区块链+农产品溯源视域下紫阳县富硒茶质量安全追溯体系研究

杨 萌

（陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000）

富硒茶产区集中于中国汉江流域上游、大巴山北麓，该区域气候特征表现为夏无酷暑、冬无严寒、降雨适中等，较为适合茶叶种植［1］。同时，由于区域内多为天然富硒区，所产的茶叶中硒元素的含量远高于一般茶品，因而具有一般茶叶无法媲美的特种保健功效。然而，随着富硒茶在中国知名度的提升，某些不法商贩利用硒元素炒制四川茶、汉中茶等方法制备伪劣“富硒茶”产品，价格较为低廉，但口感、香气、色泽以及质量安全等均无法保证。同时，利用该法所制备的茶叶通过硒元素含量分析也不能准确辨别。因而，需要尝试开发其他更为高效、准确率更高的富硒茶质量安全追溯体系，在充分保证消费者能够对购买的富硒茶产地进行追溯的同时，保障紫阳富硒茶产区茶农、企业的合法权益。传统的农产品质量安全溯源体系利用移动网络以及二维码技术实现［2，3］。但随着5G网络的普及，传统溯源系统数据传输效率低、信息反馈准确度差等问题逐渐显现。本研究尝试基于5G、物联网以及区块链等技术，构建一种应用于紫阳富硒茶农产品溯源的质量安全溯源体系，并将该体系与传统二维码溯源体系工作效率、数据准确度等进行仿真试验对比，构建紫阳县富硒茶质量安全追溯体系。

1 区块链技术开展富硒茶农产品溯源优势

1.1 传统溯源体系缺陷

传统的富硒茶质量安全溯源体系一般依托二维码、物联网等实现，能够对二维码所属富硒茶的位置、来源、部分信息等进行追溯和共享（图1）。

但受限于物联网及通信手段等因素，传统的富硒茶农产品溯源体系存在一些固有缺陷。例如：①数据存储容量存在上限，随着富硒茶供应链中上传及下载的数据量增加，在物联网系统容量上限约束下，体系中数据传输速率将会降低，表现为扫码后产品信息刷新卡顿、信息乱码等；②数据传输效率较低，4G网络是支撑富硒茶物联网质量安全追溯体系数据传输的主要通道，受限于4G网络本身数据传输上限以及当前网络中并入设备过多等问题影响，容易导致富硒茶质量追溯过程中茶品信息刷新不及时、数据显示“白屏”等问题；③安全性低，扫描二维码实现质量安全追溯等方法属于中心化管理，所有富硒茶农产品最终数据均归属于某一个或某几个数据库，属于可人为篡改数据管理方式，最终消费者扫描以后得到的数据真实性存疑；④难以实现信息共享，传统的富硒茶质量安全溯源体系难以整合富硒茶产业链各主体信息，存在较为严重的信息孤岛问题，容易导致多方主体参与的数据传输链条被攻击、篡改。

1.2 区块链技术优势

本研究选择采用5G网络结合区块链技术开发富硒茶质量安全追溯体系，一方面在于5G网络远超4G网络的信息传输速率，另一方面则主要在于区块链技术的诸多优势能够有效解决传统追溯体系中的缺陷。例如：①时间戳技术，通过生成可信时间戳确定富硒茶产业链追溯过程中各电子文件生成的精准时间，防止电子文件被篡改，电子属于权威性和可信赖性更高；②防篡改技术，区块链技术中分布式存储数据库架构，能够有效产生无中心化效应，有效防止系统中数据被篡改；③加密算法，利用哈希算法、椭圆曲线算法以Base58编码等，有效降低一般黑客利用公钥计算出私钥的可能性，增强体系内数据传输安全性；④共识机制，利用工作量证明机制pow、权益证明机制pos、委托权益证明Dpos、验证池共识机制pool等，解决并保证每一笔区块链上的交易在所有记账节点上的一致性和安全性问题［4］。

2017年9月，中兴云链成功研发了基于区块链技术的食品质量溯源和防伪系统［5］，这是中国首款区块链农产品溯源系统。随后，中国关于区块链农产品溯源系统方面的研究越来越多。刘芳等［6］对基于区块链的农产品溯源系统数据安全问题开展研究，组建了一种组员系统数据安全共享模型；张利等［7］则以更加宏观、系统化的视角对基于区块链技术的农产品溯源体系进行分析，构建了一种实用性较高、应用范围较广的农产品溯源体系，但该系统主要基于4G网络运行，系统的数据存在处理幅度较为有限；柳祺祺等［8］对农产品质量安全溯源体系的发展现状进行总结，基于区块链技术设计了一种农产品质量溯源体系，但该体系并未深入研究溯源平台的运行机制，在架构设计方面也并没有进行试验验证，所构建的系统平台运行可靠性和运行效率等均处于理论阶段。近年来，基于区块链技术搭建农产品溯源平台已经逐渐取代了传统的农产品溯源体系，但国内大部分的区块链农产品溯源体系均基于4G网络进行，所开展的研究也多以理论性的平台搭建为主，在平台的运行效率以及平台运行可靠性方面的研究尚且不多。因此，本研究在区块链技术的基础上引入了5G网络，并对本研究开发的区块链+富硒茶质量安全溯源体系的平均传输时间、识别准确率以及丢包数等数据进行试验研究，结果更具真实性。所开发的系统能够同时兼容PC平台、APP以及微信小程序，具有更加广泛的适用性。

