基于區塊鏈的茶產品可信化溯源

高靖涵，左 欣，林 優，郭宵冉，錢宗其，張春海

（貴州師范學院，貴州 貴陽 550018）

0 引 言

通過對消費者在購買茶產品時想要了解的信息進行了調查和統計，大部分消費者在購買茶產品時，經常需要了解茶產品的產地及質量，但產品包裝上僅有的一點信息使消費者無法辨別。基于此，本文利用區塊鏈助力智慧農業，通過茶葉二維碼溯源系統對茶產品進行可信化溯源。系統采用的傳感器在農產品種植的全部時期都在記錄大量的數據，包括農產品的選種、育苗、施肥、除草、除蟲、質檢、存儲。在加工、包裝和運輸等方面，基于區塊鏈技術下的數據存儲和溯源功能，將傳感器收集到的數據記錄在區塊鏈中，有效避免數據被篡改。在生產鏈的各個環節部署區塊鏈節點，通過實時傳輸與離線數據相結合的模式，精準記錄農產品發育過程中的有效數據，使種植者與消費者更多更快地了解農產品生長的最新進展，方便后期追蹤溯源。通過茶葉二維碼溯源系統，可以查到茶葉從種植生產到包裝銷售的全程信息，提高了管理效率，節省了大量的人力、物力、財力。

1 區塊鏈及其特征

區塊鏈是一個信息技術領域的術語，本質上是一種解決信任問題、降低信任成本的技術方案，目的是為了去中心化[1]。區塊鏈是比特幣的底層技術，也是一個共享數據庫，奠定了堅實的信任基礎，創造了可靠的合作機制，具有廣闊的運用前景[2]。去中心化是區塊鏈的典型特征之一，其使用分布式儲存與算力，整個網絡節點的權利與義務相同，系統中數據本質為全網節點共同維護，不再依靠于中央處理節點，以此實現數據的分布式存儲、記錄與更新[3]。每個區塊鏈都遵循統一規則，該規則基于密碼算法而不是信用證書，且數據更新過程都需用戶批準，由此決定了區塊鏈不需要中介與信任機構背書[4]。一旦利用區塊鏈技術，所有數據被記錄在冊且不能被人為修改，這使得被病毒、黑客等入侵的概率減小，適用面擴大，這得益于區塊鏈的不可篡改性和全程留痕性[5-6]。區塊鏈的可追溯性，即在這個應用中商品的所有信息均可被查詢到，例如產地、生產時間、所用原料及原料產地等，尤其是各種商業產品，消費者更容易辨別真偽。在一定程度上，區塊鏈的可溯源性質為人們的生活提供了極大的便利。一般系統的運營和維護需要依靠數據中心等平臺，需要較大的成本。但區塊鏈的集體維護性決定了區塊鏈的節點是任何人都可以參與維護的，這可以節約成本并提高效率，并且每個節點都可以驗證節點和記錄數據的準確性。在區塊鏈中存儲的數據是公開、透明和可追溯的，所有用戶都可以通過區塊鏈瀏覽器查詢數據。然而，區塊鏈的公開性和透明度并不影響對消費者隱私的保護，可以理解為用一串地址字符也叫秘鑰代替身份。區塊鏈的典型特征見表1所列。

表1 區塊鏈特點描述

2 區塊鏈在茶產品領域的應用

近年來，我國茶產品行業蒸蒸日上，是歷史上最輝煌的時期。茶文化作為中華五千年優秀傳統文化之一，在這一時期重新得到了發揚和傳承。茶葉第一產業總產值增長迅猛，從1952年的0.73億元增長到2020年的2 626.58億元，年均增長38.6%。與此同時，世界茶產品行業發展勢頭較好，產量和銷量保持穩定增長。但我國傳統茶產品行業仍存在企業規模小且較為發散、缺乏一定的管理經驗、市場環境有待改善等問題。基于此，采用以下模式帶動產業發展：首先是“物聯網+區塊鏈”，區塊鏈目前在農產品中的應用受到了極大的制約，主要原因在于高昂的應用成本和維護成本，且存在性能差的缺陷；并且物聯網是中心化管理機制，設備的增加會使數據量急劇上升，前期投入和維護成本將難以預測。而“物聯網+區塊鏈”模式則會減緩這些問題，節省后期維護成本，有助于提升農業物聯網的智能化和規模化程度。其次是“大數據+區塊鏈”模式也被廣泛應用在農業中。傳統數據庫的三大成就：關系模式、事務處理、查詢優化，一直到之后NOSQL數據庫的崛起，數據庫每時每刻都在發生變化[7]。未來會建立更完善的信息入戶、政務信息化等體系，需要繼續解決如何確保數據的有效性和真實性問題。而以區塊鏈為代表的這些技術將突破性地解決這一問題。將此技術應用在茶產品銷售領域，被售賣的茶產品從種植到銷售的全程數據被記錄，使消費者更放心。農業產業化的過程中，有些地區會有因生產地和銷售地距離較遠而不易交流的問題，消費者對生產所需的原料、化肥、農藥以及運輸過程和包裝過程中所用到的材料信息不了解，會產生疑問難以解決。通過“質量安全追溯+區塊鏈”技術，掃描二維碼即可查詢從種植到銷售所有用到的原料及時間。在基于區塊鏈技術的農產品追溯系統中，所有的數據一旦記錄到區塊鏈賬本上將不能被改動，依靠不對稱加密和數學算法的先進科技手段從根本上消除了人為因素，使信息更加透明[8]。

