基于区块链的环境监测系统 Environmental Monitoring System based on Blockchain

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原文：

Yan, J., Zhang, F, Ma, F., Xinxin, A., Li, Y., & Huang,Y., (2019). Environmental Monitoring System Based on Blockchain. In Proceedings of the 4th International Conference on Crowd Science and Engineering (ICCSE’19). Association for Computing Machinery,. https://doi.org/10.1145/3371238.3371245

翻译内容非全文。

随着信息技术、生物技术、遥感技术等技术的应用，环境保护领域的研究取得了重大突破。 但是现有的环保体系还存在环境数据的硬件造假和软件造假等问题。
本文提出了一种基于区块链的环境监测系统，其中全网环境数据统一，数据处理、共识和发布需要多方认证。 因此，通过采用本文所建议的系统，可以防止环境数据的伪造。
此外，提出了三维环境监控架构和智能可信设备，可以保证设备采集的环境数据的完整性和原始性。

简介

环境监测是环境保护的前提，环境监测是生态文明建设的重要环节。基于环境监测数据，不仅可以客观评价环境质量，还可以反映治理的有效性。此外，环境管理和决策也应以环境监测数据为基础。但是，污染企业数据造假、政府环境监测设备干扰、各部门环境数据不一致等行为屡禁不止。上述情况严重降低了环境监测数据的质量，进而影响环境管理水平。
由于环境监测涉及方多，监测设备数量多且分散，测试环境复杂，环境监测数据质量很难提高。因此，有必要采用一个全面，多方向，系统的环境监测系统。
本文提出了一种基于区块链的环境监测系统。区块链的特点非常符合提高环境监测数据质量的需求。

此前研究

随着城市化和能源消耗的快速发展，环境污染日益严重。与此同时，越来越多的机构和个人开始关注环境保护。
关于空气污染的研究如下。研究表明，许多疾病与空气污染密切相关[1, 2]。 CO 和 SO2 是中国大多数城市的两种重要污染物，但城市之间的差异很大[3]。空气质量及其影响因素具有明显的空间异质性[4]。许多研究都着眼于通过开发许多新的空气污染指数和测试来提高 AQI [5, 6]。对于水污染，分析了主要的水污染物及其对人体健康的影响[7]。综述了处理药物残留的电化学方法[8]。
在环境监测领域，有新的设备、试剂[9]和型号的研究。在遥感方面，高分系列卫星不仅用于检测局部污染，还用于监测水、大气和生态环境[10]。
对于环境数据收集，环境监测数据涉及复杂的多维权衡[11]，它需要跨学科和系统的方法、新的数据源和利益相关者的伙伴关系[12]。

传统数据采集方法缺陷

如图1所示，传统的环保数据采集方式为部门采集、第三方采集和部门间数据共享。 部门采集包括车辆排放监测、企业排放监测、其他渠道的数据采集等，采集的数据大部分将采集到监测平台的数据中心。 而传统的监测数据采集方法存在诸多缺陷。

  • 数据收集和管理的方式大不相同。
  • 目前，没有标准化的质量保证和质量控制手段。
  • 报告低置信度数据的风险。

有两个主要的自动数据收集通道。 一个是属于政府的监测站，另一个是公共和私人组成的传感器网络。

另外，监控数据本身也存在很多问题。 环境数据存在的问题分为三部分，如图3所示，即硬件欺诈、软件欺诈和公开透明。 一旦出现问题，从数据的采集、处理、传输、发布，都很难开展环保工作。

假想平台架构

提出的基于区块链的环保系统如图4所示。 在系统中，底部是环境数据采集设备，例如 空气和水品质的传感器。 然后，从数千台设备收集的原始数据直接汇集到大数据平台。 基于大数据平台，将完成三项任务。 一是要搭建一个区块链平台，搭建一个网络，搭建一个服务。 其次，原始数据的哈希值、即刻采样的原始数据、统计数据、修正后的环保数据应毫无保留地写入区块链。 三是智能监测分析，包括环保标准监测、装置参数监测、原始数据采集监测、修正数据监测等。

区块链在防止环境数据造假方面的价值可以列举如下。

  • 全网环境数据统一，杜绝数据造假。
  • 直接记录原始数据，这减少了数据流链接并提高了数据的可靠性。
  • 修改设备参数和监控数据需要达成共识，加强监管，增加软件造假难度。
  • 数据处理、共识和发布需要多方认证，记录信息不可修改，权责清晰。 建立责任追溯制度，相关人员对原始监测数据和监测报告的真实性负责。
  • 环境数据记录公开透明，增强了数据的可信度，也便于监督和实施。
  • 为大数据分析提供可靠的数据记录，更好地支持设备运行状态分析，帮助识别恶意数据欺诈。

环保传感器与区块链网络的交互机制如图5所示。作为一个轻节点，每个传感器应该具备以下四个功能。
首先，它可以存储公钥和私钥。
其次，应该有区块链客户端SDK。
第三，所有收集的原始数据都应签名和加密。
第四，每个传感器可以将采集到的原始数据存储一段时间。
签名和加密的数据将通过网络从传感器传输到整个节点。
然后，在整个节点内，将完成两个主要功能，将传感器数据发送到区块链和同步区块链网络内的所有数据。

分布式与可信数据

3D (三维)环境监控系统

三维环境监测系统由四个主要部分组成。
最外围是空间卫星，可以实现对大气、水、土壤和生态的动态监测。
第二部分是航空气象、污染物和辐射监测。 第三部分是针对人类活动的，包括工业、农业、交通、建筑的监测，可以实现跨行业的数据分析和验证。
底部为地面，通过分布在各处的物联网设备监测土壤、水和生态状况。

智能可信设备

如图3所示，监测数据存在问题。区块链虽然在某些情况下可以防止环境数据被篡改，但无法保证原始数据的真实性和有效性。
基于以上考虑，提出了一种环保机器人方案，主要由全息数据采集模块、通信模块、执行模块、存储模块、电源模块、智能可信设备组成。

智能环保监控机器人具有感知、视觉、听觉、分析、计算、学习、管理、控制等功能，多台智能环保监控机器人根据其能覆盖的范围部署在特定区域。
它们与环保平台互联互通，形成环保监控智慧网络，是环保监控物联网的升级版。

所提出的机器人的具体功能如下。

  • 能够以有线或无线方式连接环保平台。
  • 机器人可以通过有线或无线方式相互连接。
  • 机器人可自动采集特定区域的关键环境数据，如大气、水、土壤、噪声等参数。
  • 通过摄像头实时监控特定的环保区域。
  • 基于分析和学习控制联网的智能机械操作。
  • 多台机器人协同分析诊断特定区域的环保状况。

智能可信设备的详细功能见图8。

总结

在本文中，我们提出了一种基于区块链的环境监测系统，包括环境数据采集装置、大数据平台、区块链和智能监测。
采用区块链可以防止环境数据被篡改，其中全网环境数据统一，数据处理、共识和发布需要多方认证。
还提供了传感器与区块链网络之间的交互机制。
此外，提出了三维环境监测系统，由四个主要部分组成，保证了采集数据的完整性。
而对于智能可信设备，则可以保证数据的来源。

在这篇论文的基础上，还有很多进一步的研究可以做。
首先，应提供更多详细信息。 其次，建议的系统需要通过案例研究进行分析和验证。