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        數(shù)據(jù)權(quán)益去中心化的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

        2022-03-11 21:37:11李喬宇封文杰尚明華劉淑云王富軍穆元杰
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:智能合約去中心化區(qū)塊鏈

        李喬宇 封文杰 尚明華 劉淑云 王富軍 穆元杰

        摘要:國內(nèi)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)存在數(shù)據(jù)分散、割裂、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題,從而無法發(fā)揮大數(shù)據(jù)的價(jià)值以提升農(nóng)業(yè)智能化水平,本研究旨在利用區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)匯集農(nóng)業(yè)環(huán)境大數(shù)據(jù),為應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)提升農(nóng)業(yè)智能化水平打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。提出利用區(qū)塊鏈去中心化和記錄數(shù)據(jù)不可篡改的技術(shù)特點(diǎn),建立信任機(jī)制,構(gòu)建通證經(jīng)濟(jì)模型,保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)用戶對其上傳的數(shù)據(jù)享有權(quán)益,從而激勵更多人參與使用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)研發(fā)了去中心化的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),針對區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化和效率的矛盾,結(jié)合通證經(jīng)濟(jì)模型,設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)權(quán)益去中心化的方式,將用戶上傳的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通過智能合約結(jié)算為積分,積分參與數(shù)據(jù)權(quán)益的分配,區(qū)塊鏈中記錄積分的發(fā)放和上傳物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的哈希值,保證鏈上鏈下信息同步,兼顧了去中心化和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)高并發(fā)的需要。本研究為區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合,以及農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的收集提供了新的思路和方法。

        關(guān)鍵詞:去中心化;區(qū)塊鏈;物聯(lián)網(wǎng);大數(shù)據(jù);智能合約;通證經(jīng)濟(jì)

        中圖分類號:S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

        文章編號:1002-1302(2022)04-0187-06

        收稿日期:2021-06-09

        基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(編號:2017YFD070170201);山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(編號:2019GNC106073、2019LYXZ030);山東省重大科技創(chuàng)新工程(編號:2019JZZY010715);山東省技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)計(jì)劃(編號:2020LYXZ026)。

        作者簡介:李喬宇(1986—),男,山東濟(jì)南人,碩士,助理研究員,主要從事農(nóng)業(yè)信息化、人工智能技術(shù)研究。E-mail:joray86@126.com。

        通信作者:穆元杰,碩士,研究實(shí)習(xí)員,主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及智能裝備研發(fā)工作。E-mail:myj2437@163.com。

        我國農(nóng)業(yè)存在生產(chǎn)效率低下、資源利用率不高的問題,應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是提升農(nóng)業(yè)技術(shù)水平,發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵[1-3]。近年來,我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得了快速發(fā)展,圍繞物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[4]、信息感知[5]、信息傳輸[6]、信息處理[7]方面做了大量的工作,取得了顯著成果。然而,相對于發(fā)達(dá)國家,我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)水平仍然存在很大差距,主要原因在于,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小,組織化程度低、現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施不完善,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在推廣落地上存在許多瓶頸問題,例如:入門門檻高、應(yīng)用場景單一等[1]。為解決這一問題,一方面需要等待我國規(guī)?;r(nóng)業(yè)的發(fā)展,另一方面需要在技術(shù)上尋找解決方向,走符合中國特色的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展道路。

        另一方面,在大數(shù)據(jù)時代,數(shù)據(jù)是應(yīng)用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)算法的根本,也是提升農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能化、實(shí)用化水平的關(guān)鍵,具有巨大價(jià)值[8-9]。然而,相較于工業(yè)領(lǐng)域,農(nóng)業(yè)領(lǐng)域因其復(fù)雜性和特殊性缺乏商業(yè)資本的關(guān)注,沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)分散混亂,無法形成有價(jià)值的大數(shù)據(jù)[10-11]。利用區(qū)塊鏈的去中心化機(jī)制和通證經(jīng)濟(jì)的價(jià)值共享機(jī)制,構(gòu)建開放平臺,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)參與者對數(shù)據(jù)的價(jià)值共享,從而激勵行業(yè)投入,形成正向循環(huán),是解決上述問題的一個方向[12]。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 設(shè)計(jì)思路

