一种物联网和区块链双网关的智能家电控制系统和方法

技术领域

本发明涉及物联网数据安全，尤其是涉及一种物联网和区块链双网关的智能家电控制系统和方法。

背景技术

随着物联网概念的不断深入，商业级的网络应用遍地开花，各种智能家电层出不穷，改善着我们的生活。与此同时，物联网网关也将成为连接的重要纽带。作为网关设备，物联网网关除了要担负不同类型感知网络之间的协议转换的职责，而且还将具备一定的底层节点设备管理功能。目前，多数的物联网平台是基于IoT-Hub总线协议通过物联网网关连接服务器，服务器再通过数据总线收取传感器或设备的状态，例如温度、湿度等服务信息。所有不同的传感器和设备都可以使用不同的传输协议，包括LPWAN、Wi-Fi、蓝牙和Zigbee等等；网关可以通过不同协议与传感器/设备进行通信，然后将该数据转换为标准协议(如MQTT)，以发送到云端，然后，经由数据中台将传感器或设备状态存储到历史数据库或时序数据库中供给未来趋势或回归分析。此外，物联网网关还需要具备设备管理功能，运营商通过物联网网关设备可以管理底层的各感知节点，了解各节点的相关信息，并实现远程控制。

由此，物联网网关设计还需要考虑两个因素：(1)数据安全：这是决定大规模物联网能成败的关键要素。随着网络成更多应用的重要组成部分，数据安全变得更加重要。安全问题应落实到每一个设计阶段，而在设计任务全部完成后再增加安全功能的做法是错误的；(2)共识并不可篡改：没有系统是完美无缺的。无论多大的系统或者多小的网站，一般在它背后都有数据库。如果我们把数据库想象成是一个账本：比如支付宝就是很典型的账本，任何数据的改变都是记账型的。数据库的维护我们可以认为是很简单的记账方式。系统会在一段时间内，可能选择十秒钟内，也可能十分钟，选出这段时间记账最快最好的人，由这个人来记账，他会把这段时间数据库的变化和账本的变化记在一个区块(block)中，我们可以把这个区块想象成一页纸上，系统在确认记录正确后，会把过去账本的数据指纹链接(chain)这张纸上，然后把这张纸发给整个系统里面其他的所有人。然后周而复始，系统会寻找下一个记账又快又好的人，而系统中的其他所有人都会获得整个账本的副本。整个过程中，账本的共识并不可篡改极为重要，这才能保证这个系统中每一个人都有一模一样的账本。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种安全可靠、不可篡改的物联网和区块链双网关的智能家电控制系统和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种物联网和区块链双网关的智能家电控制系统，包括控制终端、网关节点和智能家电，所述的网关节点为双网关，用于提供智能家电和控制终端，以及各网关节点之间的通讯，包括物联网通信模块和区块链服务模块，所述的网关节点的架构包括：数据层：封装底层数据区块的链式结构，以及对应非对称公私钥数据加密算法和时间戳，存储多种智能家电的设备状态数据；网络层：通过P2P协议实现数据通讯；共识层：封装网络节点的多种共识机制算法；合约层：封装多种智能合约，所述的智能合约为运行在区块链上的程序；以及应用层：用于提供区块链系统的接口调用程序。

进一步地，所述的数据层中封装的链式结构上包括多个区块，多个区块上分别存储多种智能家电的设备状态数据，且各区块之间通过hash指针进行连接和指向。

更进一步地，所述的多种智能家电的设备状态数据包括电梯运行记录数据、电表记录数据、水表记录数据、行车记录数据、监控异常记录数据和审查方记录数据。

进一步地，所述的共识机制算法用于确定记账的实施者，包括POW算法、POS算法和DPOS算法。

进一步地，所述的智能合约包括图灵完备合约和非图灵完备合约。

进一步地，所述的网关节点部署于IPv4网络或IPv6网络中。

更进一步地，所述的网关节点的部署步骤具体包括：

首先部署网关节点，设置各节点钱包别名及密码；然后在各网关节点上配置与之相连的智能家电相关通道信息；最后设置网关节点的访问地址及端口。

进一步地，当区块链为公有链时，所述的网关节点的架构还包括激励层，所述的激励层用于激励遵守规则参与记账的节点，并惩罚违反规则参与记账的节点。

一种如所述的物联网和区块链双网关的智能家电控制系统的数据更新方法，包括以下步骤：

1)网关节点接收智能家电的设备状态数据并在区块中进行数据缓存；

2)当达到设定时间阈值时，构建新区块用于数据缓存；

3)将该新区块发送至网络，并判断该新区块是否达成共识，若是，则执行步骤4)，否则结束本次数据更新；

4)其他各网关节点将新区块加入区块链中；

5)返回步骤1)，重启下一轮记账。

进一步地，所述的步骤3)具体包括：

31)将新区块发送至网络；

32)其他各网关节点对该新区块进行校验或共识；

33)若达成共识，则执行步骤4)，否则丢弃该区块并结束该流程。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明在传统物联网网关的基础上，将区块链技术运用于物联网网关，形成包括物联网通信模块和区块链服务模块双网关的网关节点，提供智能家电和控制终端，以及各网关节点之间的通讯，从根本上解决了设备之间数据安全与共识并不可篡改的问题，解决现有网关对设备数据不可追溯易篡改的问题，即数据在传统“中心化”架构中设备历史记录容易被人为的误删除或篡改，加强了数据的安全性。；

