一种基于LORA通信技术实现的区块链系统及工作方法技术方案

一种基于LORA通信技术实现的区块链系统，每个机器人即为集群内的一个节点，是由不少于n个的区块组成LORA区块链网络，每个LORA通讯模块均由通讯单元和无线收发器单元构成；它针对无人机与物联网应用，实现了低功耗处理体系下的微区块链系统搭建，构成了去中心化控制系统，尤其是军事领域，具有非常强的实用性与可研究性。

A blockchain system and its working method based on Lora communication technology

A kind of blockchain system based on Lora communication technology, each robot is a node in the cluster, which is composed of at least n blocks to form Lora blockchain network, and each Lora communication module is composed of communication unit and wireless transceiver unit. Aiming at the application of UAV and Internet of things, it realizes the construction of micro blockchain system under the low-power processing system, and forms the go to middle The cardio control system, especially in the military field, is very practical and researchable.

【技术实现步骤摘要】
一种基于LORA通信技术实现的区块链系统及工作方法(一)
：本专利技术属于无人机与物联网
，尤其是一种基于LORA(LongRange)通信技术实现的区块链系统及工作方法。(二)
技术介绍
：机器人集群控制系统的设计对整个机器人的作战能力至关重要。面对拜占庭将军关于被敌人入侵并控制某节点行为的问题，集中控制系统会严重影响安全性，甚至失去整个集群控制权，造成不可挽回的后果。而现有的控制系统主要以中心控制为主，有些应用可以实现中心控制权的转移，但仍无法解决拜占庭将军问题。因此，为了解决上述问题，运用区块链这种集分布式存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术于一身的新型应用模式，结合LORA通信技术的低功耗、远距离、抗干扰能力强等优势构建的区块链系统，不仅可以提高无人机野外通讯距离、任务续航时间，最主要的是还可以解决拜占庭将军问题，并利用去中心化架构来提升无人机集群的灵活性与可靠性，确保我方机器集群控制权，在军事应用上的影响不言而喻。(三)
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种基于LORA通信技术实现的区块链系统及工作方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单、容易实现的区块链系统，特别适合去中心化的无人机与物联网应用场景。本专利技术的技术方案：一种基于LORA通信技术实现的区块链系统，包括由不少于2个机器人构成的机器人集群，每个机器人即为集群内的一个节点，其特征在于它是由不少于n个的区块组成LORA区块链网络，其中n是不小于2的自然数，且每个区块都是该LORA区块链网络中的一个LORA通讯节点；所述区块之间按照时间顺序依次呈单向数据连接方式，形成链式结构；所述作为集群内的一个节点的机器人单体是由LORA通讯模块和控制器构成，控制器与LORA通讯模块之间呈双向数据联系；所述每个LORA通讯模块均由通讯单元和无线收发器单元构成；所述通讯单元和无线收发器单元之间呈双向数据连接。所述LORA通讯模块采用的是深圳市摩仑科技有限公司的Intorobot-ant开发板，每个开发板均由通讯单元和无线收发器单元构成。所述作为LORA通讯节点的区块是由机器人单体上的LORA通讯模块产生并在机器人集群内广播的一个数据包，且数据包是根据通讯的不同时间顺序采用链式结构呈单向连接。所述机器人单体上只有1个LORA通讯模块；所述机器人单体与机器人单体之间依LORA通讯模块进行相互通讯，呈双向数据连接。所述通讯单元是STM32L151低功耗芯片；所述无线收发器单元是SX1278芯片；所述STM32L151低功耗芯片和SX1278芯片之间通过AT指令呈双向数据连接，其中，通讯单元对无线收发器单元的配置方法，是采用深圳市摩仑科技有限公司开发的基于C语言的库函数实现的。所述基于LORA通信技术实现的区块链系统的LORA通信频率为433MHz。