        受益于近年來我國第4代移動通信技術(shù)(4G)、第5代移動通信技術(shù)(5G)、云平臺、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品在價(jià)格和易用性上都逐漸貼近用戶的需要,然而在實(shí)用性上還存在問題,主要在于難以突破智能化控制的瓶頸。目前,物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)只能用于自動卷簾、自動通風(fēng)此類的簡單操作,無法針對環(huán)境、作物長勢、生長階段等多條件進(jìn)行綜合決策和調(diào)控。原因一方面在于傳統(tǒng)農(nóng)學(xué)研究的模型往往是在限定條件下做出的,在生產(chǎn)的復(fù)雜條件下難以應(yīng)用到系統(tǒng)控制中;另一方面,功能穩(wěn)定的傳感器只有空氣溫濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照度、二氧化碳濃度等少數(shù)幾種,缺乏對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體信息,尤其是作物生長信息、病蟲害信息的獲取,也使得無法進(jìn)行綜合調(diào)控。因此,目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還停留在“能看”的階段,距離“能用”還有一定距離,對農(nóng)業(yè)效益的提升并不明顯。

        從人工智能的發(fā)展歷程來看,依靠專家經(jīng)驗(yàn)的模型,效果遠(yuǎn)不及依靠大數(shù)據(jù)訓(xùn)練的模型,后者是語音識別技術(shù)和圖像識別技術(shù)目前大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。因此,解決農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)用性的方向,也在于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)。然而,目前的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,并沒有產(chǎn)生足夠的數(shù)據(jù)量可以用于大數(shù)據(jù)分析和挖掘,一方面是各地的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)割裂,沒有統(tǒng)一匯聚成大數(shù)據(jù);另一方面在于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)往往種類單一,缺乏分析利用的價(jià)值。因此,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用陷入一個悖論:一方面,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要大規(guī)模應(yīng)用,才能利用產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)提高實(shí)用性和降低價(jià)格;另一方面,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要提高實(shí)用性和降低價(jià)格,才能大規(guī)模推廣。

        解決悖論的一個思路是將物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的價(jià)值返還給農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的使用者(即農(nóng)戶),以平衡效益和成本的差距。分散的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)是沒有價(jià)值的,但當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)匯聚成大數(shù)據(jù)后就能夠挖掘利用,在農(nóng)資推廣、科學(xué)研究等方面具有巨大價(jià)值。因此,考慮建立經(jīng)濟(jì)模型,通過讓數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)者分享數(shù)據(jù)的價(jià)值,吸引廣大用戶參與,從而將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)匯集起來。其中的關(guān)鍵在于信任機(jī)制的建立,而區(qū)塊鏈技術(shù)正是建立信任機(jī)制的工具。區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化設(shè)計(jì)使得參與的每個節(jié)點(diǎn)可以在互不相識、沒有建立信任的前提下參與到同一條區(qū)塊鏈中,通過共識和算法保證參與者的權(quán)益不會被篡改,正符合本研究的目的。

        1.2 去中心化設(shè)計(jì)

        長期以來,信任的建立需要中介機(jī)構(gòu)提供擔(dān)保,典型的中介機(jī)構(gòu)如銀行,人與人之間基于對銀行的信任建立借貸關(guān)系,以銀行做信用擔(dān)保、記錄賬務(wù)的系統(tǒng)被認(rèn)為是中心化的系統(tǒng)。但是中心化的系統(tǒng)也存在作惡的可能,2008年金融危機(jī)爆發(fā),使人意識到對中心化系統(tǒng)的信任同樣存在風(fēng)險(xiǎn),區(qū)塊鏈技術(shù)便是在這樣的背景下出現(xiàn)的,Nakamoto提出了比特幣[13],一種不依賴金融系統(tǒng)記賬和信任背書的虛擬貨幣,其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于區(qū)塊鏈,每筆交易記錄在一個區(qū)塊中,鏈接在上一筆交易的區(qū)塊后面,由此形成一條區(qū)塊鏈;系統(tǒng)的參與者都維護(hù)該鏈的備份,通過分布式技術(shù)和共識算法,保證區(qū)塊鏈的唯一性[14-15]。區(qū)塊鏈的核心思想在于通過技術(shù)(密碼學(xué)和共識算法)建立信任機(jī)制,使并不存在信任關(guān)系的系統(tǒng)參與者達(dá)成互信,從而摒棄中心化的機(jī)構(gòu)。此后,比特幣逐漸獲得了大眾的認(rèn)可,而區(qū)塊鏈技術(shù)也因上述特性被應(yīng)用于多個領(lǐng)域,在農(nóng)業(yè)中也有眾多應(yīng)用[15-20]。但是,相較于中心化系統(tǒng),所有參與者共同維護(hù)數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)的唯一性,明顯要極大地?fù)p失效率,正因如此,效率、安全性、去中心化,被認(rèn)為是區(qū)塊鏈技術(shù)的“不可能三角”(圖1),即無法全部實(shí)現(xiàn)3個目標(biāo)。為了能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用,通過在去中心化程度上做妥協(xié)以提升效率,區(qū)塊鏈又可分為公鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈3類,見表1。以區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)中的典型應(yīng)用——農(nóng)產(chǎn)品追溯為例,追溯系統(tǒng)的參與方作為農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的責(zé)任主體,可以建立有限的信任關(guān)系,因此一般采用聯(lián)盟鏈[15-16];同時,區(qū)塊鏈僅存證追溯數(shù)據(jù)的哈希值,以提高存儲和查詢的效率,也可以認(rèn)為是在“不可能三角”中以安全為代價(jià)換取了去中心化和效率[15]。

