區塊鏈+農產品溯源視域下紫陽縣富硒茶質量安全追溯體系研究

楊 萌

（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

富硒茶產區集中于中國漢江流域上游、大巴山北麓，該區域氣候特征表現為夏無酷暑、冬無嚴寒、降雨適中等，較為適合茶葉種植［1］。同時，由于區域內多為天然富硒區，所產的茶葉中硒元素的含量遠高于一般茶品，因而具有一般茶葉無法媲美的特種保健功效。然而，隨著富硒茶在中國知名度的提升，某些不法商販利用硒元素炒制四川茶、漢中茶等方法制備偽劣“富硒茶”產品，價格較為低廉，但口感、香氣、色澤以及質量安全等均無法保證。同時，利用該法所制備的茶葉通過硒元素含量分析也不能準確辨別。因而，需要嘗試開發其他更為高效、準確率更高的富硒茶質量安全追溯體系，在充分保證消費者能夠對購買的富硒茶產地進行追溯的同時，保障紫陽富硒茶產區茶農、企業的合法權益。傳統的農產品質量安全溯源體系利用移動網絡以及二維碼技術實現［2，3］。但隨著5G網絡的普及，傳統溯源系統數據傳輸效率低、信息反饋準確度差等問題逐漸顯現。本研究嘗試基于5G、物聯網以及區塊鏈等技術，構建一種應用于紫陽富硒茶農產品溯源的質量安全溯源體系，并將該體系與傳統二維碼溯源體系工作效率、數據準確度等進行仿真試驗對比，構建紫陽縣富硒茶質量安全追溯體系。

1 區塊鏈技術開展富硒茶農產品溯源優勢

1.1 傳統溯源體系缺陷

傳統的富硒茶質量安全溯源體系一般依托二維碼、物聯網等實現，能夠對二維碼所屬富硒茶的位置、來源、部分信息等進行追溯和共享（圖1）。

但受限于物聯網及通信手段等因素，傳統的富硒茶農產品溯源體系存在一些固有缺陷。例如：①數據存儲容量存在上限，隨著富硒茶供應鏈中上傳及下載的數據量增加，在物聯網系統容量上限約束下，體系中數據傳輸速率將會降低，表現為掃碼后產品信息刷新卡頓、信息亂碼等；②數據傳輸效率較低，4G網絡是支撐富硒茶物聯網質量安全追溯體系數據傳輸的主要通道，受限于4G網絡本身數據傳輸上限以及當前網絡中并入設備過多等問題影響，容易導致富硒茶質量追溯過程中茶品信息刷新不及時、數據顯示“白屏”等問題；③安全性低，掃描二維碼實現質量安全追溯等方法屬于中心化管理，所有富硒茶農產品最終數據均歸屬于某一個或某幾個數據庫，屬于可人為篡改數據管理方式，最終消費者掃描以后得到的數據真實性存疑；④難以實現信息共享，傳統的富硒茶質量安全溯源體系難以整合富硒茶產業鏈各主體信息，存在較為嚴重的信息孤島問題，容易導致多方主體參與的數據傳輸鏈條被攻擊、篡改。

1.2 區塊鏈技術優勢

本研究選擇采用5G網絡結合區塊鏈技術開發富硒茶質量安全追溯體系，一方面在于5G網絡遠超4G網絡的信息傳輸速率，另一方面則主要在于區塊鏈技術的諸多優勢能夠有效解決傳統追溯體系中的缺陷。例如：①時間戳技術，通過生成可信時間戳確定富硒茶產業鏈追溯過程中各電子文件生成的精準時間，防止電子文件被篡改，電子屬于權威性和可信賴性更高；②防篡改技術，區塊鏈技術中分布式存儲數據庫架構，能夠有效產生無中心化效應，有效防止系統中數據被篡改；③加密算法，利用哈希算法、橢圓曲線算法以Base58編碼等，有效降低一般黑客利用公鑰計算出私鑰的可能性，增強體系內數據傳輸安全性；④共識機制，利用工作量證明機制pow、權益證明機制pos、委托權益證明Dpos、驗證池共識機制pool等，解決并保證每一筆區塊鏈上的交易在所有記賬節點上的一致性和安全性問題［4］。

