“区块链+射频识别技术”赋能食品溯源平台研究

刘宗妹

(广东司法警官职业学院信息管理系，广东 广州 510520)

根据世界卫生组织数据显示，每年全球大约有10%的人患过食源性疾病[1]。2019年的人造鱼翅事件、农夫山泉“质量门”事件、老鼠肉冒充羊肉门事件、毒大米事件,一个个食品安全问题骇人听闻，引发了消费信任危机。食品从原材料到成为商品进行买卖，经历了较长的时间和空间跨度，易出现各种问题[2]，是由于食品安全问题根源在于溯源系统不健全，法律惩罚力度不够。2019年5月，中共中央、国务院印发的食品安全工作意见中提出了构建食品安全追溯体系，实现食品信息化追溯和政府监管有效对接[3]。

区块链利用密码学技术、分布式存储技术、网络协议和共识机制实现了去中心化、不易篡改性、可追溯性和透明性。区块链的广泛应用在新的产业变革中将起着非常重要的作用，未来将成为一种创造信任的协议[4]。目前，区块链技术的发展不仅推动了产业创新，还推动了与经济社会的融合发展，已受到多个领域的极大关注，但食品溯源方面的成果较少，通过将区块链技术与食品供应链管理的创新融合，优化食品产业结构，保障消费者权益，实现从“田间到舌尖”的全程品质监管。

射频识别技术(RFID)利用无线电波将标签中的数据读取到阅读器，是一种数据捕获(AIDC)和自动识别技术[5]。RFID标签中天线负责获得读写器发射的电磁波，在标签芯片中作为电源，读取芯片中的数据，并返回给读卡器[6]。RFID读卡器接收标签返回的射频信号，通过解析数据完成目标识别，根据具体应用场景，将数据传送至数据库的SASS软件处理。RFID为商品从种植、采购、生产、运输、销售提供了精细化的跟踪，可实现信息流和物流的精准定位。

食品安全监管体系为食品信息化追溯和政府监管吹响了号角，技术层面的提升需依托先进的信息技术，通过系统的改善推广，借助于大数据分析手段，提升量化粒度，进而做归因分析，有效风险预警，拓展智慧监管，引领食品监管的风潮，政府监管层面需探索纳入政府监管体系，完善构建法律体系，改进监管措施，助力构建食品生态环境[3]。研究拟以优化食品溯源为主线，探索搭建基于区块链技术和RFID的去中心化、可溯源的应用平台，通过食品流通各个环节的互联互通[7]，实现食品安全事件快速定位责任方，以期为食品溯源的有效开展提供技术支撑。

1 食品溯源现状

当前为保障食品安全采取了一系列措施，但由于不能保证溯源信息的准确性，缺少一种民众认可的信任共识，即便在食品中附上溯源码，也很少有顾客扫描查询。经调研，问题主要存在于以下方面：① 供应链管理的理念落后，甚至是“一个企业十几个用户”的模式，产品销售过多地依靠中间商，增加了投入成本，提高了商品的销售价，降低了民众购物的幸福指数。② 食品供应链需要信息流、资金流和物流的全面衔接，但企业和供应链各自为政，信息不能透明传播，信息孤岛现象严重，难以形成协同效应。③ 食品溯源系统通过电子产品代码系统(EPC)、RFID、物联网等实现信息的收集[8]，但这种中心化的运作方式缺乏必要的可信度和公信力，出现安全事件较难查找根源，无法使民众“吃得放心”[9]。④ 生产商、供应商、零售商为自身私欲随意修改数据库记录，随便伪造防伪标识，真假难辨，进而降低消费者对信息的信任度。⑤ 目前已有部分应用于食品溯源中的区块链技术落地，如京东的“跑步鸡”“飞翔鸽”等项目[10]，虽然现有成果解决了食品溯源中数据的永久记录和共享，但企业经济效益不高。

2 区块链技术特征与食品溯源切合度分析

区块链中的数据利用链式结构存储，时间戳有效记录创建时间，数据验证上链则无法被篡改，实现食品供应链中数据的可靠存储；区块链是点到点的、去中心化的存储结构，节点地位平等，即使个别节点出现故障也不影响整个系统的使用，可保证系统7×24 h持续工作，实现食品供应链中数据的透明、安全传输；食品流通过程中利用链码记录原材料、生产、存储、流通过程的详细认证信息、食品质量检测报告也需上链保存，利用RFID标签实现数据的可溯源性，客户可根据自己的需求选择查看详细认证信息和质量检测报告，实现食品的有根可寻[11]；利用非对称加密算法实现基于公钥的数据传送，匿名状态下完成工作，避免了食品供应链中经销商隐私的泄露；通过智能合约按制定的规则自动更新，通过共识机制保持系统的一致性，节省了食品供应链中的人力和物力资源[12]。

