基于STM32的樣品運輸環(huán)境可信監(jiān)測方案研究與實現(xiàn)

張學(xué)軍，周寅峰，谷群遠，張自峰，游增輝

（1.鹽城市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢驗檢測中心電子電器檢驗部，江蘇 鹽城 224056；2.上海天俁可信物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，上海 201210）

隨著國家對產(chǎn)品安全問題的重視，市場監(jiān)督領(lǐng)域?qū)z驗檢測過程的真實性與準確性要求愈發(fā)嚴格。在樣品的運輸環(huán)節(jié)發(fā)生存儲環(huán)境異常，會使樣品性狀發(fā)生改變，進行導(dǎo)致樣品檢驗檢測結(jié)果失去公正性、科學(xué)性。針對以上問題，文獻[1-4]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的低功耗實時監(jiān)測方案。近年來區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中逐漸得到了應(yīng)用[5-9]，由區(qū)塊鏈節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)上鏈，保證了已上鏈數(shù)據(jù)的安全性[10-11]。

該文將STM32 單片機、物聯(lián)網(wǎng)傳感器與區(qū)塊鏈結(jié)合，在嵌入式系統(tǒng)上運行SHA-256 算法，計算樣品環(huán)境數(shù)據(jù)的哈希值，實現(xiàn)檢驗樣品環(huán)境數(shù)據(jù)從采集至上鏈之間是否被篡改，有效規(guī)范了質(zhì)量監(jiān)督管理流程，提升了樣品運輸?shù)陌踩浴?/p>

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

系統(tǒng)由硬件層、通信層、服務(wù)層、應(yīng)用層組成，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。硬件層的嵌入式硬件設(shè)備采集數(shù)據(jù)，即溫度、濕度與加速度。采集完畢后將數(shù)據(jù)進行哈希映射，分別將數(shù)據(jù)與哈希值上傳至數(shù)據(jù)存儲平臺與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。通信層采用無線通信的方式實現(xiàn)硬件層與服務(wù)層之間的通信。服務(wù)層由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)存儲平臺組成。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)提供上鏈接口與哈希檢索接口，硬件層調(diào)用上鏈接口將哈希值上傳至區(qū)塊鏈，用戶調(diào)用區(qū)塊鏈檢索接口查看數(shù)據(jù)的哈希值。應(yīng)用層中用戶通過數(shù)據(jù)存儲平臺獲取數(shù)據(jù)，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)接口檢索數(shù)據(jù)的哈希值，并判斷其是否匹配，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的溯源。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計

一般情況下，檢驗檢測樣品常溫存儲的溫度要求低于30 ℃，冷藏存儲的溫度變化區(qū)間在-10～0 ℃[12]。為使硬件設(shè)備在樣品保存環(huán)境中穩(wěn)定工作，各器件均需適應(yīng)樣品存儲環(huán)境，結(jié)合實際工作情況，該文系統(tǒng)的硬件應(yīng)具備在-20～55 ℃范圍內(nèi)工作的能力。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 溫濕度采集

樣品運輸過程需保持環(huán)境溫度、濕度的穩(wěn)定，以免引起樣品腐敗、霉變等問題，導(dǎo)致檢驗檢測結(jié)果不準確。因此需對樣品保存環(huán)境的溫度、濕度進行實時監(jiān)測。

SHT20 溫濕度采集芯片的外殼由環(huán)氧樹脂制成，該芯片采用I2C 通信方式，電壓輸入范圍為2.1～3.6 V。溫度測量范圍為-40～120 ℃，測量精度為0.01。濕度測量范圍為0%RH～100%RH，測量精度為0.04。該芯片適用于樣品運輸過程的環(huán)境，滿足對樣品的溫濕度采集的范圍要求，且成本低廉。故該文采用SHT20 芯片作為系統(tǒng)的溫濕度傳感器芯片。SHT20 傳感器連接硬件系統(tǒng)中MCU 的IIC 總線，PB6、PB7 引腳對應(yīng)IIC 總線中的SCL 與SDA。