        去中心化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心是通過區(qū)塊鏈技術(shù)建立信任機(jī)制,使系統(tǒng)的參與方形成互信,從而將物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測信息匯集成大數(shù)據(jù),產(chǎn)生數(shù)據(jù)價(jià)值??紤]到系統(tǒng)的用戶主要是未建立信任關(guān)系的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備用戶,系統(tǒng)需要嚴(yán)格去中心化保證信任機(jī)制,因此必須選擇公鏈。但是相較于追溯系統(tǒng),物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取頻次更高,也更加依賴效率,這又與公鏈的系統(tǒng)吞吐量相悖,必須要解決去中心化與效率的矛盾。

        系統(tǒng)以通證經(jīng)濟(jì)的思路,通過“數(shù)據(jù)打包——換取通證”的方式,解決這一問題。首先,系統(tǒng)的目的在于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的權(quán)益共享,可以認(rèn)為對于用戶來講,并不關(guān)心數(shù)據(jù)放置的位置以及由此帶來的數(shù)據(jù)泄露、數(shù)據(jù)篡改等安全性問題,重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)權(quán)益及由此帶來的收益。在這一假設(shè)下,系統(tǒng)放棄數(shù)據(jù)層面的去中心化,轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)權(quán)益層面的去中心化,即物聯(lián)網(wǎng)信息存儲在中心化的系統(tǒng)中,而區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的權(quán)益以通證形式發(fā)放給用戶,其中,通證的每筆發(fā)放都在區(qū)塊鏈中記錄,無法修改,從而保證系統(tǒng)可信。由此,數(shù)據(jù)的記錄與權(quán)益的發(fā)放可以分割開來,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在每天固定的時間對1個周期內(nèi)(一般為1 d)用戶上傳的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行清算,計(jì)算數(shù)據(jù)對應(yīng)的通證數(shù)量,發(fā)放通證給數(shù)據(jù)所有者。本系統(tǒng)以該方式實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合,可以認(rèn)為是以一部分安全性為代價(jià),換取去中心化和效率的平衡。

        1.3 數(shù)據(jù)權(quán)益

        數(shù)據(jù)權(quán)益的前提在于數(shù)據(jù)資產(chǎn)化。在法律上,很長時間以來數(shù)據(jù)的歸屬一直不明確,近年來這一狀況在逐漸改變,2016年,歐盟率先制定了《通用數(shù)據(jù)保護(hù)條例》(general data protection regulation,簡稱GDPR),其中明確規(guī)定,數(shù)據(jù)的所有權(quán)屬于數(shù)據(jù)的提供者,在法律上為鑒定數(shù)據(jù)所有權(quán)和保護(hù)個人在數(shù)據(jù)上的權(quán)益邁出了重要的一步。在歐盟之后,美國版GDPR《加州消費(fèi)者隱私法案》(CCPA)也在2020年開始實(shí)施??梢灶A(yù)見,保護(hù)個人用戶數(shù)據(jù)在法律上是大勢所趨。進(jìn)一步的,數(shù)據(jù)資產(chǎn)化要使消費(fèi)者享有數(shù)據(jù)權(quán)益,否則,消費(fèi)者的數(shù)據(jù)只是存在數(shù)據(jù)庫中的雜亂信息,既無法看懂也無法發(fā)揮價(jià)值。這需要技術(shù)上的實(shí)現(xiàn),一方面防止數(shù)據(jù)被竊取,還要使數(shù)據(jù)發(fā)揮價(jià)值,區(qū)塊鏈被認(rèn)為是突破口。谷歌公司前首席執(zhí)行官施密特在2014年就指出:“區(qū)塊鏈?zhǔn)且豁?xiàng)了不起的加密成就,它能創(chuàng)建數(shù)字世界中不可復(fù)制的內(nèi)容,具有巨大的價(jià)值?!薄度嗣袢請?bào)》也在2019年發(fā)文《區(qū)塊鏈讓數(shù)據(jù)“誰擁有,誰受益”》。

