區塊鏈技術在井岡蜜柚可信溯源的應用研究*

陳小強 ，胡 翰 ，黃敏超 ，王 凱

（吉安職業技術學院，江西 吉安 343006）

民以食為天。食品安全是人民群眾幸福生活的頭等大事，關系到國家長治久安，而農產品安全又是食品安全的重中之重。2022年，《中共中央 國務院關于做好2022年全面推進鄉村振興重點工作的意見》指出，開展農業品種培優、品質提升、品牌打造和標準化生產提升行動，推進食用農產品承諾達標合格證制度，完善全產業鏈質量安全追溯體系。目前國內外非常重視農產品安全溯源，通過相關技術手段建立了溯源體系，溯源系統可以有效監督和把控農產品質量。而區塊鏈技術正是其中核心技術代表之一，這個被認為是蒸汽機、電力、信息技術后，最有革命性浪潮特點的核心技術，近年來，隨著相關應用的落地，越來越受到大家的追捧。區塊鏈是一種分布式賬單技術，它具有去中心化、不可篡改、安全可靠的技術特點，通過智能合約、非對稱加密算法等方法，實現去中心化的點對點交易，有效解決了傳統平臺數據存儲效率低、數據不安全等問題。

井岡蜜柚作為江西本土優質蜜柚品牌，因其口感較好，迅速獲得市場用戶認可，但井岡蜜柚快速發展的同時也出現一些問題：一是蜜柚苗木品種質量良莠不齊；二是蜜柚種植戶過量使用農藥防治病蟲；三是為縮短蜜柚生長周期，大量使用速效無機化肥；四是加工企業為追求賣相使用添加劑保鮮。種種現象，不僅損害“井岡蜜柚”品牌形象，而且易導致食品安全問題。井岡蜜柚供應鏈信息關系到每位消費者、生產者的切身利益，因此，建立井岡蜜柚溯源平臺迫在眉睫。課題組以井岡蜜柚為研究對象，構建了一套從種植、采摘、加工、運輸、銷售全產業鏈的區塊鏈溯源系統，確保井岡蜜柚的安全可靠以及品牌價值。

1 國內外研究現狀

近年來，國內外對農產品質量重視程度不斷提升，專家學者在農產品溯源方面的研究也越來越深入，有些側重于溯源模型、溯源平臺架構設計創新性研究，有些重點研究產品存儲方式和查詢效率提升。劉丹等[1]提出將區塊鏈和物聯網技術相結合，以此來構建穩固的農產品溯源平臺，通過GPS、溫度、濕度、光照傳感器等物聯網設備采集信息，采用ZigBee（紫蜂）技術上傳，后臺數據基于區塊鏈方式存儲。鄭明[2]結合當前新冠疫情環境下，跨境電商產品質量不穩定、物流追蹤信息不全等問題提出基于區塊鏈技術的跨境電商溯源系統。王華等[3]綜合使用二維碼、RFID（射頻識別）技術、RSA（非對稱加密算法）實現禽類肉產品安全溯源。王志鏵等[4]通過建立超級賬本模式實現可信溯源，并且針對不同生產場景動態溯源，解決傳統溯源系統流程靈活性差、安全性低等問題。汪家偉等[5]研發了基于區塊鏈的茶葉可信溯源系統，實現茶葉種植、采摘、加工、統計分析、溯源查詢全業務功能。梁景雄[6]從頂層應用出發，采用分布式MQTT（消息隊列傳輸）集群和Fabric（智能合約）聯盟鏈技術方案，構建了物聯網與區塊鏈溯源系統整體架構設計，減少系統耦合。吳曉彤[7]提出一種基于備選投票機制的低時延共識算法IPBFT（基于地址的拜占庭容錯技術），解決農產品溯源時延高、效率低問題。

目前，溯源系統可分成兩大類，即傳統溯源識別技術和區塊鏈溯源架構技術。傳統的溯源識別技術主要包括二維碼識別技術、RFID識別技術、成分分析技術，其中二維碼識別和RFID使用最廣泛[8-10]。

