关于如何使用智能合约将物联网数据货币化

文|料酒

图 | 熬酒

物联网是当今世界最热门的横向创新之一。 在其基本定义中，物联网设备是具有互联网连接和处理能力的智能连接设备。 这些设备通常能够感知收集到的数据，并将其发送到中央服务器进行处理、分析和后续操作。 这一次在讨论物联网世界的未来时，驻留在其中的数据也将成为一种有价值的商品，因此，预计物联网设备将能够从它们感知或收集的数据中产生收入。

但是，将来自 IoT 设备的数据货币化是一项具有挑战性的任务。 拥有数十亿台联网设备，构建一个集中式平台来治理和管理数据的货币化方面可能会成为一个瓶颈。 此外，集中治理将是一个昂贵的选择，还需要一种高度可信、安全、可扩展和高度自动化的方式来自动且无需中介机构将收集的物联网数据货币化。

迄今为止，使用物联网或非物联网系统的数据或服务的货币化通常是使用涉及中介的集中式系统来完成的。 然而，区块链是一项有前途的新技术，正在获得巨大的吸引力。 区块链智能合约能够以去中心化的方式自动将物联网数据货币化，具有高可扩展性、安全性和信任度。 区块链作为比特币的底层技术，现在被看作是一种横向创新，是一个可以跨多个应用领域、跨行业、跨金融的平台。 区块链智能合约基本上是可以上传到区块链并由所有区块链网络矿工节点执行以验证交易和执行结果的代码。 交易和执行结果记录在区块链账本上，具有高度的一致性和不可篡改性。

本文的主要目的是说明如何自动化和系统地使用区块链智能合约来货币化物联网设备生成和收集的数据。 具体来说，我们介绍了可用于租用 IoT 数据的自动支付系统的系统概述、架构设计和实现。

背景

为了理解我们提出的用于自动化物联网数据货币化的基于区块链的架构和解决方案，本节简要概述了区块链和以太坊智能合约。

1. 区块链

区块链是由链式区块组成的分布式共享账本，包括所有交易、数据和执行结果的来源和细节。 每个块都经过哈希处理并链接到下一个块，使其成为一个非常安全的不可变条目链。 自比特币于 2008 年首次实现加密货币以来，区块链受到了广泛关注。区块链在用于加密货币时，区块链矿工通过验证交易和采用工作容量共识算法来解决双重支出问题。 最近，出现了许多类似于比特币的基于区块链的加密货币。

2. 以太坊智能合约

以太坊基本上是一个可编程的区块链，允许用户开发自己的代码和业务逻辑以托管在以太坊区块链网络上。 以太坊虚拟机 (EVM) 是以太坊计算机的运行时环境，可以运行复杂度可变的用户代码，使该技术不仅仅用于记录货币交易。 以太坊最著名的应用之一是智能合约的实施，由其创始人 Vitalik Buterin 在 2014 年推出。

智能合约本质上是一种代码，可以在没有任何中介机构参与的情况下验证协商并立即执行合约。 智能合约代码作为具有唯一地址的多个函数驻留在区块链上，可以被区块链的任何用户调用。 基本上，有“getter”函数来检索信息和状态变量，还有“setter”函数来设置变量的值。 所有这些功能都可以通过使用限定符“仅”来限制访问。 此外，“事件”用于向区块链上的所有矿工和用户参与者记录和广播消息。 使用包含函数名称和参数的数据字段调用智能合约。 函数调用者根据计算步骤为代码的执行支付“gas”。 该函数将对应交易、函数调用或数据相关的输入参数，转化为十六进制放入交易中，然后对交易进行签名，编译成功后，在区块链上创建合约入口，从而发挥区块链的安全优势技术被引入合同管理系统，这就是智能合同出名的原因。

如图所示，智能合约的概念可用于自动化服务提供商和用户之间的协商以及所需的货币交易，而无需受信任的中介。 虽然物联网市场已经发展得很好，可以通过远程设备访问甚至促进此类设备的租赁来让我们的生活无忧无虑，但物联网设备获取的数据的实时货币化前景令人兴奋。 激动人心的新挑战。 为了在这一领域做出重大贡献，需要考虑几个财务、计算和伦理问题。

