基于區塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸環境監控系統設計

摘要：獼猴桃是一種典型的呼吸躍變型水果，對環境敏感，冷鏈運輸過程中溫濕度等的變化均會導致獼猴桃的品質劣變，嚴重影響獼猴桃的商品價值。文章提出了一種基于區塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸環境監控系統，利用區塊鏈去中心化和不可篡改的特點，結合IoT技術，對獼猴桃冷鏈運輸的環境進行檢測，通過無線通信方式上傳至區塊鏈，將數據加權平均處理之后與獼猴桃冷鏈運輸的適宜環境閾值進行比較，對超過閾值的環境參數，開啟相關設備進行自動調整至適宜環境，并對狀態異常的獼猴桃及時發出警報，從而減少運輸過程中獼猴桃的變質損耗，提高運輸過程中溫濕度等關鍵信息的透明度。

關鍵詞：獼猴桃；冷鏈運輸；區塊鏈；監控系統

中圖分類號：TP39" 文獻標志碼：A

作者簡介：朱文鑫（2002— ），女，本科生；研究方向：物流工程。

0" 引言

國家標準《物流術語》（GB/T 18354—2021）對冷鏈物流的定義為：根據物品特性，為保持其品質而采用的從生產到消費的過程中始終處于低溫狀態的物流網絡。我國的獼猴桃產量和種植面積均居世界第一位，但是我國獼猴桃種植產業結構上呈現出供需兩端在地域上不匹配的現象［1］，因此衍生出了獼猴桃冷鏈運輸這個獼猴桃產業鏈上重要的一環。獼猴桃冷鏈運輸是連接獼猴桃種植戶、加工流通、銷售市場、消費者等各個環節的有力橋梁［2］。

但是，獼猴桃屬于不耐藏類型的農產品，在儲藏、運輸等環節極易因為外部溫濕度等環境參數變化而發軟［3］，從而導致運輸過程中存在大量損耗，增加了流通成本。因此，獼猴桃“賣難買貴”現象時有發生，嚴重影響了獼猴桃的流通［4］，不利于獼猴桃產業的可持續發展。因此，如何有效地監控獼猴桃運輸過程中所處的環境，已成為以獼猴桃為代表的農產品冷鏈物流中研究的熱點問題。

近年來，隨著大數據、物聯網、人工智能、區塊鏈等信息技術的迅猛發展和廣泛應用，“互聯網+”與各行各業深度融合。2024年中央一號文件中提出持續實施數字鄉村發展行動，發展智慧農業，促進信息技術與鄉村的融合。針對獼猴桃冷鏈運輸環境變化引起獼猴桃變質的問題，國內外學者利用區塊鏈技術在環境監測方面進行了相關研究。雙海軍等［5］通過分析區塊鏈技術的特點和在農產品冷鏈物流中的應用，得出區塊鏈技術能有效幫助農產品供應鏈實現冷鏈物流全鏈條溫度可控、過程可視。張學軍等［6］將STM32微控制器、物聯網傳感器與區塊鏈結合，實現了數據可信溯源，提升了運輸環境監測數據的可靠性。吳文斗等［7］將區塊鏈技術與物聯網技術進行深度融合，使用百度開源區塊鏈Xuperchain構建數據安全鏈，實現所有監測數據實時上鏈，保證數據的真實性、可靠性和不可篡改性。

但是，目前在獼猴桃冷鏈運輸領域區塊鏈主要用于實現運輸環境監測數據的可靠性和可溯源性，對獼猴桃運輸過程中環境參數的調節，依然主要依靠監控系統報警后，司機或相關管理人員的控制調節，缺乏一定的及時性，不利于獼猴桃所處環境適宜性的保障。因此，本文在先前研究的基礎上提出了基于區塊鏈技術獲取獼猴桃運輸過程中環境參數的實時數據，并通過IOT控制相關設備來實現運輸環境的自動調控，從而保障運輸過程中環境的適宜穩定，減少獼猴桃運輸過程中的損耗，為獼猴桃運輸管理智能化決策提供參考。

