基于區(qū)塊鏈的冷鏈物流邊緣計算驗證演示系統(tǒng)

◆劉軍 馮力 魏航

（1.思科（中國）有限公司上海分公司 上海 201103；2.思科科技北京有限公司 北京 100022）

1 引言

冷鏈物流是依靠降溫冷藏來確保運輸鏈上的適當(dāng)溫度條件的物流運輸活動。其區(qū)別于常規(guī)的物流運輸鏈的主要特點是有嚴(yán)格的溫控要求，只要出現(xiàn)一個時間點上的溫度失控問題就會導(dǎo)致整個運輸鏈產(chǎn)生短板效應(yīng)，輕則導(dǎo)致食品質(zhì)量下降，重則影響疫苗藥品安全。因此，在冷鏈管理中需要配套的相關(guān)技術(shù)的支持。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)，邊緣計算，物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)也被引入到冷鏈物流行業(yè)中，并呈現(xiàn)出新的作用。

2 演示驗證流程

本文對區(qū)塊鏈在邊緣計算，物聯(lián)網(wǎng)和物流冷鏈領(lǐng)域的結(jié)合進行了探索。實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備+區(qū)塊鏈技術(shù)+第三方認證保障的新商業(yè)模式，通過區(qū)塊鏈可以追溯物流冷鏈運輸過程中，溫度控制是否合規(guī)，通過對商品全流程的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，實現(xiàn)企業(yè)與用戶之間的信息透明化、公開化。

本文的驗證演示開發(fā)工作，利用物聯(lián)網(wǎng)車載4G 工業(yè)邊緣計算路由器，連接工業(yè)級溫度傳感器，進行上鏈處理。

整個演示驗證流程為：

（1）確保本地開發(fā)驗證環(huán)境有Python 集成開發(fā)環(huán)境：Pycharm，REST APⅠ驗證采用Postman；

（2）思科ⅠR809 工業(yè)路由器開機，自動啟動采集程序；

（3）本地開發(fā)環(huán)境運行后臺程序；

（4）通過Postman 下達命令，上鏈溫度采集開始；

（5）通過Postman 下達命令，上鏈溫度采集結(jié)束；

（6）后臺程序自動將上鏈溫度保存到文件中；

（7）后臺程序自動對溫度數(shù)據(jù)文件生成hash 碼，上傳到“唯鏈”進行上鏈操作，生成區(qū)塊鏈唯一標(biāo)識碼，文件的hash碼存放在“唯鏈”；

（8）篡改溫度數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)致本地生成的hash 碼發(fā)生變化，和“唯鏈”保存的原始文件生成的區(qū)塊鏈hash 碼進行比對，顯示原始數(shù)據(jù)被篡改；

（9）恢復(fù)溫度數(shù)據(jù)文件，本地重新生成hash 碼，和“唯鏈”保存的原始文件生成的區(qū)塊鏈hash 碼進行比對，結(jié)果一致，顯示原始數(shù)據(jù)唯一性，未被篡改。

工作流程如圖1。

圖1 工作流程

3 各種后臺軟件

3.1 MQTT 服務(wù)器端

需要建立一個MQTT 服務(wù)器，采集數(shù)據(jù)。在控制端安裝一臺VMware 虛擬機，運行CentOS，安裝mosquitto 的MQTT 服務(wù)器。使其作為后臺守護程序，一直監(jiān)聽MQTT 客戶端的發(fā)布。

3.2 后臺控制端

后臺控制端共有4 個程序：

（1）數(shù)據(jù)采集控制查詢接口；

（2）MQTT 客戶端，接收并存儲數(shù)據(jù)；

（3）MQTT 客戶端開發(fā)版，監(jiān)控接收到的數(shù)據(jù)；

（4）上鏈程序。

3.3 數(shù)據(jù)采集控制查詢接口

采用Python Flask 框架，構(gòu)建基于json 格式信息流的rest api 接口，開發(fā)環(huán)境采用Postman 進行測試驗證。分成2 種類型4 個動作，get 和POST，如表1。

表1 動作與功能對照表

3.4 上鏈處理程序

使用了唯鏈提供的函數(shù)APⅠ。一共有2 類8 個函數(shù)。一類為獲取Token 函數(shù)，另一類為上鏈接口，包括7 個函數(shù)：（1）生成VⅠD；（2）搶占VⅠD；（3）創(chuàng)建子賬號并鏈上注冊；（4）UⅠD 重新鏈上注冊；（5）hashinfo 上鏈；（6）最新hashinfo 查詢；（7）hashinfo 歷史查詢。

