基于物联网和区块链融合技术的农产品溯源系统构建研究

张丽凤，王 英

(渤海大学 管理学院，辽宁 锦州 121013)

2021年1月，中共中央办公厅携手国务院办公厅印发了《建设高标准市场体系行动方案》文件，明确指出建设包括第五代移动通信、物联网、云计算、区块链等技术的新型基础设施。物联网是基于互联网的数据收集与共享，通过信息感知、信息传输、信息存储与处理等技术，实现物与物、物与人的互联互通。区块链作为“新基建”的重要一环，其上链信息具有去中心化、安全可追溯的特点[1]。将物联网和区块链二者融合，可提升行业运转效率与信息安全性能，为行业应用发展赋能。

早期农产品溯源的研究主要集中在育种溯源、产地溯源和防伪溯源等方面，随着云计算、人工智能、区块链等新技术的加入，逐步实现了在小农户生产扶贫[2]、农业众筹[3]以及会展农产品溯源[4]等涉农领域的创新发展。在农产品溯源方面，引入区块链技术可有效解决农产品供应链抵御外部冲击的韧性不足、质量保障体系脆弱等现实缺陷[5]；面对农产品信息资源过于分散的问题，区块链技术与物联网技术相结合解决了传统农产品追溯体系在数据传输、数据存储以及安全机制方面存在的瓶颈[6]。

综上，传统的物联网技术在综合监管农产品从农田到餐桌所有环节的操作难度非常大，区块链的技术优势恰能弥补这一缺陷，解决溯源系统应用与推广难题，具有现实意义。

1 物联网和区块链融合技术概述

1.1 物联网技术

物联网是借助无线自组织网络通信模式，实现物与物之间的信息感知、存储、传输与计算等服务。物联网技术参与生活的方方面面，如扫码支付、人脸识别、车联网、智能集装箱、产品溯源以及智慧供应链等领域。

物联网具有四层体系架构，支撑其架构的核心技术涉及信息的感知、传输与处理等方面。常见的信息感知技术有二维码技术与射频识别技术；信息传输技术中应用较为广泛的有NFC、蓝牙、WiFi、ZigBee、LoRa和NB-IoT等；信息处理技术中地理信息系统、云计算系统和人机交互决策支持系统最为常见。

1.2 区块链融合技术

区块链最初应用于比特币交易系统，通过区块互联可建立多主体之间的信息传递与价值转换。如图1所示，单一区块分为两部分，上一区块哈希可实现上链数据的可信追溯，防止断链。而Merkle根则用于快速验证交易数据的真实性，避免数据篡改，二者保证了区块数据一经验证写入便不可篡改。区块体运用哈希函数识别交易信息，可储存各节点的真实数据，并通过中间件来进行数据分析。

图1 单一区块结构

通常区块链可分为私有链、联盟链和公有链三类，详见表1。目前国内外研究的热点是基于联盟链的追溯系统，比较典型的有蚂蚁链、健康码、智臻链以及江苏中南携手北大荒的区块链大农场等。

表1 三类区块链对比

2 农产品传统溯源系统分析

2.1 农产品溯源系统简介

农产品溯源系统通过无线传感器、图像识别、地理信息系统以及北斗卫星导航系统等技术将生产、加工、流通以及销售各环节的信息发送到数据中心进行“一对一”标识，实现“一物一码”。表2为追溯系统在生鲜农产品领域实际应用案例。健全生鲜农产品在产、收、储、运、销全过程数据的收集与处理，保证政府监管部门、企业管理者以及消费者及时获取产品信息。

表2 国内外大型生鲜农产品领域典型追溯系统

2.2 农产品传统溯源系统的弊端

传统追溯系统数据存储信息量极大，导致信息处理效率低，加之供应链上下游信息在数据传递过程中失真严重，缺乏信息安全管理机制。消费者对追溯信息的真实性存在质疑，既没有完善的国家标准，也缺少必要的约束手段。

(1)信息存储方面。农产品从田间到餐桌涉及环节多，数据更新频繁。现有储存设备承载能力有限，在现有存储算法之下，要存储如此大量的数据将占用很大的存储空间，对设备要求高，溯源信息存储成本高。要想使物联网技术在农产品溯源应用中得到普及，必须改进目前的存储算法。

(2)信息处理方面。农产品物联网数据多而杂，具有实时、动态以及碎片化的特点。在处理多类型数据时，中间件需要对采集到的海量信息进行大规模甄别，筛选出有效数据进行分析处理。如何能将不同类型、不同时间的信息利用有限的信道发送出去以及如何提高信息传输效率，这些问题都需要解决。

(3)信息安全方面。目前关于物联网信息安全研究集中在网络层及应用层，对物联网感知层信息源安全机制的研究较少。比如无线感知技术的安全性问题，目前无源RFID技术以及图像识别技术均缺少服务感知层的可靠安全机制。

