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基于区块链的物联网数据共享与应用系统物联网依托各种传感设备、无线网络传输和数据分析平台，可以实现物理世界的整体感知、可靠传输和智能处理，极大提高了生产和运行效率，被广泛应用于智能制造、智慧物流、智慧交通、智慧城市等场景中。在信息技术创新发展的推动下，物联网技术必将成为新一轮科技革命的核心驱动力，为产业变革注入新鲜活力。物联网技术和应用也是新型基础设施的重要组成部分，具有广阔的应用前景。5G 技术的商业化应用，将开启一个“万物互联”的时代。华为预测，到2025 年，通过 5G NB-IoT 连接的设备数量将超过 1000 亿台，并将保持指数型爆发式增长的态势。

简介

物联网设备的增长使得基于物联网的各类智能应用层出不穷。例如，在移动通信行业，动态频谱共享已成为缓解频谱资源供需矛盾的重要手段。通过对海量频谱感知设备采集数据的分析，可获得特定区域的频谱态势信息和各类通信业务的频谱使用特征，为跨运营商跨业务动态频谱共享分配决策提供支撑。但是，物联网感知数据也可能间接导致感知节点的隐私泄露。同时，由于频谱感知同样需要耗费一定的能源和资源，使得部分私有节点不愿主动参与频谱感知过程。

如何更好的激励更多的物联网设备参与频谱感知、同时保证感知节点的隐私信息不被泄露成为关键挑战。

二、系统概述

针对目前物联网设备缺乏数据共享动机及隐私泄露等问题，本项目以频谱数据数据共享为例开展深入研究，提出了基于区块链的物联网数据共享与应用系统，以打破数据孤岛，促进数据的融合与治理，提升数据价值。如图 1 所示，本系统以 Stackelberg 博弈模型、共识算法和 TDOA 定位技术等理论为基础，重点研究与突破基于区块链的群智感知技术、优化可拓展的共识机制和基于多源数据融合的定位与跟踪技术，利用 Hyperledger Fabric 平台设计了物联网数据共享模块、区块链服务（BaaS）模块和定位与跟踪实测分析模块，以实现物联网数据的可信采集、安全共享和可靠应用。

2.1 系统模型

本系统模型主要包含四部分内容：（1）感知节点响应监测任务，用户向感知节点发布监测任务，感知节点根据自身资源及任务信息决定是否响应监测任务，这一过程依据提出的基于区块链的群智感知技术实现；（2）监测数据上链，分布式部署的感知节点将感知数据加密上传至云数据库，云数据库返回数据存储地址，节点提取数据特征，并将数据特征 Hash 和 URL (Uniform Resource Locator，统一资源定位器)提交至区块链网络，共识完成后数据特征被写入区块链，后将数据所在的区块信息返回给感知节点；（3）用户数据购买，用户可在物联网数据共享平台上搜索查询数据，并购买所需的数据。用户将数据购买请求提交至数据共享平台，数据共享平台在链上查询数据记录，并将用户所需的数据信息（数据摘要、数据存储地址）反馈给用户，在用户完成费用支付后，可从云数据库获取原数据；（4）数据融合利用，用户购买频谱数据后，采用本项目提出的基于多源数据融合的定位与跟踪技术，以实现对某一干扰源的静态/动态定位与跟踪。

本系统整体采用模块化的设计思想，将数据采集、数据共享与定位跟踪独立开来，从而提高系统的可扩展性。物联网数据共享平台作为本系统的前端，包含用户注册/登录、任务发布、数据上传和数据交易等功能，其通过相应的应用支撑接口连接后端。此外，我们设计了 BaaS 平台，以图形化呈现后端监测管理情况。本系统部署在云平台（即南航计算机中心服务器）上，能够保证系统安全、便捷访问，本系统的具体设计详见技术方案部分。

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2.2 关键技术

基于区块链的物联网数据共享与应用系统模型，我们重点研究了三项关键技术，即基于区块链的群智感知技术、优化可拓展的共识机制和基于多源数据融合的定位与跟踪技术，这三项技术层层递进，每一个都是相关领域的重难点问题，具体如下：

⚫ 基于区块链的群智感知技术，即利用区块链技术，激励感知节点加入移动群智感知任务，使得请求者的任务能够更快、更有效地被完成。其关键在于如何解决用户与感知节点之间的信任问题。

⚫ 优化可扩展的共识机制，即优化现有的共识算法，以支持网络节点的动态加入或退出，提高系统的可扩展性。其关键在于如何解决在节点动态变化情况下共识节点仍能高效达成共识的问题。

⚫ 基于多源数据融合的定位与跟踪技术，即采用TDOA（到达时间差定位）技术，对多个节点捕获的 I/Q 双通道电磁信号利用改进后的广义互相关算法实现时延估计，并使用 Chan 算法完成信号源的定位与跟踪。其关键在于如何在有限采样频率下获取高精度的时间延迟，从而降低定位误差。

2.3 模块化设计

在基于区块链的物联网数据共享与应用系统模型指导下，结合关键技术的研究与用户的操作习惯，我们将本系统的功能分为三个模块，即物联网数据共享应用模块、区块链服务(BaaS)模块和定位与跟踪实测分析模块。物联网数据共享应用模块包含了基于区块链的群智感知技术，区块链服务(BaaS)模块包含了优化可扩展的共识机制，定位与跟踪实测分析模块包含了基于多源数据融合的定位与跟踪技术。各模块说明如下：

⚫ 物联网数据共享模块，主要完成感知节点和用户的注册/登录，感知节点对监测数据的发布和上链，用户对上链数据的搜索和购买。该模块支持感知节点对自身已上链数据的查询，支持用户对所购买的历史数据的查询和对上链数据的投诉。

⚫ 区块链服务(BaaS)模块，主要完成应用业务与联盟链底层（例如Hyperledger Fabric）之间的连接，将区块链记账能力、区块链应用开发能力、区块链配套设施能力等转换为图形化界面（GUI）和应用编程接口（API）。用户可在此模块快速部署区块链，并对区块链运行情况进行测试和监控。

⚫ 定位与跟踪实测分析模块，主要完成用户对购买的频谱数据进行跟踪与定位，首先对原始数据路径、节点坐标、定位开关的初始化，其次显示辐射源位置或轨迹，并与实际轨迹进行对比，最后在面板上显示出辐射源的地理位置与定位误差。

三、体系架构设计

本系统的体系架构设计如图 3 所示，采用 B/S 的开发方式，即前端显示和后台服务分别开发。前端为图形化的可操作界面，采用了 Vue 架构编写，选择的编程语言是 html、vue、js，支持用户注册登录、数据上链、数据交易、历史记录溯源、资源投诉等功能。前端获取用户操作数据后提交至后台服务，即后端。后端算法使用的开发语言为 matlab，包括群智感知算法和基于多源数据融合的定位与跟踪技术。后端区块链架构采用 Hyperledger Fabric 2.2.0 版本设计，主要包含共享账本、智能合约（chaincode）和共识算法等核心技术，其中优化可扩展的共识机制采用 go 语言编写。后端获取前端数据后，联盟节点进行交易共识，共识完成后将数据关键特征信息写入共享账本。在 BaaS 模块可查看共享账本中的区块信息，如区块Hash、所属通道、生成时间等，同时也可进行节点管理、智能合约管理、通道管理和访问角色管理等。