所述LORA区块链网络是精简后的微区块链网络；所述精简主要在于其针对性从金融交易转移到机器人集群，并在共识方法上舍弃了原有的工作量证明机制PoW(ProofofWork)，采用自行设计的投票机制实现共识，节省大量的计算资源，如图5所示；所述每一个区块都包含7部分内容，分别是节点编号(ID)、区块编号(INDEX)、区块生成时间(TIME)、区块共享内容(CONGTENT)、本区块的哈希值(SELFHASH)、前一区块的哈希值(PREHASH)和16位循环冗余校验(CRC16)；所述节点编号代表当前区块是由对应ID的机器人单体生成的；所述区块编号n-1、n、n+1表示当前区块在链式结构中排列的位置；所述本区块哈希值是通过本ID产生的数据，采用DJB-Hash算法运算后得到的；所述前一区块的哈希值是直接通过LORA模块接收前一区块编号对应的SELFHASH。一种所述上述区块链系统的集群内每个机器人的网络分层架构，其特征在于它包括五层，分别是物理层、透传层、点对点通信层、微区块链层和共识算法层五层，且每个机器人单体的网络分层架构的最后一层将形成集群的一致性行为，达到去中心化实现的目的；所述物理层由集群内各个机器人的LORA通讯模块构成；所述透传层是指SX1278芯片处于透传工作模式，以实现基本的透传功能；所述点对点通信层则是利用LORA通讯模块中的通讯单元保障同一时间下，集群内只有一个LORA通讯模块广播数据，而其他LORA通讯模块则处于接收模式；所述微区块链层是将点对点通讯层的数据以区块形式打包广播，并利用DJB哈希算法，按照时间顺序形成单向链式结构；所述共识算法层是利用区块中的区块共享内容实现的一种基于LORA通信技术的区块链系统的共识算法，可以通过机器人节点之间的数据双向传递，形成一致性机制，如图3所示。所述去中心化实现是指，即所有的集群一致性行为，是由所有机器人共同决定的，任何时刻都不会取决于任何一个机器人单体的影响，不存在任何阶段性的中心。这里去中心化系统和分布式系统之间的区别在于，在分布式系统中仍然可以存在中央权威机构，而去中心化系统中，该机构将不复存在；所述去中心化实现的方法主要有两种，第一种是非中介化，利用基于LORA物联网通信技术的区块链系统的，实现在没有中介情况下，所有节点达成共识，实现完全去中心化；第二种是竞争，根据节点之间的行为，即传感器数据，更改每个节点的权重，从而实现部分去中心化；本方案采用第一种非中介化方法，实现的是完全去中心化。所述基于LORA物联网通信技术的区块链系统的共识算法，是由以下步骤构成：(1)在所有机器人单体上运行区块链系统的网络分层架构，使集群内的各个机器人单体加入集群的微区块链网络；(2)根据集群目标设定，构建包含所有可能目标的范围，形成数据池，即：创建目标域数据池；(3)对节点进行数据池映射：选取映射关系与遍历方法，将数据池分散到每个机器人单体；所述步骤(3)中映射关系的选取应当满足两个要求：第一，映射关系要满足双射；第二，遍历方法要能遍历到数据池中的每一个数据。(4)每个机器人单体将各自的数据池整理成一个数组队列，并采用循环结构对队列中的每一项进行验证；由于机器人单体各自所处的环境差异，将导致验证的结果不会完全一样，因此，需要设定一个精度要求，所述精度要求是指期望得到的传感器数值与实际传感器数值之间的差异，可以用一个浮点数来表示；当数组队列中存在满足精度要求的数据时，即：指期望得到的传感器数值与实际传感器数值之间的差异小于设定的浮点数，就可以利用微区块链网络进行广播；所述步骤(4)中采用循环结构对队列中的每一项进行验证的方法是：根据队列中的数据，通过选择结构调用相对应的数据处理函数，将期望得到的传感器数值与传感器实际反馈回来的数值相比较，判断是否满足精度要求，若满足则表示队列中的这个数据符合本机器人单体的实际情况，然后利用微区块链网络进行广播；若不满足则表示队列中的这个数据不符合本机器人单体的实际情况，那么将会开始判断下一个队列数据。所述步骤(4)中微区块链网络进行广播是产生的广播数据是指区块的七部分内容，即：节点编号(ID)、区块编号(I本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LORA通信技术实现的区块链系统，包括由不少于2个机器人构成的机器人集群，每个机器人即为集群内的一个节点，其特征在于它是由不少于n个的区块组成LORA区块链网络，其中n是不小于2的自然数，且每个区块都是该LORA区块链网络中的一个LORA通讯节点；所述区块之间按照时间顺序依次呈单向数据连接方式，形成链式结构；所述作为集群内的一个节点的机器人单体是由LORA通讯模块和控制器构成，控制器与LORA通讯模块之间呈双向数据联系。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于LORA通信技术实现的区块链系统，包括由不少于2个机器人构成的机器人集群，每个机器人即为集群内的一个节点，其特征在于它是由不少于n个的区块组成LORA区块链网络，其中n是不小于2的自然数，且每个区块都是该LORA区块链网络中的一个LORA通讯节点；所述区块之间按照时间顺序依次呈单向数据连接方式，形成链式结构；所述作为集群内的一个节点的机器人单体是由LORA通讯模块和控制器构成，控制器与LORA通讯模块之间呈双向数据联系。


