基于區塊鏈的食品安全溯源系統研究與實現

傅晶 王文豐 劉天元 胡耀才 武文懷 彭亮

摘要：食品安全事關人民的身體健康，如何建立可靠的食品流通體系，實現從生產源頭到銷售終端全程追溯，保障食品質量和安全，具有十分重要的意義。該文利用條形碼、QR二維碼和RFID等多種物聯網技術，對食品生產、加工、貯存、物流運輸和銷售等環節進行信息化處理，同時結合區塊鏈技術實現了一個去中心化、防篡改的食品溯源系統。該系統包含Web后臺管理系統和前端微信小程序，較好地滿足了人們對食品安全可溯性的需求。

關鍵詞：區塊鏈;共識機制;RFID;二維碼;食品可溯性

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）19-0009-03

1 引言

隨著經濟的快速發展，人們生活水平日益提高，對食品安全也愈加重視。然而，近年來頻頻發生的食品安全事件，如地溝油、毒奶粉、病死豬肉以及今年3·15晚會曝光的土坑酸菜等事件，極大地引發了社會對食品安全問題的嚴重關切。

“互聯網+農業”時代的到來以及國家鄉村振興戰略的實施，農產品電子商務紛紛興起。新冠肺炎疫情的暴發，許多居家隔離人群更是將電商平臺作為購買生活必需品的一種主要方式，但近期“多家快遞攜帶病毒”新聞再次引起了消費者的擔憂。

食品供應鏈通常涉及生產、加工、貯存、物流、銷售等諸多環節[1]，傳統食品監管模式下往往存在信息不透明、易篡改、安全性差及信息孤島等缺陷。由于我國許多農村地區信息化程度較低、農產品信息采集較困難，因此一旦出現食品安全問題，就需要耗費大量的人力物力，溯源成本高昂，且一般只能追溯到生產企業，而難以追溯到食品供應鏈中的各參與方，做到全流程溯源。因此，搭建一個高效精準的食品安全溯源系統，覆蓋食品的“產、供、銷”環節，服務農戶、涉農企業和消費者，在后疫情時代下就變得尤為重要。

2 相關研究

食品溯源也稱為“食品可追溯性”，最早起源于歐美等發達國家，它是食品供應鏈全程控制和安全管理的有效技術手段[1]。

食品信息化是建立食品可追溯體系的關鍵，物聯網技術為解決這一問題提供了良好的契機[2]。如，通過傳感器可采集食品生產、加工等環節中各種環境信息，條碼給食品信息識別提供了廉價便捷的技術手段。此外，RFID標簽則可作為食品對象的身份標識和信息儲存器，它使得食品具備“開口說話”的能力。

南楠[3]提出利用RFID記錄肉制食品供應鏈各個環節的信息，以此建立有效的食品安全溯源體系。2017年，王振輝[4]采用MVC模式和微服務框架，設計并實現了一個基于二維碼的食品溯源系統。為防范二維碼偽造可能導致的安全問題，采用混合加密算法以確保溯源的可靠性。上述研究工作利用RFID和二維碼技術對食品進行信息化處理，實現了食品安全溯源，但由于系統依賴中心服務器，因此存在易篡改和信息孤島的缺陷。

針對上述問題，班海琴[5]提出利用區塊鏈技術和RFID相結合的方式用于商品溯源防偽，有效解決了容易遭受惡意篡改的問題。2020年，李宣等人[6]提出了雙區塊鏈的防偽溯源系統。劉秀升等人[7]則將雙區塊鏈技術用于農業食品溯源系統中。張瑞星[8]主要分析研究了區塊鏈技術中的共識算法，提出了相應的優化方法。本文將充分借鑒前人研究成果，在此基礎上研究并實現一個食品安全溯源系統。

3 食品溯源系統關鍵技術

3.1 條碼

條碼是由若干個寬度不等的黑白條紋按照一定的編碼規范組合而成的圖形標識符，它是一種信息自動識別技術，能夠實現數據采集、處理和識別等功能，因此常被應用于電子商務、供應鏈管理等領域。

條碼分為一維碼和二維碼。一維碼制作簡單、易識別，但只能表示簡單數字信息。相比而言，二維碼的存儲容量更大、存儲信息類型豐富，且具有抗損毀能力。QR Code是目前應用最為廣泛的一種矩陣式二維條碼，它具有如下優點：1）能夠存儲圖像、音/視頻、指紋及漢字等多種類型的信息;2）探測點位多，識讀范圍廣、速度快;3）具有防偽特性，糾錯能力強;4）制作成本低，對果蔬等農產品的溯源而言，開發性價比高。

