基于区块链技术的环保电力实时监测系统

［刘淑霞］

1 引言

目前，与经济产业发展如影随形的环境污染问题受到了人们高度的关注。如何高效可持续地实施环保举措成为了亟待解决的问题。在环保行业，数据质量是环境监测工作的生命线，环保数据的真实性、综合性、长期性是环境监测基本的要求。然而近些年，我国环境监测数据造假的新闻时有发生，数据造假已经成为环保纵深推进的大痛点之一。结合环境监测数据造假的多项报道可以看出，当前我国环境数据存储的方式，仍以“传统互联网或移动互联网”为主，采用的是关系型的数据库，比如mysql、oracle 等，创建一条记录，把某个地方某段时间的环境监测数据储存在里面。这种传统的储存手段，很容易被人为干扰。有两种普通也常见的干扰手段：①在后台程序留后门，注入脚本代码，直接操作数据库，修改数据；② 掌握数据库权限的人，直接登录数据，进行update 操作，篡改真实数据。但如果这些数据使用了区块链系统进行存储，就直接杜绝了人为干扰的情况。区块链技术分布式、可信任、不可篡改的独特属性，确保了环境监测数据的真实可靠性[1]。即便出现了篡改数据的情况，也会被区块链系统自动检测并剔除，并从其他储存点同步健康的监测数据。

利用区块链技术的去中心化、高安全性和不可篡改的特点使得环保举措得到了前所未有的提升效果，它在各行各业的环保举措中应用广泛[2～4]。文献[5]中利用区块链技术为依托解决了船舶行业污染物污染海洋的问题，利用可溯源不可篡改等特性解决了船舶行业污染物移动性强难管理的问题。文献[6]中利用区块链技术为基础，解决了电动汽车充电行业“多买家多买家”情况下交易自治交易透明公开的问题，建立电动汽车充电行业买卖互信的环境，为买卖双方提供一个高效的电力交易平台。文献[7]中利用区块链技术解决废弃纺织品利用率低的问题，使得废弃纺织品过程公开透明可追溯，提高顾客和企业间的信任，从而达到提高废弃纺织品的利用率的目的。而且现在大型企业和中小企业愈来愈多，出现了如下几个问题：对于环境监管环境监管部门人力资源远远不足，监管难度大，需要提高监管效率；环保部门监测的数据难以存证，还没有达到不可篡改或者难以篡改的地步，企业和监管部门之间没有互相信任的环境，监管主体难以服众；环保设备故障不能及时预警等。为了解决这些问题，本文结合区块链的共享、可溯源、不可篡改等特性，利用现有技术区块链，研究和现了实时监测环保系统，实时监测环保设备用电以及设备运行情况，并分析监测的数据，以网页图表的表现形式直观形象地展示出来，将预警使用异常和用电异常的环保设备。人防变为技防，减少了环保监管部门的负担，提升监管效率；监测的数据透明公开，监测数据可溯源，不仅建立了一个让环保监管和企业互信的环境，践行了环保人人有责的思想，还让环保措施真正落地，大大提高环保监管部门的执行效率。

2 区块链技术下的环保电力监测系统架构

环保电力监测系统是根据电力使用量来确定工厂或者企业的环保设备是否正常使用，从而判断企业是否使用了环保设备，将工厂或者企业代码、环保设备电力使用量等记录上传到区块链模块中，然后将采集的数据分析出来，用网页图画等展示出结果。本文研发的系统分3 个模块实现：数据采集模块、区块链模块和数据展示模块。数据采集模块主要是利用lora 技术实现的，使用lora 技术[8]能够让采集的数据以低发射功率获得更广的传输范围和距离，达到低功耗传输距离远数据传输。LoRa 融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术[9]。Lora 技术保证了采集数据的准确性和传输的安全性[10]，区块链技术保证了数据存储的安全不可篡改性，让整个监管过程安全数据可信，透明公开。系统架构图如图1 所示。

图1 系统架构图

如图1 所示，数据采集模块是采集工厂或者企业的环保设备用电数据，然后上传给区块链模块。区块链模块将这些采集的数据存储在各个共识节点的区块中。数据展示模块分析数据之后用网页的形式展现，可以直观的看到环保设备使用异常的工厂或者企业。通过对环保设施运行的实时监控，让监管人员及时掌握异常预警情况，并提前采取应对措施，推动环保执法由“被动响应式事后处理”向“主动介入式事前管控”转变，提升了执法的预见性、主动性，大大提高了监管部门的执行效率。

