基于區塊鏈技術的環保電力實時監測系統

［劉淑霞］

1 引言

目前，與經濟產業發展如影隨形的環境污染問題受到了人們高度的關注。如何高效可持續地實施環保舉措成為了亟待解決的問題。在環保行業，數據質量是環境監測工作的生命線，環保數據的真實性、綜合性、長期性是環境監測基本的要求。然而近些年，我國環境監測數據造假的新聞時有發生，數據造假已經成為環?？v深推進的大痛點之一。結合環境監測數據造假的多項報道可以看出，當前我國環境數據存儲的方式，仍以“傳統互聯網或移動互聯網”為主，采用的是關系型的數據庫，比如mysql、oracle 等，創建一條記錄，把某個地方某段時間的環境監測數據儲存在里面。這種傳統的儲存手段，很容易被人為干擾。有兩種普通也常見的干擾手段：①在后臺程序留后門，注入腳本代碼，直接操作數據庫，修改數據；② 掌握數據庫權限的人，直接登錄數據，進行update 操作，篡改真實數據。但如果這些數據使用了區塊鏈系統進行存儲，就直接杜絕了人為干擾的情況。區塊鏈技術分布式、可信任、不可篡改的獨特屬性，確保了環境監測數據的真實可靠性[1]。即便出現了篡改數據的情況，也會被區塊鏈系統自動檢測并剔除，并從其他儲存點同步健康的監測數據。

利用區塊鏈技術的去中心化、高安全性和不可篡改的特點使得環保舉措得到了前所未有的提升效果，它在各行各業的環保舉措中應用廣泛[2～4]。文獻[5]中利用區塊鏈技術為依托解決了船舶行業污染物污染海洋的問題，利用可溯源不可篡改等特性解決了船舶行業污染物移動性強難管理的問題。文獻[6]中利用區塊鏈技術為基礎，解決了電動汽車充電行業“多買家多買家”情況下交易自治交易透明公開的問題，建立電動汽車充電行業買賣互信的環境，為買賣雙方提供一個高效的電力交易平臺。文獻[7]中利用區塊鏈技術解決廢棄紡織品利用率低的問題，使得廢棄紡織品過程公開透明可追溯，提高顧客和企業間的信任，從而達到提高廢棄紡織品的利用率的目的。而且現在大型企業和中小企業愈來愈多，出現了如下幾個問題：對于環境監管環境監管部門人力資源遠遠不足，監管難度大，需要提高監管效率；環保部門監測的數據難以存證，還沒有達到不可篡改或者難以篡改的地步，企業和監管部門之間沒有互相信任的環境，監管主體難以服眾；環保設備故障不能及時預警等。為了解決這些問題，本文結合區塊鏈的共享、可溯源、不可篡改等特性，利用現有技術區塊鏈，研究和現了實時監測環保系統，實時監測環保設備用電以及設備運行情況，并分析監測的數據，以網頁圖表的表現形式直觀形象地展示出來，將預警使用異常和用電異常的環保設備。人防變為技防，減少了環保監管部門的負擔，提升監管效率；監測的數據透明公開，監測數據可溯源，不僅建立了一個讓環保監管和企業互信的環境，踐行了環保人人有責的思想，還讓環保措施真正落地，大大提高環保監管部門的執行效率。

2 區塊鏈技術下的環保電力監測系統架構

環保電力監測系統是根據電力使用量來確定工廠或者企業的環保設備是否正常使用，從而判斷企業是否使用了環保設備，將工廠或者企業代碼、環保設備電力使用量等記錄上傳到區塊鏈模塊中，然后將采集的數據分析出來，用網頁圖畫等展示出結果。本文研發的系統分3 個模塊實現：數據采集模塊、區塊鏈模塊和數據展示模塊。數據采集模塊主要是利用lora 技術實現的，使用lora 技術[8]能夠讓采集的數據以低發射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，達到低功耗傳輸距離遠數據傳輸。LoRa 融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術[9]。Lora 技術保證了采集數據的準確性和傳輸的安全性[10]，區塊鏈技術保證了數據存儲的安全不可篡改性，讓整個監管過程安全數據可信，透明公開。系統架構圖如圖1 所示。

圖1 系統架構圖

如圖1 所示，數據采集模塊是采集工廠或者企業的環保設備用電數據，然后上傳給區塊鏈模塊。區塊鏈模塊將這些采集的數據存儲在各個共識節點的區塊中。數據展示模塊分析數據之后用網頁的形式展現，可以直觀的看到環保設備使用異常的工廠或者企業。通過對環保設施運行的實時監控，讓監管人員及時掌握異常預警情況，并提前采取應對措施，推動環保執法由“被動響應式事后處理”向“主動介入式事前管控”轉變，提升了執法的預見性、主動性，大大提高了監管部門的執行效率。

