區塊鏈技術在智慧農業領域中的應用

陳林蔚

(南京農業大學人工智能學院,江蘇 南京 210031)

智慧農業在實現農業產業高效、可持續發展方面發揮了重要作用[1],是應對未來全球農業可持續發展挑戰的必然選擇。但隨著智慧農業的發展,數據安全、網絡安全、責權歸屬等一系列問題也相伴而生。這些問題為智慧農業的可持續發展和廣泛應用帶來了挑戰。

區塊鏈技術是一項新興的數據信息處理技術,區塊鏈的核心特性包括去中心化、分布式存儲和安全性,這些特性為智慧農業解決了現有技術所面臨的一系列問題,特別是在數據安全和追溯方面具有明顯優勢。區塊鏈的去中心化使得智慧農業系統不依賴于單一的中心機構或服務器,而是由多個節點組成的網絡共同維護和驗證數據的完整性。這種分布式的數據存儲方式使得數據更加安全可靠,不易受到單點故障或惡意攻擊的影響。當單個節點出現故障或被攻擊時,其他節點仍然能夠繼續運行,確保了系統的可靠性和穩定性。分布式存儲意味著數據被分散存儲在網絡的多個節點上,而不是集中存儲在單一的數據庫中。這種分布式存儲方式不僅提高了數據的容錯性和可用性,還減少了數據被篡改或損壞的風險。每個數據塊都包含了前一個數據塊的哈希值,形成了一個鏈式結構,任何數據的篡改都會被其他節點檢測到。

區塊鏈技術具有強大的安全性。數據在區塊鏈中以加密的形式存儲,并通過密碼學算法進行驗證和授權。所有參與節點必須達成共識才能添加新的數據塊,對于智慧農業而言,這意味著農作物種植、農藥使用、環境監測等數據可以被可靠記錄和驗證,確保了農產品的質量和安全。區塊鏈技術還可以解決智慧農業中的責權歸屬問題。由于智慧農業涉及多個參與方,包括農民、企業、供應鏈伙伴等,責權歸屬往往難以明確。區塊鏈通過智能合約等機制,可以確保參與方之間的權益和義務得到明確和執行,提供了一種可信的合作框架。這有助于促進各參與方之間的合作和協調,推動智慧農業的發展和可持續性。

區塊鏈技術通過去中心化、分布式存儲和安全性等特性,有效解決了智慧農業中的數據安全和追溯等問題。隨著區塊鏈技術的進一步發展和創新,相信它將為智慧農業的可持續發展提供更多支持,并在農業領域發揮重要的作用。

1 智慧農業的發展現狀

1.1 智慧農業的概念

智慧農業指的是運用先進的信息技術[2]、互聯網技術、傳感器技術、智能控制技術、無人機技術等現代技術手段,對農業生產、管理、決策等環節進行全面、系統的信息化、智能化改造,以提高農業生產效率、降低生產成本、提高農產品質量與安全等為目標,使農業生產更加智能化、精準化、集約化[3]、可持續化,從而實現高效、綠色、可持續的農業發展。相較于傳統農業,智慧農業的特點體現在以下幾個方面:

(1)數字化管理:智慧農業利用物聯網等技術采集大量農業生產數據,通過云計算、區塊鏈以及大數據分析對農業生產過程進行精準監測、管理和預測。實現農業生產的可視化、可控化和智能化。

(2)智能化設備:智慧農業采用先進的設備和傳感器,可以對農作物進行實時監測和控制,對農田土壤、水質、氣象等環境因素進行高精度監測,這些設備不僅可以自動執行任務,還可以對作物生長過程進行快速響應和精細化管理[4],避免了傳統農業中存在的大量浪費和環境污染問題。

(3)生產環節優化:智慧農業可以對生產的各個環節進行優化和調整,如對種植、養殖、管理等環節進行優化和升級,提升農業生產效率和質量,降低生產成本。

總的來說,智慧農業更加注重數據化、精準化和智能化管理,通過技術手段實現對農業生產的全過程監測和調控,達到了提高農業生產效率、農產品質量和農業可持續發展的目的。同時,智慧農業也對農村的經濟、社會和生態環境帶來積極影響,有利于推動農村現代化進程,促進農村經濟增長和農民增收。

1.2 智慧農業的發展困境

智慧農業的發展離不開數據的支撐,在智慧農業系統中,包括了農業生產、氣象、市場、運輸等多種數據,這些數據要經過收集、處理、存儲和使用,如果這些數據泄露或被攻擊,可能會造成嚴重的經濟損失和社會問題。而中國農村信息化建設成熟度不高,沒有健全的農業信息數據共享平臺[5],農業生產主體對信息安全重視不夠,部分智慧農業企業未能對全產業鏈進行完整的風險評估[6]。