2 区块链技术支持富硒茶质量安全追溯体系构建

2.1 框架建立

为提高传统富硒茶质量安全追溯体系数据传输效率、可信度等，本研究结合5G网络、物联网技术以及区块链技术构建了富硒茶质量安全溯源体系（图2）［9］。

图2 基于区块链技术的富硒茶质量安全追溯体系

在体系中，富硒茶产业链各环节如种植、采摘、炒制、仓储、物流等环节均由适量的区块构成，各区块后台服务程序及区块链中的分布式数据库权限均由peer节点进行整合，从而使体系获得去中心化事务处理和数据存数功能［10-12］；区块管理服务模块位于富硒茶质量追溯体系中的核心位置，主要功能为管理与调配系统中各区块，处理农产品、茶叶产业等相关政府监管部门的监管以及消费者的产品质量追溯需求等，实现富硒茶质量安全高效、准确追溯。与传统富硒茶质量安全追溯体系相比，本研究构建体系在工作时各区块之间并没有固定的上下级或衔接顺序，数据的保存、调用等均按照区块管理服务模块的统一调度实现，充分保证系统中各数据库信息安全。

2.2 功能实现

图3为基于区块链的紫阳富硒茶质量安全追溯体系功能架构。该架构主要由数据采集层组成、存储层、应用层以及交互层构成，各层对应功能模块。

图3 富硒茶质量安全追溯体系功能架构

2.2.1 数据采集层 数据采集层主要负责对富硒茶产业链各主体及主要环节数据信息进行采集，如富硒茶生产环节所产生产区、生长环境、生产企业等数据；仓储物流环节所产生的温度、产量等数据；分销商开展销售时产生的销售数据等。数据采集层应用的硬件模块主要有各类型检测仪器用以检测富硒茶中的污染物残留、硒含量等数据；各类型传感器用以收集温度、光照条件等数据；扫描设备及RFID标签则主要为监管机构或消费者提供质量安全溯源数据查询功能。

2.2.2 存储层 存储层以区块链分布式去中心化理念融合传统数据库进行布置，对富硒茶生产、种植、仓储、物流以及销售等环节所有对应数据进行保存。其中，传统数据库主要保存部分非溯源类数据；区块链分布式数据库则主要保存溯源类数据［13］。富硒茶产业链各主体在该体系中均有特定且惟一的身份标识，体系中源头数据可开展精确定位，保证源头数据的不可抵赖性。区块链分布式数据库与传统数据库的结合，能够充分保证体系数据存储与灵活管理。

2.2.3 应用层 系统应用层主要包含4个方面应用程序：①系统管理员层面，对富硒茶质量安全追溯体系开展维护，保证系统正常运行；②数据提供者层面，主要负责将富硒茶产业链自己所属环节数据进行上传；③质量监管部门，政府部门对富硒茶产业链中的各主体及富硒茶产品进行监管，对出现问题环节或主体进行警告或处理；④消费者服务层，主要对富硒茶农产品进行查询、展开投诉或提供建议等。

2.2.4 交互层 交互层主要指构建的富硒茶质量安全追溯体系中的浏览器端、手机端、微信小程序等，是系统用户与系统之间产生交互的最直接窗口，包含二维码扫描、追溯数据类型选择以及浏览等。图4所示为微信小程序端交互层效果，可以通过二维码扫描获取富硒茶产地信息、产品详情以及生产过程中部分场景的实时监控等。

图4 富硒茶质量安全追溯微信小程序

3 仿真试验

3.1 试验环境建设

仿真试验主要针对传统富硒茶质量安全追溯体系及搭建的基于区块链的富硒茶质量安全追溯体系开展对比试验，试验软硬件条件为同等条件，如表1所示。

表1 试验软硬件环境

3.2 试验方法

试验目标为检验传统富硒茶质量安全追溯体系及搭建的基于区块链的富硒茶质量安全追溯体系溯源功能的数据响应速度和溯源准确率。因而，将采用Ⅰ至Ⅴ组不同数量二维码开展扫描，统计扫描过程中的系统反应速度、反馈结果准确率以及是否出现丢包现象等。

3.3 结果分析

表2、表3所示为两种不同质量安全溯源体系在相同的虚拟环境下质量安全溯源结果。传统的富硒茶质量安全追溯体系在追溯次数较低时（2 000次以下）其溯源速率、溯源准确度等与本研究设计的基于区块链的富硒茶质量安全追溯系统相比略差，但二者差距不大；当追溯次数达2 000次以上，传统的追溯体系在数据传输速率、溯源准确率等方面与基于区块链的追溯体系之间差距逐渐增大；当溯源次数达8 000次以上，二者之间的差距已经非常巨大，传统的质量安全追溯体系开始出现卡机、丢包现象，可视为完全无法满足消费者需求；而基于区块链的富硒茶质量安全追溯体系在识别次数达160 000次时在识别数据传输时间及识别准确率方面才开始出现明显下降，但仍在较为高效和精准范畴之中；基于区块链的富硒茶质量安全追溯体系在数据识别传输时间、识别准确率以及丢包数控制方面显著优于传统的质量安全追溯体系。

表2 传统富硒茶质量安全追溯体系

表3 基于区块链的富硒茶质量安全追溯体系

4 小结

紫阳富硒茶是中国陕西省南部地区尤其紫阳县地区特色茶类农产品，是中国地理标志产品。为解决传统富硒茶质量安全溯源体系容易被篡改信息、识别信息传输效率低等问题，本研究基于区块链技术构建了一种专门应用于紫阳富硒茶农产品质量追溯体系。经过试验对比可知，该体系在识别次数2 000次以下时，与传统追溯体系相比存在较小优势，但随着识别次数的提升，在识别效率、成功率以及防止外部入侵方面的表现越来越好。该体系在全面代替传统质量溯源体系以后，能够为消费者及监管部门提供更加准确、效率更高的质量追溯功能。