我国农产品生产企业与加工企业推广物联网应用系统上链成本高、农产品供应链上行信息不完善、设施设备柔性不高等问题凸显，亟待解决。

3 构建基于物联网和区块链融合技术的农产品溯源系统

3.1 基于物联网和区块链融合技术的农产品溯源系统

区块链技术在算法和共识机制上有效解决了各节点数据传输的有效性与真实性，完善了传统物联网溯源的弊端，保证上链信息的真实性和完整性。表3列出了部分物联网+区块链模式在农产品溯源方面的技术突破。

表3 基于物联网和区块链融合技术应用举例

3.2 实例分析

3.2.1 数据流分析

本文选取黑龙江北大荒农业股份有限公司设计构建的区块链大农场为例进行数据流分析。区块链大农场应用于北大荒高度组织化的农场种植模式，涉及农产品从播种到加工的全部核心流程。该农场将每件农产品的真实生命轨迹信息记录到区块链中，解决了北大荒自然资源向数字资产可信转移的问题。该农场涉及农产品溯源数据流有三种类型，如图2所示。

图2 农产品溯源数据流

(1)产品全生命周期数据流。产品全生命周期数据流包括农产品数据采集与储存。物联网感知设备自动识别实体标签，将产品数据接入物联网信息传输系统，经异构网络传输服务至平台服务商，最终数据流向各物联网用户，其中农产品全流程上链数据均储存在以区块链为支撑的农产品监测平台。

(2)查询数据流。产品查询数据流包括相关企业、消费者与监管部门的三方查询数据，针对不同的查询主体溯源系统的数据读取开放权限不同。相关企业可查询农产品供应链上下游交易数据信息；消费者可针对原产地、流通渠道、产品质量等级等进行查询；监管部门主要负责产品数据信息后台有效监管，针对问题农产品可实现同源一键锁定，便于快速追回。

(3)身份验证数据流。在农产品检测平台中，联盟链信息储存于多中心节点，各节点成员的读写均需授权。拥有写入权限的过程参与者可使用私钥加密发送农产品相关数据，完成信息上链；监管部门及企业可使用解密密钥读取加密信息。所有上链参与者通过私钥加密完成每次交易的数据签名，保证发送者身份，各节点的每一次交易信息将被完整记录于区块链账本。

3.2.2 构建基于物联网和区块链融合技术的农产品溯源系统

物联网与区块链融合技术助力农产品从种植到销售的全流程溯源，主要体现在以下几个方面。

(1)农情监测

一方面，农产品生产管理人员可通过远程操控获取生产信息，如蔬菜大棚内可通过感知设备及时了解蔬菜长势、水肥状况以及棚内光照、温度等数据，无需人员下到田间，既提高了数据精确性又节省了人工成本。另一方面，技术人员根据已有数据结合农作物生长规律进行精确的分析，为生产管理人员的田间操作提供有效指导，提高了生产效率。另外RS系统、卫星遥感以及5G等新技术的应用能加强气象灾害预警，为智慧农业生产提供可靠参考，提升农产品生产质量。

(2)设施农业

设施农业是一项通过技术手段解决人多地少困境的高效生产方式，常见于设施种植与设施养殖。物联网技术的应用，大幅提升了设施农业的生产力水平，通过区块链的融合技术，可提高设施农业精度，有利于产业链的优化。所有环节的感知层信息都将上传至区块链账本，保证数据真实有效。例如设施养殖中的智能育苗室，能更好得把控育苗温度，及时检测水氧饱和度，灭菌防病效果佳，提高育苗成活率。

(3)农产品流通

农产品种类多，流通涉及环节广，物联网与区块链技术的应用能够改善当前的农产品流通过程中交易数据杂乱易缺失的问题，既能简化整个流程又能提高流通效率。农产品的实体标签或虚拟标签的使用简化了产品分拣、出入库、运输、检验等流程。区块链的哈希函数是一种具有抗冲击性的安全算法，对每一次的交易数据进行甄别，避免了无效数据的录入，节省了存储空间，加快产品数据流转速度，提升了溯源系统的安全可靠性与经济效益。

(4)质量安全

在食品安全方面，区块链技术可保证上链产品信息的可信度，人们通过物联网感知端扫描识别码，确保产品安全性。融合物联网与区块链的溯源系统具有一定优势，主要体现在自动生成农产品溯源档案，包括农事操作记录、水肥状况、生长期图片、流通渠道、物流环节记录等，且未经写入授权不能轻易更改。消费者可通过扫描二维码，快捷查询产品原产地信息与防伪信息，并可通过开放平台获取农产品从田间到餐桌的全过程溯源档案信息。