2)本发明结合区块链和物联网，区块链安全网关的合约设计、可视化设计、接口设计均提供图灵完善的友好支持，在传统的安全网关功能上，依托以时间顺序为链式的数据结构、参与组网节点间的共识算法、以及内置预定义智能合约与应用封装等技术，可快速、安全、高效的为参与者提供可信、可靠、透明的商业处理逻辑架构，从而构建具有开放性、去中心化、不可篡改、分布式共享、共识信任机制的跨平台点对点网络。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明提供一种物联网和区块链双网关的智能家电控制系统，包括控制终端、网关节点和智能家电，网关节点为双网关，用于提供智能家电和控制终端，以及各网关节点之间的通讯，包括物联网通信模块和区块链服务模块，可以部署在IPv4或IPv6的网络中，部署过程具体为：1、部署网关节点，设置各节点钱包别名及密码；2、在各网关节点上配置与之相连的设备或传感器相关通道信息；3、设置网关节点的访问地址及端口。双网关基于MQTT和P2P共识服务协议，实现智能家电设备注册与验证、数据压缩和保证私有性和加密性的功能，包含以下六层架构：

A)数据层：区块链从字面上理解它肯定是一个链式结构，在这个链上包括非常多的区块，每一个区块上的0、1、2、3……代表的是区块的高度，中间通过hash指针(Privoushash)进行连接和指向，其实就是子区块存储它的父区块所有数据的hash值，这样每个区块通过指针或者说每个区块的唯一数据进行绑定，连成一个链式结构。多个区块上分别存储多种智能家电的设备状态数据，包括电梯运行记录数据、电表记录数据、水表记录数据、行车记录数据、监控异常记录数据和审查方记录数据，数据层封装了底层数据区块的链式结构，以及相关的非对称公私钥数据加密技术和时间戳等技术，这是整个区块链技术中最底层的数据结构。

B)网络层：网络层主要是通过P2P协议实现数据通讯，P2P协议有个特点就是上传数据的同时也在下载数据，这样就给区块链带来了一个好处，节点数量越多，上传下载的速度就越快，这也就意味着区块链自己具有自动组网的能力。

C)共识层：软共识层中是区块产生和数据写入区块的规则，这里有一个误区：不是交易双方达成的交易共识。共识层封装了网络节点的各类共识机制算法。共识机制算法是区块链的核心技术，因为这决定了到底是谁来进行记账，而记账决定方式将会影响整个系统的安全性和可靠性。常见的共识算法包括：POW算法、POS算法和DPOS算法等。

D)激励层：像比特币、以太坊都会给参与者(挖矿的人)一定的奖励，另外还有交易费。激励层对公有链特别重要，在公有链中必须激励遵守规则参与记账的节点，并且惩罚不遵守规则的节点，才能让整个系统朝着良性循环的方向发展，它能够保障这个链稳定健康发展的基础。但是，对于私有链或者联盟链来说，企业做这个链是有某种独立目的，不会随意让个人参与这个链系统，一般就很少有激励层。

E)合约层：合约层实际是运行在区块链上的程序，封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础。最典型的就是以太坊提出的智能合约的概念。合约细分就分为两种：

(1)图灵完备：一个能计算出每个图灵可计算函数(Turing-computablefunction)的计算系统被称为图灵完备的。如程序设计中的for循环、递归循环、while循环，这些基本上都可以实现无线循环，它就可能具有图灵完备的能力，可以计算一切可计算的系统或者应用。例如：以太坊的智能合约。

(2)非图灵完备：这部分的计算是有限的，例如：比特币的脚本。比特币脚本存在的意义是让每笔交易合法化，这个合法化不是人工审核而是有脚本自动执行校验的。

F)应用层：合运行在区块链系统的程序，如果你调用的是区块链系统的某个接口，获取相关信息，这是应用层。如果你调用的是某个区块的某个数据或者在某个区块写数据，那就是智能合约，也就是合约层。

如图2所示，本发明提供一种物联网和区块链双网关的智能家电控制系统的数据更新方法，包括以下步骤：

步骤1：网关节点接收到设备数据。

步骤2：网关节点将设备数据进行缓存。

步骤3：当某一时间阈值达到时，对该数据缓存进行新区块的构建。

步骤4：该网关节点将该新区块发送至网络。

步骤5：网络中其他网关节点对该新区块进行校验或共识，如共识未达成，则丢弃该区块并结束该流程；如达成共识，执行步骤6。

步骤6：网络中所有网关节点将该新区块加入区块链中。

步骤7：网络赋予该区块的生产者网关记账权奖励。

步骤8：网络重新开启下一轮的记账。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。