3 “区块链+RFID”食品溯源系统分析与设计

将农户、生产者、经销者、消费者加入Fabric网络，通过文件配置使其具备运行环境。在食品包装表面粘贴RFID标签，它是网络中标识虚拟身份的唯一的数字加密标识符[13]，使用认证通过的账号将一系列RFID读写器收集的信息上传到区块链保存，区块链中的数据分为多个区块，区块之间利用哈希函数计算所得的哈希值互连。最后进行程序的开发，使消费者可在移动端利用扫描RFID标签来进行食品溯源，客户端利用账号查询网页[7]。

3.1 系统需求分析

3.1.1 数据存证共享 食品原始数据在录入核心业务层后，自动发往区块链接口。区块链API和SDK接收并格式化数据，上链存证核心数据签名并生成生产、流通全过程证书。程序的表现形式有移动终端和电脑客户端。

3.1.2 数据追溯查验 用户可通过扫码RFID标签，获取食品溯源信息和食品质量检测证书，以校验食品是否绿色安全。食品溯源时进行数据批量调取，保证调证效率。实时监控交易过程，对客户反馈的违规信息及时处理，形成审计报告，及时召回不安全食品，并给予消费者适当补偿和对商家实施处罚。

3.1.3 信用监管机制 通过协同服务平台，浏览食品生产的各环节，包括商家信用承诺、生产环节信用分级评价、流通环节信用检测，实现监管的“视角”覆盖整个食品链流程。基于大数据形成食品的综合评价，出现安全问题的节点自动识别为黑节点。

3.2 区块链基础设施平台设计

区块链与传统的数据库有相似之处，但可以省去较多中间环节，简化开发流程。由于区块链的链上代码，需建立块，但建块的流程较复杂，执行过程中会浪费很多算力，因此研究将大多数的功能置于应用系统中，可进行增加、删除、修改、查询等操作，而使用哈希算法所得的摘要信息等少部分的功能置于链上代码中，只能进行增加和查询操作。区块链负责所有环节交易的索引信息，对外提供一个商品的ID，交易的哈希作为值上链，对于用户手机号码、身份证号码等易遭受暴力破解的数据需加上盐值再哈希上链。智能系统的运行中引入监管检查，制定黑名单，出现违规即刻停止，去除恶意节点的危害。区块链基础设施服务平台框架图如图1所示。

3.2.1 应用程序层 API是Fabric使用gRPC协议与底层通信提供的接口；事件是Fabric通过监听链码中的事件提供的事件通知，事件发生时执行相应的函数；SDK是Fabric在API之上安装了不同语言的接口，其是Fabric的开发工具，需配置通道名称、链码名称、配置文件路径、组织名称。

3.2.2 交易层 身份模块通过底层的成员服务模块验证用户的身份信息；交易模块分发各功能节点进行校验及记账；账本模块可查询区块链的交易，包括交易哈希、交易编号等；智能合约制定了资产的可执行代码。

3.2.3 底层 成员服务用于成员的注册和登录、交易加密及签名；共识服务中排序节点与组织中的主节点使用gRPC进行通信，各组织内部使用gossip通信；链码服务中使用docker运行链码，完全隔离用户数据。

图1 区块链基础设施服务平台框架图Figure 1 Blockchain infrastructure service platform framework

3.2.4 基础设施层 5G是第5代的移动通信系统，极大提升了带宽、降低了延时、实现了海量接入，基于5G网络为供应链提供实时高速的信息数据流传输，通过食品云服务器和高性能数据库实现流通数据的存储、转发。区块链采用P2P技术来组织网络节点，每个节点利用多播实现路由、数据传播和新节点识别等功能。

3.2.5 系统监管 监管措施快速接入，全网有效，为全网协同提供有效的可操作性。监管机构掌握合约的发布权限，运行过程中利用监管规则检查，对违规账号采取冻结措施，恶意节点直接剔除，对小概率的错误由监管审计处理，信誉良好则可利用积分来简化审核流程。

3.3 网络拓扑结构

网络拓扑结构见图2。客户端加入区块链网络后，通过SDK构建一个交易提案。发送交易提案到指定的背书节点，背书节点使用成员服务提供者(MSP)验证签名并确定请求者是否被授权进行提案。背书节点按交易提案发送给智能合约模拟执行，并对执行结果签名，将交易签名并返回给客户端，客户端对背书结果进行校验。然后将所有背书结果、交易提案以及自己的签名打包成一个交易发送给排序节点(orderer)。排序节点将所有收到的交易按时间排序，然后打包成交易区块分发给通道中的所有节点。节点收到交易区块后验证其交易。当节点验证该区块中的所有交易无误后，写入账本中，节点发出事件通知客户端。

图2 网络拓扑结构Figure 2 Network topology

3.4 系统流程设计

利用区块链技术实现原材料信息、加工信息、物流信息、销售信息、消费者评价信息均写入普通数据库，原材料认证信息、加工认证信息、流通认证信息等哈希算法所得摘要编码写入RFID标签的EPC编码体系中，每个RFID芯片有全球唯一编码(TID)，使其不易被篡改[14]。系统流程示意图如图3所示。

