基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)

鄧翔

（國網(wǎng)荊州供電公司，湖北荊州 434000）

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術(shù)、定位設(shè)備、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與應(yīng)用技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程。物聯(lián)網(wǎng)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息載體，能夠讓所有獨立尋址的普通物理對象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[1-2]。

物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為產(chǎn)生的數(shù)據(jù)非常巨大且具有多樣性，物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)墓?jié)點包含多個網(wǎng)絡(luò)信息源，數(shù)據(jù)流從網(wǎng)絡(luò)終端源源不斷地進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。由于物聯(lián)網(wǎng)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，不同行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為數(shù)據(jù)均具有不同的格式和類型，所以物聯(lián)網(wǎng)的種類具有多樣性[3-4]。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)行為監(jiān)控由于使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)存在著一些缺點，例如：電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)涉及很多領(lǐng)域，包括網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息技術(shù)等，多個信息系統(tǒng)都獨立運(yùn)行，相互之間沒有聯(lián)系，導(dǎo)致信息無法共享，監(jiān)控的圖片不能實時上傳。

除此之外，傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)可靠性較低，基于以上出現(xiàn)的缺陷，該文設(shè)計了基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了區(qū)塊鏈技術(shù)，使多個信息系統(tǒng)之間重新建立聯(lián)系，監(jiān)控的圖像和網(wǎng)絡(luò)信息能夠?qū)崿F(xiàn)共享，同時提高了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電源電路設(shè)計

基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)各個器件需要1.8 V 和3.3 V 電源，考慮到監(jiān)控系統(tǒng)各個硬件的功耗，以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要存儲在物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)存儲器中，所需的電壓不高，所以使用蓄電池進(jìn)行供電，該監(jiān)控系統(tǒng)采用12 V 的電源供電[5-7]。電源電路如圖2 所示。

圖2 電源電路

無線傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及顯示監(jiān)控圖像需要較大的能耗，所以電源芯片需要向監(jiān)控系統(tǒng)提供較大電流。電源芯片選用TR8623，該芯片是一個可調(diào)的電源芯片，價格較低且功耗小，輸入的電壓范圍為5.8～26 V，最高可輸出4 A 電流，具有實時電壓限制與電池過熱保護(hù)功能。在電源電量不足時，可使監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，這時的電源電壓會由10 V 降到8 V，之后通過電流分壓，使監(jiān)控系統(tǒng)由睡眠進(jìn)入喚醒狀態(tài)，可調(diào)電位器調(diào)節(jié)到1.8 V，監(jiān)控系統(tǒng)喚醒狀態(tài)與睡眠狀態(tài)瞬時電壓會高于10 V，接近12 V，電流的瞬時值最高達(dá)到4 A[8-9]。

1.2 監(jiān)測器設(shè)計

基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測器負(fù)責(zé)監(jiān)測傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對采集的數(shù)據(jù)作丟包處理，通過監(jiān)測器串口節(jié)點連接網(wǎng)絡(luò)終端通信模塊。監(jiān)測器內(nèi)核具有浮點單元，其工作頻率為200 MHz，在系統(tǒng)運(yùn)行或者暫停時具有較好的低功耗性能，具有14個頻率高達(dá)150 MHz的8位和16 位定時器，高達(dá)256 kB 的高速存儲器和128 kB 的定位接口等，這樣設(shè)計完全能夠滿足基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)性能需求。除此之外，監(jiān)測器外圍電路的主控芯片選用具有無線通信收發(fā)功能的EPB7639，該芯片為電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備、可定位可穿戴的電子產(chǎn)品，其工作能耗較小，電源電路將220 V 交流電經(jīng)過轉(zhuǎn)換后通過隔離電阻獲得10 V直流電，經(jīng)過終端電壓為3.3 V直流，電路芯片與串口相連接，實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為的實時監(jiān)測[10-12]。

1.3 微處理器設(shè)計

基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)的微處理器是系統(tǒng)的智能控制中心，微處理器的芯片選用三星公司生產(chǎn)的SX6240A，該芯片集成了電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)資源，提供了大量的接口，其中芯片內(nèi)核為RAN8，具有500 MHz 主頻，在系統(tǒng)運(yùn)行時最高可達(dá)550 MHz。微處理器具有MobileSDR內(nèi)存，32 MB容量，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可保存2 MB容量，系統(tǒng)再次啟動時電平變換芯片，這時可產(chǎn)生1.8 V、3.3 V 電壓[13-14]。微處理器示意圖如圖3 所示。

