基于物联网和区块链的重要物质周转系统

0   引言

目前银行等金融部门的重要物资周转基本是采用卡封锁管理来完成重要物资周转的，这种管理系统在运输过程中、到达开封都严重依赖人工，现实中总是有监守自盗的现象，而无法追踪。卡封是一种消耗品，也是不小的费用开支。为了更好地全流程监控各个状态，本文提出基于物联网的物质周转系统，可以实时监控运输车、物品状态，结合AI 识别技术，可以提前预防事件发生，并通过区块链技术完整地记录各个环节的实际情况，以及时预防事件发生，并可追溯发生过程，避免不必要的损失。

1   系统方案

本系统建立一整套不依赖于人的管理监控系统，这套系统包括：监控管理平台，带实时定位和移动监控的运输车，带电子标签识别的周转箱和锁周转箱的无源电子锁，出发地和目的地的管理系统，电子标签识别器，电子标签读写器，用户终端和电子钥匙。通过区块链技术记录环节的实际情况，不可篡改，可以永久追溯。整体系统架构如图1。

监控管理云平台负责管理车辆和调度车辆，监控车辆运行状态和运行轨迹，采集管理各个环节的视频监控，管理周转箱和电子钥匙，管理用户、授权和取消授权电子钥匙开启周转箱的权限，监控周转箱的锁状态。监控管理云平台可以设置起始地和目的地，并可在起始地和目的地设置不同状态。监控管理平台可以设置预测时间段，并在预测时间段内进行动态授权，超过时间段需要手动申请动态授权。

运输车带实时定位系统、移动监控系统、电子标签识别器，周转箱上车后，电子标签识别器会自动识别周转箱进入运输车中，电子标签识别器会和移动监控系统中的网络录像机交互，由网络录像机通过无线网络(4G)把相关信息( 运输车编号，周转箱编号，电子标签识别器编号，周转箱起始地址和目的地址，周转箱上此车的照片等) 传输至监控管理云平台中，运输过程中，监控管理云平台实时监测车辆运行轨迹，并可通过移动监控系统查看车内情况。

周转箱用于周转重要物资，其带电子标签，电子标签可写入箱子编号、物资内容和数量、起始地址和目的地址。周转箱一旦被锁上，没有监控管理平台的授权，用户终端得不到授权，电子钥匙没有授权，周转箱是无法打开的。

无源电子锁用于锁周转箱，无源电子锁和电子钥匙配合使用，使用时电子钥匙插入锁芯内给无源电子锁供电，关闭和开启无源电子锁，用户终端都会监测到状态变化，并传递给监控管理云平台。电子钥匙是开启和关闭无源电子锁的工具，并给无源电子锁供电，开启和关闭无源电子锁都需要电子钥匙，电子钥匙还把开关锁的状态传递给用户终端，由用户终端把信息传递给监控管理云平台。

用户终端是手持式的，带专用应用程序，用户终端是用户和监控管理云平台的交互工具，用户终端接收平台授权等信息，并把授权信息传递给电子钥匙，由电子钥匙来开启和关闭电子锁，同时电子钥匙把锁的状态信息传递给用户终端，由用户终端把信息传递给监控管理平台。用户终端的专业应用程序是采用动态密码授权的，密码一次有效并有时效性的。

出发地监控系统由摄像监控设备、网络管理主机、电子标签识别器组成。周转箱锁闭后，用户终端会把锁状态信息传递给监控管理平台，平台会记录下状态，电子标签识别器验证周转箱出站进入运输车，全程由摄像头监控录像。

目的地监控系统由摄像监控设备、网络管理主机、电子标签识别器组成，当周转箱到达目的地时，电子标签识别器识别到正确的箱子到达本目的地，告知网络录像机，由网络录像机把信息传递给监控管理平台，监控管理平台确认是到达真实目的地后，会给对应的用户终端发送对应电子钥匙的授权，以开启对应的无源电子锁。摄像头会监控周转箱的开启过程，并把视频上传至监控管理平台。

电子标签识别器是识别电子标签的工具。电子标签中保存周转箱的相关信息，包括存放内容、数量、发送人、接收人、押运人、押运车辆、起始地址、目的地址等信息。电子标签识别器读取到正确信息给予放行，读取到不正确信息后给发送告警到平台^[1]。

2   系统流程设计与实现

一个周转箱运输及开启的过程如下。

在出发地，电子标签读写器与网络管理主机连接，

通过电子标签读写器把周转箱的相关地址信息、内容信息、运输车辆信息等写入到周转箱上的电子标签内，相关信息传递录入到监控管理平台中便于后续验证查看状态，监控管理平台会把周转箱信息通过网络传送给目的地设备中和相关人员手持设备中。通过无源电子锁将周转箱锁闭起来，进入装车运输状态，目的地监控系统全程录像，并在出发时通过网络录像机经网络把相关信息远程传递给监控管理平台。监控管理平台根据实际情况规划出车辆行走路线。出发地周转箱写入信息及装车流程如图2。

周转箱进入运输车中，会检测该周转箱是否由该运输车辆承运并确认目的地，和监控管理平台上录入信息一致的通过，不一致的告警提示调度更换。在运输过程中，通过车载定位系统，监控管理平台可以实时查看车辆行走路径，并根据情况可以提醒驾驶员调整路线。车内监控通过无线网络实时传送至监控管理平台，通过平台可实时查看周转箱和车辆的状态和路径。

