基于物聯網和區塊鏈的重要物質周轉系統

0   引言

目前銀行等金融部門的重要物資周轉基本是采用卡封鎖管理來完成重要物資周轉的，這種管理系統在運輸過程中、到達開封都嚴重依賴人工，現實中總是有監守自盜的現象，而無法追蹤。卡封是一種消耗品，也是不小的費用開支。為了更好地全流程監控各個狀態，本文提出基于物聯網的物質周轉系統，可以實時監控運輸車、物品狀態，結合AI 識別技術，可以提前預防事件發生，并通過區塊鏈技術完整地記錄各個環節的實際情況，以及時預防事件發生，并可追溯發生過程，避免不必要的損失。

1   系統方案

本系統建立一整套不依賴于人的管理監控系統，這套系統包括：監控管理平臺，帶實時定位和移動監控的運輸車，帶電子標簽識別的周轉箱和鎖周轉箱的無源電子鎖，出發地和目的地的管理系統，電子標簽識別器，電子標簽讀寫器，用戶終端和電子鑰匙。通過區塊鏈技術記錄環節的實際情況，不可篡改，可以永久追溯。整體系統架構如圖1。

監控管理云平臺負責管理車輛和調度車輛，監控車輛運行狀態和運行軌跡，采集管理各個環節的視頻監控，管理周轉箱和電子鑰匙，管理用戶、授權和取消授權電子鑰匙開啟周轉箱的權限，監控周轉箱的鎖狀態。監控管理云平臺可以設置起始地和目的地，并可在起始地和目的地設置不同狀態。監控管理平臺可以設置預測時間段，并在預測時間段內進行動態授權，超過時間段需要手動申請動態授權。

運輸車帶實時定位系統、移動監控系統、電子標簽識別器，周轉箱上車后，電子標簽識別器會自動識別周轉箱進入運輸車中，電子標簽識別器會和移動監控系統中的網絡錄像機交互，由網絡錄像機通過無線網絡(4G)把相關信息( 運輸車編號，周轉箱編號，電子標簽識別器編號，周轉箱起始地址和目的地址，周轉箱上此車的照片等) 傳輸至監控管理云平臺中，運輸過程中，監控管理云平臺實時監測車輛運行軌跡，并可通過移動監控系統查看車內情況。

周轉箱用于周轉重要物資，其帶電子標簽，電子標簽可寫入箱子編號、物資內容和數量、起始地址和目的地址。周轉箱一旦被鎖上，沒有監控管理平臺的授權，用戶終端得不到授權，電子鑰匙沒有授權，周轉箱是無法打開的。

無源電子鎖用于鎖周轉箱，無源電子鎖和電子鑰匙配合使用，使用時電子鑰匙插入鎖芯內給無源電子鎖供電，關閉和開啟無源電子鎖，用戶終端都會監測到狀態變化，并傳遞給監控管理云平臺。電子鑰匙是開啟和關閉無源電子鎖的工具，并給無源電子鎖供電，開啟和關閉無源電子鎖都需要電子鑰匙，電子鑰匙還把開關鎖的狀態傳遞給用戶終端，由用戶終端把信息傳遞給監控管理云平臺。

用戶終端是手持式的，帶專用應用程序，用戶終端是用戶和監控管理云平臺的交互工具，用戶終端接收平臺授權等信息，并把授權信息傳遞給電子鑰匙，由電子鑰匙來開啟和關閉電子鎖，同時電子鑰匙把鎖的狀態信息傳遞給用戶終端，由用戶終端把信息傳遞給監控管理平臺。用戶終端的專業應用程序是采用動態密碼授權的，密碼一次有效并有時效性的。

出發地監控系統由攝像監控設備、網絡管理主機、電子標簽識別器組成。周轉箱鎖閉后，用戶終端會把鎖狀態信息傳遞給監控管理平臺，平臺會記錄下狀態，電子標簽識別器驗證周轉箱出站進入運輸車，全程由攝像頭監控錄像。

目的地監控系統由攝像監控設備、網絡管理主機、電子標簽識別器組成，當周轉箱到達目的地時，電子標簽識別器識別到正確的箱子到達本目的地，告知網絡錄像機，由網絡錄像機把信息傳遞給監控管理平臺，監控管理平臺確認是到達真實目的地后，會給對應的用戶終端發送對應電子鑰匙的授權，以開啟對應的無源電子鎖。攝像頭會監控周轉箱的開啟過程，并把視頻上傳至監控管理平臺。

電子標簽識別器是識別電子標簽的工具。電子標簽中保存周轉箱的相關信息，包括存放內容、數量、發送人、接收人、押運人、押運車輛、起始地址、目的地址等信息。電子標簽識別器讀取到正確信息給予放行，讀取到不正確信息后給發送告警到平臺^[1]。

2   系統流程設計與實現

一個周轉箱運輸及開啟的過程如下。

在出發地，電子標簽讀寫器與網絡管理主機連接，

通過電子標簽讀寫器把周轉箱的相關地址信息、內容信息、運輸車輛信息等寫入到周轉箱上的電子標簽內，相關信息傳遞錄入到監控管理平臺中便于后續驗證查看狀態，監控管理平臺會把周轉箱信息通過網絡傳送給目的地設備中和相關人員手持設備中。通過無源電子鎖將周轉箱鎖閉起來，進入裝車運輸狀態，目的地監控系統全程錄像，并在出發時通過網絡錄像機經網絡把相關信息遠程傳遞給監控管理平臺。監控管理平臺根據實際情況規劃出車輛行走路線。出發地周轉箱寫入信息及裝車流程如圖2。