1.2.1 數據來源和收集階段 智慧農業需要依靠各種傳感器、探測器、監控設備等進行數據收集。這些設備往往需要聯網,這就帶來了網絡安全問題。一旦設備被黑客攻擊,就可能導致數據泄露或被篡改。由于農業生產的復雜性,數據的收集往往面臨著多樣性和分散性的問題。各種傳感器和設備的數據格式和標準不統一,導致不同的企業和組織在食品追溯的標準和流程上存在差異,不利于數據交換和共享。

此外,在食品生產和加工過程中,會涉及到多個環節,包括播種、施肥、灌溉、采摘、加工等,每個環節都會產生大量的數據,這些數據來源的真實性和準確性也是食品追溯的基礎。

1.2.2 數據處理和存儲階段 智慧農業需要進行大量的數據處理和分析,這些數據具有來源復雜、結構復雜、數據周期長等特點,在數據處理和分析過程中,往往需要使用到各種算法和模型,這就帶來了數據隱私和安全的問題。另外,智慧農業的數據量往往非常大,不同環節的數據存儲和管理也是一個重要的問題。由于傳統的數據存儲和管理技術往往面臨著數據丟失、數據損壞等問題,并且基于物聯網設備的中心化管理成本難以估量[7],因此需要采用更加安全和可靠的數據存儲和管理技術,以實現數據可追溯性。

1.2.3 數據使用和共享階段 智慧農業往往涉及多個參與方,包括政府、農民、消費者和銷售商等。這些參與方之間的數據共享和交互會涉及到數據隱私和安全的問題[8]。智慧農業的數據往往需要在不同的應用場景中進行使用和共享,這些數據包括了生產過程中的敏感信息,如生產成本、品種選擇、肥料用量等,如果數據被非法使用或泄露,將給農民和企業帶來嚴重的經濟損失和社會影響。

此外,由于數據來源分散、數據量大、數據傳遞方式不規范等問題,數據傳遞和管理變得非常困難,由于缺乏有效的數據流通和信息交互,產生信息孤島問題,影響智慧農業的整體效益和質量。如何在保證數據共享的前提下,保護用戶的隱私和數據安全,是智慧農業面臨的重要挑戰。

2 區塊鏈技術在智慧農業領域的應用前景

在智慧農業中,農業生產環節會涉及到大量的數據采集、傳輸、存儲和處理,因此數據的安全和溯源問題也越來越受到人們的關注。傳統的農業數據管理方式往往采用集中式存儲和管理,這種方式存在單點故障、數據篡改和信息泄露等風險,容易導致數據不可信。而區塊鏈技術的去中心化、分布式存儲和安全性,能夠有效解決智慧農業中的數據安全和溯源問題。“區塊鏈+農業”已經成為智慧農業發展的必然趨勢,區塊鏈技術在促進智慧農業高質量發展方面發揮了重要作用。

2.1 區塊鏈核心技術

2.1.1 聯盟鏈技術 區塊鏈分為公有鏈、私有鏈和聯盟鏈三大類[9](表1)。公有鏈是一種完全去中心化的區塊鏈,是全球范圍內所有人都能訪問的。通過對項目數據的讀取、寫入、驗證和共識等行為,實現了對數據的有效獲取并存儲。私有鏈是一種集中式的區塊鏈,可有選擇地向社會公開,主要應用于企業內部數據管理。因私有鏈的權限是有限的,所以適用于一些具體的機構或者小型的公司,并且是以一群實體為目標。

表1 區塊鏈分類及其特點

聯盟鏈是分布式區塊鏈,它的數據能供聯盟中所有成員進行讀取和傳輸。在這個區塊鏈中,所有成員都能決定自己是否加入某個聯盟,并將自己的決策提交給其他成員進行討論和協商。通過共識協議使若干組織結合在一起以實現共同目標而建立聯盟系統。相對于公有鏈節點過多而造成的效率低下、性能偏低的問題,聯盟鏈具有較少節點,可以快速實現信息同步,提高業務性能[10]。

2.1.2 數字簽名 數字簽名是一種基于非對稱加密的技術,用于驗證信息的發送者和信息的完整性。發送者使用自己的私鑰對信息進行加密,生成一個數字簽名。得到權限的使用者可以通過公鑰查看信息并與數字簽名進行比對。如果解密結果與數字簽名匹配,那么可以確定該信息的發送者是真實可信的,且信息在傳輸過程中未被篡改。

