基于區塊鏈技術的農產品信息追溯方法與應用

沈淑濤 楊孝天 李江 馬冉

基金項目：西藏自治區高等學校人文社會科學研究項目，項目名稱：基于區塊鏈技術的西藏農產品信息追溯方法研究，項目編號：SK2021-29

摘 要：目前的農產品追溯系統存在數據易篡改、信息不對稱等問題，針對這些問題，采用區塊鏈技術，借助其可追溯性、信息難以篡改、去中心化存儲、信息對稱等特征，可以構建更為可靠的農產品信息追溯方法。本文對區塊鏈技術進行分析，構建在區塊鏈技術基礎上的農產品信息追溯系統，以此解決傳統物聯網技術農產品追溯系統中的各種問題。

關鍵詞：區塊鏈;農產品信息追溯;系統構建;應用

近年來，農產品質量安全事故近年來也有所增多，一些摻假、造假問題，對人民群眾的身體健康造成了不同程度的損害。農產品追溯系統是農產品質量保障體系中的重要工具，可以解決消費者對農產品質量安全問題的擔憂。不過傳統農產品追溯系統存在許多問題，如信息追溯難度大、數據難以共享、中心化網絡權力過度集中、數據容易篡改等，只有妥善解決這些問題，農產品追溯才能真正發揮其作用?，F如今，區塊鏈技術日益成熟，為農產品追溯系統的構建與應用提供了新的思路和可能性。下文即結合區塊鏈技術，探索農產品信息追溯系統的設計方案。

一、區塊鏈技術分析

區塊鏈類似分布式賬本，是一種數據結構，可對交易情況進行記錄。在系統中，對信息記錄的區塊，連接成鏈，各區塊中均包含上一區塊中的哈希指針和交易信息，通過哈希指針，可將區塊予以連接，根據時間戳對過往交易按照順序排列。

區塊鏈以鏈式進行存儲，其形成的交易信息，均在區塊中存儲，而各個區塊又包括塊體、塊頭，且包含前一塊散列值，以便和上一區塊進行連接。同時，其中還含有區塊體哈希值、時間戳等。按照各種網絡參與方的對應準入標準，可以將區塊鏈技術分成三種類型，分別是聯盟鏈、私有鏈和公有鏈。

公有鏈即公共區塊鏈，以比特幣、太坊為代表，具有很強的公開性，用戶無需請求加入網絡或提供身份證明，即可讀取其中的數據，且均可發送交易，獲取有效確認，而且所有人均被允許參與到共識之中。私有鏈即完全私有區塊鏈，指的是少數組織或個人有一定權限。這一區塊鏈對讀取權限設置明顯，對外開放受到局限，雖然具有公共可審計性，不過因其去中心化，因此并無公共可讀性。聯盟鏈即聯盟區塊鏈，同時兼具公有鏈和私有鏈的特征，指的是預選節點可控制共識的過程，只有系統內的組織能夠對賬本進行讀寫，并完成數據記錄。當用戶獲取授權，即可進入聯盟鏈的網絡中。這一類型在開放程度、去中心化上有一定限制，需要預先篩選參與者，而在讀取交易數據權限方面，具有一定公開性。

上述三種區塊鏈類型各有特點，應用場景有所不同。本研究在農產品追溯系統構建中，處于數據安全性、局部中心化、追溯速度、組織結構等方面的考慮，選擇聯盟鏈技術。

二、基于區塊鏈技術的農產品信息追溯方法設計

1.區塊鏈技術基礎上的農產品追溯系統構建

（1） 構建系統模型

可以根據區塊鏈的基本原理與聯盟鏈技術，構建農產品追溯系統模型，見上圖。在這一模型中，通過CO2濃度感知器、溫度及濕度感知器、視頻監控等多種方式，在生產種植過程中，對農產品生產的相關信息進行采集;在采摘加工過程中，可通過產品標識、感知芯片等，對加工過程的信息予以采集、記錄;在物流運輸過程中，可借助定位裝置，對運輸、周轉的過程進行記錄，借助環境監控設備，對運輸過程中環境數據進行記錄;在銷售環節，借助二維碼、條碼來對銷售情況進行記錄。不同環節的信息采集工作，所用設備各不相同，不過獲取的信息會傳遞到區塊鏈網絡中，進行儲存應用。

在將農產品的追溯信息上傳、存儲之后，要避免相關信息遭到篡改，可以借助加密處理技術來實現，密碼學加密技術是應用其最多的一種方法。借助區塊鏈技術的時間戳，可形成允許監督、查詢、追溯的區塊鏈條，從農產品的種植一直到完成出售全過程，均有這一鏈條的應用，因此能夠確保農產品信息可被追溯。