3 系统实现

本文研发的系统分3 个模块实现：数据采集模块、区块链模块和数据展示模块。

3.1 数据采集模块

本文研究系统的数据采集模块分为环保设备、电力仪表和设备网关三部分。此模块主要是使用lora 技术通过电力仪表实时采集现场环保设备用电等，然后上传设备编号、企业或工厂代号、设备运行情况以及设备用电量等信息。电力仪表主要功能是采集环保设备用电数据，电力仪表终端内置lora。lora 就是远距离无线电（Long Range Radio），是semtech 公司创建的低功耗局域网无线标准，它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3～5 倍。在本文研究的应用场景下，实时监测环保设备的数据，这些信息数据在网络中进行交汇，所选网络的特性直接关乎到生产计划的执行质量，需要低成本的传感器配以低功耗和长寿命的电池来追踪设备、监控状态，而lora 便是合理的最好的通信方式。数据采集模块的数据流图如图2 所示。

图2 数据采集模块的数据流

从图2 可以看出电力仪表内置的lora 无线通信，负责采集环保设备用电和设备运行状况的等数据。然后利用lora 技术无线通信与网关连接，网关负责将实时采集到的数据进行封装转发到区块链模块。网关与区块链模块的网络服务器之间通过TCP/IP 协议通信。

3.2 区块链模块

区块链模块主要是将收集的数据放到区块链的存数取数服务，上链到共识节点。区块链正是一种按照时间顺序将数据区块以链的形式组合成特定的数据结构，并用密码学方式保证了数据的不可篡改和不可伪造，也可以说是去中心化共享账本，能够安全简单、以时间顺序作为先后顺序和可以验证地存储流水账本数据。此区块链模块间共识节点采用P2P 通信，多个节点组成一条环境监测行业价值的互联网去中心化公有链。公共区块链，相对于私有链，也是区块链普遍的一种形式，它是完全开放和透明的，这表明着链上的任何工厂或者企业都可以看到每一笔监测数据。

数据采集模块采集的环保设备用电原文数据经过哈希计算后实时上链，既保证上链前数据真实，也保护了数据隐私。区块链的哈希值能够唯一而精准地标识一个区块，区块链中任意节点通过简单的哈希计算都可以获得这个区块的哈希值，计算出的哈希值没有变化也就意味着区块链中的信息没有被篡改。每个区块都包含上一个区块的哈希值和下一个区块的值，就相当于通过上一个区块的哈希值挂钩到上一个区块尾，通过下一个区块的哈希值挂钩到下一个区块链的头，就形成一个链式结构的区块链。由此可以看出基于区块链技术的电力环保监测系统可以让环保电力监测数据公开透明，安全和不可篡改，让多方工厂、企业和环保监管部门建立了一个互信的平台，可以高效地落地环保举措。

3.3 数据展示模块

利用区块链的防伪、防篡改属性来记录每一笔交易，让所有环境监测部门行业的上下游链条实现透明，促进环境监测市场提率，降低成本。数据展示模块将区块链模块存储的实时采集企业或者工厂的现场环保设备用电量等数据，进行关联分析，发现异常及时推送异常报警，数据展示模块的界面如图3 所示。

图3 环保设备监测系统界面

图3 主要展示了数据展示模块网页界面，以图表的形式形象地展示了监测的结果。系统通过以下3 个方面进行监测和判定：①通过关联分析、超限分析、启停时间分析，及时发现环保设备未开启、异常关闭及减速、空转等异常情况；② 通过停产限产错峰分析，系统能够根据环保局发布的停产限产和错峰生产等应急预案自动判断分析，对企业拒执行指令、违规生产等状况第一时间向环保部门预警，提示异常；③给出企业环保设备运行报告，环保监测平台可以生成企业环保设备运行诊断报告，配合环保监察部门分析设备环保设备运行情况，以便更准确执法。区块链公开透明、智能合约的特点在一定程度上既让参与各方都能了解整个运作流程和透明的利益分配，又能让用户的行为以及行为产生的奖惩由程序来执行而不依靠人为，从而进一步降低污染监测和处理的成本，可信度逐渐提升。

4 结论

当前环境保护难以突破，其中非常重要一点就在于信任机制的缺失。而区块链具有去中心化、信息无法篡改，公开透明、信息可溯源、智能合约自动执行等技术优势。借助区块链技术，将环保数据写上区块链，为环保事业的发展再添新动能。本文基于区块链技术实现了环保设备电力实时监测系统，面向所有环境监测接口开放，去掉环境监测行业中的渠道、发行、推广运营等环节，创造让用户和用户、用户与监管部门直接对接结算的生态圈。本文分3个模块研究此系统：数据采集模块、区块链模块和数据展示模块。数据采集模块利用lora 技术将电力仪表采集的环保设备用电情况和运行状况传输到区块链模块。区块链模块将这些数据上链。然后数据展示模块通过关联分析数据将环保设备异常使用和运行的情况展示出来，建立监管部门和各企业的互信平台，便于环保监管部门高效执法。此系统还可以应用于产能设备监测、监测污水排放和监测空气排放质量等情况，大大提高环保事业的监管和执行效率。