2.1.2 加速度采集

運輸車輛的碰撞或意外情況的發(fā)生，將造成車內(nèi)存儲環(huán)境的變化，嚴重可直接導(dǎo)致樣品包裝的破損、車內(nèi)樣品存儲設(shè)備的損壞，最終造成檢驗檢測結(jié)果的失真。為監(jiān)測運輸車輛的運行狀態(tài)，將加速度采集納入硬件系統(tǒng)。BMA400 芯片的加速度采集范圍從±2g 至±16g，可反映車輛運行狀態(tài)，芯片工作溫度為-40～85 ℃，適用于樣品運輸工作環(huán)境。電壓輸入為2.1～3.6 V，芯片兼容SPI、I2C 兩種通信方式。MCU 可發(fā)送指令控制芯片的工作模式，便于程序的研發(fā)與系統(tǒng)的功耗控制。故該文選擇BMA400 芯片作為加速度傳感采集模塊的核心芯片。

該芯片存在三種工作模式，分別為睡眠模式、低功耗模式、正常模式。睡眠模式下芯片停止工作，低功耗電流為200 nA。低功耗模式下，模塊處于低速運行狀態(tài)，電流消耗小于1 200 nA。正常模式下，模塊噪聲性能與電流消耗可通過寄存器配置進行調(diào)整。該芯片兼容SPI 與I2C 兩種連接方式，為使硬件電路設(shè)計更加簡潔，該文選擇I2C 連接方式，將BMA400 芯片連接在STM32 的I2C 總線上，該模塊連接兩根數(shù)據(jù)線SDA、SCL。

2.2 主控模塊

微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）是硬件系統(tǒng)的核心器件，是控制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與無線傳輸?shù)墓δ苤袠小TM32F103C8T6 芯片可達到最高主頻72 MHz，電壓范圍2.0～3.6 V，64 kB Flash，20 kB SRAM；具有兩個I2C 端口，三個USART 端口；具有Stanby 模式，保證系統(tǒng)的低功耗設(shè)計，在Stanby模式下芯片電流可降低至μA 級，帶有RTC 鬧鐘，具有事件定時喚醒功能，該模式下RTC 鬧鐘喚醒則系統(tǒng)自動重啟。該芯片在-40～80 ℃下可正常工作，適應(yīng)運輸中樣品的保存環(huán)境，且成本低廉。該系列芯片兼容性強，應(yīng)用范圍較廣，技術(shù)支持相對較多，采用該型號芯片可減少研發(fā)周期?？紤]到系統(tǒng)的設(shè)計與規(guī)劃，平衡MCU 的性能與成本，故該文采用STM32F103C8T6 芯片作為MCU。

硬件系統(tǒng)核心電路圖如圖2 所示，電路上主要集成了STM32F103C8T6 單片機，外部高速時鐘(HSE)8 MHz 晶振、外部低速時鐘(LSE)32.768 kHz 晶振，外部低速時鐘主要用作系統(tǒng)在低功耗模式下的RTC 時鐘源。

圖2 硬件系統(tǒng)核心電路圖

2.3 電源穩(wěn)壓模塊

硬件系統(tǒng)的運行需要電源提供能量，電源信號的穩(wěn)定性直接影響各器件的工作。電源穩(wěn)壓模塊用于維持硬件系統(tǒng)輸入電壓的穩(wěn)定，降低電源電壓的異常波動，提升硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、信號完整性。穩(wěn)壓芯片作為電源穩(wěn)壓模塊的核心器件，芯片的電壓輸入范圍需包含電源提供的電壓，也需兼容硬件系統(tǒng)上各模塊、芯片的電氣參數(shù)。RT8009-33G 芯片的電壓輸入范圍為2.5～5.5 V，通過電路設(shè)計可輸出3.3 V 電壓，提供的最大工作電流IMAX=600 mA，該芯片是轉(zhuǎn)換效率較高的DC/DC 降壓芯片，轉(zhuǎn)換效率為95%，且成本相對低廉。故該文采用RT8009-33G 作為硬件電源模塊的芯片，電源設(shè)計如圖3 所示。

