基于区块链技术的数字农业应用平台

张勇 高安红 陈红波 张瑜轩 苏仁忠

摘 要： 开展区块链基础软件体系研究、农业产业链与区块链映射模型研究，可解决农业产业链条长、生产经营分散、产供销信息不畅通、市场价格数据分析难及成本提高等问题。结合DCEP 数字货币支付方式，建立农业产业链共享交换机制，打造跨部门、跨环节信息互联互通的统一通道，与第三方区块链平台及业务管理系统进行对接，形成跨越生产方、物流方、渠道方、零售方、监管方、服务方及消费者等多方取得共识的农业产业信息集成应用。实现农业种植、养殖、加工、运输和销售等多环节全流程信息透明、安全、共享，打造农业行业生态，形成国家公链，推动农业数字资产提供有效支撑，促进农业专业化、精细化、智能化和产业化发展。

关键词：数字农业；区块链；产业链；农业物联网

中圖分类号：S126文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）11-0037-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.006

0 引言

目前，农业产业链条长、生产经营分散是我国农业发展的主要特点，农产品供销信息不畅通、市场价格数据分析难、运行成本高等，导致生产者和消费者之间没有搭建互通的桥梁，供求信息无法共享，购销价格相差较大。由此造成我国数字农业发展基础薄弱、数据资源分散，实现农业数据有效整合的难度较大，数字农业发展面临困境。

构建从种到销全链条式一体化应用的数字化农业园区，实现从生产环境数据采集、种植管理、病虫害监测、远程可视和质量管控到物流运输、产品销售等环节数字化升级是发展数字农业的重要路径。数字化农业园区的发展将为区块链的健康、高效、稳定和安全运行应用提供基础，全面应用区块链技术，能够实现整个产业链条的公开、透明，数字化农业园区建设有依据、有遵循。“区块链农业园区”将成为未来区块链在数字农业领域应用的主流模式。同时，乡村治理是数字乡村建设的重要内容，对实现区块链和数字农业的融合发展有较大的促进作用。目前，乡村治理、乡村安全、人居环境和事项办理等大多靠人工管理、人工填报、现场办理，缺乏数字化元素的融入，制约了乡村治理数字化的发展。长期以来，部分农村地区的材料管理、档案管理、资料管理等数据信息均采用传统纸质的方式存档，缺乏长久保存的基础和条件。随着数字乡村建设的不断深入，数字化对农业生产、乡村治理、乡村生态和人居环境等工作的开展进行改变，逐步在生产生活中得到应用，逐步实现生产智能化、管理数据化、经营网络化及服务在线化，党建、村务管理、政务事项、农业生产管理及产品销售等都能通过网络实现。将区块链技术应用于农业生产、农业经营、农业管理和农业服务中，能够有效提升应用和管理水平，解决数字技术在乡村生活、乡村管理和乡村民生中的应用，全面提高乡村治理效能[1-2]。

1 研究思路

对数字农业建设应用存在的问题进行梳理，发现这些问题可以通过开展区块链基础软件体系研究、农业产业链与区块链的映射模型研究，突破区块链共识与智能合约、多源异构数据集成融合、公链共识同态加密等关键技术。基于农业产业链协同实际需求，结合DCEP 数字货币支付方式，完成农业区块链应用平台研制，并在蔬菜、水果、茶叶等领域产销一体的典型现代农业产业园区进行应用示范，建立农业产业链共享交换机制，打造跨部门、跨环节信息互联互通的统一通道。与中农网区块链服务平台、惠农联盟链等第三方区块链平台，以及农业智慧云仓、智慧农批等第三方业务管理系统进行对接，形成跨越生产方、物流方、渠道方、零售方、监管方、服务方及消费者等多方取得共识的农业产业信息集成应用。实现农业种植、养殖、加工、运输和销售等多环节全流程信息透明、安全、共享，打造农业行业生态，形成国家公链，推动农业数字资产提供有效支撑，促进农业专业化、精细化、智能化、产业化发展[3]。

2 平台架构及内容

2.1 架构设计

农业区块链应用平台按照农业产业链管理体系标准，结合区块链的分布式账本、智能合约、混合共识、身份鉴权、受信任和防篡改等特点对现有系统资料进行集成融合，实现资源共享、数据共用，建立一套数据采集管理交换中台，搭建农业全产业链管理服务应用平台。同时按照统一编码规则、统一采集指标、统一传输格式、统一接口规范和统一工作流程的思路，配套管理制度和技术标准，平台支持产业链上下游管理系统、第三方联盟链、私有链对接，实现独立平行区块链之间，以及与系统中心数据资源库之间还可以相互链接，使得每个独立平行区块链中的每一个区块节点都能方便高效地实现系统资源分享和数字资产共享行为的互操作，还能确保整个网络系统的可延展性、安全性和去中心化等特质的稳定。同时，平台形成业务联汇集大数据，实现共享交换机制，打造跨链、跨部门、跨环节信息互联互通的统一通道，实现数据在各个节点之间同步共享，透明安全。农业区块链应用平台整体架构分为 6 个层次、2 大体系。包含感知层、网络通信层、边缘数据支撑层、公有链支撑层、应用系统层和平台开放对接层 6 个层次及安全保障体系、运维监管体系[4-7]。

（1）数据感知层。通过物联网设备的感知应用，对生产环境、病虫测报、土壤墒情、作物长势、视频图像、设施分布和人员定位等进行感知采集。通过搭建的物联网综合管理平台，实现对数据的智能感知，提升数据采集能力、设备控制能力及实时交互能力，做到数据感知的自动化、网络化和精准化。

