基于区块链技术的农产品溯源系统架构研究

艾洪福

(吉林农业大学信息技术学院，吉林 长春 130118)

随着社会的进步和经济的发展，人们的生活水平有了显著提高，目前人们对农产品的需求不再关注数量，而是更加关注质量[1]。农产品的质量安全与每个人的切身利益息息相关，保障农产品质量的安全性是保证人们身体健康的前提，同时高安全性的农产品可提升市场竞争力。农产品从农田到餐桌包括多个环节，形成了复杂的链条，不仅包括种植过程的各个环节，同时包含物流供应链等。任何环节出现问题都会影响产品质量的保障[2]。高质量、高安全性的农产品是每个消费者所关心的。如何保证农产品的质量安全是目前广泛关注的问题。尤其作为消费者，更应该对所购买的农产品有着清楚的了解。所以农产品的溯源就显得非常重要，其中溯源的准确性、可信性尤为关键。

1 农产品溯源现状

关于农产品的溯源，世界上的每个国家都十分关注，也得到了相关学者的高度重视，并进行了深入研究和探索。我国作为农业大国，对农产品的溯源更加关注，2002年我国开始探索农产品溯源的相关技术，取得了丰硕的研究成果，并制定了相关的法规和政策。虽然很多学者已经提出了多种溯源的方法和技术，但仍存在一些缺点与不足：农事过程不可控，监管机制缺失；溯源信息中心化存储，导致数据共享性差，并且没有统一的标准；现有的农产品溯源系统提供的溯源信息过于简单，溯源的可信性低，溯源的灵活性不足[3]。随着区块链技术的逐渐成熟，其应用领域已经从金融领域逐步扩展到诸多领域，其在农业领域的应用逐渐得到学者的关注。本文将区块链技术引入的农产品溯源中，建立溯源体系架构，提高农产品溯源的可信性[4]。

2 区块链技术

区块链技术作为比特币的实现方式，自2008年，匿名学者“中本聪”发表的一篇论文，区块链技术得到了极大关注，从本质上讲，区块链技术是一种技术的融合重新[5]。主要包括数据加密技术、共识机制、分布式存储等。区块链被认为“信任”机器，各个国家都在加快区块链相关产业的布局和发展规划。我国相继出台了有关的政策和文件，2019年，习近平总书记强调，把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，加快推动区块链技术和产业创新发展。

2.1 区块链技术的特点

区块链技术将数据进行分布式存储，形成多个拷贝数据文件，实现了数据的共享，具有不可伪造的特点，其“时间戳”技术能够实现全程留痕。构建了“信任”基础，形成“可靠”机制，应用前景十分广阔。区块链的特点主要包括以下几方面。

2.1.1 去中心化

区块链利用分布式存储方式记录“全链”的所有交易信息。最终形成“公开账本”。在区块链中每个节点均具有记账和存储管理的功能，所有节点在“全链”中地位相同。改变了以往以“服务器”为中心的数据存储和管理方式，实现了数据存储和管理的真正“去中心化”。

2.1.2 公开透明、防篡改

区块链中的数据由每个节点共同参与维护，链上的每个节点都能获得一份完整数据库的拷贝；链上的信息对所有节点都是公开透明的，并且每个区块的数据都有“时间戳”。链上的信息虽然理论上可以被更改，但实际是不可能做到的。如果某个节点想更改信息，则需要整个区块链50%以上的节点同时参与才可以完成。这就形成了区块链数据内容的不可篡改性，保证了数据的真实性和完整性。

2.2 区块链技术的应用价值

区块链技术的应用价值巨大，从技术角度，采用去中心化的分布式存储，借助密码学等技术，实现公开透明；从数据角度，基于共识机制可实现数据的完备性，数据高度保持一致，实现数据的不可篡改；从业务角度，通过智能合约，可有效助力模式创新和新业态的培养[6]。

3 “区块链+农产品”溯源

区块链技术在众多领域已经得到了良好的应用效果。如金融服务领域、智能制造领域、文化娱乐领域、教育领域等。其中，应用最多、应用效果最好的是经济、金融领域。近些年，基于多领域的区块链技术应用相关研究取得了很大进展，区块链行业应用价值水平逐渐提升[7]。随着研究的深入，作为农业大国，区块链技术在农业领域的应用会得到越来越多的关注，并成为研究的热点。

农业领域，人们最为关注的是农产品的质量安全。将区块链技术应用到农产品质量安全领域，构建科学合理的溯源体系，确保溯源结果的可信性，将有利于构建农产品质量安全的新生态，促进农业发展[8]。