圖3 電源設(shè)計圖

2.4 無線通信模塊

有線通信方式不適用于運輸過程。在無線通信方式中，藍牙通信功耗低，但是其距離近。Lora 通信待機功耗低、通信距離遠、抗干擾性強，但需要部署通信節(jié)點，成本高。WiFi 模塊待機功耗低，通信距離近，可通過手機熱點連接至蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)，無需部署節(jié)點，成本較低，也便于維護。綜合考慮以上因素，該文采用嵌入式硬件集成WiFi 模塊，通過WiFi 模塊連接手機熱點，建立與互聯(lián)網(wǎng)的通信。

ESP8266 系列模塊集成了TCP/IP 協(xié)議棧，該模塊的輸入電壓范圍為3～5 V，可在-20～85 ℃的環(huán)境下工作，適應(yīng)于樣品運輸環(huán)境；模塊成本相對低廉，應(yīng)用范圍廣，具有低功耗模式，在低功耗模式下可定時喚醒也可外部中斷喚醒，便于系統(tǒng)整體的功耗設(shè)計，且該模塊集成AT 固件，易于操作，能夠縮短設(shè)備的研發(fā)周期。故該文采用ESP8266-12F 模塊作為系統(tǒng)中WiFi 通信模塊。模塊連接硬件系統(tǒng)中的四個引腳，分別為VCC、GND、TX、RX。其中RX、TX 分別接STM32F103C8T6 的PA2、PA3。

3 嵌入式軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)程序流程如圖4 所示，啟動設(shè)備硬件，執(zhí)行系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化完畢，MCU 對各數(shù)據(jù)采集模塊進行輪詢，得到傳感器數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊使用SHA-256 算法將傳感器數(shù)據(jù)映射出對應(yīng)的哈希值。硬件層采用異步處理方式，先后將采集的數(shù)據(jù)與哈希值分別發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲平臺與區(qū)塊鏈節(jié)點。嵌入式硬件設(shè)備先建立與服務(wù)層區(qū)塊鏈節(jié)點的通信連接，嵌入式硬件系統(tǒng)向區(qū)塊鏈服務(wù)器發(fā)送哈希值，并等待服務(wù)器返回通信成功的標識。若系統(tǒng)收到成功標識，則硬件設(shè)備斷開與服務(wù)器的連接，通信成功。如未收到成功標識，硬件設(shè)備立即結(jié)束通信，進入休眠模式。與區(qū)塊鏈服務(wù)器通信成功后，硬件系統(tǒng)再發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)存儲平臺。至此，硬件層通信結(jié)束，系統(tǒng)進入睡眠模式，等待定時喚醒。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

3.2 哈希算法

SHA 哈希算法作為哈希算法中的一個系列，又分為四種系列算法，分別為SHA-0、SHA-1、SHA-2和SHA-3[13]。其中SHA-0 與SHA-1 已被碰撞攻擊破解。SHA-3 算法采用的結(jié)構(gòu)與SHA-1、SHA-2 算法不同，在應(yīng)用上并未取代SHA-2 系列算法[14]。在SHA-2 系列算法中，SHA-256 和SHA-512 是原始哈希函數(shù)，SHA-224 和SHA-384 分別為SHA-256 和SHA-512 的截斷函數(shù)[15]。當下廣泛應(yīng)用于區(qū)塊鏈中的是SHA-256 算法[16]。