（2） 追溯流程的設計

① 種植及采摘

大棚內的農作物生長過程中，有專業的傳感設備，能夠直接對pH、土壤含水量、氧氣含量及光照等數據進行采集，轉換格式之后，可借助現代無線傳輸技術，向系統傳遞相關信息，形成區塊鏈數據源頭。當農作物成熟之后，工作人員需要現場采摘，需要將農產品的種植時間、采摘時間、負責人、采摘情況等形成信息，向區塊鏈傳遞，存儲起來。

② 包裝加工

農作物采摘完成后，在需要時可對其包裝，之后才會入庫。部分農產品需要再加工，此時需送至下一單位展開加工，將相關數據向區塊鏈中傳遞，形成追溯碼標識，標記在產品包裝之上。

③ 運輸配送

農產品需要運輸至市場，才能進行銷售，運輸過程會涉及不同的運輸方式、不同工作人員，需要將負責人、發貨地址、運輸方式、運輸時長、收貨地址等信息上傳。

④ 交易查詢

要實現鏈條式追蹤，產品包裝二維碼中，需要包括產品自產出、加工到出售的所有信息，這樣才能維護消費者的知情權，提升消費者滿意度。

（3） 追溯方案的設計

① 算法選擇

共識算法是區塊鏈中的底層核心。通常情況下，需要借助共識機制實現中心化，來解決相關問題。農產品追溯的各個環節彼此獨立，因此所有節點均無法對別的節點加以識別，無宕機情況。在設計中，可以選擇的算法共有三種。

a.POW

這一算法為工作量證明算法，用來確認已完成工作量。在過程監測中，這一算法的效率較低，而若借助認證工作結果證明工作量，則工作效率可得到提升。不過這一算法比較耗能，交易性能不理想，需要很長時間才能達成共識，且易發生算力集中的問題，導致去中心化受到破壞。

b.POS

POS為權益證明算法，這一算法會導致電力大量浪費，因此為替代性算法。這一算法類似銀行的存儲財產，能夠按照數字貨幣持有時間、數量來合理分發利息。在權益證明方面，這一算法能夠借助特定方法，定義區塊鏈中的后續合法區塊，結合賬戶結余情況來選擇，因此會發生中心化現象。

c.PBFT

這一算法屬于實用性的拜占庭容錯算法，是可將分布式系統和拜占庭式故障節點維持一致性的一種算法，能耗較低，工作效率較高。目前PBFT是聯盟鏈應用最廣泛的算法?？傮w來看，PBFT速度更快，效率更高，因此更適用于本研究的設計需求。

② 智能合約的選擇

在農產品追溯系統中，智能合約方法是借助特定編程語言，對相關程序加以實現，可以于區塊鏈系統容器之內來運行，在一定條件下可激活。智能合約技術用于超級賬本中，可構建鏈碼。在農產品追溯中，應用智能合約時，首先需要注冊。農產品的生產、包裝加工、運輸及零售等各個環節涉及的單位，均可注冊智能合約，而各銜接單位彼此也可確定合約。當智能合約的相關要求均獲得滿足之后，合約會立刻生效，并可自行執行。用戶若想了解合約履行情況，可以隨時查看。

2.農產品信息追溯系統的實現方法

根據上述分析獲得的農產品追溯系統模型及技術方案的設計思路，筆者認為，在區塊鏈技術之上構建農產品追溯系統，涉及的數據層、共識層、合約層及應用層，需通過以下方法實現：

（1） 數據層

數據層是借助動態存儲方式，將管理者信息、農產品溯源信息等上傳到區塊鏈中，為保證上鏈信息準確，需加入協同驗證的模塊，借助Merkle樹形結構，來存儲動態數據。

數據真實性，是農產品追溯系統中需要首先考慮的問題，如果存儲的時候即存儲偽造數據，則區塊鏈技術的防篡改特性、去中心化，就沒有意義。為解決這一問題，在數據層可以設計一個協同驗證功能模塊，提升農產品信息的真實性。可通過二維碼技術，來標注不同環節的產品信息，這樣消費者能夠根據需要隨時查詢。

協同驗證功能模塊，需要企業員工實施操作。各個員工有自己的工作號碼，在檢查產品時，需要輸入自身工作號碼，將之作為標識。工作人員簽名，數字簽名為鑒定之用，可經過簽名，對負責人相關信息進行查詢。同時簽名還可保護標簽內容。要對數字簽名進行應用，需要先驗證，再進行互發信息。這一流程需應用哈希運算賦值方法。

（2） 共識層

共識層是將PBFT共識算法，加入積分懲罰機制，讓農產品追溯連接中的分散節點，在區塊數據有效性上形成共識，確保區塊鏈網絡能夠平穩、安全運行。

共識層中涉及超級賬本功能，這一功能涉及到智能合約，SDK接口十分豐富。共識機制是通過PBFT共識算法來實現的。Fabric網絡內，進行農產品追溯數據存儲的單位，彼此是對等Peer節點，所有節點均有記錄功能，追溯鏈條上，各單位加入到區塊鏈網絡前，均可從CA節點（代表為監管單位）獲取準入許可，而有相應許可的單位，可經客戶端來進行農產品數據的發布，背書節點負責背書，之后經共識算法，選擇驗證節點進行驗證，排序節點對所有交易排序處理，打包形成各個區塊，再向外發布，實時播報Peer節點，確保同一鏈條上各節點所接收信息的內容于時間均相同，且邏輯順序相同。在這一操作下，農產品追溯信息區塊即可形成。