2.1.3 時間戳 時間戳技術的重要性在于,它防止了對區塊鏈中數據的篡改。由于區塊鏈是一個不可變的分布式賬本,任何對已存在的區塊進行篡改的嘗試都會破壞區塊鏈的完整性[11]。因為任何對已存在的區塊進行篡改都會改變區塊的哈希值,進而影響到后續區塊的鏈接。通過時間戳技術,每個區塊的時間戳都會被固定在區塊鏈中,保證了數據的時間順序和不可篡改性。

2.1.4 智能合約 智能合約是一種可編程的自動執行的合約,可以實現自動化的數據管理和控制。在智慧農業中,智能合約可以用來自動記錄和驗證農業數據,從而實現數據的可追溯性和透明性。例如,可以使用智能合約記錄每一次農業生產的過程,包括播種、施肥、灌溉等信息,并將這些信息存儲在區塊鏈上。在農產品銷售時,消費者可以通過掃描產品上的二維碼來查詢這些信息,保證產品的質量和安全性。

2.2 區塊鏈應用場景

2.2.1 區塊鏈與農業大數據 農業大數據涉及農田、養殖場等敏感信息,但是數據孤島和信息壁壘的問題,限制了數據的流動和利用,數據的安全性和隱私性也需要一定的保障,區塊鏈的去中心化、不可篡改性和分布式記賬可以確保數據的安全存儲、傳輸和共享,數據擁有者可以通過智能合約授權其他用戶訪問其數據,從而促進跨部門、跨組織的數據合作和共享。此外通過分析和挖掘農業大數據,并將各個環節和結果記錄在區塊鏈上,消費者可以實現對產品來源、種植、養殖信息的追溯,農業相關的決策者可以基于數據驅動的洞察來制定更加精準和可持續的農業策略。

2.2.2 區塊鏈與農業物聯網 通過物聯網技術,農場可以實現對農作物、畜禽、農業機械等的全面監測和數據自動采集。但物聯網設備數量龐大且分散,涉及到各類傳感器、監測設備等,區塊鏈技術能夠有效管理大量設備產生的數據,減少了單一故障點的風險[12]。此外,采集的數據分散在各個設備中,造成數據管理和整合困難,數據安全性也面臨重要挑戰,將物聯網設備的數據記錄在區塊鏈上可以實現數據的統一管理和共享,任何數據的篡改都會被其他節點發現,此外,通過智能合約技術,可以與物聯網設備進行自動化的交互和執行,實現設備之間的自動協作,減少中間環節和人為干預,提高效率和可靠性。

2.2.3 區塊鏈與農業金融 區塊鏈記錄著農業數據和交易歷史,農民可以建立可靠的信用記錄,為金融機構提供欲貸款者更全面的信息。農民在申請貸款時,銀行、征信公司等機構不用提供證明,可以在區塊鏈上直接提取信息,從而提高農民的信用評級和融資機會[13],為他們提供更加個性化和靈活的金融產品和服務。此外區塊鏈技術還可以提供去中心化的金融交易和結算系統,減少金融中介環節,使得農民能夠更便捷地進行融資、貸款和支付操作。

2.2.4 區塊鏈與農業保險 區塊鏈技術可以提供透明和可靠的數據和驗證。通過將農業數據和保險合同等相關數據記錄在區塊鏈上,保險公司和農民可以共享和訪問數據,減少欺詐和糾紛的可能性。智能合約的自動執行機制可以根據預設條件自動觸發理賠流程,減少人為干預和減輕農民的負擔。區塊鏈記錄的數據可以提供準確的信息,幫助保險公司快速、準確地評估風險、處理理賠[14]、定價和設計保險產品,有助于提高保險的可負擔性和適應性,為農民提供個性化的保險。

2.2.5 區塊鏈與農產品質量安全追溯 區塊鏈技術應用于智慧農業領域形成有效的追溯體系,能夠確保農產品全過程的透明度,通過將農產品的種植、養殖、加工和運輸等環節的數據記錄在區塊鏈上,消費者可以追溯產品的全過程,了解產品的來源、生產條件、使用的農藥或飼料等詳細信息,監管機構可以實時獲取農產品的數據和信息,加強對農產品質量的監管和追蹤能力[14]。通過區塊鏈記錄的數據和智能合約的機制,農產品的生產、加工和運輸等環節可以得到準確的驗證和認證,確保了產品的質量安全。