SHA-256 算法作為安全散列算法的一種，由美國國家安全局(NSA)與美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)于2002 年公布。其主要作用是實現(xiàn)任意長度（長度小于264 位）數(shù)據(jù)的輸入，該算法均輸出長度為256 位的消息摘要，這個過程叫數(shù)據(jù)抽樣，也叫哈希映射。該算法具有單向性，算法輸出結(jié)果無法逆推輸入數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)不同，輸出的哈希值也不相同。該算法作為實現(xiàn)區(qū)塊鏈概念的技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于區(qū)塊鏈項目中[17]。

經(jīng)計算，當前SHA-256 算法在嵌入式芯片中所占的Flash 為1.441 kB，所占RAM 空間為0.718 kB。而STM32F103C8T6 芯片具有64 kB 的Flash 空間、20 kB 的SRAM 空間、MCU 的存儲空間足以存儲該算法，且所占存儲空間比例相對較低。當前MCU 足以支持該算法的正常運行，且留有空間拓展。SHA-2系列算法輸出的哈希值越長，哈希碰撞幾率越低，數(shù)據(jù)的安全性越高，但需提供的算力越高?？紤]當前區(qū)塊鏈應(yīng)用的算法，平衡哈希算法的安全性與所需算力，結(jié)合MCU 所能提供的存儲量與算力，該文采用SHA-256 算法作為嵌入式系統(tǒng)中的哈希算法。

3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

先將輸入數(shù)據(jù)以長度為512 位的獨立單位分割，對余下長度不足的余數(shù)進行補位，最終輸出長度為512 位的n個消息塊數(shù)組Mj。

3.2.2 數(shù)據(jù)擴展

以長度為32 位為單位將Mj分割為16 組數(shù)據(jù)塊(Mj0,Mj1,…Mj15)，通過擴展算法，得到64 組長度為32位的數(shù)據(jù)塊(W0,W1…W63)

擴展算法如下：

3.2.3 哈希計算

初始8 維哈希常數(shù)(a0,b0,c0,d0,e0,f0,g0,h0)作為數(shù)組H(a,b,c,d,e,f,g,h)的初始值。通過擴展算法得到64 組數(shù)據(jù)塊Wt后，將64 組常數(shù)Kt代入輪換函數(shù)中執(zhí)行，輪換函數(shù)流程如圖5 所示。輪換函數(shù)循環(huán)迭代64 次，最終在數(shù)組H(a,b,c,d,e,f,g,h)中輸出結(jié)果。

圖5 輪換函數(shù)流程圖

每個Mj數(shù)據(jù)塊執(zhí)行一次輪換函數(shù)，共執(zhí)行n次輪換函數(shù)。將Mj在H(a,b,c,d,e,f,g,h)中輸出的結(jié)果，作為輪換函數(shù)計數(shù)下一個消息塊Mj+1的H數(shù)組初始值，當最后一個消息塊計算完畢后，最終在數(shù)組H(a,b,c,d,e,f,g,h)中輸出結(jié)果，通過將其拼合，即得出哈希值。

輪換函數(shù)所需公式如下：

該文根據(jù)該算法原理，編寫SHA-256 算法中的輪換函數(shù)，偽代碼如下：

3.3 驅(qū)動函數(shù)

I2C 通信是MCU 與傳感器的通信方式之一，連接線少，操作簡單，通信速率高[18]，MCU 通過地址尋址方式定位傳感器，控制地址對應(yīng)的傳感器，I2C 總線上可并聯(lián)多組傳感器。該文采用I2C 通信方式擴展傳感器。對多組傳感器輪詢，可單獨運行一個傳感器，其他傳感器處于低功耗模式，錯開傳感器的運行狀態(tài)，降低系統(tǒng)運行的峰值電流，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

USART 通信作為MCU 與功能模塊的通信方式中的一種重要方式，可設(shè)置波特率，得到一個寬廣的通信速率變化范圍，既用于MCU 與功能模塊間的通信，也用在PC 端對硬件設(shè)備進行系統(tǒng)調(diào)試。MCU 通過發(fā)送該功能模塊上已集成的指令對其進行控制。系統(tǒng)采用USART2 端口連接WiFi模塊ESP8266。