1" 獼猴桃運輸環境影響因子分析

獼猴桃屬于呼吸躍變型水果，對運輸過程中所處的環境極其敏感，運輸過程中溫濕度等的變化都會影響獼猴桃的品質。對于獼猴桃運輸環境的影響因子，國內外學者進行了以下研究。張翼釗［8］研究發現，溫度波動會引起獼猴桃的呼吸強度和乙烯等氣體的變化，從而影響獼猴桃的品質和營養價值。田津津等［9］對新采摘的新鮮獼猴桃進行16天的連續測量，發現在貯藏溫度為0℃時，溫度波動為3℃的獼猴桃硬度變化是溫度波動為0℃的1.94倍，是溫度波動為1.5℃的1.27倍。謝丹丹［10］通過在獼猴桃僅受運輸振動脅迫條件下，比較不同成熟度、振動強度及振動時間對獼猴桃品質的影響，發現獼猴桃成熟度越高、振動強度越大、振動時間越長，獼猴桃品質劣變的速度越快。唐曉東等［11］通過研究不同冷藏溫濕度對果實品質的影響，發現“秦紅”獼猴桃的最佳冷藏溫濕度條件為冷藏溫度2℃、冷藏時間35 d、冷藏濕度85%。Xu等［12］研究發現了冷鏈運輸的溫度保持在2℃時，能夠較好地保證獼猴桃的品質，并且運輸時間的長短會影響獼猴桃的半透明程度。

綜上所述，考慮到冷鏈運輸車輛的環境限制和成本控制以及其動態性的特點，本文通過查閱相關文獻，綜合獼猴桃冷鏈運輸適宜的環境參數考慮，選擇溫度、濕度、乙烯濃度作為影響獼猴桃品質的環境因子對其進行調節控制，減少運輸過程中獼猴桃的損耗。

2" 獼猴桃運輸環境監控系統方案設計

本文提出一種基于區塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸環境監控系統，旨在利用IoT設備采集和上傳獼猴桃運輸過程中的環境參數，通過智能網關連接到區塊鏈客戶端運行讀取操作，并通過智能合約自動執行數據的驗證、處理和存儲到區塊鏈賬本中，對超過閾值的環境參數開啟相關設備進行自動調控并對狀態異常的獼猴桃及時發出警報。

2.1" 環境監控系統整體框架

本系統框架分為5層：數據采集、數據層、網絡層、核心層、應用層［13］。實現了對運輸環境的智能控制，系統整體框架如圖1所示。

數據采集的主要作用是通過安裝在冷鏈運輸車輛內部的氣體及溫濕度傳感器等傳感器獲取運輸車內部的環境參數，通過GPS等獲取運輸車輛的位置信息，并通過紅外攝像頭獲取獼猴桃的狀態信息。

數據層主要包括數據區塊、鏈式結構、時間戳、哈希函數、Merkle樹、非對稱加密。基于區塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸環境監控系統通過加密算法和哈希算法，保證運輸過程中數據的可靠性和不可篡改。數據層儲存數據的結構如圖2所示，其中區塊體中的數據主要是傳感器獲取的環境參數信息、車輛位置信息以及獼猴桃的狀態信息等數據。

網絡層主要封裝了獼猴桃冷鏈運輸環境監控系統的組網方式、數據傳播機制和數據驗證機制。監控系統采用P2P的傳播方式，將各傳感器上鏈的數據當成一筆交易，通過區塊鏈網絡和共識協議將鏈上數據同步至其他所有節點中［14］。節點在接收到鄰近節點發來的數據后，對數據的有效性進行驗證，驗證機制如圖3所示。

核心層包括共識機制和智能合約。共識機制是管理分布式賬本更新的管理規則，通過調用共識算

法，保證區塊鏈各個賬本的一致性。智能合約負責將區塊鏈系統的業務邏輯以代碼的形式實現、編譯并部署，完成既定規則的條件觸發和自動執行。

應用層通過調取區塊鏈中存儲的數據，實現運輸車輛內部環境自動調整功能、異常狀態獼猴桃報警功能以及環境狀態管理查詢功能。其中，查詢功能的網頁版采用JSP方式開發，Web界面顯示實時環境參數以及獼猴桃狀態；移動版采用JavaScript和WXML方式開發的微信小程序提供給管理人員使用。