基于一維碼和二維碼的不同特性，本文將根據實際需求采用相應的食品信息識別技術。

3.2 RFID

RFID是一種無線射頻自動識別技術，完整的系統包括電子標簽、讀寫器和數據管理三個部分，其工作原理是通過讀寫器收發無線電訊號以實現對電子標簽的自動讀寫。

RFID技術具有以下特性：1）識別能力強，無須接觸即可識別標簽信息，真正做到信息采集過程無人工干預，從而保證數據來源的真實性，因此非常適合新冠肺炎疫情時期的特殊要求;2）讀寫速度快，可實現同時、多次讀寫，極大地提高了信息傳輸效率;3）安全性高，標簽信息加密存儲難以篡改;4）容量大、適用性強，即使在惡劣環境下仍可長時間工作。

RFID技術常應用于食品供應鏈的生產和加工環節，但由于其制作成本高，因此本系統主要將其應用于高附加值的食品，如水產養殖、肉制品加工等。

3.3 區塊鏈

顧名思義，區塊鏈就是由一個個區塊連接而成的“鏈條”。其中，每個區塊保存了一定數量的摘要信息，它們通常按照時間的先后順序鏈接而成。由于該鏈條被保存在系統中所有服務器節點中，如果有惡意用戶想要修改區塊鏈中的信息，必須有超過半數的節點“共謀”才有可能，而這些節點往往都隸屬于獨立的主體，因此協同作弊將極為困難，從而確保了安全性。區塊鏈具有如下特性：

1）去中心化。沒有中心節點，任意一個節點都可以保障系統的正常運行和安全。

2）不可篡改。數據一經上鏈，所有數據更新操作都將永久地記錄在區塊鏈上，實現責任主體有備案、生產過程有記錄、主體責任可追溯，因此能夠有效解決傳統食品供應鏈各個環節可能發生的信息篡改。

3）多方所有。區塊鏈寫入數據不由單一主體所控制，經過多方驗證達成共識，才能寫入存儲。在寫入過程中，整合各環節信息形成共享信息鏈。

4）智能合約。智能合約基于代碼指定規則，并通過共識機制保證計算嚴格按照合約約定執行，并產生可信的計算結果，可用于實現任何計算和交易邏輯的自動化和智能化，同時交易可追蹤且不可逆轉。

在食品供應鏈中，每個環節的對應主體可視作區塊鏈系統中的服務器節點，而每個環節所產生的食品信息操作則可記錄到一個相應的區塊，因此區塊鏈技術十分完美地契合了食品安全溯源工作的核心難題，保障了信息的安全可靠性。

4 食品安全溯源系統的設計與實現

4.1 系統總體架構

如圖1所示，食品安全溯源系統自下而上共分為六層，即作業層、數據采集層、數據層、共識及網絡層、表示層和用戶層。

1）作業層。食品供應鏈環節中需要開展的信息采集工作，它是整個食品追溯體系的基礎。

2）數據采集層。利用一維/二維條碼、RFID等信息采集技術和各類傳感器對作業層數據進行自動采集和傳輸，提高食品供應鏈整體效率。

3）數據層。當食品相關信息采集完成后就需要傳輸到數據層進行存儲，本系統采用關系型數據庫和區塊鏈雙存儲機制。即，前者存儲食品完整數據和經過摘要處理后返回的哈希值，而后者僅存儲摘要信息。

4）共識及網絡層。運行區塊鏈系統的分布式網絡管理、傳輸機制，網絡節點共識算法等關鍵技術。

5）表示層。在系統設計和開發方面，后臺采用B/S架構+SSM框架，前端則采用HTML5、CSS、Vue等相關技術將數據按用戶需求進行呈現。

6）用戶層。它位于架構設計的最上層，包括Web后臺管理系統和前端微信小程序兩部分，主要面向食品供應鏈各參與方，其中消費者可通過微信小程序的掃碼識別功能輕松實現食品溯源。

4.2 系統設計思路和功能模塊

在食品溯源系統中，由于供應鏈各個環節都會不斷產生數據信息，因此將信息對應存儲于不同的節點之中，從而實現整個供應鏈的信息流、資金流和物流的互聯互通。

圖2給出了食品溯源系統總體設計思路，食品及相關信息由區塊鏈和數據庫共同存儲。如前所述，前者只存儲數據的信息摘要，完整的數據信息則存儲在后者中。數據庫可由食品監管部門進行維護，而區塊鏈系統則由食品供應鏈環節所涉及的各方協同管理。與此同時，為保障各環節信息的實時性，加入了智能監管功能，一方面為消費者提供食品溯源服務，另一方面也給管理者提供便捷高效的食品監管服務。

基于實際需求，本文在區塊鏈溯源系統中引入了食品召回環節。以廣大消費者的投訴信息為主要線索來源，食藥監局通過數據可視化平臺對反饋信息進行分類整理，對食用后可能對人體健康造成損害的食品按照其嚴重程度進行分級召回。