2.根据权利要求1所述一种基于LORA通信技术实现的区块链系统，其特征在于所述LORA通讯模块采用的是深圳市摩仑科技有限公司的Intorobot-ant开发板，每个开发板均由通讯单元和无线收发器单元构成；所述通讯单元和无线收发器单元之间呈双向数据连接；
所述作为LORA通讯节点的区块是由机器人单体上的LORA通讯模块产生并在机器人集群内广播的一个数据包，且数据包是根据通讯的不同时间顺序采用链式结构呈单向连接；
所述机器人单体上只有1个LORA通讯模块；所述机器人单体与机器人单体之间依LORA通讯模块进行相互通讯，呈双向数据连接。


3.根据权利要求2所述一种基于LORA通信技术实现的区块链系统，其特征在于所述通讯单元是STM32L151低功耗芯片；所述无线收发器单元是SX1278芯片；所述STM32L151低功耗芯片和SX1278芯片之间通过AT指令呈双向数据连接。


4.根据权利要求1所述一种基于LORA通信技术实现的区块链系统，其特征在于所述基于LORA通信技术实现的区块链系统的LORA通信频率为433MHz；
所述LORA区块链网络是精简后的微区块链网络；所述每一个区块都包含7部分内容，分别是节点编号、区块编号、区块生成时间、区块共享内容、本区块的哈希值、前一区块的哈希值和16位循环冗余校验；所述节点编号代表当前区块是由对应ID的机器人单体生成的；所述区块编号n-1、n、n+1表示当前区块在链式结构中排列的位置；所述本区块哈希值是通过本ID产生的数据，采用DJB-Hash算法运算后得到的；所述前一区块的哈希值是直接通过LORA模块接收前一区块编号对应的SELFHASH。


5.一种所述上述区块链系统的集群内每个机器人的网络分层架构，其特征在于它包括五层，分别是物理层、透传层、点对点通信层、微区块链层和共识算法层五层，且每个机器人单体的网络分层架构的最后一层将形成集群的一致性行为，达到去中心化实现的目的；所述物理层由集群内各个机器人的LORA通讯模块构成；所述透传层是指SX1278芯片处于透传工作模式，以实现基本的透传功能；所述点对点通信层则是利用LORA通讯模块中的通讯单元保障同一时间下，集群内只有一个LORA通讯模块广播数据，而其他LORA通讯模块则处于接收模式；所述微区块链层是将点对点通讯层的数据以区块形式打包广播，并利用DJB哈希算法，按照时间顺序形成单向链式结构；所述共识算法层是利用区块中的区块共享内容来实现的一种基于LORA通信技术的区块链系统的共识算法，可以通过机器人节点之间的数据双向传递，形成一致性机制；
所述去中心化实现是指所有的集群一致性行为由所有机器人共同决定，任何时刻都不会取决于任何一个机器人单体的影响，不存在任何阶段性的中心；所述去中心化实现的方法主要有两种，第一种是非中介化，利用基于LORA物联网通信技术的区块链系统的，实现在没有中介情况下，所有节点达成共识，实现完全去中心化；第二种是竞争，根据节点之间的行为，即传感器数据，更改每个节点的权重，从而实现部分去中心化。


6.根据权利要求5所述一种区块链系统的集群内每个机器人的网络分层架构，其特征在于所述基于LORA物联网通信技术的区块链系统的共识算法，是由以下步骤构成：
(1)在所有机器人单体上运行区块链系统的网络分层架构，使集群内的各个机器人单体加入集群的微区块链网络；
(2)根据集群目标设定，构建包含所有可能目标的范围，形成数据池，即：创建目标域数据池；
(3)对节点进行数据池映射：选取映射关系与遍历方法，将数据池分散到每个机器人单体；
(4)每个机器人单体将各自的数据池整理成一个数组队列，并采用循环结构对队列中的每一项进行验证；由于机器人单体各自所处的环境差异，将导致验证的结果不会完全一样，因此，需要设定一个精度要求，所述精度要求是指期望得到的传感器数值与实际传感器数值之间的差异，可以用一个浮点数来表示；当数组队列中存在满足精度要求的数据时，即：指期望得到的传感器数值与实际传感器数值之间的差异小于设定的浮点数，就可以利用微区块链网络进行广播；
(5)判断是否达成共识：当某个...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭书祥，曹晟，郭健，付强，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12