三、相关工作

目前的文献缺乏关于物联网数据货币化自动化的工作。 在本节中，我们将描述文献中报道的关于不同数据货币化方法的相关工作。 作者介绍了一些关于使用智能合约将物联网服务货币化的研究工作。 他们使用区块链构建去中心化、可信、透明和开放的架构，以模拟具有物联网经纪人基础设施的新市场，而无需集中所有权。

伊娃等人。 讨论物联网的货币化和创收概念，从物联网系统获得的数据是该命题的主要来源。 他们借鉴了沃尔什和穆迪提出的信息法则，提出了四种不同的商业模式，以更好地展示这个新市场的范围。 传统上，任何商业模式的货币价值都完全基于实际的实物商品或服务，并根据所涉及的信息专门定义价格。 然而，从最近电子商务的转变和广泛接受来看，公众对数据货币化的共识也可能很快改变。

张和文提出了物联网的电子商务模型。 作者介绍了传统电子商务模式因依赖第三方而在物联网中失败的原因。 他们认为，基于区块链的电子商务模式将优于任何传统模式，同时提供许多优势，包括效率和成本降低。

关于共享服务和设备的日益增长的现象，Bunge 等人。 通过在以太坊区块链上使用智能合约而不是中介，提出并概念设计了一个分散的应用程序，该应用程序可以安全、私密地共享，并且不受第三方 (TTP) 的干扰。 由于用户在以太坊中由公钥标识，无需注册，因此更加安全。 租赁条款是设备所有者在注册设备时设置的条件。 此外，智能合约的使用可确保满足租赁协议的条件。

贝克等。 讨论区块链作为无信任经济系统的基础。 这是物联网系统进一步发展的一个非常重要的先决条件，IBM 和三星正在投资创建以太坊区块链的物联网衍生品就证明了这一点。 作者讨论了无信任系统与当前状态之间的差异。 此外，使用现实生活中的例子开发概念原型。

同样，Khan 和 Salah 提出了一种机制，使用 P2P 去中心化区块链和智能合约来安全地共享服务并使用加密货币自动化现有的多步骤工作流程。 本文还从交易隐私和数字资产估值的角度讨论了在物联网中使用区块链的意义和挑战。 区块链的使用为使用加密货币进行服务交换或作为对公开数据的补偿的系统增加了一个计费层，使服务共享更加容易。 本文中作为物联网-区块链组合应用程序提供的一个示例是太阳能电池板通过在没有用户干预的情况下发布智能合约来销售多余的能源。

Slock.it 的发明者引入了通用共享网络，该网络通过使用区块链和智能合约，使任何资产都可以“一次性”使用，而无需任何受信任的第三方。 通过 Slock.it，实物资产或对象可以变得智能并连接到互联网，并与以太坊智能合约进行交互。 这使得人类甚至其他物体都可以通过合约直接从物体访问服务，而无需第三方的任何干预或许可。

哈克尔等。 提出了一种称为 ExpressIT 的设计，这是一种分布式应用程序 (DAPP)，它使用区块链和智能合约来安全地将资产货币化以获取利润。 DApps 基本上是通过定义的 API 与区块链平台交互的前端应用程序。 物联网设备交易的去中心化 P2P 共享将存储在区块链上一个不可变的分类账中，而不会受到 TTP 或“中间人”的入侵。 多个应用程序将使用 DAPP，例如自动支付。 在 AutoPay 中，作者为智能汽车发起智能合约并在没有任何用户交互的情况下支付油费或停车费的场景提供了概念设计。

区块链和智能合约在EIoT中的应用之一是智能电网中多方能源交易的货币化和实现。 区块链提高了消费者和分布式能源供应商之间这些交易的完整性和信任度，而无需第三方以分散和安全的方式参与。 此外，由于中间商的交易成本较低，这将使能源交易更快、可扩展且更便宜。 就区块链的安全优势而言，交易由分布式账本以多因素方式进行验证。 此外，区块链可以检测任何未经授权或可疑的更改任何关键数据或配置的尝试。 区块链还允许更准确地读取实际消耗和实时执行。