綜上所述，基于區塊鏈的食品溯源系統總體設計，利用區塊鏈去中心化的特性，保證了溯源環節數據信息的不可篡改，實現了對信息流可追溯性的快速查找、精確定位。

根據上述總體設計思路，結合食品生產企業規范化管理要求，將食品安全溯源系統分為四大模塊，主要功能如下：

1）基本信息子系統：記錄企業信息、綜合信息、人員信息等。

2）業務管理子系統： 記錄原料信息、加工信息、貯存信息、物流信息和銷售信息等。

3）溯源管理子系統：完成各類食品溯源碼在線生成和溯源碼在線查詢等操作。

4）溯源微信小程序：消費者在銷售終端購買的食品，可通過食品溯源微信小程序的掃碼溯源功能，即可實時查詢到食品溯源信息，包括食品的基本信息、質檢狀況、途經路線等信息。

4.3 系統詳細設計及實現

限于篇幅，本文以溯源信息表為例進行介紹。

如表1所示，溯源信息表包含溯源編號、食品編號、名稱、質檢情況、食品檢測認證機構、生產日期、保質期、物流公司等信息。為了實現數據的動態獲取，在物流公司與儲存倉庫字段上設置了外鍵屬性，從而與物流運輸信息表、食品貯存信息表建立起關聯。溯源信息表的主要功能在于，將溯源編號作為唯一標識，生成食品溯源碼。

圖3顯示了食品安全溯源平臺（Web端）首頁。主要針對食品供應鏈五個環節的信息進行管理，實現信息的增、刪、改、查等功能。同時，根據不同用戶的角色賦予不同等級的權限，保證每一環節的數據采集皆為實時記錄、上傳，實現環環相扣，避免人為造假，進一步確保信息真實可信。圖4顯示了食品列表信息頁面。

如前所述，消費者可通過溯源小程序的掃碼識別功能，快速顯示食品溯源信息。通過點擊溯源管理頁面的“生成溯源碼”，即可生成該食品溯源卡片，如圖5所示。同時，還可根據大數據分析為消費者提供個性化飲食推薦、資訊推送等功能，極大地滿足了對于食品信息溯源的高端需求。

5 結束語

黨的十九大報告提出，實施食品安全戰略，讓人民吃得健康、吃得放心。因此，如何從食品源頭追溯、建立可靠的食品流通體系，對保障食品安全、保護人民健康具有十分重要的意義。本文利用二維碼、RFID等多種物聯網技術對食品供應鏈各環節進行信息化處理，結合區塊鏈技術實現了一個去中心化、防篡改的食品溯源系統，較好地滿足了現代社會人們對食品安全可溯源性的需求。

參考文獻：

[1] 秦玉青，耿全強，晏紹慶.基于食品鏈的食品溯源系統解析[J].現代食品科技，2007，23（11）：85-88.

[2] 王成瑞，段富海.物聯網關鍵技術在食品溯源中的研究與應用[J].物聯網技術，2012，2（8）：66-68，70.

[3] 南楠.基于RFID技術的肉制食品溯源系統設計[J].現代畜牧科技，2016（8）：1-3，5.

[4] 王振輝.基于二維碼的食品溯源系統[J].農業工程，2017，7（6）：29-32，51.

[5] 班海琴.區塊鏈和RFID技術在商品溯源防偽中的應用研究[J].電腦知識與技術，2019，15（23）：237-239.

[6] 李宣，柳毅.基于雙區塊鏈及物聯網技術的防偽溯源系統[J].計算機應用研究，2020，37（11）：3401-3405，3421.

[7] 劉秀升，郝秋梅，羅詩棟，等.基于雙區塊鏈結構的農業食品追溯方案[J].電腦知識與技術，2020，16（36）：227-228，231.

[8] 張瑞星.基于區塊鏈技術的食品溯源平臺關鍵技術研究[D].成都：電子科技大學，2021.

收稿日期：2022-03-26

基金項目：國家自然科學基金（項目編號：61561035）;江西省科技落地計劃項目（項目編號：KJLD13095）;2020年國家大學生創新創業訓練計劃（項目編號：202011319014;S202011319019）

作者簡介：傅晶（2000—），女，浙江麗水人，本科在讀，主要研究方向為大數據;王文豐（1983—），男，湖北黃岡人，通信作者，副教授，博士，主要研究方向為大數據、云計算和信息安全;劉天元（1993—），男，江蘇灌云人，助理工程師，碩士，主要研究方向為電力負荷調度、區塊鏈;胡耀才（2000—），男，江西九江人，本科在讀，主要研究方向為大數據;武文懷（2001—），男，河北磁縣人，本科在讀，主要研究方向為大數據;彭亮（2002—），男，江西九江人，本科在讀，主要研究方向為大數據。