基于智能合约的草牧业产业链系统平台设计

高亚伟， 王 哲

（华北水利水电大学信息工程学院，河南 郑州 450045）

0 引言

2015 年中央1 号文件提出，加快发展草牧业，支持青贮玉米和苜蓿等饲草料种植，开展粮改饲和种养结合模式试点，促进粮食、经济作物、饲草料种植结构协调发展[1]。王明利[2]指出发展牧草产业必须要占用耕地，农业结构要调整为“粮+经+饲+草”结构。站在整个产业链的角度，草牧业发展关乎国计民生，只有从农业结构上进行调整，从种养结合的角度出发，合理发展草牧业，构建农牧结合、为养而种的新型农业发展模式，才能实现整个农业产业链的优化升级[3]。进入21 世纪以来，中国互联网技术的发展已经走在了世界的前列，如何利用互联网完成农业尤其是草牧业产业生产要素的优化配置，提升产业创新能力和生产力，成为重要问题。综观“互联网+”的农业项目应用实践，普遍的做法是从管理的角度，以政策效果及经济效益分析为主进行研究，没能充分调动人的积极性[4-6]。具有去中心化、不可篡改、共识机制、开放性、匿名性、跨平台等特点的区块链技术在农业中的应用，在农产品溯源、农业众筹及服务系统等方面中已有大量的研究和实践[7-10]。本研究拟通过多个部署在区块链上的智能合约将土地、资金、牲畜等相关资源进行优化配置，选择微信小程序作为流量入口开发系统平台，在可规模化耕种的耕地上，进行优质牧草的种植推广和管理，从而尝试解决人畜争粮、无人种地、防止返贫等一系列问题，为实现乡村振兴添砖加瓦。

1 系统平台

1.1 平台功能

该项目涉及的资源主要有土地、牧草、资本、牲畜、饲养场和人，拟通过区块链技术将这些资源纳入系统平台，并通过智能合约进行交易，使资源得到合理配置。

第1 步设置基地，通过后台将可以规模化种植的土地设置为种植基地，一块种植基地按亩分为若干小块。第2 步开放种植基地的认购，平台注册用户可以根据自己的需求按亩进行牧草种植认购（但不参与实际的种植和管理），称为草金主（以下均称草金主）。基地牧草认购完成后或达到截止时间进入第3 步，基地负责人将相应的牧草进行种植和管理，称为养草人（以下均称养草人），管理过程中按照系统要求将每次操作进行记录、上传（便于质量溯源）。等到牧草成熟后进入第4 步，收割及销售牧草给养殖场或饲料厂获得营收，扣除相应成本（如地租、管理费、水电费等费用），与所有该基地的草金主按照事先约定好的规则进行利润分成。平台业务流程如图1 所示。

图1 系统业务流程Fig. 1 System business process

同理，系统平台也将养殖场通过后台设置为养殖基地，基地内养殖的牲畜按照个体进行划分。基地场主（称为养牛人，以下均称养牛人）开放认养、认购，平台注册用户（称为牛金主，以下均称牛金主）根据自己的意愿进行投资认购。待牲畜出栏后扣除养殖成本（如场地租金、饲料费、人工费等），按照事先约定好的比例进行利润分成。另外，最终的畜牧产品消费者也可以直接称为牛金主，通过平台认养一头或几头牲畜，待牲畜喂养成熟后，不进入销售市场直接自行消费，在保证品质、节约开销的同时，缩短了产业链条。这样既解决了饲养场规模扩大时的资金问题，又解决了消费者购买肉类及奶蛋产品时的品质问题，同时与种植基地结合更解决了草类饲料的购买和销售问题，最终实现了产业链条上资源的优化配置。系统平台资源配置如图2 所示。

