基于物联网和区块链的溯源系统研究

【摘" 要】 该研究将物联网和区块链技术用于农产品溯源系统，以提升系统的效率可信度。通过物联网传感器实时监测和数据采集，结合区块链的不可篡改和去中心化特性，使用DAG和Fabric-CA技术提高区块链的效率，应用于农产品的生产养殖管理、商品包装管理、运输仓储管理、批发零售管理等业务中。本研究有效解决了传统溯源系统中的信息录入错误、不及时和人工录入隐瞒信息等问题，提高了溯源系统的效率，并节省了成本。实验结果表明，该系统能够增强农产品信息的可信度和透明度，提高食品安全水平，并为消费者提供更加可靠的选择依据。

【关键词】 农产品溯源系统；物联网；区块链

农产品质量安全问题是当前备受关注的社会难题。目前，我国大部分蔬菜供应链仍依赖人工作业，导致信息反馈不畅、难以掌控和窝工现象的频繁发生。同时，财务和车辆等方面的管理也存在大量的人力、物力、财力的浪费问题，建立农产品溯源系统尤为重要。溯源系统能够记录农产品的相关信息，让消费者放心食用，并追溯生产地点和加工环节，有助于质量控制和食品安全。通过优化供应链和引入自动化管理，可以提高效率和质量。此外，溯源系统提供更多透明度和可追溯性，帮助消费者选择安全健康的产品。因而，建立农产品溯源操作系统是处理质量安全问题重要举措，促进农业可持续发展并维护人类身心健康。

一、物联网技术在溯源系统中的运用

物联网是根据物品编码、RFID技术以及互联网，将某一总体目标物件与互联网等互联网相连接，它是一个信息交换、通信系统处理信息系统。通过物联网技术，可实现农产品溯源系统的实时监测、数据采集和追踪。

实现农产品生产环节的实时监测。通过在农田、温室或养殖场等地部署传感器和设备，可以实时监测土壤湿度、温度、光照等环境参数以及农作物或畜禽的生长情况。这些信息能通过物联网传送到云平台，供农民和有关管理人员随时查看与分析，及时解决问题并采取相应措施。

实现农产品流通环节的数据采集和追踪。通过在运输车辆、仓库和销售点等地部署传感器和标签，可以实时采集农产品的温度、湿度、位置等信息。这些数据可通过物联网连接到云平台，形成完整的农产品流通数据链条，方便追溯产品的来源和流通情况。

实现农产品质量和安全的监控。通过在农产品包装或标签上嵌入传感器和标识码，可以实时监测产品的温度、湿度、震动等参数，以及产品的防伪和溯源信息。用户可以根据扫描仪标识码或使用手机应用程序，获得产品的详细信息，包含生产制造地址、生产过程、质量检测等，保证产品质量以及安全系数。物联网技术为农产品溯源系统提供了实时监测、数据采集和追踪的解决方案。根据物联网连接和信息共享，能够实现农产品生产与流通环节信息化智能化，提升产品质量和安全性，达到消费者对农产品的要求。

二、区块链技术在溯源系统中的应用

区块链是一种数据分布式账本，根据加密算法和存储技术等搭建，确保所记录的买卖交易的完整性和真实性。区块链技术中数据要以去中心化的分布式存储方法保存，区块链技术具备防篡改性、交易可追溯性、交易私密性等优点。区块链应用能够确保链上数据的防篡改和可追溯性，因而在商品从研发到商品流通的过程中可以实现详细信息记录，为监督机构提供产品全方位数据信息，使之能够更有效地进行产品质量检验及数据互连互享。区块链技术在溯源系统中的应用，可以提高其安全性、透明性和可信度，如在农产品溯源系统中应用。

确保农产品信息的安全性。每一笔交易和信息都被记录在区块链网络中，由多个节点验证和存储，使得数据不易被篡改或删除。这种安全性保障可以有效防止信息的伪造、篡改或丢失，确保溯源信息的准确性和可靠性。

提供农产品溯源系统的透明性。全部参与者都可以在区块链上查询和测试相关信息，包含生产制造地址、生产过程、生产加工环节等。由于区块链上的数据共享和透明，消费者可以追溯农产品的整个流通过程，确保产品的质量和安全性。

增强农产品溯源系统的可信度。由于区块链的去中心化特性，没有单一的机构或个人能够操纵数据或控制信息流。所有数据都经过多个节点的验证和共识，提高了信息的可信度和合法性。这种体制能够减少信息造假和欺诈个人行为，提升消费者对农产品的信任度。

区块链技术为农产品溯源系统软件带来了安全性、透明和可信的解决方案。根据利用区块链技术的特性，保证农产品信息的真实性和完整性，为消费者挑选安全系数高、健康的生活农业产品，推动农产品质量的提高。

三、物联网区块链

物联网设备的海量接入，建设高性能可扩展性的物联网平台，并使用物联网的各类传感器实现自动的数据采集。伴随着物联网设备的总数快速增加，对服务的需求也在不断增加，传统物联网服务方式面临着很大的挑战。区块链技术的核心是分布式计算，及其分布式计算条件下的群体可信协作体制。区块链技术的分布式计算和人群可靠协作体制，为了解决物联网技术所面临的可扩展性、协作能力、信任感与安全防护等方面考验带来了全新的思路和解决方法。