车辆到达目的地后，定位信息会传送到监控管理平台，监控管理平台会验证查看是否目的地正确，如有错误及时提醒调整，以防止突发事件。周转箱从运输车辆卸下后，目的地的电子标签识别器会读取周转箱上的电子标签信息，自动识别是否是正确的周转箱。如是错误的，会通过识别器连接的网络通知监控管理平台，平台提示接收人员、驾驶员等相关人员拒绝接收。如正确无误，监控管理平台会通过对接收人员的权限审核，平台并验证是否在预测时间段内，如果在设置的预测时间段内，下发动态授权给接收人员的用户终端；如果不在预测时间段内，管理员需手动申请，平台经过验证审核通过后再下发动态授权；如验证审核有异常，不能下发动态授权。用户终端通过无线传输把动态授权传送给接收人员的电子钥匙，电子钥匙开启无源电子锁，从而开启周转箱，开闭锁状态及时通过用户终端传递至监控管理平台，以便平台实时监控。

周转箱运输监控管理分系统及流程示意图如图3。

用户终端接收授权及电子钥匙开锁流程如图4。

3   区块链应用架构设计

本系统以以太坊区块链技术作为底层的技术支持，基于现有物资周转监控系统物联网平台上，建立用户之间、用户和物联网平台之间获取数据、服务的不可篡改的契约交易关系的区块链应用平台。整个区块链系统是由多个客户端节点组成，各节点都是完整的数据节点，每个节点内都有整个区块链数据地址的完整备份。这些节点可以分别由不同的机构或一个机构内部的多个数据中心来分别维护。区块链的区块之间通过哈希值连接在一起，此哈希值由区块头部字段组合计算而成。区块中的交易通过梅克尔树的数据结构组织在一起，其中梅克尔树的根节点存放在区块的头部中。

用户或者平台制定自己能够提供数据或者服务的条件，应用将条件编译成为智能合约脚本，然后发布到系统，此后，系统通过审核和编译，形成去中心化的应用提供给其他用户，其他用户如果有需求并且能够满足条件响应后，智能合约通过在区块链上的执行来完成合约内容，通过所有其他全节点的验证后，达成合约并且不能篡改。系统上的去中心化应用是通过与物联网平台约定好的接口进行调用和验证，获取远端物联网平台的数据和服务，提供给区块链去中心化应用的用户^[2-3]。

整个系统从架构设计上来看，可以分为数据层、网络层、智能合约层、物联网平台层和应用层五个层次，如图5 所示。

1）最底层的数据层，主要负责对区块链数据的存储，包含区块数据和事务交易数据哈希地址的存储。包括的技术主要是一些通用的基础模块，比如网络通讯库，流处理，线程封装，消息封装与解码，系统时间，基础加密算法，数据存储技术等。

2）第2 层是系统的网络层，包括：共识算法，P2P网络以及验证机制。一般包含了区块链的主要逻辑，如共识模块，交易处理模块，嵌入式数据库处理模块等，难点在于点对点网络的实现和并发处理。在本系统中针对物联网平台下的节点承载能力与应用需求，替换了传统以太坊上的工作量证明共识机制，采用基于Tendermint 共识机制的Ethermint。

3）第3 层是智能合约层，基于Json Standard RPC 的交互RPC 模块与EVM（以太坊虚拟机）模块，基于EVM 模块运行智能合约交互处理区块链与共识的相关事务，基于JSON-RPC 通过网络从远程计算机程序上请求服务，进行区块节点的一致性处理和网络层事务的交互，从而实现各种交易转账等具体商业活动的完整过程。通过类似JavaScript 编程语言的Solidity 语言，灵活编写、在区块链中严格执行的适用于各种应用的智能合约脚本。

4）第4 层是物联网平台层，同样通过基于Json Standard RPC 的交互RPC 模块，通过物联网平台已有的接口，调用物联网数据信息、操控指令和发布智能合约到智能合约层与区块链节点进行交互处理相关的事务，应用层去中心化应用用户通过底层区块链平台能够间接的获取、交易物联网平台设备的数据和控制权。

5）最上层的是去中心化应用层。它通过封装了以太坊JSON RPC 接口的web3.js 接口库，与智能合约层、物联网平台层进行数据信息交换。去中心化应用中，所有的智能合约都经过编译后以二进制代码的形式运行在区块链系统的EVM（以太坊虚拟机）上，并用到了RPC 接口的调用。区块链上的智能合约提供自治的服务，即为在平台中设计去中心化的应用程序提供物联网设备信息或操作为用户服务^[4-5]。

4   结语

本文提出了基于物联网和区块链的物资周转系统，可有效解决物资流转过程中不易监控、不易管控、不易追溯的问题，并预防不良事件的发生。本系统中的物联网子系统无线监控系统存在信号不稳定状况，区块链子系统存在信息传递延迟过长的问题，但总体上部影响整个系统运行。本系统已经应用在金融行业的贵金属和现金转运过程中，得到了肯定和认可。该系统具有通用性，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 宋航.万物互联:物联网核心技术与安全[M].北京:清华大学出版社,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.

（本文来源于《电子产品世界》杂志社2021年1月期）