说明了两个生成节点和一个消费节点之间的区块链交易场景。 两个生产者向消费者提供报价，消费者分析这些报价并接受满足他/她的需求和预算的报价。 已接受报价的执行是在原子交换（能源货币）中完成的，其中两个交易要么成功，要么一起失败。 支出节点通过锁定所需资金并发送包含付款详细信息的选定报价来准备交易。 接受的交易被提交到链上，然后消费节点检查链以验证交易。 在 Aspen Plus (AP) 中模拟工业过程。

系统架构、设计与实现

在本节中，我们将通过使用以太坊智能合约以自动化、去中心化的方式展示物联网数据货币化的系统概述和架构设计。 在我们的设计中，我们选择了以太坊区块链，因为它是迄今为止唯一可用的平台，在这种情况下，所有作为客户的公共用户都可以访问。 此外，以太坊区块链允许区块链可编程性（通过智能合约）以及使用以太币和加密货币进行支付。 图 2 说明了系统的主要参与者，包括 IoT 设备、设备所有者、MQTT 代理和客户端。 该系统包含一个合同代码，以 Solidity 语言编程，驻留在以太坊区块链上，允许设备所有者设置条件和规则以自动出售他拥有的物联网设备的数据。 感兴趣的客户可以交互并调用合约以实时访问和使用数据，而无需受信任的第三方来调解支付交换。

IoT 设备生成的数据由云中托管的 MQTT 代理聚合和收集。 在我们的架构中，MQTT 代理更好地托管在云环境中，因此它可以是可靠的、可扩展的、可用的，并且还可以低延迟地供全球所有客户端访问。 MQTT 代理遵循发布/订阅协议来收集和访问数据。

MQTT 是物联网设备常用的一种极其轻量级的消息传递协议。 MQTT 代理允许 IoT 设备发布特定主题的数据，并允许公共用户通过订阅消息来访问数据。 MQTT 代理还使用智能合约来验证有效客户端。 IoT 设备配备常规 MQTT API 以连接到代理。 设备将数据发布到代理列出的主题，然后由代理进一步发布到订阅的客户端。 代理添加了一个通信接口，用于使用服务与智能合约进行交互。 成功访问数据后，将从客户余额中扣除以太币（以太坊的加密货币令牌）中的基于时间的自动付款，并发送给物联网设备的所有者。 以下小节更详细地讨论了设计方面、智能合约代码的测试、其逻辑、实现和整体系统功能。

1、设计方面

我们系统的设计考虑了四个关键组件，所有组件都拥有一个以太坊地址 (EA)：所有者、所有者创建的物联网设备合约、存储物联网设备生成的数据的 MQTT 代理以太坊发明者，以及客户端。

(i) 所有者：物联网设备的所有者创建设备合约。 所有者还创建 MQTT 主题并分配各自的费率，并与 MQTT 经纪人达成协议。 在对特定设备进行数据访问后收到的任何付款都会自动转移到所有者的以太钱包中。

(ii) 物联网设备合约：智能合约包含用于管理客户存款、向所有者付款、费率、使用时间、向 MQTT 经纪人发放令牌访问权以及所有事件日志的规则的所有逻辑和代码。

(iii) MQTT Broker：一个可信的第三方，它从物联网设备收集数据并根据智能合约发布的访问令牌对客户端进行身份验证。

(iv) 客户：有兴趣使用特定物联网数据并为其付费的公众用户。

图 5 显示了一个通用图表，显示了以太坊环境中系统参与者之间的实体属性和关系。 如图所示，每个物联网设备都与一个所有者、一个 MQTT 代理相关联，并且可以有多个可以订阅多个主题的客户端。 IoT 设备可能能够发布客户感兴趣的单个或多个主题。 一个所有者可以拥有多个物联网设备。 此外，一个 MQTT 代理可以处理多个 IoT 设备。

2. 逻辑流程与智能合约

在本小节中，我们简要说明智能合约的逻辑流程。 GitHub 上提供了我们智能合约的完整代码。 IoT 设备的所有者通过 IoTSmartContract 的构造函数创建一个合约，并指定 MQTT 代理的地址和默认主题的详细信息。 然后，合约注册代理并使用 TopicAdd 记录事件。 图 6 显示了 IoTSmartContract 构造函数的代码。 msg.sender 和 b 的值分别是所有者和经纪人的 EA。

如图7所示，为了访问物联网数据，客户首先需要通过存款支付功能向合约进行初始存款，记录客户存款金额并将其添加到现有存款中（如果有的话） ).