2.2.6 區塊鏈與供應鏈 隨著農業的發展,供應鏈變得越來越復雜,涉及上百個流程和多個參與主體。這種復雜性導致了一系列問題,包括信息無法集中保存、各參與主體之間缺乏信任以及信息共享困難[15]。這些問題對于供應鏈的可追溯性、透明性和可信度構成了挑戰。傳統的農業供應鏈中,信息的記錄和傳遞往往依賴于中心化的管理機構或第三方中介,這會導致信息不對稱和不透明。例如,農產品的生產、加工、運輸和銷售環節的數據可能分散在多個組織和系統中,無法實現全面的信息共享和整合。這使得追溯農產品的來源、生產條件、質量和安全等信息變得困難,消費者和監管部門難以獲取準確的數據,增加了食品安全和質量管理的難度。此外,由于供應鏈中的參與方眾多,相互之間缺乏信任,且各個環節的數據可能受到人為操控,無法保證數據的真實性和可信度,存在信息篡改和欺詐的風險。這種問題限制了供應鏈的高效運作。

區塊鏈技術提供了解決這些問題的機制。通過將供應鏈中的各個環節、節點的信息和交易記錄存儲在區塊鏈上,可以實現從原材料采購到生產、加工、物流和銷售等全過程的溯源。每一次的數據記錄都會被記錄在區塊鏈上,形成一個可追溯的數據歷史記錄。這使得參與方能夠實時、透明地共享和驗證數據,確保供應鏈的可追溯性、透明性和可信度。

區塊鏈技術與農業供應鏈之間存在著緊密的關聯[16-18]。通過提供去中心化、不可篡改的數據記錄和共享機制,區塊鏈技術能夠解決農業供應鏈中的信息不對稱、信任缺失和信息共享困難等問題。它實現了供應鏈的可追溯性、透明性和可信度,促進了農產品的質量管理和食品安全監管,提高了供應鏈的運行效率和透明度。

3 區塊鏈技術與智慧農業的融合

3.1 應用框架

針對智慧農業中數據安全和農產品追溯問題,應用區塊鏈技術可以建立一個可信的、透明的數據共享平臺[19],以實現對農業生產全過程的實時監控和溯源追蹤,該平臺包含數據采集與傳輸模塊、區塊鏈模塊、數據處理與存儲模塊、智能合約模塊以及應用模塊(圖1),這些模塊在整個數據共享平臺中進行協同工作,實現了對農業生產全過程的實時監控和溯源追蹤,為保障農產品的質量和安全提供了有力的技術支持。

圖1 區塊鏈技術在智慧農業領域應用框架

3.1.1 數據采集與傳輸模塊 該模塊是實現數據共享的基礎,也是智慧農業中基礎模塊,通過采用物聯網和區塊鏈技術,實現農業生產數據的實時采集、加密傳輸和共享管理,提高農業生產的效率和可靠性。這些數據包括了種植品種、施肥和灌溉情況等生產數據,以及農產品流通、交易及用戶使用等數據[20]。因此需要建立一個可靠的數據采集系統,通過安裝各種傳感器和監測設備,對農業生產中的各項數據進行采集,并通過數據接口傳輸到數據模塊。

輸入的數據會經過全網廣播給各節點,鏈上其他各節點通過共識機制進行真實性和完整性查驗,驗證成功后,將信息備份到自己維護的區塊中。經確認后的信息會經過哈希算法生成唯一的哈希值,加蓋時間戳,生成不易篡改的新區塊。該模塊利用區塊鏈技術進行數據加密和傳輸,自動存儲更新智慧農業相關數據信息。

3.1.2 區塊鏈模塊 區塊鏈模塊是智慧農業中的核心模塊,它能夠增強數據的可信度和不可篡改性,從而確保數據的安全性和可追溯性。該模塊主要是使用區塊鏈技術來實現智慧農業中數據的存儲和管理,同時也是數據共享和數據交換的核心。通過該模塊,可以將智慧農業中產生的數據以區塊鏈的方式進行存儲,并保證數據的不可篡改性和可追溯性,從而確保數據的安全性和可信度。

3.1.3 數據處理與存儲模塊 數據處理與存儲模塊是智慧農業中非常重要的一部分,它主要負責將采集到的數據借助物聯網或射頻識別技術(Radio frequency identification,RFID)等工具進行進一步處理,并存儲到區塊鏈中,以保證數據的安全性、可信度和完整性。

在該模塊中,數據的處理分為兩個主要階段:數據清洗和數據分析。數據清洗是指對采集到的原始數據進行處理,以確保數據的準確性和一致性。數據分析則是基于可追溯性,對交易信息的關聯性進行深度挖掘和分析,基于數據采集模塊提供的完整數據鏈,進行多角度深層次分析數據的真實性和合理性,從而為智慧農業的決策提供支持。當收到預警信號項目發生異常情況時,自動將問題匯總發送給分析人員,分析人員基于區塊上唯一的跟蹤代碼來實現信息追溯和人工復核,人工復核后再經過數據接口傳送到數據處理模塊,如此循環直到信息確認無誤后及進行上鏈存儲(圖2)。