（3） 合約層

Fabric框架之下，借助Golang語言，對鏈碼進行編寫，從而實現各組織節點的智能合約，再借助Docker容器，對鏈碼連接Fabric與客戶端的過程進行運行，在一定條件下激活，使之自動運行。

智能合約本質上屬于一段程序，是借助部分計算編程語言的編寫技術，來確保這一程序在區塊鏈系統容器內運作，且這些程序在內在或外在條件的刺激下，可自動運行。按照農產品追溯具體的需求，系統智能合約包括農產品信息查詢、農產品交易兩種類型，借助兩種智能合約，可以完成加密交易、無縫銜接。

農產品數據結構，包括生產單位、加工單位、承運單位和銷售終端?？蛻舳诉M行智能合約接口的調試，此后可以向區塊鏈網絡發布各種交易提案的內容，在驗證、背書環節檢查之后，通過排序節點，在同一通道中的組織成員，即可查詢、提取交易信息。進行農產品信息發布的接口，不僅需發布相關生產信息，還可發布加工信息、運輸銷售信息。成員獲得授權之后，需要安裝智能合約，在Peer節點服務器上，對其實施實例化，被授權者可借助Fabric-SDK客戶端和Peer節點服務間實現交互，以此部署、運行智能合約。

（4） 應用層

借助CSS、HTML5等工具，實現交互界面前端開發，這樣農產品追溯系統可在手機端、PC端實現追溯查詢的操作，各組織節點可發布農產品的追溯信息。為確保農產品信息公開透明，實現系統去中心化，還需過根據農產品源頭與區塊鏈技術的特征，設計農產品信息源頭追溯的聯盟鏈模型，其中生產單位、加工單位、運輸單位、銷售單位包含4類節點，分別是頭節點、錨節點、記賬節點、背書節點、公共排序節點。農產品從生產到銷售，其涉及的節點，在系統中均有讀取數據信息、寫入數據信息的權限，且區塊鏈節點之間可以實現數據協同。

三、基于區塊鏈技術的農產品信息追溯的應用

農產品追溯系統，是應用HTML5、CSS，在Dreamweaver上進行操作部署，后端用MySQL數據庫讀取數據，來實現追溯過程。以某地蘋果生產、銷售的過程為例，其具體應用如下。

（1） 生成追溯二維碼：首先，在信息發布過程時，農產品的信息追溯碼和產品編碼可同時產生。二維碼形成后，可打印出來，粘貼在包裝外，而各級節點均可掃描二維碼、輸入產品編號，來協同驗證，這樣能夠為消費券提供可信度高的追溯。（2） 信息發布：農產品信息發布，涵蓋農產品生產、加工、運輸、銷售等多種信息。在錄入這些信息時，可采用人工錄入、傳感器采集等方式，發起交易的一方，可在發布界面填寫數據，同時提交到區塊鏈網絡中，經過背書節點驗證交易提案，排序打包，獲取區塊。（3） 信息查詢：消費者購買蘋果之后，可掃描二維碼、輸入追溯編碼等，來查詢蘋果的生產情況、運輸情況及銷售情況，此時農產品的各種信息均可得到顯示。

四、結束語

農產品追溯系統的構建，可以確保農產品信息真實可靠、清晰透明。區塊鏈技術的優勢是數據信息不可更改，因此在區塊鏈技術基礎上構建農產品追溯系統，可以有效解決農產品溯源問題，為人民群眾的食品安全提供有力保障。不過，目前物聯網設備和系統集成，針對的主要是農產品信息的協同驗證方案，在信息填寫與發布中，還需依賴于人工配合驗證，這導致執行效率較低，也可能出現錄入信息有誤的情況。未來可以將物聯網設備和系統實現高度集成，減少人工的參與，借此進一步提升工作效率，提高信息的準確性與可靠性。

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作者簡介：沈淑濤（1979- ），女，漢族，內蒙古烏盟涼城縣人，碩士研究生，副教授，主要研究方向：圖像處理、中文信息處理;楊孝天（1996.08- ），男，漢族，河北張家口人，在讀碩士，主要研究方向：區塊鏈、網絡安全;李江（1993.11- ），男，漢族，山西省絳縣人，碩士研究生，主要研究方向：區塊鏈技術、數據挖掘;馬冉（1994.12- ），女，漢族，河北石家莊人，碩士，在讀研究生，主要研究方向：數據分析和區塊鏈