基于区块链的农产品溯源系统的研究及探索

郭天一 谷利芬

（焦作师范高等专科学校，河南 焦作 454000）

1 引言

受益于国家政策的扶持和农业科技的发展，我国的农业已由高速发展阶段迈向高质量发展阶段。农业持续发挥着重要的“压舱石”作用，给民众提供了丰富多样的农产品，也进一步满足了广大人民对美好生活的追求。但是，日益频出的农产品安全问题也不容忽视，目前已经成为社会的关注热点。专家和学者普遍认为农产品溯源系统是提高农产品质量安全的有效途径之一，而农产品溯源系统的关键在于溯源相关数据必须真实完整以及不可篡改[1]。传统的农产品溯源系统存在信息不对称、数据易被篡改、中心化管理等弊端，以致于无法保障农产品信息的真实性和完整性。本文基于区块链技术的数据不可篡改、信息全程可追溯以及去中心化等特性，构建了农产品溯源系统，实现了农产品信息的不可篡改以及全程溯源，提高了农产品的质量安全，同时也降低了传统溯源系统的中心化管理成本与风险。

2 农产品溯源系统研究现状

2.1 传统的农产品溯源系统

根据农产品溯源系统中信息的流向，可以将溯源系统大概分为信息采集、信息传输、信息存储、信息处理以及信息应用五个模块，如图1所示。

图1 传统的农产品溯源系统的信息流向图

在传统的农产品溯源系统中，首先通过传感器等设备采集农产品的相关信息，然后利用无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks,WSN)以及5G 等技术将所采集的数据传输至信息存储模块的中心化数据库，接下来对数据进行一系列处理，最后向消费者以及监管部门等提供溯源、查询以及监管等功能。

传统的农产品溯源系统虽然在一定程度上为消费者、企业以及监管机构等提供了查询农产品信息的渠道，但是仍然存在以下几个问题：

（1）数据可靠性存疑。信息采集阶段的各个环节的农产品信息分别由各自的生产主体提供，因此，可能存在数据造假等现象，数据可信度较低。

（2）溯源系统可靠性较低。在传统的农产品溯源系统中，农产品相关数据存放在信息存储模块的中心化数据库，由统一机构或者部门来管理[2]，管理权相对单一，若监管不到位，可能存在数据被篡改的现象；同时农产品的数据量较大，若全部存在于中心化数据库中，那么会增加中心化数据库的负担和压力；再者，中心化数据库易受到攻击，数据安全性难以保证。

（3）溯源信息有限。传统的农产品溯源系统一般仅提供农产品的产地、流通等部分信息，而对于消费者比较关注的生产种植过程中的信息往往无法提供，由此导致信息不对称现象，不能完全解决消费者的信任缺失问题[2]。

2.2 基于区块链的农产品溯源的可行性分析

区块链技术利用块链式数据结构验证与存储数据，利用分布式节点共识算法生成和更新数据，利用密码学方式保证数据传输和访问安全可靠，利用智能合约编程和操作数据，其本质上是一个由多方参与、共同维护、高冗余度的分布式数据库[3]。区块链的特点包括：

（1）去中心化结构。区块链以分布式网络为基础，每个节点地位平等，均完整保存整个区块链数据库，避免了将数据存储在中心服务器所带来的问题。

（2）数据公开透明。在区块链中，交易各方的私有信息加密存储，仅仅允许交易参与方可见。除此之外，区块链数据对所有人公开透明，具有较高的共享性和透明性[2]。

（3）数据不可篡改。区块链采用的块链式结构保证了数据难以被篡改。图2所示为区块链的块链式结构图。

图2 区块链的块链式结构图

如图2所示，区块链的区块结构包括区块头和区块体两部分，其中区块头包括当前区块的版本号、时间戳、随机数、默克尔根以及前一区块的哈希值和后一区块的哈希值；区块体中包括相关交易信息以及经哈希函数计算生成的哈希值，指向区块头中的默克尔根。时间戳能够保证数据的完整性，并且在区块与区块间形成了时间序列，提高了信息的可靠性。哈希值由哈希函数根据数据内容计算得到，具有唯一性，并且保存在下一个区块的区块头中，以此形成区块链的链式结构[4]。如果某个区块内容被篡改，那么该区块的哈希值也会改变，由此导致后一个区块无法链接到该区块上，因此，基于链式结构存储数据可以保证数据不被篡改。

（4）新型信任机制。区块链通过共识机制和智能合约建立了一种不需要中心信用结构或者第三方结构来保证的新型信任机制。

2019年农业农村部、中央网络安全和信息化委员会办公室制定的《数字农业农村发展规划（2019—2025 年）》中提出“推动区块链技术在农业资源监测、质量安全溯源、农村金融保险、透明供应链等方面的创新应用”。2020 年中央1 号文件提出“要加快物联网、大数据、区块链、人工智能、5G、智慧气象等现代信息技术在农业领域的应用”。2021 年，工业和信息化部出台的《关于加快推动区块链技术应用和产业发展的指导意见》中明确提出“到2025年，区块链在产品溯源等领域培育一批知名产品，形成场景化示范应用”的发展目标，并且部署“在食品医药等领域，用区块链建立产品溯源体系，实现全生命周期的追踪溯源”的重点任务。由此可见，加强区块链技术在溯源领域的应用已成为国家政策的导向和热点。