图2 系统平台资源优化配置Fig. 2 Optimized allocation of system platform resources

1.2 系统平台架构

此研究的出发点是利用互联网进行草牧业产业链资源配置优化和牧草的推广，是一个农业项目的推广实践。借鉴现有的成熟经验和教训，考虑到既可以展示又可以管理，同时便于推广等多方面的要求，微信小程序具有无需安装、触手可及、用完即走、无需卸载的特点，同时微信自带支付功能，因此以truffle+ganache 搭建以太坊私链，部署智能合约，微信小程序作为前端用户交互平台进行系统架构[11-14]。系统平台架构如图3 所示。

图3 系统平台架构Fig. 3 System platform architecture

2 关键技术

项目拟以资本为媒介，解决资本安全和交易安全是核心技术问题，目前最合适的应用是基于区块链的智能合约技术[15-16]。运用区块链技术将牧草和牲畜变成可买卖的数字资产，然后通过智能合约完成数字资产权属变更和流通。

2.1 加入智能合约的系统平台重塑

在不加入区块链的情形下，用户资金的流向将是个人账户转到平台账户，再由平台账户统管后按照实际交易把用户投资款项转给养草人，在牧草成熟后，统一由平台进行销售，销售所得扣除成本即为种植利润，按照事先约定的比例，由平台统一支付给草金主和养草人。未加入区块链情况下的平台资金流向如图4 所示。在这样一种平台中心化经营模式下，容易造成较大的平台风险。

图4 未加入区块链情况下的平台资金流向Fig. 4 Fund flow of platform without joining blockchain

加入智能合约后，首先将基地通过后台按照最小单位（亩或者头）依据与实物一一对应的关系进行代币发行；然后平台用户通过部署在区块链上的智能合约认购牧草或牲畜，把投资的代币转入对应的智能合约账户，智能合约账户中的代币与相应的牧草（包括相对于的土地）或牲畜形成相互锁定；接下来基地负责人在种养的过程中进行维护操作，包括农事或者畜牧操作，通过维护智能合约将维护账户内的成本进行摊销；待牧草或者牲畜成熟后，进行收割或出栏操作，通过收割智能合同将土地租金等其他一些成本进行最终结算；最后平台通过销售智能合约将收割后的牧草销售给养殖场，蛋奶肉禽等畜牧产品销售给批发市场或最终消费者，销售的收入扣除以上步骤摊销过的成本形成种养利润，通过智能合约自动流转到合约各方账户，系统平台释放被锁定的代币和相应的土地或者饲养场。在没有按照事先约定好的流程结转完成之前，代币和相对应的数字资产是一一绑定的关系，对交易的双方都是一个相互担保的安全机制，保证了资金和交易的安全。另外，基地为了摊销成本，需要将每次实际的种养操作记录上链，从而保证整个种养过程记录可追溯，使产品的质量安全可溯源。

2.2 基于实物的无币化非同质化代币

本系统中发行的token（代币）具有无币化、非同质化两个核心特性。无币化是指系统发行的token 只是为了保证资产安全而与相应实物进行数据绑定的不可脱离实物单独进行交易和流通的token。非同质化token是指不可替代物（实物契约）代币，又称非同质化代币（Non-Fungible Token，NFT）[17]。从狭义上来讲，NFT一般指基于以太坊标准ERC-721 发行的通证。从广义上来讲，NFT 是一种基于区块链的具有不可分割、不可替代、不可互换、独一无二、可验证、可流通、可交易等特性的数字资产所有权[18]。本研究所指NFT 即是ERC-721 接口Token。