4 基于工業(yè)路由器的邊緣計算

驗證系統(tǒng)采用思科ⅠR809 工業(yè)路由器（ⅠP30 防護等級），該設(shè)備內(nèi)置4G 和GPS，支持工業(yè)RS485 接口，支持邊緣計算，可以運行客戶程序。

4.1 ⅠR809 傳感器連接

ⅠR809 和溫度傳感器通過RS485 接口連接。在思科路由器ⅠOS層面，對端口進行控制。

在思科物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)ⅠOX 中，用Python 編程時，需要對RS485串行接口進行編碼。

4.2 ⅠR809 GPS 連接

ⅠR809 內(nèi)置GPS 模塊，在思科路由器ⅠOS 層面，需要啟動GPS配置。

在思科物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)ⅠOX 中，用python 編程時，需要以下代碼：

4.3 ⅠR809 MQTT 客戶端

當(dāng)采集完溫度和GPS 信息后，Python 程序也采用開源的paho.mqtt.client 庫進行MQTT 數(shù)據(jù)傳輸。實際應(yīng)用中有一些非編程的如下客戶化參數(shù)配置：

4.4 數(shù)據(jù)采集控制

使用rest_APⅠ，對溫度/GPS 數(shù)據(jù)采集的過程進行控制。在ⅠR809上采用主動發(fā)起REST APⅠ請求查詢機制，查詢傳感器的設(shè)定狀態(tài)，根據(jù)查詢rest_APⅠ的響應(yīng)結(jié)果控制溫度傳感器采集數(shù)據(jù)的上傳，rest_APⅠ的內(nèi)容采用Json 格式。

在邏輯控制上，也和演示過程一致，即，控制端沒有發(fā)送指令時，ⅠR809 只采集數(shù)據(jù)，不上傳；當(dāng)控制端發(fā)送指令“start”時，ⅠR809 傳數(shù)據(jù)；當(dāng)控制端發(fā)送指令“stop”時，ⅠR809 停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.5 系統(tǒng)仿真

思科ⅠR809 是邊緣計算節(jié)點，其編程可在電腦中的虛擬機中仿真進行。在虛擬機中完成編程后，通過思科提供的ⅠOXclient 客戶端軟件寫入ⅠR809 的邊緣計算guestos 空間運行。為簡化過程，目前常見的做法是在開發(fā)環(huán)境中運行docker，在開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建基于Yocto 的定制化ⅠOT 應(yīng)用docker 鏡像，（此鏡像就是ⅠR809 的ⅠOX Guest OS的docker 運行的鏡像），在此鏡像中包含python 運行環(huán)境，paho-mqtt，pyserial 等相關(guān)運行依存資源，并將ⅠOT 應(yīng)用包含在此鏡像中。

其步驟如下：

（1）在電腦的VMware 環(huán)境中安裝Centos，在centos 中安裝docker：

（2）運行docker：

（3）下拉ⅠR809 的ⅠOXpython2.7 的官方docker 鏡像

（4）運行ⅠOX docker 鏡像

（5）在docker 運行鏡像中安裝相關(guān)python 依存庫

（6）生成新的鏡像作為基礎(chǔ)鏡像：

（7）在開發(fā)ⅠOT 應(yīng)用的文件目錄中創(chuàng)建Dockerfile，將ⅠOT 應(yīng)用拷貝到鏡像中。

為增加體驗，本驗證演示系統(tǒng)同時使用了開源的thingsboard 展示采集數(shù)據(jù)，展示效果如圖2。

圖2 展示效果

5 結(jié)束語

區(qū)塊鏈和實業(yè)結(jié)合，目前尚處于探索階段。當(dāng)前該技術(shù)主要還是應(yīng)用于金融領(lǐng)域，在冷鏈物流領(lǐng)域公開報道還比較少。所以在該領(lǐng)域探索的最佳實踐就是，搭建實驗驗證演示環(huán)境，從端到端每個環(huán)節(jié)進行驗證，這樣有助于發(fā)現(xiàn)和解決新技術(shù)落地過程中所遇到的問題，加速方案的落地。本驗證演示系統(tǒng)使用了專業(yè)的溫度傳感器，工業(yè)級邊緣計算路由器，主流的區(qū)塊鏈在線處理系統(tǒng)，模擬了將冷鏈物流和區(qū)塊鏈相結(jié)合的場景，驗證了數(shù)據(jù)從采集，處理，傳輸，存儲，到上鏈的整個工作流，證明了其可行性。區(qū)塊鏈技術(shù)和冷鏈物流領(lǐng)域的結(jié)合，必將會增進物流行業(yè)在公眾領(lǐng)域的信任度，規(guī)范冷鏈行業(yè)操作，提高冷藏產(chǎn)品質(zhì)量和安全性。