2.2" Fabric框架下核心層設計

Hyperledger Fabric是一個提供分布式賬本平臺帶有節點許可管理的聯盟鏈系統，擁有允許可插拔使用的模塊化架構。經過許可后的成員才能加入Fabric網絡，所有參與者都有一定的信任基礎［15］。與比特幣不同的是，Fabric通過執行區塊鏈網絡中的智能合約來寫入交易或查詢區塊歷史。監控系統的共識機制采用可插拔的共識算法PBFT算法，確保系統的整體安全性和穩定性，提高系統的可擴展性。

2.2.1" Fabric框架設計

Fabric系統主要提供成員管理、區塊鏈服務、智能合約服務、監聽服務等功能，本文監控系統的Fabric實現架構如圖4所示。Fabric采用PKI公鑰體系，所有成員在Hyperledger Fabric的獨立通道中，須要在證書頒發機構（CA）申請并獲得證書后，才能加入Fabric網絡，連接到該通道內的賬本。本文的監控系統主要包含種植企業、物流企業、銷售企業3個組織，每個組織有自己的Orderer節點、背書節點、主節點和記賬節點。監控系統的節點網絡部署如圖5所示，其中客戶端通過發送交易請求與Fabric網絡進行交互，本文采用JavaScript的API用于開發Fabric客戶端應用程序。

2.2.2" 共識機制設計

在Fabric系統中，所有交易均要通過共識服務對交易服務進行排序共識，然后按順序打包進區塊鏈，以保證在整個Fabric系統中各節點的一致性和唯一性。考慮到獼猴桃冷鏈運輸環境監控系統的效率和安全性要求，本文將采用PBFT共識算法對監控系統的共識機制進行設計。PBFT共識算法主要包括主節點和副本節點2種節點。其中主節點負責接收客戶端的請求，并在驗證后將請求廣播給各副本節點，同時負責收集和處理來自副本節點的響應，并決定是否提交該請求。主節點的選取公式為p=vmod|R|。其中，v是視圖編號；|R|是節點總數，即|R|=3f+1，f為可容忍的拜占庭節點數；p是主節點的編號。當主節點失效或者被副本節點推翻時，進行視圖更新，利用上述公式重新選取主節點。

PBFT共識算法的執行流程如下，具體如圖6所示。

請求階段：客戶端向主節點發送請求消息，并用時間戳來保證客戶端請求只執行一次。

預準備階段：主節點從客戶端收到消息后，依次為消息分配一個編號，并向副本節點進行廣播。

準備階段：副本節點在接收到消息后對其進行驗證。如果一個節點接收到2f+1個由其他節點發送的確認消息，則創建準備消息并發送給其他節點。

確認階段：如果節點接收到2f+1個有效的確認消息并和預準備消息相同，則向客戶端發送確認消息。

回復階段：客戶端接收到f+1個確認消息時，則認為系統對消息達成一致性共識，請求結束。

2.2.3" 智能合約設計

智能合約負責將區塊鏈系統的業務邏輯以代碼的形式實現、編譯并部署，完成既定規則的條件觸發和自動執行。在Fabric中智能合約也被稱為鏈碼，是上層應用程序和底層Fabric之間的媒介，在基于區塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸環境監控系統中，利用Go語言開發智能合約。智能合約是監控系統的核心部分，通過將收集到的運輸環境的相關數據與系統預設的安全范圍進行比較，當數據超出安全范圍時，將自動開啟相關設備進行調控并對狀態異常的獼猴桃及時發出警報。其運作機理如圖7所示。

3" 環境監控系統軟硬件設計

本文提出的基于區塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸環境監控系統不僅包括用于收集運輸環境數據的硬件設備，還包括用于控制調節設備和信息查詢的軟件部分。