RFID:射頻識別技術。

數據存儲則需要通過區塊鏈技術實現。在智慧農業中,由于涉及到大量的數據采集和處理,因此需要使用分布式存儲的技術來存儲數據[21]。區塊鏈技術中的分布式存儲可以有效實現數據的存儲和共享,并通過智能合約來保證數據的訪問和使用的安全性。

3.1.4 智能合約模塊 智能合約是區塊鏈技術的核心功能之一,也是智慧農業數據追溯方案中不可或缺的一部分。在智慧農業中,智能合約可以用來實現數據驗證、權限控制、交易自動化等多個功能[21]。智能合約可以被看作是一份自動執行的合同,其中包含了事先約定的條款和條件。智能合約的執行基于區塊鏈網絡上的節點和算法,無需人為干預,從而保證了數據的安全性和可靠性。

在智慧農業中,智能合約可以用來驗證農產品的品質、來源和交易記錄(圖3)。當一個農產品被采摘后,該農產品的生產信息將被輸入到智能合約中。當消費者購買這個農產品時,智能合約將驗證該農產品的生產信息,并確定該農產品是否符合標準,從而保證了產品質量和消費者的權益。此外,智能合約還可以用來控制數據的訪問權限。在智慧農業中,不同類型的數據需要不同級別的訪問權限。例如,農產品的生產信息應該只能被農場管理人員和政府監管機構訪問,而農產品的銷售信息則可以被銷售商和消費者訪問。智能合約可以根據事先設定的訪問規則,自動控制數據的訪問權限,從而保證數據的安全性和隱私性。

圖3 智能合約技術原理

3.1.5 應用模塊 該模塊主要是針對不同的智慧農業應用場景,進行應用開發和部署。通過該模塊,可以快速構建智慧農業應用,如農產品溯源、智能灌溉、智能施肥等,并提供相應的接口,以方便其他系統調用。例如,針對智慧農業中的追溯需求,可以設計一個基于區塊鏈的追溯查詢平臺,用戶可以通過該平臺輕松查詢農產品的生產、加工、運輸等信息[22]。應用模塊是智慧農業和區塊鏈融合框架中至關重要的一環,它決定了區塊鏈技術是否能夠真正發揮作用,為智慧農業的可持續發展提供有效支持。因此,在應用開發過程中,需要充分考慮用戶需求,靈活運用技術手段,實現應用場景的最優化設計。

4 區塊鏈技術應用于智慧農業的成功案例

“步步雞”項目是由眾安科技與沃樸物聯共同打造的,于2017年6月首次在國內公開[23]。該項目與靖江市政府、華源禽業合作社等合作,在靖江市成立了科技扶貧養殖基地。“步步雞”項目整合了區塊鏈、農業物聯網和防偽技術,旨在實現對雞成長過程的全程追溯。通過將雞苗的供應、養殖、加工、物流等環節的數據全程上鏈,并通過共識算法確保信息的透明性和不可篡改性。在該項目中,每只雛雞都被賦予了獨特的身份碼,也稱為雞牌。這些雞牌內置傳感器,能夠實時記錄養殖過程中的詳細數據。消費者可以通過掃描雞身上的二維碼獲取溯源信息,其中包括培育記錄、疫苗信息、質檢證書等,這樣的可追溯性措施增加了消費者對產品的信任。此外,該項目還與農業保險和農業金融進行合作,將區塊鏈技術應用于這些領域。農業保險機構利用區塊鏈平臺存儲的數據,可以實時判斷理賠金額并解決養殖戶資金短缺等金融問題。這種合作為養殖戶提供了更及時、準確的理賠服務,并通過區塊鏈的不可篡改性確保數據的可信度。

5 結論

隨著信息技術的不斷發展,智慧農業已經成為現代農業的重要組成部分,區塊鏈技術也逐漸成為智慧農業領域的重要支撐技術。本文圍繞智慧農業在數據安全和追溯方面面臨的困境,分析了區塊鏈技術在智慧農業領域中的應用前景。總的來說,區塊鏈技術在智慧農業中的應用,能夠實現農業數據的安全存儲和有效追溯,提高農業生產過程的透明度和公正性,降低生產成本,改善農產品的質量和安全性。同時,區塊鏈技術也為智慧農業的發展提供了新的思路和方向。