2017年9月，中興云鏈成功研發了基于區塊鏈技術的食品質量溯源和防偽系統［5］，這是中國首款區塊鏈農產品溯源系統。隨后，中國關于區塊鏈農產品溯源系統方面的研究越來越多。劉芳等［6］對基于區塊鏈的農產品溯源系統數據安全問題開展研究，組建了一種組員系統數據安全共享模型；張利等［7］則以更加宏觀、系統化的視角對基于區塊鏈技術的農產品溯源體系進行分析，構建了一種實用性較高、應用范圍較廣的農產品溯源體系，但該系統主要基于4G網絡運行，系統的數據存在處理幅度較為有限；柳祺祺等［8］對農產品質量安全溯源體系的發展現狀進行總結，基于區塊鏈技術設計了一種農產品質量溯源體系，但該體系并未深入研究溯源平臺的運行機制，在架構設計方面也并沒有進行試驗驗證，所構建的系統平臺運行可靠性和運行效率等均處于理論階段。近年來，基于區塊鏈技術搭建農產品溯源平臺已經逐漸取代了傳統的農產品溯源體系，但國內大部分的區塊鏈農產品溯源體系均基于4G網絡進行，所開展的研究也多以理論性的平臺搭建為主，在平臺的運行效率以及平臺運行可靠性方面的研究尚且不多。因此，本研究在區塊鏈技術的基礎上引入了5G網絡，并對本研究開發的區塊鏈+富硒茶質量安全溯源體系的平均傳輸時間、識別準確率以及丟包數等數據進行試驗研究，結果更具真實性。所開發的系統能夠同時兼容PC平臺、APP以及微信小程序，具有更加廣泛的適用性。

2 區塊鏈技術支持富硒茶質量安全追溯體系構建

2.1 框架建立

為提高傳統富硒茶質量安全追溯體系數據傳輸效率、可信度等，本研究結合5G網絡、物聯網技術以及區塊鏈技術構建了富硒茶質量安全溯源體系（圖2）［9］。

圖2 基于區塊鏈技術的富硒茶質量安全追溯體系

在體系中，富硒茶產業鏈各環節如種植、采摘、炒制、倉儲、物流等環節均由適量的區塊構成，各區塊后臺服務程序及區塊鏈中的分布式數據庫權限均由peer節點進行整合，從而使體系獲得去中心化事務處理和數據存數功能［10-12］；區塊管理服務模塊位于富硒茶質量追溯體系中的核心位置，主要功能為管理與調配系統中各區塊，處理農產品、茶葉產業等相關政府監管部門的監管以及消費者的產品質量追溯需求等，實現富硒茶質量安全高效、準確追溯。與傳統富硒茶質量安全追溯體系相比，本研究構建體系在工作時各區塊之間并沒有固定的上下級或銜接順序，數據的保存、調用等均按照區塊管理服務模塊的統一調度實現，充分保證系統中各數據庫信息安全。

2.2 功能實現

圖3為基于區塊鏈的紫陽富硒茶質量安全追溯體系功能架構。該架構主要由數據采集層組成、存儲層、應用層以及交互層構成，各層對應功能模塊。

圖3 富硒茶質量安全追溯體系功能架構

2.2.1 數據采集層 數據采集層主要負責對富硒茶產業鏈各主體及主要環節數據信息進行采集，如富硒茶生產環節所產生產區、生長環境、生產企業等數據；倉儲物流環節所產生的溫度、產量等數據；分銷商開展銷售時產生的銷售數據等。數據采集層應用的硬件模塊主要有各類型檢測儀器用以檢測富硒茶中的污染物殘留、硒含量等數據；各類型傳感器用以收集溫度、光照條件等數據；掃描設備及RFID標簽則主要為監管機構或消費者提供質量安全溯源數據查詢功能。