使用区块链技术构建物联网服务平台，可“去中心化”地将各类物联网相关的设备、网关、能力系统、应用及服务等有效连接融合，促进其相互协作，降低成本的同时，最大限度地满足信任建立、交易加速、海量连接等需求。使用区块链技术构建的物联网业务平台，被称为物联网区块链（BoT），它支持物联网实体在“去中心化”的模式下相互协作。区块链技术在算法和共识机制上合理解决了各连接点数据传输实效性与真实性，规范了传统式物联网技术追溯的缺点，确保上线信息的真实性和完好性。在以太网覆盖下，通过识别RFID标签，将农产品的生产、加工、流通、零售全程数据发送至追溯中心进行上链，完成农产品供应链多方数据协同记录，实现原产地追溯与跨境追溯。采用RFID标签，将产品从生产到销售各环节的每笔交易信息以区块链账本形式完整储存于各区块中，区块之间通过散列值链接，实现多主体的多点同时记账。

区块链因其“不可篡改”“共识机制”和“去中心化”等特点，对物联网产生了重要的影响。这种危害包含减少去中心化架构高额运维成本费、维护客户数据和个人隐私、保证系统安全性、完成数据追本溯源及其推动网间协作。根据真实身份权限管理和多方面共识，可以检测并阻拦违法节点接入，避免恶意节点的作恶。与此同时，区块链技术的分布式架构和行为主体对等的特征有利于摆脱信息荒岛，以成本低创建互信，推动信息的纵向移动和网间合作。

四、溯源系统设计

（一）系统设计

物联网与区块链溯源系统中的应用，使用Hyperledger Fabric联盟链技术以及物联网平台技术与MQTT物联网通信协议，构建平台总体技术架构，通过Hyperledger Fabric构建基础区块链网络，并对网络运行状况进行了实时监控。实时监控物资存储，确保物资出入库的安全。加强物资监管，减少和杜绝非法流出。使用标签识别技术，提高物资识别的准确性，减少人为错误，提高库存准确率，完成合理库存管理和控制，快速、高效地流转物资，提供物资历史和现阶段事务统计报表，为决策者提供精确信息，记录物资管理员的工作时间，把握他的工作效率，增强对他们的管理方法，将物资单据的纸质信息转换为电子数据，简化查询步骤，提高查询速度。

区块链技术能够支持物联网设备的拓展，构建高效率、安全分布式物联网互联网，并构建数据信息密集型运用。它带来了信任机制，确保所有权、交易等记载的可信性、可靠性和透明性，与此同时，维护用户隐私。这种改进有助于推动物联网向更为灵活化、智能化最高级的形状演进。

（二）系统架构

系统根据物联网和区块链技术，构建了一个结合感应器收集、无线传输、Web运用和二维码等新技术的农产品溯源系统。该系统分为四个层次：

物理层：利用物联网技术，根据感应器收集农产品生产过程中的数据信息，包含生长发育环境、生产制造环境运输环境的信息。生长自然环境数据包括温度、环境湿度、光照和生长日期等，工作环境数据包括生产过程生产日期等，运输自然环境数据包括运输地址、方式等。

数据存放层：选用区块链技术，将数据以链式存放的形式进行存放，对溯源数据开展高效管理，保证数据的安全性。如下图1所显示，该系统区块链区块信息包括区块头部和区块体，区块头由区块hash值、时间格式、Merkle树杆、难度系数总体目标等信息，区块行为主体包含数据交易的信息类型、哈希函数、密匙等信息和溯源系统的信息，根据无线传感器收集到的农产品田地、温室大棚或养殖场农产品生长发育信息、制造厂包装加工信息、货运物流中运送存储等信息。

数据传输层：数据传输层负责数据通信，通过使用RFID扫描仪或NFC读卡器将产品编号等溯源信息广播在DAG（Directed Acyclic Graph）中。DAG即有向无环图，DAG的特点是数据单元的写入操作是异步的，大量的客户端可以独立、异步地将交易数据写入DAG，DAG结构下区块的区块头可以包含多个区块的哈希值，指向不同的前代区块，单位时间内打包的交易变多。根据使用DAG作为网络基础，解决了传统区块链的高并发难题，并提高了容量的速度和。以最低的成本开展扩展，应用好几条DAG作为存放，维护真正交易信息和敏感数据。单条联盟链作为核心，给予公布溯源数据信息上弦，及其智能合约高效运行Fabric-CA申请注册组员作用。Fabric-CA技术性提供了可插拔的架构设计，适用的共识、权限设置、加解密和账簿体制控制模块，同时具有多通道特性完成数据隔离，还提供身份证件书管理服务，提高了可靠性和可扩展性。

数据展示层：利用二维码技术向客户展示有序、合理的溯源信息。二维码具备多种多样编号种类和大容量信息特征，能够展现产品名称、产地、生产日期、保质期、生存环境等信息。此外，二维码还可以编码图片、文字链接等相关信息，提升溯源系统的多样性。结合区块链技术和加密手段，进一步保障农产品的安全性。

五、结语

物联网区块链技术有助于处理与农业农产品消费的痛点。一方面，主要是通过物联网提高农牧业效率，连接孤立产业链环节，造就增量使用价值。另一方面，依托区块链技术连接农牧业数据创新要素，创建全程信用监管管理体系，引起农业生产和食品市场领域内的革命性更新。这项技术融合发挥了物联网和区块链的优势，完成了物件信息的全面掌握和信息可信。

在二维码和RFID技术基础上引入区块链技术，用于产品溯源系统，确保产品任何环节的问题都可追溯，并提高产品质量的可靠性。它通过物联网的数据自动监测、采集、储存区块链的数据，提高溯源效率，节省了人工记录和监管成本。

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