3 茶產品溯源

3.1 基于區塊鏈技術的茶產品溯源體系

區塊鏈溯源技術是指結合區塊鏈的不可篡改性分布式賬本記錄與物聯網技術，從產品源頭開始記錄相關信息，包括采集原料來源、追溯生產過程、加工環節、存儲信息、銷售信息、質檢問題、防偽標記等，從生產到銷售全過程都可以被追溯。區塊鏈本質上是分布式的公共賬本，不論商品溯源采用的是哪種形式，它都具有公開透明的特性，在鏈上的所有人都可以記錄信息并查看信息。該系統能夠有效解決傳統商品難以溯源、各部門工作交接困難、信息不對稱透明等問題，每個步驟都被記錄在區塊鏈上，及時記錄及時同步到所有人的鏈上。

對茶產品通過二維碼的形式進行溯源，是通過二維碼（Qrcode）記錄產品從種植到銷售全部過程涉及到的全部信息和產生的數據，可以實現所有產品所有信息全生命周期內的信息可溯源、可查詢，以及進行售后服務等，是產品管理的方法之一。二維碼溯源也是溯源方式中較為便捷的一種，有文本型溯源二維碼和網址型溯源二維碼。文本型二維碼主要由文本內容構成，所有信息都以文本文件的方式存儲于二維碼中，不依賴網絡掃碼獲取信息，主要用在工業生產溯源系統。網址型二維碼可在掃描后跳轉到特定的網頁，此網頁包含產品涉及到的信息和數據，用戶可自行瀏覽網頁獲取有效信息，主要用在生活類產品溯源系統[9-10]。

3.2 區塊鏈的構建

區塊鏈是以圖1中所示的區塊為主要結構首尾相連而形成的一種特殊類型的數據庫，每個區塊主要由兩部分構成，即區塊頭和區塊體。區塊頭有4部分結構：前區塊哈希、時間戳、Merkle根、后區塊哈希。前區塊哈希和后區塊哈希用于連接前區塊和后區塊，使區塊能形成完整的區塊鏈。區塊體主要將存入鏈上的茶產品數據（產地信息、加工信息、成分信息等）通過Hash算法加密，一層一層傳遞至Merkle根，完成信息的儲存，通過不斷的加密算法確保數據的安全性；并且區塊鏈中每次獲得新的數據就會隨機選擇加密算法生成新的區塊接在區塊鏈的尾部，一旦生成就不能更改，從而保證茶產品信息不能被人為篡改。

圖1 區塊鏈的構成

3.3 系統架構設計

如圖2所示，通過茶場的攝像頭、傳感器等智能設備對茶場茶葉的生長情況進行采集，每隔一定的時間上傳茶場環境數據和茶葉生長情況；系統會按茶葉的生長周期和采摘時間，對此類數據進行整理，得到不同時間采摘的茶葉的生長環境參數。完成采摘之后會根據生長環境參數進行分析，給出合適的加工方式以及對生產的茶葉進行等級評定，記錄茶葉的加工過程、原產地、微量元素含量等；通過Hash算法對茶葉生長、生產過程中的各項數據以及用戶評價數據進行加密，生成區塊，連接形成區塊鏈，上傳數據庫并生成溯源二維碼；用戶通過相關智能設備掃描二維碼獲取溯源信息并向系統上傳評價和建議。

圖2 系統架構設計

3.4 系統流程分析

如圖3所示，管理員通過溯源系統對茶葉原產地的環境參數、茶葉所含微量元素的種類和數量、茶葉的加工過程、用戶反饋等相關數據進行錄入，溯源系統內部的加密算法會對數據進行加密，其主要是通過區塊鏈的生成進行的，區塊在形成過程中的Hash算法層層遞進加密，使得數據被人為篡改和偷盜的可能性變得很小。溯源系統會通過區塊鏈和物聯網技術相結合得到溯源二維碼，用戶可掃描二維碼獲取溯源信息和反饋意見。整個溯源系統由消費者和生產商等共同維護，由于其采用區塊鏈的形式儲存信息，去掉了傳統的中心服務器存儲，使得茶產品信息更加安全和真實，能很好地完成茶產品的溯源。

圖3 系統流程分析

利用區塊鏈技術對茶產品溯源，用戶通過溯源二維碼獲取到溯源信息，可以確保茶產品溯源信息的真實性，讓用戶獲取到更加真實有效的信息。結合溯源二維碼、區塊鏈技術形成完整的茶產品溯源系統，構建了茶產品溯源系統的整體框架，完善了系統整體工作流程，讓茶產品溯源實現了大跨越，解決了以前茶產品溯源的信息可篡改、不完整等問題，更加透明、真實、可靠。

4 結 語

新一代技術催生了數字經濟，促進了新興業態的發展壯大，引領了傳統產業的升級轉型。站在新的節點展望，智慧農業正在一點點滲透并改變人們的生活，推動了新一輪農業科技革命的浪潮。區塊鏈技術作為智慧農業的關鍵技術之一，與茶產品溯源的需求相契合，是解決茶產品溯源過程中數據分散、記錄信息容易丟失、溯源結果不可靠等問題的新手段。在實際應用中，將會大力帶動農業的發展。