3.1" 環境監控系統硬件設計

本文設計的環境監控系統選用STM32F103作為主控制器，連接溫濕度傳感器以及氣體傳感器，負責運輸過程中運輸環境數據的采集，并通過通信模塊將數據上傳至區塊鏈平臺，然后區塊鏈平臺根據數據分析結果控制是否開啟相關調節設備，以保證獼猴桃在運輸過程中始終處于適宜的環境中。

獼猴桃運輸過程中的環境參數主要包括溫度、相對濕度以及乙烯濃度等。考慮到獼猴桃是呼吸躍變型水果，對環境敏感，因此本文設計的環境監控系統選用具有高精度和高靈敏度的SHT21溫濕度傳感器測量環境的溫濕度參數，其測溫精度為±0.3℃，測濕精度為±2%；選用ME3-C2H4乙烯傳感器測量運輸環境的乙烯濃度，其量程為0～100ppm，分辨率為0.5ppm。此外，考慮到運輸過程中獼猴桃狀態的獲取，本文設計的監控系統選用FLIR A6750紅外攝像頭用于獼猴桃狀態的監測。

3.2" 環境監控系統軟件設計

監控系統軟件設計的目的是實現數據收集并控制自動設備的調節。軟件與硬件之間的數據傳輸采用遠程無線通信模塊。根據程序設置的采集周期來驅動傳感器采集獼猴桃運輸過程中環境數據。系統主控制器STM32經過初始化后，定時周期開始，系統進入低功耗模式，當定時周期結束后，STM32將依次讀取各傳感器的數據，然后再次進入低功耗模式，對數據進行分析處理后，通過通信模塊上傳至區塊鏈平臺。

由于運輸環境狀況復雜，傳感器的測量會受到周圍環境的干擾，因此產生的測量誤差是不可避免的，對此，本文設計的監控系統采用多傳感器收集數據。系統采用加權平均法對不同位置的傳感器數據進行融合，對測量精度更高的傳感器賦予較大的權重，從而減小單一傳感器受環境影響產生的誤差。然后通過與智能合約設定的各環境參數的閾值進行比較，對超過范圍的參數開啟相關調節設備，以保證運輸環境的適宜性，并對狀態異常的獼猴桃及時發出警報。該監控系統的工作流程如圖8所示。

4" 結語

本文提出的基于區塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸

環境監控系統，通過集成數據采集、處理和區塊鏈技術，能夠實時監控并記錄獼猴桃在運輸過程中的環境參數，通過與系統設定閾值進行比較并進行自動調節，從而保證獼猴桃在運輸過程中所處環境的適宜性。綜上，該監控系統可以減少運輸過程中環境變化引起的獼猴桃品質的劣變甚至腐敗的問題，并保證獼猴桃運輸過程中數據的可靠性。本文提出的環境監控系統不僅可以減少運輸過程中獼猴桃的損耗，還可以為農產品冷鏈物流企業降低運輸成本，促進產業健康發展，具備一定的應用和推廣價值。

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（編輯" 沈" 強）

Design of kiwifruit cold chain transport environment monitoring system based on blockchain technology

ZHU" Wenxin

（College of Information Management，Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China）

Abstract：" Kiwi fruit is a typical respiratory jump type fruit， sensitive to the environment， cold chain transport process temperature and humidity changes， will lead to the quality of kiwi deterioration， seriously affect the value of kiwi fruit. This paper proposes a monitoring system for kiwifruit cold chain transportation environment based on blockchain technology. By utilizing the characteristics of blockchain decentralization and immutability， combined with IOT technology， the environment of kiwifruit cold chain transportation is detected， uploaded to the blockchain through wireless communication， and the data is compared with the appropriate environmental threshold of kiwifruit cold chain transportation after weighted average processing. For the environmental parameters exceeding the threshold， the relevant equipment is automatically adjusted to the appropriate environment， and the abnormal state of the kiwifruit is timely alerted， so as to reduce the deterioration of the kiwifruit during transportation and improve the transparency of key information such as temperature and humidity during transportation.

Key words： kiwi fruit; cold chain transport; blockchain; monitoring system