1.1 傳統溯源識別技術現狀

1.1.1 二維碼溯源識別技術

二維碼溯源識別技術是指使用黑白矩形圖案表示的二進制數據，通過手機等掃描儀設備掃描后可獲取信息。二維碼防偽標簽結合二維碼技術、數碼防偽技術及激光全息防偽技術，通過后端系統自動生成唯一的防偽二維碼標簽，再將標簽貼到產品或包裝上，消費者購買后掃一掃產品上的二維碼即可驗證產品真偽，二維碼溯源防偽標簽查詢過程非常方便、快捷。例如，果農在向廠家提供井岡蜜柚時，把蜜柚原產地、種植時間、施肥農藥使用信息錄入到后臺系統中，系統根據信息自動生成唯一的二維碼標簽粘貼在包裝箱上。正因為二維碼有著信息容量大、編碼范圍廣、識別準確性高以及制作成本低等優點，被廣泛應用于產品產業鏈監控流通環節，打擊假冒偽劣產品，實現高效防偽。

1.1.2 RFID溯源識別技術

RFID溯源識別技術是一種無線通信技術，它無需識別設備和目標之間接觸，直接通過無線電信號讀寫數據。標簽本身可以發射無線電波，掃描儀只要在數米以內均可視波。不過RFID標簽與條形碼不同的是，射頻標簽不受遮蓋物影響，即便是放在箱子或者盒子內，而且讀取器一次可以讀取多個標簽。近些年，因電子識別技術逐漸成熟，很多商場開始用電子標簽代替原來的條形碼標簽，提升自動售貨速度。RFID系統由信號接收機、信號發射機、編程器、天線構成。信號發射機比較典型的形式是電子碼標簽，它能夠主動向外發射信號，并且信號包含相關的存儲信息。信號接收機也叫作識別器，識別器的功能是根據“命令響應協議”接收發射機反射出的信號，甚至對于某些特殊場景，比如信號受到干擾時可以自動校驗。編程器是指向標簽寫入數據的一種電子裝置，可以離線或者在線完成寫入數據。天線可以用來發射、接收傳輸數據，類似于以前的錄音機天線，當然，天線的信號不僅受功率影響，還與天線的形狀、位置有密切關系。

1.2 區塊鏈溯源系統架構技術

2008年，中本聰提出區塊鏈概念，使用分布式賬單節點記錄比特幣，每個區塊鏈記錄多個交易記錄，比特幣通過PoW（工作量證明機制）、PoS（權益證明機制）和DPoS（股權授權證明機制）三種一致性協議達成共識，所有區塊鏈節點通過Hash（散列函數）地址連接，區塊鏈關鍵技術包括分布式存儲、共識機制、智能合約、超級賬單、非對稱加密技術。

2 基于區塊鏈的井岡蜜柚可信溯源平臺設計與實現

2.1 相關技術

2.1.1 區塊鏈共識算法

區塊鏈共識算法是指系統對故障達成的共識機制，主要包括崩潰容錯協議和拜占庭容錯協議。為什么要使用共識機制呢？因為區塊鏈系統采用去中心化設計，各節點設備分散分布，需要一套規章制度來維護系統公平性，不僅包括對區塊鏈資源維護者的獎勵，而且要有對資源危害者的懲罰，這就要所有節點使用前可以達成統一共識。

2.1.2 超級賬單

超級賬單技術是一個開源的聯盟鏈，它是一種分布式賬單系統，主要由一組有序的、不可篡改的狀態轉移記錄日志構成。超級賬單鏈結構包含賬單、鏈碼、通道，針對不同的場景有不同的數據可視范圍。賬單數據庫存儲各節點交易狀態轉移碼，狀態轉移碼通過鏈表形式存儲在文件系統中。

2.1.3 物聯網技術

物聯網（Internet of Things, IoT）是一種計算設備、機械、數字機器相互關聯的系統，具備通用唯一識別碼（UID），并具有通過網絡傳輸數據的能力，無需人與人或人與設備的交互。物聯網一般由感知層、網絡層與應用層組成。其中感知層負責為傳感器、RFID等物聯網設備采集數據。網絡層由有線、無線通信網組成，通過4G/5G、WLAN、藍牙、ZigBee技術將數據安全地傳輸至應用層。應用層是人機交互層，用戶通過各類應用接口獲取不同服務。