华为公司研发的“智慧农场—农业沃土云平台”，应用区块链等技术实现农产品溯源功能，同时基于区块链的不对称公私钥加密技术进行防伪认证，可以有效保障农产品的质量安全和品牌效应[5]。京东公司的“人工智能养猪”项目，应用人工智能和区块链等新一代信息技术，实现了智能化喂养以及产品全程可追溯等功能[5]。Kamilaris et al.在文献[6]中对应用了区块链技术的农产品种类和目标进行归类，发现已经对大豆等多种农产品进行了可追溯研究与实践。

综上所述，区块链以区块为存储单元，并按照时间戳先后顺序通过哈希指针形成区块链的链式数据结构[7]，保证了链上的数据不被篡改。与传统的农产品溯源系统的中心化数据库管理模式相比，区块链的“去中心化、分布式众包记账”等特性将数据信息存储在多个区块节点上，既可以避免中心化数据库的“单点失效”风险[7]，也可以降低中心化数据库的建设和维护成本。总之，将区块链技术应用于农产品溯源领域具有切实可行性，可以有效解决传统溯源系统存在的一系列弊端。

3 基于区块链的农产品溯源系统设计

区块链根据节点的开放程度分为公有链、私有链和联盟链三种[1]。其中，公有链向公众开放，用户可以在未经授权的情况下访问区块链和网络，与以提高产品质量为目标的农产品溯源系统不匹配。相较于公有链人人可参与而言，私有链仅供私有组织使用，只有经授权的核心节点才能操作和访问区块链，通常应用于企业内部或者政府相关部门，不适合用于参与主体众多的农产品溯源系统。联盟链一般是由多个组织共同构建的区块链，并且可以根据应用场景决定对公众的开放程度，其共识管理算法可以保证系统的高效运行以及安全可靠[2]。

综合以上分析，本文基于联盟链构建的农产品溯源系统如图3所示。

图3 基于区块链的农产品溯源系统框架图

基于区块链的农产品溯源系统包括：采集层、数据层、网络层、共识层、合约层和应用层。

采集层主要利用物联网传感器、摄像头、北斗导航系统、射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)以及地理信息系统(Geographic Information System,GIS)等获取农产品供应链中产前物资、生长环境、加工、仓储、物流以及销售等全部环节的农产品相关信息，保证溯源信息的完整性。这些信息是溯源系统的数据基础和来源。

采集层获取的数据信息包括环境温湿度、光照强度、农作物生长图片、农产品加工视频、仓储位置、物流信息、销售门店信息等一系列数据。在这些数据信息中，相对来说，图片和视频属于非结构化数据且容量较大，而其他信息容量较小。如果将所有信息全部存储到区块链的各个节点上，随着节点数的不断增多，会极大地增加节点的负荷，从而提高系统的成本并降低运行效率[8]，因此，在数据层中，采取“链上链下”双存储机制。

“链上”存储指的是将环境信息、仓储信息、物流信息、销售信息等容量较小的文本数据信息直接存储到区块链的区块节点上。

“链下”存储指的是将图片或视频等大容量信息存储至星际文件系统(InterPlanetary File System,IPFS)中，并通过哈希函数计算得到图片或视频对应的唯一哈希值，将此哈希值存证到区块链系统中，便于利用此哈希值在IPFS系统中查询相关信息，实现分布式内容存储与区块链的绑定[9]。

在网络层中，通过身份验证、节点权限等，结合P2P（Peer-to-Peer，点对点）网络协议将区块数据存储于区块链的各个节点上。数据层和网络层共同保证了区块链的产生与传递[10]。

在共识层中，采用权益证明算法进行管理，这种基于权益的共识算法可以保证政府监管部门具有更多的管理权限，以便管理整个农产品供应链中的各方主体[11]。

在合约层中，将相关的法律法规和行业标准等形成智能合约，当合约中定义的条件被触发时，那么智能合约将自动执行合约条款而无需第三方介入[7]，从而提高管理效率并降低人为干预所带来的不确定性影响。

应用层提供农产品溯源系统接口，供政府相关部门、企业、生产者以及消费者使用。

4 基于区块链的农产品溯源系统中区块链工作模式

基于区块链的农产品溯源系统中区块链的工作模式如图4所示。其中，利用各种传感器及其他监测设备获取农产品的一系列数据信息，并传输至区块链节点；农户经认证后以区块链节点的身份加入区块链网络中并形成对等网络结构，基于此建立联盟区块链网络[12]。在该网络中，交易信息由全网各个节点共同确认，确保交易可信且可靠。

图4 基于区块链的农产品溯源系统中区块链的工作模式

5 结语

区块链技术的去中心化分布网络、链式数据存储结构、点对点传输、智能合约等技术特性为解决传统溯源系统的溯源信息有限、可信程度低、系统稳定性不足等问题提供了一种有效的解决方案。针对目前传统的农产品溯源系统存在的一系列弊端，本文构建了基于区块链的农产品溯源系统框架，并详细阐述了采集层、数据层、网络层、共识层、合约层和应用层的工作原理。该系统使用物联网以及无线传感器网络等技术实现农产品信息的自动化采集及汇总，实施“区块链+IPFS”的“链上链下”双存储机制，结合区块链的共识算法和智能合约等技术，实现了农产品从“田间地头”到“餐桌厨房”的全程追溯。