RTC(Real_Time Clock)實時時鐘獨立于STM32系統(tǒng)，在Stanby 低功耗模式下獨立運行。RTC 可產(chǎn)生鬧鐘事件中斷喚醒STM32，使STM32 退出低功耗模式。硬件系統(tǒng)進入休眠模式時，需靠RTC 時鐘喚醒。

RTC時鐘配置函數(shù)RTC_INIT()，將RTC配置為采用外部低速時鐘(LSE)信號，RTC鬧鐘中斷設(shè)置為5 min。系統(tǒng)進入休眠模式，RTC 時鐘開始計時，當休眠時間達到5 min，觸發(fā)鬧鐘事件中斷，系統(tǒng)恢復(fù)工作。

3.4 邏輯函數(shù)

系統(tǒng)按照模塊劃分功能，邏輯函數(shù)用于實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的具體功能，并且使得系統(tǒng)的功能層次分明，主程序的邏輯更加簡潔明了，既便于理解又便于調(diào)試。各邏輯函數(shù)及其功能如表1 所示。

表1 邏輯函數(shù)及其功能

3.4.1 數(shù)據(jù)采集函數(shù)

sht20_get()函數(shù)的功能是讀取溫濕度值。首先，MCU 通過I2C 總線與溫濕度傳感器建立I2C 通信連接，再給SHT20 發(fā)送測量命令，等待讀取來自SHT20芯片反饋的溫濕度數(shù)值。將讀取的溫度值與濕度值分別存儲在變量TEMP 與變量HUMI 中。

gcc_get()函數(shù)的功能為讀取加速度值，以記錄車輛的運行狀態(tài)。首先，MCU 通過I2C 總線建立與BMA400 芯片的通信連接，再向BMA400 發(fā)送讀取模塊ID 號的指令，MCU 等待返回，如芯片返回值正確，則芯片啟動成功。該芯片啟動成功后自動進入睡眠模式，此時芯片不能讀取加速度數(shù)據(jù)。MCU 發(fā)送指令讓該芯片進入正常模式，讀取加速度值，等讀取完畢，MCU 再發(fā)送指令使模塊進入睡眠模式。

3.4.2 數(shù)據(jù)處理函數(shù)

sha256_count()函數(shù)是根據(jù)SHA-256 算法原理編寫的，其功能是將輸入數(shù)據(jù)哈希映射出對應(yīng)的哈希值，輸出類型為字符串。

HASH_POST_config()函數(shù)將哈希值按照HTTP協(xié)議POST 請求方式組成HTTP 請求消息，即POST報文。報文內(nèi)容包含區(qū)塊鏈節(jié)點的聯(lián)盟鏈密鑰，聯(lián)盟鏈密鑰給予了硬件設(shè)備調(diào)用上鏈接口的權(quán)限，無密鑰，則不能將哈希值上傳至聯(lián)盟鏈。

DATA_POST_config()函數(shù)的功能是將傳感器數(shù)據(jù)生成HTTP 協(xié)議的POST 請求報文。該報文與上傳區(qū)塊鏈節(jié)點的POST 報文雖原理相同，但在內(nèi)容上有較大差異，故寫成兩個函數(shù)。

3.4.3 無線通信函數(shù)

upload_HASH()函數(shù)的功能是將由HASH_POST_config()函數(shù)生成的POST 請求報文上傳至區(qū)塊鏈節(jié)點。首先建立硬件設(shè)備與區(qū)塊鏈節(jié)點的通信，然后向區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器上傳報文。發(fā)送報文后，硬件設(shè)備等待服務(wù)器返回成功標識，如返回成功，則硬件設(shè)備斷開與區(qū)塊鏈節(jié)點的通信，該函數(shù)流程結(jié)束，系統(tǒng)程序繼續(xù)向下執(zhí)行，將該哈希值對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)存儲平臺；如返回失敗，則哈希值未上傳至區(qū)塊鏈，該樣品環(huán)境數(shù)據(jù)無法在區(qū)塊鏈上溯源，即為無效數(shù)據(jù)，故系統(tǒng)不上傳該傳感器數(shù)據(jù)，直接結(jié)束程序，硬件設(shè)備進入休眠狀態(tài)。