3 系統實現

本文研發的系統分3 個模塊實現：數據采集模塊、區塊鏈模塊和數據展示模塊。

3.1 數據采集模塊

本文研究系統的數據采集模塊分為環保設備、電力儀表和設備網關三部分。此模塊主要是使用lora 技術通過電力儀表實時采集現場環保設備用電等，然后上傳設備編號、企業或工廠代號、設備運行情況以及設備用電量等信息。電力儀表主要功能是采集環保設備用電數據，電力儀表終端內置lora。lora 就是遠距離無線電（Long Range Radio），是semtech 公司創建的低功耗局域網無線標準，它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一，它在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3～5 倍。在本文研究的應用場景下，實時監測環保設備的數據，這些信息數據在網絡中進行交匯，所選網絡的特性直接關乎到生產計劃的執行質量，需要低成本的傳感器配以低功耗和長壽命的電池來追蹤設備、監控狀態，而lora 便是合理的最好的通信方式。數據采集模塊的數據流圖如圖2 所示。

圖2 數據采集模塊的數據流

從圖2 可以看出電力儀表內置的lora 無線通信，負責采集環保設備用電和設備運行狀況的等數據。然后利用lora 技術無線通信與網關連接，網關負責將實時采集到的數據進行封裝轉發到區塊鏈模塊。網關與區塊鏈模塊的網絡服務器之間通過TCP/IP 協議通信。

3.2 區塊鏈模塊

區塊鏈模塊主要是將收集的數據放到區塊鏈的存數取數服務，上鏈到共識節點。區塊鏈正是一種按照時間順序將數據區塊以鏈的形式組合成特定的數據結構，并用密碼學方式保證了數據的不可篡改和不可偽造，也可以說是去中心化共享賬本，能夠安全簡單、以時間順序作為先后順序和可以驗證地存儲流水賬本數據。此區塊鏈模塊間共識節點采用P2P 通信，多個節點組成一條環境監測行業價值的互聯網去中心化公有鏈。公共區塊鏈，相對于私有鏈，也是區塊鏈普遍的一種形式，它是完全開放和透明的，這表明著鏈上的任何工廠或者企業都可以看到每一筆監測數據。

數據采集模塊采集的環保設備用電原文數據經過哈希計算后實時上鏈，既保證上鏈前數據真實，也保護了數據隱私。區塊鏈的哈希值能夠唯一而精準地標識一個區塊，區塊鏈中任意節點通過簡單的哈希計算都可以獲得這個區塊的哈希值，計算出的哈希值沒有變化也就意味著區塊鏈中的信息沒有被篡改。每個區塊都包含上一個區塊的哈希值和下一個區塊的值，就相當于通過上一個區塊的哈希值掛鉤到上一個區塊尾，通過下一個區塊的哈希值掛鉤到下一個區塊鏈的頭，就形成一個鏈式結構的區塊鏈。由此可以看出基于區塊鏈技術的電力環保監測系統可以讓環保電力監測數據公開透明，安全和不可篡改，讓多方工廠、企業和環保監管部門建立了一個互信的平臺，可以高效地落地環保舉措。

3.3 數據展示模塊

利用區塊鏈的防偽、防篡改屬性來記錄每一筆交易，讓所有環境監測部門行業的上下游鏈條實現透明，促進環境監測市場提率，降低成本。數據展示模塊將區塊鏈模塊存儲的實時采集企業或者工廠的現場環保設備用電量等數據，進行關聯分析，發現異常及時推送異常報警，數據展示模塊的界面如圖3 所示。

圖3 環保設備監測系統界面

圖3 主要展示了數據展示模塊網頁界面，以圖表的形式形象地展示了監測的結果。系統通過以下3 個方面進行監測和判定：①通過關聯分析、超限分析、啟停時間分析，及時發現環保設備未開啟、異常關閉及減速、空轉等異常情況；② 通過停產限產錯峰分析，系統能夠根據環保局發布的停產限產和錯峰生產等應急預案自動判斷分析，對企業拒執行指令、違規生產等狀況第一時間向環保部門預警，提示異常；③給出企業環保設備運行報告，環保監測平臺可以生成企業環保設備運行診斷報告，配合環保監察部門分析設備環保設備運行情況，以便更準確執法。區塊鏈公開透明、智能合約的特點在一定程度上既讓參與各方都能了解整個運作流程和透明的利益分配，又能讓用戶的行為以及行為產生的獎懲由程序來執行而不依靠人為，從而進一步降低污染監測和處理的成本，可信度逐漸提升。

4 結論

當前環境保護難以突破，其中非常重要一點就在于信任機制的缺失。而區塊鏈具有去中心化、信息無法篡改，公開透明、信息可溯源、智能合約自動執行等技術優勢。借助區塊鏈技術，將環保數據寫上區塊鏈，為環保事業的發展再添新動能。本文基于區塊鏈技術實現了環保設備電力實時監測系統，面向所有環境監測接口開放，去掉環境監測行業中的渠道、發行、推廣運營等環節，創造讓用戶和用戶、用戶與監管部門直接對接結算的生態圈。本文分3個模塊研究此系統：數據采集模塊、區塊鏈模塊和數據展示模塊。數據采集模塊利用lora 技術將電力儀表采集的環保設備用電情況和運行狀況傳輸到區塊鏈模塊。區塊鏈模塊將這些數據上鏈。然后數據展示模塊通過關聯分析數據將環保設備異常使用和運行的情況展示出來，建立監管部門和各企業的互信平臺，便于環保監管部門高效執法。此系統還可以應用于產能設備監測、監測污水排放和監測空氣排放質量等情況，大大提高環保事業的監管和執行效率。