区块链技术在农产品信息溯源体系中的应用研究

摘要：民以食为天，人们由“吃得饱到吃得好到吃得安全”进行转变，近几年农产品安全问题，农产品交易市场乱象问题层出不穷，人们越来越重视食品安全，农产品安全成为最关注的焦点。现代农产品供应链非常复杂，同时涉及众多参与方，每个参与方都扮演着不同的角色，农产品信息溯源成为一大难题。

本文以农产品质量安全问题为切入点，提出供应链系统中存在的信息不透明、信息孤岛、数据维护成本高问题，区块链在无第三方参与的网络中，结合共识算法就能解决以上问题，从流程环节针对性地解决农产品信息溯源问题。

关键词：区块链技术;溯源体系架构;农产品;数据采集

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）17-0114-03

本研究通过对比农产品传统追溯体系，分析“基于区块链”追溯体系的优势，全面分析农产品质量安全监管失灵的原因，破解供应链过程中农产品监管难题，以及供应链追溯体系下农产品的正向跟踪和逆向追溯，在农产品供应链中推动区块链技术的应用，打造智慧供应链，实现农产品信息供应链的可视、可感、可调节，既可以提升优质农产品的市场竞争力、促进传统农产品的市场转型，对消费者而言，对购买农产品的信心会大幅度增强，又可以实现优质、安全的农产品供给。与此同时大大促进了农产品经济的发展。

1研究背景

随着5G时代智能互联网的飞速发展，对人们的生产生活模式、运转思维、组织架构进行了系统性彻底的重新定义，數字化、信息化水平大幅提升。虽然电子商务与供应链体系在不断完善、运作模式在快速更新，但是问题依然存在，特别是安全问题：如农产品栽培地环境、保鲜、销售流程、运输途径等。

近几年一系列关于农产品安全事件时有发生，如：苹果“毒药袋”“毒韭菜”“毒玉米”“毒青枣”“毒生姜”，以及2018年深圳南山中英文学校（ A 级食堂）被曝光使用不合格的食用油等农产品安全问题。传统的农产品质量安全监管，效率低、成本高且时常信息不对称。2019 年，***总书记强调，区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用。我们要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，明确主攻方向，加大投入力度，着力攻克一批关键核心技术，加快推动区块链技术和产业创新发展[1]。

2020 年中央一号文件再次要求强化全过程农产品质量安全和食品安全监管，建立健全追溯体系，确保人民群众“舌尖上的安全”[2]。

2 区块链相关技术

现行消费者对农产品质量安全信息追溯不满足的关键原因是，农产品质量安全监管体系效率低，借鉴现代信息技术，结合农产品本身特点，实施可追溯体系，加强安全监管，整个信息从上游到下游公开透明，实现正向信息追溯和逆向信息追溯，信息问责问题就有了源头数据，那么农产品信息的监管问题必然迎刃而解。

对于农产品追溯的信息数据的可靠性问题、信息对称问题、防篡改等一系列复杂问题，去中心化的区块链技术是解决以上问题最好的技术，因为区块链拥有五大核心特性：去中心化、信息开放、信息不可篡改、信息匿名、信息自治。

2.1 区块链结构

中本聪2008 年在《比特币：一个点对点的电子现金系统》中提出数字货币交易可以脱离第三方监督，区块链起源于比特币。比特币底层技术的实现被称为区块链，该技术不依赖第三方机构，比特币是区块链技术的实际产物。区块链系统的五层结构包括：安全可靠可溯源、自动组网可验证、数据一致性强、可编辑、数据录入查询验证[3]。

2.2 区块结构

比特币系统的“去中心化”，是独立的分布式数据库，没有任何机构，没有管理员，只要你加入区块链网络，就是一个节点，且每个节点平等，链中交易的记录在每个节点中都有存储，数据由节点共同维护。

区块链是通过上一个区块的哈希值、时间戳等参数将单个区块连接成的链式存储结构，一个完整的区块包括区块头和区块体。区块链结构如图1所示。

2.3  智能合约

部署在以太坊平台上的智能合约，按照事先约定的某种规则自动执行操作，智能合约对接收到的信息进行反应，它既可以接收和储存价值，也可以向外发送信息和价值。智能合约可以调用其他的智能合约，在区块链上，存储的信息都是“状态”，而智能合约就是它用于状态转换的方式。

2.4 共识算法

PoW、PoS、DPoS和 PBFT这4种共识算法常用于区块链。

PoW（Proof of Work，工作量证明）、PoS（Proof of Stake，权益证明）、DPoS（Delegate Proof of Stake，委托权益证明）、PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance，实用拜占庭容错算法）。

简述PBFT共识算法：在保证一定性能的情况下，有3F+1的容错性。容错率：Raft 只支持容错故障节点，容错率高，大于50%节点正常即可;PBFT可以容忍小于1/3个无效或者恶意节点。

2.5  IPFS工作原理

IPFS（Inter Planetary File System，星际文件系统）是一种点对点分布式文件系统，每个节点既是客户端又是服务器。

IPFS系统中的文件切块，每块都经过哈希加密后生成唯一哈希值，此值为文件ID;IPFS系统中文件不重复，减少冗余，降低存储空间压力;文件是通过哈希值检索文件存储位置;IPFS系统使用IPNS（分布式命名系统）为每个文件提供一种易读的（Human-readable）文件名，可快速搜索文件。