upload_DATA()函數(shù)的功能是將由傳感器數(shù)據(jù)生成的POST 請求報文上傳至數(shù)據(jù)存儲平臺，數(shù)據(jù)上傳后，硬件設(shè)備進入休眠模式，等候下一次喚醒。

4 實驗結(jié)果

搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，將程序編譯后，使用仿真下載器燒錄進STM32 芯片。啟動硬件系統(tǒng)，硬件設(shè)備將樣品運輸環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)存儲平臺后，在該平臺的網(wǎng)頁獲取上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)。測得硬件系統(tǒng)處于工作狀態(tài)的平均電流為43.1 mA，休眠模式下平均電流為112.3 μA。系統(tǒng)每6 min 采集一次環(huán)境數(shù)據(jù)，環(huán)境數(shù)據(jù)由5 維參數(shù)組成，temp 表示溫度，humi 表示濕度，acc_x,y,z三組數(shù)據(jù)分別表示三維加速度。

為校驗上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)是否被篡改，選取平臺中的一組數(shù)據(jù)進行校驗。將該組數(shù)據(jù)在第三方平臺提供的SHA-256 算法中進行運算，得出對應(yīng)的哈希值，如圖6 所示。再調(diào)用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的檢索接口檢索該哈希值，檢索結(jié)果表明該數(shù)據(jù)的哈希值已在區(qū)塊鏈上，結(jié)果如圖7 所示。根據(jù)SHA-256 算法特性，原數(shù)據(jù)一經(jīng)篡改，對應(yīng)的哈希值就大不相同，故不能在區(qū)塊鏈上檢索出相應(yīng)結(jié)果。該組環(huán)境數(shù)據(jù)對應(yīng)的哈希值能夠在區(qū)塊鏈上檢索出結(jié)果，證明環(huán)境數(shù)據(jù)本身未被篡改，同理檢驗其他組環(huán)境數(shù)據(jù)也未被篡改。實驗表明，可通過硬件上的SHA-256 算法在嵌入式系統(tǒng)上映射數(shù)據(jù)的哈希值，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)驗證環(huán)境數(shù)據(jù)在上鏈之前是否被篡改。

圖6 環(huán)境數(shù)據(jù)計算哈希值

圖7 上鏈哈希值檢索結(jié)果

5 結(jié)束語

該文將SHA-256 算法寫入嵌入式硬件系統(tǒng)中，在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)SHA-256 算法對環(huán)境數(shù)據(jù)的哈希映射。環(huán)境數(shù)據(jù)采集完畢，系統(tǒng)即刻生成對應(yīng)的哈希值，而后將數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的哈希值分別上傳至數(shù)據(jù)存儲平臺與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，最終用戶通過哈希值校驗數(shù)據(jù)。通過嵌入式硬件設(shè)備上生成的哈希值校驗數(shù)據(jù)，提升了所采用環(huán)境數(shù)據(jù)的可信度，使得環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測與溯源從服務(wù)層延伸至硬件層。從而采用的樣品監(jiān)測數(shù)據(jù)更加可靠，樣品檢驗檢測結(jié)果準確性與可信度更高。由于上傳至區(qū)塊鏈的是哈希值，而非完整的環(huán)境數(shù)據(jù)，故降低了區(qū)塊鏈需提供的數(shù)據(jù)存儲量。為適應(yīng)更多的應(yīng)用場景，可嵌入具有能夠準確控制時序的操作系統(tǒng)，使得系統(tǒng)對時間的控制更加準確。