圖3 微處理器示意圖

微處理的外圍電路采用高效DC/DC 電源電路，在監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入睡眠或喚醒狀態(tài)時核心電壓可選擇關(guān)斷，USB 選用最新更新的2.0 版本，支持高速USB主從接口，可進(jìn)行OTG關(guān)斷操作，200 M的IT網(wǎng)卡1個，該微處理器的存儲接口為SD 卡接口，該接口可支持64 GB SD 卡，能夠存儲海量的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及實時監(jiān)控圖像，音頻接口為ADU1314，可以使監(jiān)控的立體聲音瞬時輸出，同時也可以錄音，LCD接口為四線電阻式可觸摸屏接口，具有高度的識別功能，可接多種類型的轉(zhuǎn)換模板，微處理器的照相機(jī)攝像頭為260 萬像素，能夠清晰顯示監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控畫面，可以將圖像暫停，方便實時查看還可回放，保存時間長達(dá)6 個月，并且可支持AV 信號輸入。為了使圖像更加清晰可見，還可接入更高像素的攝像頭，微處理器的AD 轉(zhuǎn)換器可用來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)終端信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[15-16]。

1.4 控制器設(shè)計

系統(tǒng)的控制器采用ST 公司生產(chǎn)的一款低功耗控制器，正常功耗需要100 μA，在系統(tǒng)低功耗狀態(tài)下電流僅需要300 nA，該款控制器的工作頻率最高可以達(dá)到20 MHz，最多具有50 個外部中斷源，控制器內(nèi)部存有32 kB 的閃存，除此之外還包括LCD 控制器、時鐘、引腳、單通道等外部設(shè)備。選擇STV6J131作為控制器的控制芯片，這款芯片使控制器的功能更加強(qiáng)大并且所占體積較小，芯片集成度較高，且這款芯片具有較高的無線傳輸功能，傳輸功率最高可達(dá)40 dBm，數(shù)據(jù)接收靈敏度最高達(dá)到-100 dBm，傳輸距離最大達(dá)2 500 m，芯片的工作電壓為1.8～3.3 V，工作頻段為150～850 MHz，控制器與外圍電路可共同構(gòu)成一個無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，控制器內(nèi)部處理器可以達(dá)到68 MHz 的工作頻率，內(nèi)部設(shè)有高速存儲器，具有256 kB 的閃存存儲器、豐富的I/O 端口、32 位定時器、SDI 等內(nèi)設(shè)接口，外圍電路最低可在1.8 V 電壓下工作，外圍電路通過轉(zhuǎn)換可得到1.2 V 的電源，該款控制器在3 種低功耗運(yùn)行模式下可以使監(jiān)控系統(tǒng)短時間內(nèi)達(dá)到平衡?？刂破麟娐穲D如圖4所示。

圖4 控制器電路圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

區(qū)塊鏈技術(shù)廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)信息領(lǐng)域，從本質(zhì)上講，區(qū)塊鏈實際上是一個巨大的數(shù)據(jù)庫，可以存儲海量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)信息，具有公開透明、可留痕跡、追溯維護(hù)等特點。在電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為監(jiān)控方面，采用區(qū)塊鏈的技術(shù)，可以合理分析物聯(lián)網(wǎng)終端異常行為，及時找出電力物聯(lián)網(wǎng)終端存在的問題。通過海量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心平臺的共享，對電力物聯(lián)網(wǎng)信息進(jìn)行分析、分類、歸納，對物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行維度選擇，應(yīng)用相應(yīng)的算法對電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)異常行為進(jìn)行實時監(jiān)控和評估。根據(jù)用戶自身的需求，保留網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)與監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心共享實時畫面，通過對電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為的分類，建立網(wǎng)絡(luò)行為標(biāo)簽，對電力物聯(lián)網(wǎng)終端異常情況進(jìn)行及時預(yù)測。

基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

圖5 基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程

首先由監(jiān)測模塊完成物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集。監(jiān)測模塊軟件由C 語言設(shè)計，在硬件系統(tǒng)的控制器中運(yùn)行。監(jiān)測模塊主要完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)行為終端設(shè)備啟動之后，對芯片各個外部設(shè)備進(jìn)行初始化，驅(qū)動微處理器工作，獲取電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為的網(wǎng)絡(luò)信息，將采集到的網(wǎng)絡(luò)信息封包上傳到網(wǎng)絡(luò)處理平臺。