2.2 區塊鏈可信溯源平臺設計

2.2.1 系統背景介紹

在政府相關部門的政策支持下，井岡蜜柚得到快速發展，品牌競爭力強。然而太高的關注度卻帶來了一定的負面影響，很多不法商販將普通蜜柚包裝成井岡蜜柚銷售。為了維護消費者權益，提升井岡蜜柚的品牌公信力。本文構建了井岡蜜柚區塊鏈溯源平臺，利用溫度、光學、濕度傳感器等物聯網設備，采集井岡蜜柚日常生長環境、產地經緯度、加工銷售環境數據，用戶通過小程序等溯源入口可對蜜柚種植、采摘、加工、運輸、銷售信息進行溯源查詢。此外，政府機構還可通過溯源平臺對井岡蜜柚進行遠程監控和質量抽測。綜合考慮，系統需要采集如表1所示的源數據。

表1 數據來源采集情況

2.2.2 系統設計

通過現場走訪調研果農、企業、政府、用戶需求，構建了基于區塊鏈的井岡蜜柚溯源平臺系統架構，如圖1所示，溯源平臺主要包括數據采集層、數據傳輸層、數據存儲層、數據應用層。

圖1 基于區塊鏈的井岡蜜柚溯源平臺系統架構

1）數據采集層是由井岡蜜柚種植果農、加工企業、物流公司、包裝銷售商等供應鏈中間環節參與者，通過GPS、溫度傳感器、掃描儀、果園攝像頭、農藥化肥檢測儀、RFID等智能終端采集設備，采集各環節數據，自動保存至井岡蜜柚溯源平臺。采集的數據不僅有文本、字符等結構化數據，還有圖片、視頻等非結構化數據。

2）數據傳輸層顯示采集的數據通過不同方式傳至數據庫，對于大規模數據，比如攝像頭拍攝果園環境照片、井岡蜜柚加工過程的視頻數據，可通過WLAN上傳至數據庫，上傳頻率為每天1次。對于小規模數據，如GPS、溫濕度傳感器現場采集的GPS、溫度、濕度等數據通過物聯網MQTT上傳至后臺。當然，如果費用可接受，也可以與電信運營商協商，采用4G/5G傳輸數據。

3）數據存儲層包括傳統的關系型數據庫和超級賬本區塊鏈系統，關系型數據庫存儲非溯源數據，超級賬本區塊鏈系統存儲溯源數據。供應鏈各環節參與者在區塊鏈系統中均有唯一身份標識，可通過唯一身份標識可追蹤溯源定位，供應鏈各環節數據保存在對應模塊內，降低系統的耦合性，提高系統功能的可擴展性。

4）數據應用層主要作用是溯源系統與不同用戶（果農、企業、政府、消費者）進行交互，果農使用角度包含井岡蜜柚種植、施肥、采摘管理；企業使用角度包含井岡蜜柚加工、運輸、銷售供應鏈管理；從政府監管角度看，系統提供井岡蜜柚的全產業鏈遠程監控、產品質量檢測以及供領導決策分析功能；從消費者角度來看，不僅有井岡蜜柚銷售電商、用戶評價平臺，而且最重要的是有可供用戶一鍵溯源的平臺，方便查詢井岡蜜柚種植、生產、加工、運輸、銷售全鏈路信息，提供井岡蜜柚安全、綠色、可靠數據，進而提升品牌價值。

2.2.3 系統實現

系統通過Java、MySql數據庫、區塊鏈技術構建基于B/S架構的井岡蜜柚溯源平臺，前端提供微信小程序查詢接口，用戶輸入唯一編號或二維碼溯源查詢。

3 總結

課題組根據井岡蜜柚特點，結合用戶實際需求，建立了基于區塊鏈的井岡蜜柚溯源架構平臺，針對溯源模型中數據同步以及查詢速度慢等問題提出了解決方案。實際應用結果表明，本溯源系統具有數據安全可靠的特點，實現了井岡蜜柚從種植、采摘、加工、運輸、銷售全鏈路監控，保障了蜜柚的供應鏈信息安全可靠，提升了品牌價值。