基于物聯網和區塊鏈的溯源系統研究

【摘" 要】 該研究將物聯網和區塊鏈技術用于農產品溯源系統，以提升系統的效率可信度。通過物聯網傳感器實時監測和數據采集，結合區塊鏈的不可篡改和去中心化特性，使用DAG和Fabric-CA技術提高區塊鏈的效率，應用于農產品的生產養殖管理、商品包裝管理、運輸倉儲管理、批發零售管理等業務中。本研究有效解決了傳統溯源系統中的信息錄入錯誤、不及時和人工錄入隱瞞信息等問題，提高了溯源系統的效率，并節省了成本。實驗結果表明，該系統能夠增強農產品信息的可信度和透明度，提高食品安全水平，并為消費者提供更加可靠的選擇依據。

【關鍵詞】 農產品溯源系統；物聯網；區塊鏈

農產品質量安全問題是當前備受關注的社會難題。目前，我國大部分蔬菜供應鏈仍依賴人工作業，導致信息反饋不暢、難以掌控和窩工現象的頻繁發生。同時，財務和車輛等方面的管理也存在大量的人力、物力、財力的浪費問題，建立農產品溯源系統尤為重要。溯源系統能夠記錄農產品的相關信息，讓消費者放心食用，并追溯生產地點和加工環節，有助于質量控制和食品安全。通過優化供應鏈和引入自動化管理，可以提高效率和質量。此外，溯源系統提供更多透明度和可追溯性，幫助消費者選擇安全健康的產品。因而，建立農產品溯源操作系統是處理質量安全問題重要舉措，促進農業可持續發展并維護人類身心健康。

一、物聯網技術在溯源系統中的運用

物聯網是根據物品編碼、RFID技術以及互聯網，將某一總體目標物件與互聯網等互聯網相連接，它是一個信息交換、通信系統處理信息系統。通過物聯網技術，可實現農產品溯源系統的實時監測、數據采集和追蹤。

實現農產品生產環節的實時監測。通過在農田、溫室或養殖場等地部署傳感器和設備，可以實時監測土壤濕度、溫度、光照等環境參數以及農作物或畜禽的生長情況。這些信息能通過物聯網傳送到云平臺，供農民和有關管理人員隨時查看與分析，及時解決問題并采取相應措施。

實現農產品流通環節的數據采集和追蹤。通過在運輸車輛、倉庫和銷售點等地部署傳感器和標簽，可以實時采集農產品的溫度、濕度、位置等信息。這些數據可通過物聯網連接到云平臺，形成完整的農產品流通數據鏈條，方便追溯產品的來源和流通情況。

實現農產品質量和安全的監控。通過在農產品包裝或標簽上嵌入傳感器和標識碼，可以實時監測產品的溫度、濕度、震動等參數，以及產品的防偽和溯源信息。用戶可以根據掃描儀標識碼或使用手機應用程序，獲得產品的詳細信息，包含生產制造地址、生產過程、質量檢測等，保證產品質量以及安全系數。物聯網技術為農產品溯源系統提供了實時監測、數據采集和追蹤的解決方案。根據物聯網連接和信息共享，能夠實現農產品生產與流通環節信息化智能化，提升產品質量和安全性，達到消費者對農產品的要求。

二、區塊鏈技術在溯源系統中的應用

區塊鏈是一種數據分布式賬本，根據加密算法和存儲技術等搭建，確保所記錄的買賣交易的完整性和真實性。區塊鏈技術中數據要以去中心化的分布式存儲方法保存，區塊鏈技術具備防篡改性、交易可追溯性、交易私密性等優點。區塊鏈應用能夠確保鏈上數據的防篡改和可追溯性，因而在商品從研發到商品流通的過程中可以實現詳細信息記錄，為監督機構提供產品全方位數據信息，使之能夠更有效地進行產品質量檢驗及數據互連互享。區塊鏈技術在溯源系統中的應用，可以提高其安全性、透明性和可信度，如在農產品溯源系統中應用。