基地发行代币是针对基地的实物发行一对一的、基于ERC721 标准生成的token，具有独一无二的特性，每个基地发布的代币均不相同，不可相互替代和转换，如种植基地的token 是基于种植的区位，以亩为单位发布，每一亩牧草和种植该部分牧草的土地作为一个主体发布一个token，则该部分牧草和对应的土地就与该唯一的token 形成了绑定关系，直到牧草销售后，代币销毁，土地被从绑定中释放，可进行第2 次的NFT 发行。而相对于养殖基地则比较容易理解，每一头牲畜计为一个不可分割的主体进行代币发行，基于ERC721标准生成的一个token，该token 通过如RFID 耳标或者其他与该牲畜绑定的唯一标识码形成绑定，一个token就代表一头牲畜，直到牲畜出栏销售，该token 解除与牲畜的绑定，销毁并转换成可在现实流通的资金。在本研究中，所有的非同质化代币（NFT）是不需要在区块链上进行交易的，具有无币化特性，仅仅是用来与实物形成一对一的绑定关系，目的是对相应的数字资产标明所有权。

作为token 的存储账号，本系统账号分为两类，外部账号和内部账号，其中外部账号包括基地账号、用户账号等可与现金账户进行资金流转的以太坊账户，而内部账号则为智能合约账号，与外部账户进行token的自动结转。在token 发行时，基地按照市值（土地租金、牧草种苗成本或牲畜种苗成本等）及事先约定好的规则（如亩均人工成本、亩均水电成本或头均人工成本、疫苗成本等）发行token，平台用户通过token 销售智能合约进行数字资产（token）认购时，相应的资金进入平台、基地及用户三方认可的托管账户（三方共同认可的一方或者第三方账户，以下相同），而token 以正负相对应的形式进入token 发行智能合约账户和用户账户，其中智能合约账户对应的token 为负值（用于消耗类及资金划拨），而用户账户对应的token为正值（用于标明数字资产的所有权），此两类代币是一一对应的，其和为零。发行完毕或时间截止，则智能合约账户内的负值token 按照约定数值转移至维护智能合约账户和基地账户中，其中基地账户中的token可通过提现将托管账户内的资金转移至基地现金账户，用于基地种植的成本开支，而维护智能合约中的负值token，通过日常种养维护操作，分次转入基地账户，通过提现将托管账户内的现金支出用于人工及各种耗材的现实消费。在最后收割或出栏操作时，所有的负值token 转入基地账户，相应的基地将所有托管账户内的资金转入约定的基地资金账户，此时基地的相应数字资产依然与用户账户内的token 绑定，只有当基地通过销售操作调用销售智能合约时，基地账户内的负值token 与用户账户内的正值token 相互抵消，从而销毁该部分token，并与相应的基地进行解绑，销售收入的资金进入托管账户，摊销成本后按照事先约定的比例进行利润分成。基地可以发布第2 轮的认购，重新发行token，进入新一轮的循环。

2.3 基于基地的NFT 多次发售

由于该项目的token 是NFT 代币，所以每一块基地都会独立发行与该基地种养牧草或牲畜相对应的代币，基地的上线是第1 次token 发行，当一个种养季结束后，该部分token 将销毁，与该token 绑定的基地可以重新开发认购，基地重新开发认购（新种植和新养殖），进而再一次发行token，从而实现token 发行、销售、销毁的一个循环。系统智能合约部署及代币生命流程如图5 所示。

图5 系统智能合约部署及代币生命流程Fig. 5 System smart contract deployment and token life flow chart

该项目的token 发行不像比特币或者其他众筹类项目一样在项目之初就确定总发售量，一次性发售，而是基于实物的多次token 发行，每一次基地上线或者重新开放认购就是一次新的与实物一一对应的非同质化token 的发行，从而保证token 与实物的一一对应关系，种养产品成熟销售，token 即进行销毁，重新种养，重新发售。

3 结束语

本研究通过部署在区块链上的代币发行销售智能合约、资源维护智能合约、成本摊销智能合约、利润结转智能合约等将土地、牧草或牲畜转换为可以在系统进行交易的数字资产，实现了资源优化配置，同时缩短了产业链条，是利用“互联网+”进行农业项目的推广和实践，是尝试利用信息技术促进农业产业链条高效运转和快速发展的案例，未来与基于物联网的智慧农业相结合将是移动互联的产业化应用解决方案。