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

李喬宇 封文杰 尚明華 劉淑云 王富軍 穆元杰

摘要：國(guó)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(wèn)題，從而無(wú)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(duì)其上傳的數(shù)據(jù)享有權(quán)益，從而激勵(lì)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(duì)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(guò)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(lèi)號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）04-0187-06

收稿日期：2021-06-09

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

作者簡(jiǎn)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(guó)農(nóng)業(yè)存在生產(chǎn)效率低下、資源利用率不高的問(wèn)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(lái)，我國(guó)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(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)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(guó)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(wèn)題，例如：入門(mén)門(mén)檻高、應(yīng)用場(chǎng)景單一等[1]。為解決這一問(wèn)題，一方面需要等待我國(guó)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(guó)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(shí)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(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)分散混亂，無(wú)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(kāi)放平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)參與者對(duì)數(shù)據(jù)的價(jià)值共享，從而激勵(lì)行業(yè)投入，形成正向循環(huán)，是解決上述問(wèn)題的一個(gè)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(lái)我國(guó)第4代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）、第5代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）、云平臺(tái)、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(wèn)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(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)只能用于自動(dòng)卷簾、自動(dòng)通風(fēng)此類(lèi)的簡(jiǎn)單操作，無(wú)法針對(duì)環(huán)境、作物長(zhǎng)勢(shì)、生長(zhǎng)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體信息，尤其是作物生長(zhǎng)信息、病蟲(chóng)害信息的獲取，也使得無(wú)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(duì)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(lái)看，依靠專(zhuān)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(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和圖像識(shí)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(méi)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(méi)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(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)往往種類(lèi)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(gè)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(gè)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(méi)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(guò)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(lái)。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(gè)節(jié)點(diǎn)可以在互不相識(shí)、沒(méi)有建立信任的前提下參與到同一條區(qū)塊鏈中，通過(guò)共識(shí)和算法保證參與者的權(quán)益不會(huì)被篡改，正符合本研究的目的。

1.2 去中心化設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期以來(lái)，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(duì)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(shí)到對(duì)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(lài)金融系統(tǒng)記賬和信任背書(shū)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(gè)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(guò)分布式技術(shù)和共識(shí)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(guò)技術(shù)（密碼學(xué)和共識(shí)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(gè)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(wú)法全部實(shí)現(xiàn)3個(gè)目標(biāo)。為了能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，通過(guò)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(lèi)，見(jiàn)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(shí)，區(qū)塊鏈僅存證追溯數(shù)據(jù)的哈希值，以提高存儲(chǔ)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(guò)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(cè)信息匯集成大數(shù)據(jù)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)價(jià)值。考慮到系統(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(lài)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(guò)“數(shù)據(jù)打包——換取通證”的方式，解決這一問(wèn)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(duì)于用戶來(lái)講，并不關(guān)心數(shù)據(jù)放置的位置以及由此帶來(lái)的數(shù)據(jù)泄露、數(shù)據(jù)篡改等安全性問(wèn)題，重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)權(quán)益及由此帶來(lái)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(chǔ)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(wú)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(kāi)來(lái)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在每天固定的時(shí)間對(duì)1個(gè)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(duì)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(zhǎng)時(shí)間以來(lái)數(shù)據(jù)的歸屬一直不明確，近年來(lái)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(jiǎn)稱(chēng)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(gè)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(guó)版GDPR《加州消費(fèi)者隱私法案》（CCPA）也在2020年開(kāi)始實(shí)施?？梢灶A(yù)見(jiàn)，保護(hù)個(gè)人用戶數(shù)據(jù)在法律上是大勢(shì)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(kù)中的雜亂信息，既無(wú)法看懂也無(wú)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?qǐng)?bào)》也在2019年發(fā)文《區(qū)塊鏈讓數(shù)據(jù)“誰(shuí)擁有，誰(shuí)受益”》。

目前，由于我國(guó)在法律上沒(méi)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(shí)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(guò)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(duì)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(duì)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(mài)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(huì)自動(dòng)銷(xiāo)毀1/2。（5）如果被發(fā)現(xiàn)用戶通過(guò)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(chǔ)、展示功能，在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中設(shè)置定時(shí)器，觸發(fā)區(qū)塊鏈的智能合約，完成積分的發(fā)放。每個(gè)用戶發(fā)放積分的過(guò)程都會(huì)記錄在一個(gè)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(tái)會(huì)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(méi)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(gè)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(duì)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(jiàn)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(duì)可信中介的依賴(lài)。但是智能合約的工作理論遲遲沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，一個(gè)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(wèn)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(guò)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(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈中，因區(qū)塊鏈的特性，數(shù)據(jù)將無(wú)法刪除、修改，只能新增，整個(gè)過(guò)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(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)智能合約的代碼，避免了人為干預(yù)過(guò)程，使得該過(guò)程無(wú)法發(fā)生違約。

在積分系統(tǒng)中，通過(guò)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(duì)應(yīng)的積分值，算法為（1）設(shè)備單個(gè)傳感器當(dāng)日數(shù)據(jù)報(bào)送時(shí)間超過(guò)16 h時(shí)，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(lèi)型越多，積分加成越多，對(duì)于具有n個(gè)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(hào)傳感器根據(jù)其類(lèi)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(duì)應(yīng)的積分值應(yīng)該有差異，積分系統(tǒng)中提供對(duì)不同傳感器類(lèi)型積分值的設(shè)定;同時(shí)，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(lì)在設(shè)備中增加傳感器的類(lèi)型，提供對(duì)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(shí)，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(kāi)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(cè)后，會(huì)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(shí)，會(huì)將虛擬幣從鎖定賬戶向用戶賬戶轉(zhuǎn)賬，轉(zhuǎn)賬過(guò)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(duì)系統(tǒng)中的用戶逐個(gè)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(shí)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(tái)積分賬戶和區(qū)塊鏈虛擬幣賬戶，二者一一對(duì)應(yīng)，用戶積分變動(dòng)會(huì)同時(shí)影響2個(gè)賬戶。云平臺(tái)積分信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)，由于數(shù)據(jù)庫(kù)查詢速度比區(qū)塊鏈快，所以云平臺(tái)積分賬戶用于對(duì)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(gè)賬戶中的積分?jǐn)?shù)量相等，用戶也可以看到2個(gè)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(duì)所有用戶積分清算完成后，會(huì)根據(jù)用戶云平臺(tái)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(tái)系統(tǒng)的管理平臺(tái)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(tái)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)會(huì)在區(qū)塊鏈中存證，由于區(qū)塊鏈的響應(yīng)速度和存儲(chǔ)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(shí)段定時(shí)開(kāi)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(xiě)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(guò)數(shù)據(jù)存證管理頁(yè)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(tái)進(jìn)行區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存證的同時(shí)，會(huì)將用戶所有設(shè)備上傳數(shù)據(jù)對(duì)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(gè)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(chǎng)的需求設(shè)計(jì)，硬件設(shè)備采用通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、CAT1等無(wú)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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)區(qū)塊鏈的智能合約對(duì)用戶的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算，針對(duì)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(duì)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(duì)用戶數(shù)據(jù)權(quán)益日益明確的大趨勢(shì)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(duì)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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