然后監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心進(jìn)行實時監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心為網(wǎng)絡(luò)處理平臺提供服務(wù)的接口，以此實現(xiàn)系統(tǒng)終端上傳采集到的數(shù)據(jù)，上傳完成后進(jìn)行存儲，同時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)行為設(shè)備狀態(tài)以及控制網(wǎng)絡(luò)終端信息的管理，通過軟件的Web 界面，實時顯示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。用戶訪問Web 界面時，可以遠(yuǎn)程查看電力物聯(lián)網(wǎng)終端的網(wǎng)絡(luò)行為和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境圖像，監(jiān)控到的網(wǎng)絡(luò)信息和圖像同時上傳到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器可支持多種網(wǎng)絡(luò)信息傳輸協(xié)議，可向電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)平臺提供大數(shù)據(jù)分析以及網(wǎng)絡(luò)信息分發(fā)，監(jiān)控中心的監(jiān)控設(shè)備具有較好的可視化應(yīng)用。

最后對監(jiān)控到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為信息進(jìn)行測試。將監(jiān)控中心監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)信息以及數(shù)據(jù)打包分發(fā)到服務(wù)中心，對電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺出現(xiàn)的故障采用編寫代碼進(jìn)行修改，網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備將監(jiān)控到的數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)行為信息上傳成功后，根據(jù)數(shù)據(jù)流的多少可獲得數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)信息的測試結(jié)果。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

為了驗證文中提出的基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)基于數(shù)據(jù)分析的監(jiān)控系統(tǒng)和基于數(shù)據(jù)挖掘的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實驗對比。得到的監(jiān)控時延實驗結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)控時延實驗結(jié)果

根據(jù)上述實驗結(jié)果可知，該文提出的系統(tǒng)監(jiān)控效果更好。該文設(shè)計的基于區(qū)塊鏈的電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為實時監(jiān)控系統(tǒng)，采用了區(qū)塊鏈技術(shù)，使物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為與信息資源得到有效的整合，實現(xiàn)了電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為與網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)的共享，減少了網(wǎng)絡(luò)行為與網(wǎng)絡(luò)信息的傳遞失真，避免了信息孤島與系統(tǒng)的重復(fù)性工作，存儲了大量的物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)信息與網(wǎng)絡(luò)行為，對網(wǎng)絡(luò)終端出現(xiàn)的異常行為作出了及時的分析、歸納、分類與糾正，糾正后的結(jié)果及時上傳到監(jiān)控系統(tǒng)的云端服務(wù)器中，并通過監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的工作效率，進(jìn)一步提高了電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。除此之外，電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，設(shè)置了監(jiān)測器、電源電路、控制器與微處理器，監(jiān)測器采集了電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的多種異常行為以及海量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息，通過微處理器處理網(wǎng)絡(luò)異常行為與數(shù)據(jù)，使電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為恢復(fù)正常，處理過的數(shù)據(jù)存儲在監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器中，再通過監(jiān)控系統(tǒng)的顯示功能顯示結(jié)果，這樣的設(shè)計使監(jiān)控系統(tǒng)更具功能性，監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控性能更加穩(wěn)定，硬件與軟件操作更加方便，軟件中編寫了保護(hù)程序，使電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)的安全性更高[17]，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，用戶數(shù)據(jù)受到監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)流組件、操作系統(tǒng)、防火墻等的層層保護(hù)，提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的精確性與及時性。

4 結(jié)束語

該文基于區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計了電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)行為監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)異常行為的及時處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)參數(shù)的信息采集和物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)的資源共享。設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)具有功耗低、安全性好、可靠性高、體積小、功能性更強(qiáng)等特點，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控結(jié)果可知該系統(tǒng)成功實現(xiàn)了電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)異常行為的分析、歸納與處理。訪問監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心可查看網(wǎng)絡(luò)實時信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，除此之外，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程圖像采集功能。通過監(jiān)測器的網(wǎng)絡(luò)攝像頭增加了視頻監(jiān)控功能，使監(jiān)控系統(tǒng)更具安全性和可靠性。