確保農產品信息的安全性。每一筆交易和信息都被記錄在區塊鏈網絡中，由多個節點驗證和存儲，使得數據不易被篡改或刪除。這種安全性保障可以有效防止信息的偽造、篡改或丟失，確保溯源信息的準確性和可靠性。

提供農產品溯源系統的透明性。全部參與者都可以在區塊鏈上查詢和測試相關信息，包含生產制造地址、生產過程、生產加工環節等。由于區塊鏈上的數據共享和透明，消費者可以追溯農產品的整個流通過程，確保產品的質量和安全性。

增強農產品溯源系統的可信度。由于區塊鏈的去中心化特性，沒有單一的機構或個人能夠操縱數據或控制信息流。所有數據都經過多個節點的驗證和共識，提高了信息的可信度和合法性。這種體制能夠減少信息造假和欺詐個人行為，提升消費者對農產品的信任度。

區塊鏈技術為農產品溯源系統軟件帶來了安全性、透明和可信的解決方案。根據利用區塊鏈技術的特性，保證農產品信息的真實性和完整性，為消費者挑選安全系數高、健康的生活農業產品，推動農產品質量的提高。

三、物聯網區塊鏈

物聯網設備的海量接入，建設高性能可擴展性的物聯網平臺，并使用物聯網的各類傳感器實現自動的數據采集。伴隨著物聯網設備的總數快速增加，對服務的需求也在不斷增加，傳統物聯網服務方式面臨著很大的挑戰。區塊鏈技術的核心是分布式計算，及其分布式計算條件下的群體可信協作體制。區塊鏈技術的分布式計算和人群可靠協作體制，為了解決物聯網技術所面臨的可擴展性、協作能力、信任感與安全防護等方面考驗帶來了全新的思路和解決方法。

使用區塊鏈技術構建物聯網服務平臺，可“去中心化”地將各類物聯網相關的設備、網關、能力系統、應用及服務等有效連接融合，促進其相互協作，降低成本的同時，最大限度地滿足信任建立、交易加速、海量連接等需求。使用區塊鏈技術構建的物聯網業務平臺，被稱為物聯網區塊鏈（BoT），它支持物聯網實體在“去中心化”的模式下相互協作。區塊鏈技術在算法和共識機制上合理解決了各連接點數據傳輸實效性與真實性，規范了傳統式物聯網技術追溯的缺點，確保上線信息的真實性和完好性。在以太網覆蓋下，通過識別RFID標簽，將農產品的生產、加工、流通、零售全程數據發送至追溯中心進行上鏈，完成農產品供應鏈多方數據協同記錄，實現原產地追溯與跨境追溯。采用RFID標簽，將產品從生產到銷售各環節的每筆交易信息以區塊鏈賬本形式完整儲存于各區塊中，區塊之間通過散列值鏈接，實現多主體的多點同時記賬。

區塊鏈因其“不可篡改”“共識機制”和“去中心化”等特點，對物聯網產生了重要的影響。這種危害包含減少去中心化架構高額運維成本費、維護客戶數據和個人隱私、保證系統安全性、完成數據追本溯源及其推動網間協作。根據真實身份權限管理和多方面共識，可以檢測并阻攔違法節點接入，避免惡意節點的作惡。與此同時，區塊鏈技術的分布式架構和行為主體對等的特征有利于擺脫信息荒島，以成本低創建互信，推動信息的縱向移動和網間合作。

四、溯源系統設計

（一）系統設計

物聯網與區塊鏈溯源系統中的應用，使用Hyperledger Fabric聯盟鏈技術以及物聯網平臺技術與MQTT物聯網通信協議，構建平臺總體技術架構，通過Hyperledger Fabric構建基礎區塊鏈網絡，并對網絡運行狀況進行了實時監控。實時監控物資存儲，確保物資出入庫的安全。加強物資監管，減少和杜絕非法流出。使用標簽識別技術，提高物資識別的準確性，減少人為錯誤，提高庫存準確率，完成合理庫存管理和控制，快速、高效地流轉物資，提供物資歷史和現階段事務統計報表，為決策者提供精確信息，記錄物資管理員的工作時間，把握他的工作效率，增強對他們的管理方法，將物資單據的紙質信息轉換為電子數據，簡化查詢步驟，提高查詢速度。