        目前,由于我國在法律上沒有明確界定,導(dǎo)致事實(shí)上用戶數(shù)據(jù)由中心化的組織(公司、政府)負(fù)責(zé)保管和維護(hù),并同時享有數(shù)據(jù)的權(quán)益[21]。本研究設(shè)計(jì)的去中心化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),通過區(qū)塊鏈的去中心化機(jī)制,保證參與者享受數(shù)據(jù)權(quán)益。圍繞積分這一發(fā)放在區(qū)塊鏈中的通證,實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)價(jià)值的資產(chǎn)化,進(jìn)而打造數(shù)據(jù)和價(jià)值循環(huán)的通證經(jīng)濟(jì)模型(圖2),在此基礎(chǔ)上規(guī)定了通證經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的規(guī)則:(1)積分代表用戶對數(shù)據(jù)的權(quán)益,系統(tǒng)內(nèi)所有用戶的積分構(gòu)成積分池;(2)用戶上傳物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù),當(dāng)日凌晨,智能合約自發(fā)運(yùn)行,計(jì)算數(shù)據(jù)價(jià)值,將積分發(fā)放到用戶賬戶;(3)數(shù)據(jù)售賣所得資金注入資金池,定期分配;(4)用戶憑借賬戶內(nèi)積分參與收益分配,收益分配按照積分占積分池的比例分配資金池資金,公式為收益=積分積分池×資金池。積分?jǐn)?shù)量每次參與資金分配都會自動銷毀1/2。(5)如果被發(fā)現(xiàn)用戶通過作弊或者作假手段上傳物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取積分,則該用戶所有積分將被清零;(6)為防止炒作損害項(xiàng)目, 積分僅用于系統(tǒng)內(nèi)循環(huán);(7)積分是通證經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵,為了隨著項(xiàng)目的發(fā)展,積分的功能將不限于收益分配,還可用于獲取物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)業(yè)服務(wù)等。

        2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

        2.1 總體框架

        系統(tǒng)的主體為傳統(tǒng)的中心化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與基于區(qū)塊鏈的去中心化的積分系統(tǒng)的結(jié)合(圖3)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的采集、上傳、存儲、展示功能,在物聯(lián)網(wǎng)平臺中設(shè)置定時器,觸發(fā)區(qū)塊鏈的智能合約,完成積分的發(fā)放。每個用戶發(fā)放積分的過程都會記錄在一個區(qū)塊中,積分發(fā)放速度取決于區(qū)塊鏈的出塊速度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于中心化的系統(tǒng),因此平臺會持續(xù)查詢區(qū)塊鏈直至確認(rèn)積分發(fā)放成功,在系統(tǒng)中更新用戶的積分?jǐn)?shù)量和積分池積分?jǐn)?shù)量,并向用戶發(fā)送消息告知。

        2.2 智能合約

        智能合約是一種旨在以信息化方式傳播、驗(yàn)證或執(zhí)行合同的計(jì)算機(jī)協(xié)議,它允許在沒有第三方的情況下進(jìn)行可信交易,這些交易可追蹤且不可逆轉(zhuǎn)[20]。事實(shí)上,智能合約并不是一個新的概念,早在1995年就由跨領(lǐng)域法律學(xué)者尼克薩博提出,是對現(xiàn)實(shí)中的合約條款執(zhí)行電子化的量化交易協(xié)議。智能合約設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是滿足常見的合約條件(如支付條款、留置權(quán)、機(jī)密性以及執(zhí)行等),以及最大程度地減少惡意和偶然地異常,最大限度地減少對可信中介的依賴。但是智能合約的工作理論遲遲沒有實(shí)現(xiàn),一個重要原因是缺乏能夠支持可編程合約的數(shù)字系統(tǒng)和技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)解決了該問題,不僅可以支持可編程合約,而且具有去中心化、不可篡改、過程透明可追蹤等優(yōu)點(diǎn),天然適合于智能合約。將合約以數(shù)字化的形式寫入?yún)^(qū)塊鏈中,因區(qū)塊鏈的特性,數(shù)據(jù)將無法刪除、修改,只能新增,整個過程透明可跟蹤,保證了歷史的可追溯性;當(dāng)滿足合約內(nèi)容時,將自動啟動智能合約的代碼,避免了人為干預(yù)過程,使得該過程無法發(fā)生違約。