（2）网络通信层。主要通过NB-IO、GPRS 等物联网传输协议及SIP 多媒体通信协议，将采集的各类物联数据自动传输到管理平台，为系统提供大容量、高可靠和高并发的网络联接和数据传输服务。

（3）边缘数据支撑层。在数据上链前进行数据整合处理，有效避免存在冗余数据、脏数据上链，保障链上数据的完整性、有效性。数据支撑层支持结构化、非结构化和半结构化等多源异构数据汇聚整合。在数据 ETL/清洗技术基础上，结合物联网元数据体系进行“按需清洗”与“按需整合”，建立全局数据语义网络，方便数据表示和服务发现；同时，结合业务需求，将繁杂的物联网大数据变成易于分析应用、有效、干净、完备的“小”数据集，形成数据仓库，促进物联网数据再更便捷、更深层次地数据计算与应用。

（4）公有链支撑层。结合区块链去中心化、点对点网络、时间戳、不可篡改、共识机制及智能合约等技术，采用各业务环节作为节点接入公链，进行数据上传，支撑上层业务应用。同时对多系统接入、多链接入提供技术平台支撑。

（5）应用系统层。基于农业产业链行业实际业务需求，贴合业务流程拓展深度应用，提供智慧农业种植生产应用、农产品智慧供应链管理、农产品一体化营销管理等诸多方面开展综合应用。

（6）平台开放对接层。平台支持产业链上下游管理系统、第三方联盟链、私有链对接进行信息共享及链间互操作。平台支持多条独立平行区块链所组成的去中心化网络链接，并且每个独立平行区块链之间，以及与系统中心数据资源库之间还可以相互链接，使得每个独立平行区块链中的每一个区块节点（peer）都能方便高效地实现系统资源分享和资产共享行为的互操作，还能确保整个网络系统的可延展性、安全性和去中心化等特質的稳定，有助于建立农业产业生态。

2.2 研究内容

针对农业产业链安全共享、数据智能融合等应用，研究安全、可信、高效的区块链分布式架构，包括区块链底层平台与上层业务系统之间的关系与链接、链式数据存储结构、网络拓扑及消息传播机制、高效的共识算法、智能合约系统、虚拟化技术及密码算法应用等核心关键共性技术，使得区块链架构灵活、可扩展，为系统应用提供强有力的数据共享支撑。

通过对农业产业链各个参与主体单位及各阶段业务环节的分析及数据整理，研究基于种植生产、产品加工、产销对接和电子商务等业务流及数据，协同农产品物流、农业金融、农业监管等关键环节，建设针对农业产业链的全过程、全要素数据采集、数据上链、安全传输和综合应用进行应用验证。平台利用现代电子技术、移动网络通信技术、计算机及网络技术相结合，将农作物生长最密切相关的空气温湿度、土壤墒情，以及农产品流通过程中的质量、交易过程等实时监控数据通过各种传感器以总线网络实时采集，并利用运营商网络通信技术，将数据及时传送到农业区块链应用平台。使设施农业管理人员、农产品供应链各业务节点工作人员和农业专家通过手机或手持终端就可以及时掌握农作物的生长环境、农产品生产加工及流通信息，确保及时采取控制措施，及时调度指挥，达到最大限度地提高农业产业链间各业务单位的信息流转，从而实现降低运营成本，提高生产量，增加劳动效益[8]。

3 应用成效

鹤壁农垦农业发展有限公司运用区域链、大数据、云计算、物联网和人工智能等先进信息技术，在大田种植和特色农产品种植得到了示范应用，建成了数字大田、数字菜园和数字菌园，打造从种植环境数据采集，到病虫害自动监测、水肥一体智能控制、作物全生命周期管控、农产品质量安全检测、测土配方施肥、全程质量追溯和合格证应用，并实现线上销售的全过程、全链条、全环节的应用，加快数据信息汇总集成、共享共用和农业数字化改造升级，探索生产、管理和经营数字化发展新路径。

目前，建成了集物联网生态环境气象自动监测应用、病虫害自动监测应用、管式多层超声土壤墒情在线监测、远程生态监控系统、水肥一体化智能控制应用及农产品质量安全追溯等功能为一体的区块链应用平台，实现了特色种植区域大田作物生产过程、质量控制、数据感知和产品销售等关键环节的信息技术集成应用，促进数字农业生产取得重要进展，提升信息技术应用能力，劳动生产率提高50% 以上，单位面积产量提升10% 以上，水、肥、药等农业投入品使用降低10% 以上，取得显著经济社会效益[9-10]。

4 结束语

随着区块链、人工智能、大数据等新一代信息技术的快速发展，农业产业链的发展迎来了由传统方式向信息技术方式转型的机遇。区块链技术拥有去中介、去信任、智能合约等诸多得天独厚的优势，为农业产业链发展提供信任机制、激励机制、契约机制等，为优化农业产业链发展探索了一条全新的路径。结合智慧农业工程建设，加快涉农数据整合，建设涉农数据资源库，打破涉农“信息孤岛”和“数据烟囱”，形成农业产业链全过程贯通。建立涉农数据分类目录，建设统一的数据开放平台，提升公众对农业数据的使用效率，推动数据资源开放共享。积极探索涉农数据市场化运作，开展涉农数据产学研研究，挖掘好数据价值，加快推动农业农村数据资源资产化，激活政府涉农数据资源。同时，区块链能够在数据安全、信息安全等方面发挥积极的作用，保障数字化在农业中的健康快速发展。基于区块链技术研发的数字农业核心功能和应用，是数字农业发展的一项重要内容，也是数字农业未来发展的必然方向。

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