區塊鏈技術能夠支持物聯網設備的拓展，構建高效率、安全分布式物聯網互聯網，并構建數據信息密集型運用。它帶來了信任機制，確保所有權、交易等記載的可信性、可靠性和透明性，與此同時，維護用戶隱私。這種改進有助于推動物聯網向更為靈活化、智能化最高級的形狀演進。

（二）系統架構

系統根據物聯網和區塊鏈技術，構建了一個結合感應器收集、無線傳輸、Web運用和二維碼等新技術的農產品溯源系統。該系統分為四個層次：

物理層：利用物聯網技術，根據感應器收集農產品生產過程中的數據信息，包含生長發育環境、生產制造環境運輸環境的信息。生長自然環境數據包括溫度、環境濕度、光照和生長日期等，工作環境數據包括生產過程生產日期等，運輸自然環境數據包括運輸地址、方式等。

數據存放層：選用區塊鏈技術，將數據以鏈式存放的形式進行存放，對溯源數據開展高效管理，保證數據的安全性。如下圖1所顯示，該系統區塊鏈區塊信息包括區塊頭部和區塊體，區塊頭由區塊hash值、時間格式、Merkle樹桿、難度系數總體目標等信息，區塊行為主體包含數據交易的信息類型、哈希函數、密匙等信息和溯源系統的信息，根據無線傳感器收集到的農產品田地、溫室大棚或養殖場農產品生長發育信息、制造廠包裝加工信息、貨運物流中運送存儲等信息。

數據傳輸層：數據傳輸層負責數據通信，通過使用RFID掃描儀或NFC讀卡器將產品編號等溯源信息廣播在DAG（Directed Acyclic Graph）中。DAG即有向無環圖，DAG的特點是數據單元的寫入操作是異步的，大量的客戶端可以獨立、異步地將交易數據寫入DAG，DAG結構下區塊的區塊頭可以包含多個區塊的哈希值，指向不同的前代區塊，單位時間內打包的交易變多。根據使用DAG作為網絡基礎，解決了傳統區塊鏈的高并發難題，并提高了容量的速度和。以最低的成本開展擴展，應用好幾條DAG作為存放，維護真正交易信息和敏感數據。單條聯盟鏈作為核心，給予公布溯源數據信息上弦，及其智能合約高效運行Fabric-CA申請注冊組員作用。Fabric-CA技術性提供了可插拔的架構設計，適用的共識、權限設置、加解密和賬簿體制控制模塊，同時具有多通道特性完成數據隔離，還提供身份證件書管理服務，提高了可靠性和可擴展性。

數據展示層：利用二維碼技術向客戶展示有序、合理的溯源信息。二維碼具備多種多樣編號種類和大容量信息特征，能夠展現產品名稱、產地、生產日期、保質期、生存環境等信息。此外，二維碼還可以編碼圖片、文字鏈接等相關信息，提升溯源系統的多樣性。結合區塊鏈技術和加密手段，進一步保障農產品的安全性。

五、結語

物聯網區塊鏈技術有助于處理與農業農產品消費的痛點。一方面，主要是通過物聯網提高農牧業效率，連接孤立產業鏈環節，造就增量使用價值。另一方面，依托區塊鏈技術連接農牧業數據創新要素，創建全程信用監管管理體系，引起農業生產和食品市場領域內的革命性更新。這項技術融合發揮了物聯網和區塊鏈的優勢，完成了物件信息的全面掌握和信息可信。

在二維碼和RFID技術基礎上引入區塊鏈技術，用于產品溯源系統，確保產品任何環節的問題都可追溯，并提高產品質量的可靠性。它通過物聯網的數據自動監測、采集、儲存區塊鏈的數據，提高溯源效率，節省了人工記錄和監管成本。

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