基于LoRa通信技术及区块链节点化架构的智慧园区物联网平台的研究与设计

摘要：通过研究LoRa无线通信技术、基于区块链节点化架构的智慧物联网技术，将园区中传统多样化智能系统改造为高融合、可感知、能交互，并具有自我学习能力，不断进化的智慧系统，实现系统与系统，用户与系统之间的智慧互联，从而实现真正意义的智慧化园区。
 
关键词：LoRa；NFSP协议；区块链；智慧园区；物联网；VF-IoT
1、概述
自从住房和城乡建设部公布 2013年度国家智慧城市试点名单、确定 103 个城市为 2013 年度国家智慧城市试点以来，我国智慧城市发展迅速，试点城市数量不断增加。相关资料显示，截至 2016 年 6 月，我国 95% 的副省级城市、76% 的地级城市，总计超过 500 座城市，明确提出构建智慧城市的相关方案。各试点城市从城市发展的战略全局出发，以科技创新与新一代信息技术、控制技术、计算机技术、网络技术等为支撑，着力解决制约城市发展的现实问题，从而实现建设绿色、低碳、智慧城市的目标。
城市综合体、产业园区、高校园区、企业园区是城市空间体系的基本组成单元，是绿色建筑、智能建筑的终端实现载体，智能化建设是智慧城市建设的技术基础，因此发展智慧城市离不开城市综合体与产业园区的智能化建设，即智慧园区的智能化建设。智慧园区的智能化建设是智慧城市的基础建设，是智慧城市建设的重要组成部分，是保障绿色建筑、绿色生态城区和智慧城市有效运营的必要的技术措施。
物联网技术与智慧园区相结合可以实现园区内各个智能化系统的有效协同，数据共享，通过物联网技术构筑的智慧园区平台具有可扩展的业务配置管理功能，通过它可向住户、企业、园区管理者、系统维护者等不同用户提供多样化的服务，可以满足用户的个性化需求。LORA是LPWAN通信技术的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折中考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。NFSP为LPWAN网络制定通讯协议和系统架构，而LoRa物理层负责长距离的通讯连接。通讯协议和网络架构对于节点的电池寿命、网络能力、服务质量、安全性、应用多样性有着至关重大的影响力。
区块链凭借主体对等、公开透明、安全通信、难以篡改和多方共识等特性，对物联网将产生重要的影响：多中心、弱中心化的特质将降低中心化架构的高额运维成本，信息加密、安全通信的特质将有助于保护隐私，身份权限管理和多方共识有助于识别非法节点，及时阻止恶意节点的接入和作恶，依托链式的结构有助于构建可证可溯的电子证据存证，分布式架构和主体对等的特点有助于打破物联网现存的多个信息孤岛桎梏，促进信息的横向流动和多方协作。
本文通过研究LoRa无线通信技术、基于区块链节点化架构的智慧物联网技术，将园区中传统多样化智能系统改造为高融合、可感知、能交互，并具有自我学习能力，不断进化的智慧系统，实现系统与系统，用户与系统之间的智慧互联，从而实现真正意义的智慧化园区。
当前国内外对区块链＋物联网的研究内容主要方向是利用区块链技术在物联网中的设备之间建立低成本的连接，并且通过去中心化的共识机制提高系统的安全私密性。同时，区块链技术与智能合约的叠加能够把每个智能设备变成可以自我维护调节的网络节点，可以自行交换信息、核实身份，并且进行业务交易。
区块链＋物联网的研究需要针对不同的行业背景及应用场景进行特殊规划设计。VF-IoT平台主要是针对企业级私有化物联网应用而规划设计，具体应用到智慧建筑，智慧园区，将不同的智能化服务系统及智能设备进行数据和业务整合。
2、基于LoRa的NFSP不稳定网络数据快频交换协议及架构
LoRa采用星型结构以达到长距离连接的稳定性和保障节点的电池寿命。LoRa采用Aloha方法进行通讯，只在节点有数据要发送的时候采取向网络同步数据。LoRa集中器/网关需要强大的接受信息能力以满足巨量节点的要求，网关往往会采用多路同时收发的传输器来满足星型网络结构的要求。NFSP通过对使用的设备进行分类，以适配不同应用场景，不同设备类别需要平衡下行通讯延迟和电池寿命。NFSP使用两层安全模型：一个为网络安全，一个为应用安全。网络安全是为了保证网络中节点的认证，而应用安全重点保护用户应用数据，它采用AES加密算法。
NFSP是一种在不稳定网络中数据快频交换的协议方法。在此方法中，总是以Client端主动定时向Server端发起心跳请求，并且所有的业务应用数据与心跳数据融合，保证在不稳定网络中Client端可稳定的与Server端交换数据。
NFSP协议中，Client与Server中任何一种应用业务数据交互都为成对出现，保证完整性。并且，协议规定，所有业务流数据都按照顺序处理，前后顺序相互关联业务应用，不符合此规定的数据都做为废数据不予处理。
3、虚拟融合物联网（VF-IoT）平台特性
传统物联网平台依托于基础互联网，搭建中心化平台，并在平台进行相关应用的开发，核心功能包括：设备管理、用户管理、数据传输，数据管理。以中心平台为主，其它系统、设备都为从。所有业务都由主中心平台管理协调，所有数据都由中心平台统一存储。


VF-IoT平台与区块链、人工智能等革新技术进行深度融合。基于去中心化的分布式架构，将传统的主/从架构转为区块链的节点化架构，形成共享的，向下兼容（改造利旧）的特性。这种架构使得平台不再依赖于特定的中心设备，具备较高的平台稳定性和可扩展性。同时，也满足用户对安全性，时效性，防篡改性的需求。所有的系统、设备、交互都以节点虚拟化的方式加入到平台区块链中，从而实现万物上链的融合。
VF-IoT平台针对智慧建筑，智慧园区提供多场景的业务解决方案。其特有的业务流配置及UI交互个性化功能，可以更好的为用户量身定制。
VF-IoT平台针对企业全球化布局的需要，提供多区域，全球化的平台部署方案，基于私有区块链技术，保证数据的传输安全和存储安全，并大大提高业务的实时性和平台稳定性。
4、虚拟融合物联网（VF-IoT）平台架构
VF-IoT物联网平台是以分布式链结构构建，具有多种不同功能的链节点，链节点可根据需要进行不断的扩充接入。同类的链节点可根据需要配置为备份节点和扩容节点，以满足不同需求。
整个SireChain思锐链以链主节点（BootNode）完成初始创建，其它链节点不断的接入连接，并具有各自的功能。
根据不同的功能链节点可分为：
◆链主创始（BootStrap）；
◆安全节点（SGNode）；
◆存储节点（DBNode）；
◆业务节点（LinkNode）；
◆云服务节点（YunNode）；
◆应用节点（AppNode）；
◆分析节点（AINode）；
 
5、虚拟融合物联网（VF-IoT）平台安全架构及功能


VF-IoT平台是基于区块链技术构建的去中心化平台，平台中的授权、认证、数据保护工作通过SiRESG安全防护节点完成，多个安全防护节点可实时同步相关信息数据。而数据保护的核心是密钥，为保障密钥在网络传输中的安全，SiRESG基于北斗卫星通信实现了密钥分发系统及时间戳追溯验证系统，有效保障所有业务及数据的不可篡改。同时，基于信任北斗通信系统的自身安全性，使得整个平台中的信任机制相对简单高效。
基于SiRESG北斗安全防护的平台，可以解决互联网上的核心数据的安全保障问题。但对于与互联网相对隔离的企业内部网络，可使用内部安全网络通信来完全平台的安全防护，以降低成本。