周轉箱進入運輸車中，會檢測該周轉箱是否由該運輸車輛承運并確認目的地，和監控管理平臺上錄入信息一致的通過，不一致的告警提示調度更換。在運輸過程中，通過車載定位系統，監控管理平臺可以實時查看車輛行走路徑，并根據情況可以提醒駕駛員調整路線。車內監控通過無線網絡實時傳送至監控管理平臺，通過平臺可實時查看周轉箱和車輛的狀態和路徑。

車輛到達目的地后，定位信息會傳送到監控管理平臺，監控管理平臺會驗證查看是否目的地正確，如有錯誤及時提醒調整，以防止突發事件。周轉箱從運輸車輛卸下后，目的地的電子標簽識別器會讀取周轉箱上的電子標簽信息，自動識別是否是正確的周轉箱。如是錯誤的，會通過識別器連接的網絡通知監控管理平臺，平臺提示接收人員、駕駛員等相關人員拒絕接收。如正確無誤，監控管理平臺會通過對接收人員的權限審核，平臺并驗證是否在預測時間段內，如果在設置的預測時間段內，下發動態授權給接收人員的用戶終端；如果不在預測時間段內，管理員需手動申請，平臺經過驗證審核通過后再下發動態授權；如驗證審核有異常，不能下發動態授權。用戶終端通過無線傳輸把動態授權傳送給接收人員的電子鑰匙，電子鑰匙開啟無源電子鎖，從而開啟周轉箱，開閉鎖狀態及時通過用戶終端傳遞至監控管理平臺，以便平臺實時監控。

周轉箱運輸監控管理分系統及流程示意圖如圖3。

用戶終端接收授權及電子鑰匙開鎖流程如圖4。

3   區塊鏈應用架構設計

本系統以以太坊區塊鏈技術作為底層的技術支持，基于現有物資周轉監控系統物聯網平臺上，建立用戶之間、用戶和物聯網平臺之間獲取數據、服務的不可篡改的契約交易關系的區塊鏈應用平臺。整個區塊鏈系統是由多個客戶端節點組成，各節點都是完整的數據節點，每個節點內都有整個區塊鏈數據地址的完整備份。這些節點可以分別由不同的機構或一個機構內部的多個數據中心來分別維護。區塊鏈的區塊之間通過哈希值連接在一起，此哈希值由區塊頭部字段組合計算而成。區塊中的交易通過梅克爾樹的數據結構組織在一起，其中梅克爾樹的根節點存放在區塊的頭部中。

用戶或者平臺制定自己能夠提供數據或者服務的條件，應用將條件編譯成為智能合約腳本，然后發布到系統，此后，系統通過審核和編譯，形成去中心化的應用提供給其他用戶，其他用戶如果有需求并且能夠滿足條件響應后，智能合約通過在區塊鏈上的執行來完成合約內容，通過所有其他全節點的驗證后，達成合約并且不能篡改。系統上的去中心化應用是通過與物聯網平臺約定好的接口進行調用和驗證，獲取遠端物聯網平臺的數據和服務，提供給區塊鏈去中心化應用的用戶^[2-3]。

整個系統從架構設計上來看，可以分為數據層、網絡層、智能合約層、物聯網平臺層和應用層五個層次，如圖5 所示。

1）最底層的數據層，主要負責對區塊鏈數據的存儲，包含區塊數據和事務交易數據哈希地址的存儲。包括的技術主要是一些通用的基礎模塊，比如網絡通訊庫，流處理，線程封裝，消息封裝與解碼，系統時間，基礎加密算法，數據存儲技術等。

2）第2 層是系統的網絡層，包括：共識算法，P2P網絡以及驗證機制。一般包含了區塊鏈的主要邏輯，如共識模塊，交易處理模塊，嵌入式數據庫處理模塊等，難點在于點對點網絡的實現和并發處理。在本系統中針對物聯網平臺下的節點承載能力與應用需求，替換了傳統以太坊上的工作量證明共識機制，采用基于Tendermint 共識機制的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）模塊，基于EVM 模塊運行智能合約交互處理區塊鏈與共識的相關事務，基于JSON-RPC 通過網絡從遠程計算機程序上請求服務，進行區塊節點的一致性處理和網絡層事務的交互，從而實現各種交易轉賬等具體商業活動的完整過程。通過類似JavaScript 編程語言的Solidity 語言，靈活編寫、在區塊鏈中嚴格執行的適用于各種應用的智能合約腳本。

4）第4 層是物聯網平臺層，同樣通過基于Json Standard RPC 的交互RPC 模塊，通過物聯網平臺已有的接口，調用物聯網數據信息、操控指令和發布智能合約到智能合約層與區塊鏈節點進行交互處理相關的事務，應用層去中心化應用用戶通過底層區塊鏈平臺能夠間接的獲取、交易物聯網平臺設備的數據和控制權。

5）最上層的是去中心化應用層。它通過封裝了以太坊JSON RPC 接口的web3.js 接口庫，與智能合約層、物聯網平臺層進行數據信息交換。去中心化應用中，所有的智能合約都經過編譯后以二進制代碼的形式運行在區塊鏈系統的EVM（以太坊虛擬機）上，并用到了RPC 接口的調用。區塊鏈上的智能合約提供自治的服務，即為在平臺中設計去中心化的應用程序提供物聯網設備信息或操作為用戶服務^[4-5]。

4   結語

本文提出了基于物聯網和區塊鏈的物資周轉系統，可有效解決物資流轉過程中不易監控、不易管控、不易追溯的問題，并預防不良事件的發生。本系統中的物聯網子系統無線監控系統存在信號不穩定狀況，區塊鏈子系統存在信息傳遞延遲過長的問題，但總體上部影響整個系統運行。本系統已經應用在金融行業的貴金屬和現金轉運過程中，得到了肯定和認可。該系統具有通用性，具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志社2021年1月期）