图3 “区块链+RFID”系统流程示意图Figure 3 Schematic diagram of the “blockchain + RFID” system

3.4.1 数据信息录入 原材料供应商将RFID标签贴于食品上，农作物种植认证信息(种子、施肥次数、生长环境)均存于标签。生产商利用RFID标签将食品生产过程认证信息(原材料检验结果、员工健康状况、生产过程、食品批次、生产日期、有效期)录入区块链。商品运输过程中经销商将流通认证信息(发货地址、发货时间、收货地址、收货时间、流通过程中的检验及审核情况)录入区块链[5]。

3.4.2 数据信息共享 Fabric是基于证书认证的区块链平台，利用PKI公钥管理基础设施规范生成的证书[7]。区块链中所有信息都可通过公开接口进行查看，实现了公开透明，对隐私数据利用非对称加密算法来保护，只有授权用户才可查看。当通过移动端扫描RFID标签时，会发送食品溯源请求，利用哈希地址查找记录，消费者利用RFID标签快速获取信息。也可基于客户端通过注册时的ID进入区块链网络来实现信息溯源。

4 “区块链+RFID”的应用开发

4.1 开发环境

Web前端界面包括信息录入界面和信息查询界面，通过智能合约接口与区块链交互，协同服务平台与普通数据库交互；信息录入界面使用运行于服务器端的编程语言Node.js的中间件Passport.js来验证是否符合对应权限，消费者可用交易ID或扫描RFID标签来实现数据溯源[15]。后端代码使用Go语言编写，实现封装合约并存储数据于Fabric中[16]。

4.2 共识机制

确定事务顺序，拒绝错误事务。只有当事务通过共识验证后才是有效的，该节点发布的信息才能被其他诚实节点记录在自己的区块链中，从而实现有效性。系统使用Kafka共识机制保证系统高效稳定运行。数据上链存储使用加密体系中国加密标准的SM3(哈希算法的国密)。

4.3 智能合约功能设计

为了避免智能合约漏洞影响区块链的运行，需运行于隔离环境[16]，虚拟机和容器的资源隔离优势相似，但容器实现的对操作系统的虚拟化，不仅更易移植，而且效率更高[17]。开发平台Hyperledger Fabric用Docker容器作沙盒环境，符合耦合设计原理，使用Linux运行环境[18]。启动网络中节点，需先安装 DockerCompose、Docker、Go语言环境，再通过配置Compose文件实现启动节点[19]。Hyperledger封装底层技术，在此基础上提供API接口，用chaincode编写智能合约，经验证后在区块链中运行[20]。代码层封装查询链码，管理层负责链码的安装和调用[21]。部分chaincode代码如下：

//商品

type Commodity struct {

Name string //商品名

ID string

Origin string //产地

}

//订单

type Order struct {

Commodity*Commodity //商品

DAddress string//配送地址

ID string

DTime time.Time //配送时间

Quantity int//数量

}

//实现Invoke接口调用智能合约

func (t *Food) Invoke(stub shim.ChaincodeStubInterface) pb.Response {

funcName, args:= stub.GetFunctionAndParameters()

switch funcName {

//创建商品

case "createCommodity":

return createCommodity(stub, args)

//创建订单

case "createOrder":

return createOrder(stub, args)

}

}

4.4 系统实现

基于B/S系统架构、Windows下安装虚拟机VMware、操作系统为Ubuntu、内存为2 GB、硬盘为30 GB、IE浏览器进行仿真试验。溯源平台界面见图4，产品信息图举例说明见图5。

图4 溯源平台管理界面图Figure 4 Management interface of the traceability platform

图5 产品信息图Figure 5 Product information diagram

通过在未复杂化传统溯源监管平台的基础上，引入区块链技术，针对性地解决了数据不安全、系统易攻击等问题[22]，系统性能对比见表1。虽然基于区块链的平台有诸多优点，但区块链与算力有较大关系，若算力遭受黑客攻击，也可能破坏去信任化[23]。

表1 系统性能对比分析表

5 结束语

“区块链+RFID+食品供应链”实现的科技与民生问题的结合，有利于进一步推动构建算法式的可信社会[22]。文章设计了“区块链+RFID”两位一体的食品溯源平台，利用区块链不易被篡改的特性，实现食品供应链流程的公正透明。利用食品附有的“身份证”实现客户端可查来源。利用RFID技术通过阅读器识别产品的ID并读取食品电子信息[24]。利用链上时间戳和哈希值实现可追去向。从终端追溯到出产地需20 h以上，而借助此技术只需10 s即可实现，极大提升了追溯性能，客户可以实时溯源数据变化的全流程，具有法律效力，保证了数据的可信度。后续将对食品溯源平台的数据进行探索分析，通过大数据、人工智能、数据挖掘等技术，进行风险预警和追责溯源，进一步向智慧监管迈进[25]。