2.2.2 存儲層 存儲層以區塊鏈分布式去中心化理念融合傳統數據庫進行布置，對富硒茶生產、種植、倉儲、物流以及銷售等環節所有對應數據進行保存。其中，傳統數據庫主要保存部分非溯源類數據；區塊鏈分布式數據庫則主要保存溯源類數據［13］。富硒茶產業鏈各主體在該體系中均有特定且惟一的身份標識，體系中源頭數據可開展精確定位，保證源頭數據的不可抵賴性。區塊鏈分布式數據庫與傳統數據庫的結合，能夠充分保證體系數據存儲與靈活管理。

2.2.3 應用層 系統應用層主要包含4個方面應用程序：①系統管理員層面，對富硒茶質量安全追溯體系開展維護，保證系統正常運行；②數據提供者層面，主要負責將富硒茶產業鏈自己所屬環節數據進行上傳；③質量監管部門，政府部門對富硒茶產業鏈中的各主體及富硒茶產品進行監管，對出現問題環節或主體進行警告或處理；④消費者服務層，主要對富硒茶農產品進行查詢、展開投訴或提供建議等。

2.2.4 交互層 交互層主要指構建的富硒茶質量安全追溯體系中的瀏覽器端、手機端、微信小程序等，是系統用戶與系統之間產生交互的最直接窗口，包含二維碼掃描、追溯數據類型選擇以及瀏覽等。圖4所示為微信小程序端交互層效果，可以通過二維碼掃描獲取富硒茶產地信息、產品詳情以及生產過程中部分場景的實時監控等。

圖4 富硒茶質量安全追溯微信小程序

3 仿真試驗

3.1 試驗環境建設

仿真試驗主要針對傳統富硒茶質量安全追溯體系及搭建的基于區塊鏈的富硒茶質量安全追溯體系開展對比試驗，試驗軟硬件條件為同等條件，如表1所示。

表1 試驗軟硬件環境

3.2 試驗方法

試驗目標為檢驗傳統富硒茶質量安全追溯體系及搭建的基于區塊鏈的富硒茶質量安全追溯體系溯源功能的數據響應速度和溯源準確率。因而，將采用Ⅰ至Ⅴ組不同數量二維碼開展掃描，統計掃描過程中的系統反應速度、反饋結果準確率以及是否出現丟包現象等。

3.3 結果分析

表2、表3所示為兩種不同質量安全溯源體系在相同的虛擬環境下質量安全溯源結果。傳統的富硒茶質量安全追溯體系在追溯次數較低時（2 000次以下）其溯源速率、溯源準確度等與本研究設計的基于區塊鏈的富硒茶質量安全追溯系統相比略差，但二者差距不大；當追溯次數達2 000次以上，傳統的追溯體系在數據傳輸速率、溯源準確率等方面與基于區塊鏈的追溯體系之間差距逐漸增大；當溯源次數達8 000次以上，二者之間的差距已經非常巨大，傳統的質量安全追溯體系開始出現卡機、丟包現象，可視為完全無法滿足消費者需求；而基于區塊鏈的富硒茶質量安全追溯體系在識別次數達160 000次時在識別數據傳輸時間及識別準確率方面才開始出現明顯下降，但仍在較為高效和精準范疇之中；基于區塊鏈的富硒茶質量安全追溯體系在數據識別傳輸時間、識別準確率以及丟包數控制方面顯著優于傳統的質量安全追溯體系。

表2 傳統富硒茶質量安全追溯體系

表3 基于區塊鏈的富硒茶質量安全追溯體系

4 小結

紫陽富硒茶是中國陜西省南部地區尤其紫陽縣地區特色茶類農產品，是中國地理標志產品。為解決傳統富硒茶質量安全溯源體系容易被篡改信息、識別信息傳輸效率低等問題，本研究基于區塊鏈技術構建了一種專門應用于紫陽富硒茶農產品質量追溯體系。經過試驗對比可知，該體系在識別次數2 000次以下時，與傳統追溯體系相比存在較小優勢，但隨著識別次數的提升，在識別效率、成功率以及防止外部入侵方面的表現越來越好。該體系在全面代替傳統質量溯源體系以后，能夠為消費者及監管部門提供更加準確、效率更高的質量追溯功能。