然后，客户可以通过指定主题和他们希望通过订阅功能花费的以太币数量来访问特定主题。 重要的是要注意，在这一步中，以太币实际上并没有从客户那里取走，而只是从客户的初始存款中扣除。 当客户端想要访问物联网数据时，客户端将调用具有特定主题的访问函数。 然后合约检查客户端是否有正确的订阅，如果是，合约将访问持续时间和令牌发送给客户端。

此外，还会记录访问事件（参数包括客户端地址、令牌、请求主题和访问持续时间）。 事件消息由所有以太坊节点公开广播和捕获，包括客户端和代理。 经纪人将使用令牌来验证链下客户。 身份验证是通过要求客户端发送相同的令牌但由客户端的私钥签名来完成的。 一旦代理通过身份验证，客户端将通过 MQTT 连接访问 IoT 数据一段指定的时间或直到客户端断开连接。 订阅和访问功能的 Solidity 代码分别如图 6 和图 7 所示。 如图 7 所示，为了生成一个唯一的访问令牌，合约对几个变量（所有者和客户的地址、主题 ID 以及通过系统的总访问次数）的串联进行哈希处理。

代理和客户端之间的通信是通过 MQTT 协议直接进行的，代理将主题数据发布到订阅的客户端。 值得注意的是，任何希望使用该服务的客户都可以调用订阅功能。 当客户端断开连接时，代理将调用 (updateSubscriptionTime) 函数，其中根据数据访问的持续时间更新客户端的订阅余额。 如果会话过期，这发生在客户的押金用完时，代理会断开会话并调用 (updateSubscriptionTime) 函数，智能合约在断开连接请求后将付款发送给设备所有者。

如果客户希望退还他/她的余额以太坊发明者，则客户调用智能合约的退款功能。 然后合约确保当前没有数据被访问，重置客户的存款和订阅，并将剩余的以太币发回给客户。 这种交互如图所示。 退款功能的代码如图所示。 值得注意的是，客户在执行智能合约调用的功能时支付的以太气体消耗，来自于他自己的账户，而不是智能合约本身的资金。

综上所述

在本文中，我们提出了一种基于区块链的解决方案的系统设计、架构和实施，以不涉及中介的方式使用以太坊智能合约通过自动支付将物联网数据货币化。 我们使用 Solidity 语言实现了以太坊智能合约。 我们详细介绍了参与者之间的系统交互，并使用 Remix IDE 测试了系统的各种功能。 作为未来的工作，我们正在实施一个功能齐全的系统，该系统由智能网络摄像头组成，可将实时图像流式传输到基于 Amazon 的 MQTT 代理，图像在该代理处聚合。 我们还在开发前端 DApp（去中心化应用程序）和钱包，供不同参与者与以太坊智能合约进行交互。

参考：

Nida Khan、Bilal Kchouri、Nissar Ahmad Yatoo、Zsofia Kräussl、Anass Patel、Radu State，伊斯兰债券的代币化：以太坊案例研究，全球金融杂志，10.1016/j.gfj.2020.100539, 51, (100539), ( 2022) .

Dodo Khan、Manzoor Ahmed Hashmani、Low Tang Jung、Aisha Zahid Junejo，未定义，2022 年第二届国际计算与信息技术会议 (ICCIT)，10.1109/ICCIT52419.2022.9711597，(248-253)，

Pooja Gupta、Volkan Dedeoglu、Salil S. Kanhere、Raja Jurdak、TrailChain：跨区块链支持的多个市场的数据所有权的可追溯性，网络和计算机应用杂志，10.1016/j.jnca.2022.103389, 203, (103389), (2022 ).