        在積分系統(tǒng)中,通過在區(qū)塊鏈部署的智能合約自發(fā)運(yùn)行,計(jì)算用戶數(shù)據(jù)價(jià)值對應(yīng)的積分值,算法為(1)設(shè)備單個傳感器當(dāng)日數(shù)據(jù)報(bào)送時間超過16 h時,認(rèn)為數(shù)據(jù)有效,按照系統(tǒng)設(shè)定值發(fā)放積分;(2)多維數(shù)據(jù)具有更高的數(shù)據(jù)分析價(jià)值,所以采集數(shù)據(jù)類型越多,積分加成越多,對于具有n個傳感器的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,其積分值的計(jì)算規(guī)則遵循公式:

        設(shè)備單日積分=∑ni=1wi×ai,ai≤ai+1。

        其中,ai表示設(shè)備中第i號傳感器根據(jù)其類型在系統(tǒng)中被賦予的積分值,wi表示加權(quán)值,遵循規(guī)則:若ai≠ai+1,則wi+1=wi+1。

        2.3 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

        2.3.1 積分規(guī)則 不同的傳感器價(jià)格不同,所包含的信息量也不同,所以對應(yīng)的積分值應(yīng)該有差異,積分系統(tǒng)中提供對不同傳感器類型積分值的設(shè)定;同時,多維信息的信息量更高,大數(shù)據(jù)分析的價(jià)值更大,因此積分系統(tǒng)中鼓勵在設(shè)備中增加傳感器的類型,提供對多維信息逐漸增加權(quán)值的計(jì)算公式設(shè)定。

        2.3.2 區(qū)塊鏈 由于區(qū)塊鏈的技術(shù)特性,在公鏈中轉(zhuǎn)賬需要耗費(fèi)資源,當(dāng)轉(zhuǎn)賬數(shù)量很大時,就需要很高的運(yùn)行成本。在本研究的積分系統(tǒng)中,由上述設(shè)計(jì)的通證經(jīng)濟(jì)模型,需要在區(qū)塊鏈中執(zhí)行大量的轉(zhuǎn)賬操作。為此,積分系統(tǒng)使用的區(qū)塊鏈為基于墨客(MOAC)主鏈開發(fā)的子鏈,子鏈可以發(fā)行區(qū)塊鏈通證,并且運(yùn)行耗費(fèi)很少的主鏈資源,大大降低了成本。

        積分系統(tǒng)運(yùn)行之初,在區(qū)塊鏈中發(fā)放代表積分值的虛擬幣(通證),虛擬幣存放于鎖定賬戶中,該賬戶中的虛擬幣不參與流轉(zhuǎn);用戶在系統(tǒng)中注冊后,會在區(qū)塊鏈中為用戶生成賬戶,當(dāng)發(fā)生積分系統(tǒng)清算時,會將虛擬幣從鎖定賬戶向用戶賬戶轉(zhuǎn)賬,轉(zhuǎn)賬過程記錄在區(qū)塊鏈中。

        2.3.3 區(qū)塊鏈交互規(guī)則 當(dāng)日凌晨,積分系統(tǒng)對系統(tǒng)中的用戶逐個進(jìn)行積分結(jié)算,觸發(fā)區(qū)塊鏈中的智能合約,智能合約輸入為用戶所有設(shè)備當(dāng)天上傳的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)關(guān)鍵值,按照積分規(guī)則,智能合約計(jì)算得到該用戶當(dāng)日的積分值,隨后發(fā)起向用戶區(qū)塊鏈賬戶的轉(zhuǎn)賬,同時數(shù)據(jù)哈希值作為轉(zhuǎn)賬的附加信息。積分系統(tǒng)持續(xù)查詢直至確認(rèn)區(qū)塊鏈中虛擬幣轉(zhuǎn)賬完成,積分系統(tǒng)中更改用戶的積分值。