3.1 传统溯源模型

目前，关于农产品溯源的相关研究已经取得了较多成果，并在一定程度上得到了消费者的信任。但是，传统的溯源主要采用溯源数据集中存储模式。在中心化的数据库中包括农业生产的相关农资信息，农产品种植过程中的相关农事信息(种子、化肥、农药)，农产品的采摘信息、仓储、物流信息，经销商、分销商等信息。通过生成溯源码的方式，消费者可以通过扫描二维码来获取农产品的相关信息，溯源结果具有一定的可信性[9]。但仍存在着一些问题，如溯源信息的可信程度偏低，由于溯源信息采用集中式存储，某些企业为了自身利益存在修改数据的可能性，集中存储的数据容易受到黑客的攻击，导致溯源数据的安全性降低。同时，溯源系统在灵活程度上存在弊端，传统溯源一般针对特定溯源信息进行设计，诸多事务处理流程是固化的，不能动态调整，导致溯源信息更新不及时[10]。

3.2 构建基于区块链的农产品溯源体系

目前，由于计算机的配置存在差异性，导致计算机的性能差别较大，如果将关于农产品各个环节(种植-仓储-销售)信息全部采用分布式存储具有一定的局限性，不能保证溯源系统响应的及时性。通过分析，本研究将采用“主链+辅链”模式构建农产品溯源体系。其中，在主链中采用区块链技术，将地块、种子、化肥、农药、采摘、监管等信息进行分布式存储。在辅链中采用传统的数据集中存储模式，主要存储农事信息、加工信息、物流信息、经销商信息等。这样的溯源体系模式可以在一定程度上提高溯源系统的效率，并可以保证重要溯源数据的真实和可信，溯源效果良好。

3.3 溯源体系架构

基于“主链+辅链”模式的溯源模式，构建农产品溯源系统架构如图1所示。

图1 农产品溯源体系架构

3.3.1 数据采集层

通过物联网技术，利用RFID标签、各种传感器(温度、湿度等)、扫描设备，全面采集农作物种植过程相关数据。利用传统的运营系统收集生产资料、仓储、物流、经销商等数据信息。为农产品的溯源奠定数据基础。

3.3.2 存储层

基于区块链技术的特点以及计算机处理能力，在存储层采用2种模式进行。采用区块分布存储模式，基于智能合约，将溯源信息中重要的数据进行区块、分布式账本存储；传统的数据库中心存储模式，主要用于存储其它与农产品供应链的相关数据。这种模式可以降低溯源系统的复杂性，提高农产品溯源效率。

3.3.3 应用层

在该层中，针对不同的用户角色，设定不同的权限，其中系统管理员可以对区块进行管理，从事农业生产的相关企业或个人提供溯源数据。为保障数据的真实性，需要相关监管部门的介入，对数据的可靠性进行监管。消费者作为整个产业链的最后一环，可以对相关农产品的信息进行溯源查询。

3.3.4 交互层

交互层提供用户与系统交互的接口，设计了3种不同的交互模式，用户可以利用手机APP、Web以及溯源终端系统等对溯源系统进行操作。

4 溯源模型的应用场景

基于构建的溯源体系架构，对农产品的实际溯源进行了结果验证。

4.1 溯源码标识对象

在整个农产品的产业链中，由于其涉及的环节众多，既有生产环节、农事作业环节，又包括加工、包装、运输、物流等众多环节。这些环节通过溯源码进行有效衔接，构成完整的溯源数据信息。本文基于构建的溯源体系架构，充分考虑“粒度”问题，从农产品(橘子)整个产业链中尽量剥离分析。最终选取输出农产品(橘子)为溯源对象。

4.2 超级账本与数据的格式

本文的实际应用场景是以超级账本方式存储键值对数据，基于前面分析所确定的溯源码标识对象。通过设定农产品(橘子)的批次信息为键，同时把生产地、物流运输等过程信息作为值进行溯源。以json格式进行描述，具体描述形式如图2所示。

图2 json格式描述

为了溯源操作方便，结果现实清晰，结合传统的二维码溯源模式，在系统中生成了溯源的二维码，具体如图3a所示。消费者可以通过扫描该溯源码，获得农产品(橘子)的溯源信息，具体溯源信息如图3b所示。

图3 溯源码及结果

5 总结

农产品的质量安全已成为人们关注的热点问题，关乎百姓的生活、人民的健康。可信的农产品溯源信息，可以让消费者对农产品提高信任度，能够做到吃得安心。传统的溯源系统存在着诸多弊端[11]。本研究将区块链技术应用到农产品溯源中，构建可行、可信的农产品溯源体系架构，同时在实际应用场景中进行了验证，结果表明溯源信息真实、可信。高安全的农产品可以提升消费者信心，高可信的溯源信息可以提升农产品的市场竞争力。进而促进农业生态的构建，助力农业的供给侧改革。