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景，但其安全風(fēng)險(xiǎn)大。因此，本文采用對(duì)稱與非對(duì)稱加密相結(jié)合的方式，既保證采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)保證數(shù)據(jù)安全。首先采集設(shè)備利用對(duì)稱加密算法（比如DES）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后將加密后的數(shù)據(jù)通過(guò)安全傳輸通道發(fā)送給IOT網(wǎng)關(guān)，同時(shí)采集設(shè)備利用非對(duì)稱加密算法（比如RSA），使用IOT網(wǎng)關(guān)的公鑰（伴隨著成功認(rèn)證信息獲?。?duì)采集設(shè)備的對(duì)稱加密密鑰進(jìn)行非對(duì)稱加密，并通過(guò)安全傳輸通道發(fā)送給IOT網(wǎng)關(guān)，IOT網(wǎng)關(guān)則利用對(duì)應(yīng)的私鑰進(jìn)行解密獲取密鑰并保存，這樣此密鑰就可以對(duì)傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行解密，獲取數(shù)據(jù)。

　　圖5對(duì)比均值和移動(dòng)均值兩種減少數(shù)據(jù)誤差方法，其中標(biāo)識(shí)為Fail值的數(shù)據(jù)按照0處理。黑色圓點(diǎn)線代表了溫度的平均值，隨機(jī)波動(dòng)性可能使結(jié)果產(chǎn)生偏差，如采集溫度值的第41次、第82次、第369次、第443次等明顯出現(xiàn)了較大的波動(dòng)性，在第443次的溫度值達(dá)到了24.6℃。而通過(guò)移動(dòng)平均計(jì)算可平滑整個(gè)溫度值的趨勢(shì)，如圖5中黑色線所示。

　　上述實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果表明，使用多個(gè)設(shè)備共同采集數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)缺失風(fēng)險(xiǎn)，并使用樹莓派網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以降低由于采集設(shè)備的不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)偏差、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)冗余等問(wèn)題，有效提高上鏈數(shù)據(jù)的真實(shí)性和質(zhì)量。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集與區(qū)塊鏈存儲(chǔ)相結(jié)合進(jìn)行溯源應(yīng)用是當(dāng)前的重要發(fā)展方向。

　　本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的不穩(wěn)定特性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)安全可信采集、記錄方法，以求減少數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)誤差、傳輸安全與次序等方面對(duì)采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，為實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈產(chǎn)品溯源提供了一套可行的數(shù)據(jù)采集方案。

　　基金項(xiàng)目：

　　1.國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2018YFB1402703）；

　　2.北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃一般項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KM201910037003）；

　　3.北京市社會(huì)科學(xué)基金研究基地項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：18JDGLB026）；

　　4.智能物流系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（項(xiàng)目編號(hào)：BZ0211）；

　　5.北京物資學(xué)院2019年度“實(shí)培計(jì)劃”項(xiàng)目資助。

　　曹婷婷 丁毅 張經(jīng)倫 李潔 王晨碩

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