        2.3.4 積分賬戶 用戶積分賬戶分為云平臺積分賬戶和區(qū)塊鏈虛擬幣賬戶,二者一一對應(yīng),用戶積分變動會同時影響2個賬戶。云平臺積分信息存儲于數(shù)據(jù)庫,由于數(shù)據(jù)庫查詢速度比區(qū)塊鏈快,所以云平臺積分賬戶用于對用戶的積分顯示和管理;區(qū)塊鏈虛擬幣賬戶顯示用戶在區(qū)塊鏈上的積分?jǐn)?shù)量,具有不可篡改性。系統(tǒng)保證2個賬戶中的積分?jǐn)?shù)量相等,用戶也可以看到2個賬戶的積分/虛擬幣數(shù)量自行判定。

        2.3.5 積分池 系統(tǒng)中所有用戶積分值的總和構(gòu)成積分池,當(dāng)日積分系統(tǒng)對所有用戶積分清算完成后,會根據(jù)用戶云平臺積分賬戶的值計(jì)算積分池總量。

        2.4 功能實(shí)現(xiàn)

        2.4.1 管理平臺系統(tǒng)的管理平臺是在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)功能的基礎(chǔ)上,結(jié)合了基于區(qū)塊鏈的積分系統(tǒng)。平臺內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)會在區(qū)塊鏈中存證,由于區(qū)塊鏈的響應(yīng)速度和存儲量遠(yuǎn)不及中心化的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在凌晨時段定時開啟數(shù)據(jù)存證,將當(dāng)日的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)哈希運(yùn)算得到的值寫入到區(qū)塊鏈中,由區(qū)塊鏈的不可篡改性和哈希(Hash)算法保證的結(jié)果唯一性,確保物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全不可以更改。通過數(shù)據(jù)存證管理頁面的交易Hash鏈接,可以看到數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈中的記錄(圖4)。在平臺進(jìn)行區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存證的同時,會將用戶所有設(shè)備上傳數(shù)據(jù)對應(yīng)的積分值發(fā)放到用戶賬戶,在積分管理界面顯示各個用戶的積分和積分發(fā)放詳情(圖5)。

        2.4.2 軟硬件產(chǎn)品 為便于推廣應(yīng)用,系統(tǒng)的軟硬件產(chǎn)品按照消費(fèi)市場的需求設(shè)計(jì),硬件設(shè)備采用通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)、CAT1等無線網(wǎng)絡(luò),避免布設(shè)網(wǎng)絡(luò);前端交互采用微信小程序(圖6)的形式,通過微信小程序掃碼設(shè)備上的二維碼綁定設(shè)備,使用物聯(lián)網(wǎng)功能,并根據(jù)上傳的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)獲得積分。

        3 總結(jié)與展望

        本研究主要探討一種通過使參與者分享數(shù)據(jù)權(quán)益以提高農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用率的方法,由區(qū)塊鏈技術(shù)在建立信任上的獨(dú)特技術(shù)特點(diǎn),利用區(qū)塊鏈技術(shù)建立一種對于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)權(quán)益由參與者共享而非系統(tǒng)所有者占有的,即去中心化的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

        而由區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)各自的技術(shù)特點(diǎn),為克服雙方在響應(yīng)速度、吞吐量上的差距,設(shè)計(jì)了基于通證經(jīng)濟(jì)模型的數(shù)據(jù)權(quán)益去中心化機(jī)制和相應(yīng)的規(guī)則,在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過區(qū)塊鏈的智能合約對用戶的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算,針對數(shù)據(jù)價(jià)值設(shè)計(jì)了積分定價(jià)規(guī)則,研發(fā)了鏈上鏈下共同運(yùn)行的通證/積分發(fā)放系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了去中心化的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

        此外,還對數(shù)據(jù)權(quán)益的歸屬進(jìn)行了分析和討論。在現(xiàn)階段,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備普及的關(guān)鍵仍然在于其實(shí)用性和易用性,而在對用戶數(shù)據(jù)權(quán)益日益明確的大趨勢下,本研究提出的利用區(qū)塊鏈保護(hù)用戶數(shù)據(jù)權(quán)益的方法,對于區(qū)塊鏈應(yīng)用、大數(shù)據(jù)收集、農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)建設(shè)等均具有前瞻性和借鑒意義。

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