2.6  区块链交易流程

区块链交易流程的6步：发出交易、传播交易、验证交易、全节点验证、区块链记录、交易完成。区块链交易流程如图2所示。

1）发出交易：交易发起人需要私钥对交易签署一个数字签名，即当前交易者用私钥对前一次交易和下一位所有者进行签名，形成交易单，在区块链网络中广播。

2）传播交易： 当前所有者以P2P形式广播交易单到全网，每一个区块可以包含多笔交易，每个节点会将数笔未验证的交易Hash值收集到区块中，完成最快的节点，传播自己的区块给其他节点。

3）验证交易：miners验证交易正确性，最快算出结果的节点来验证交易，取得共识的做法。

4）全网验证：只有找到截时的节点，才能向网络广播区块记录，其他节点确认有效签章后，接受该区块，此时该区块正式上链且数据不能被篡改。

5）区块链记录：区块链网络的其他节点都会对该区块的正确性进行核实，在合法无错的情况下，才会对下一个区块发起竞争，这样一个合法无误的记账区块产生。

6）交易完成。

3区块链技术对于农产品信息溯源的价值

1）区块链物联网：制约农业物联网是“中心化”管理，物联网设备飞增，数据中心的维护成本不可估量。区块链的介入，“去中心化”的特点实现自我管理与维护，维护成本大大降低，有助于农业和农产品物联网的规模化、智能化发展推广。

2）区块链农产品质量信息溯源：消费者对原产地的农产品一般都有一定的戒心，担心化肥、农药、添加剂、运输等。溯源是关键，溯源的目的，一是对劣质农产品曝光、监管;二是筛选优质农产品，提升价格优势，让优质农产品良性循环发展。基于区块链的农产品追溯系统，首先可以确保区块链网络上数据不可篡改、全程留痕;其次是加密技术可以从根本上消除人为因素影响，信息公开透明、集体维护，提高消费者信任度。

3）区块链供应链：供应链链条上企业众多，较低的信息透明度很难监管追踪每个环节;同时核心企业是整个供应链的主宰，链条上信息不对称，核心企业就有可能存在不正当的逐利行为;供应链交易机构多、交易手续繁杂、周期长、成本高等。区块链的联盟链，将核心企业、金融机构、第三方信服、物流仓储、上下游企业整合到供应链金融平台，确保链上信息透明可靠、信息对称且不可篡改，整个流程高效灵活。

4）区块链IOT：农产品溯源一直是该产业发展的痛点，区块链技术与IOT技术相结合，实时采集源头数据，保证源头数据绝对干净;在区块链上实时同步原始数据，生成不可篡改的唯一哈希值;对农产品生长、采集、加工生产、品质核检、运输转储、销售等各大环节都有详细跟踪记录台账，确保农产品安全。

5）信息共识安全

以往，数据由中央处理器集中存储，流动信息有被篡改的风险，“去中心化”的区块链，数据分步存储，每个节点都是处理核心，要篡改数据，原则上要有大于50%的节点访问权限，只改自己或是部分数据没有用，因为原始数据依旧保留在其他节点。

4 区块链技术的农产品信息溯源方案

4.1 需求分析

农产品信息溯源方案涉及生产商、供应商、零售商、分销商、消费者、监管机构，农产品信息溯源线路：监管机构借助区块链溯源，原材料供应商->生产商->分销商->零售商逐个环节溯源，定位责任人。

农产品供应商在系统中注册农产品源头信息，其中包括：农产品生产地、农药用量、温湿度、存储详情等;农产品生产商生产加工食品过程中，在系统中对食品需按照国际编码标准EAN/UCC-13编码，且批次封装并注册食品信息，记录农产品加工料生产环境、生产流程、加工料来源，检疫信息等;农产品分销商在系统中记录农产品流向，保证农产品溯源信息连续;农产品零售商是分销商与消费者之间的中间人，直接交易，系统中有售出记录。监管部门可以通过高透明且全网节点公开的区块链实时监控农产品动态。

归整农产品信息溯源需求：全部节点信息数据必须完整;节点信息端到端追溯，确保信息连续;加入区块链中的信息全网公开，参与者可获取相关交易数据，监管机构可实时排查定位责任人;区块链中存有每笔交易信息的唯一且不可篡改的哈希值，成为每笔交易单元的唯一值，为农产品信息溯源提供凭证。

4.2 方案设计

农产品信息溯源体系方案设计，应含有如下内容：

1）信息写入区块链：农产品信息、农产品质量检测文件、供应商资格证明相关文件存入IPFS分布式数据库，文件返回哈希码农产品，其他信息一同写入区块链;农产品生产过程信息与其检测证明文件以及生产商资格证明文件的哈希共同存入区块链。

2）交易信息更新：卖方在产生实体交易后，将交易信息及时写入区块链中。如农产品原料的供应商张三将实体原料出售给农产品生产商李四，生产商李四收到实体原料后由供应商张三将交易信息写入智能合约，同时写入交易记录的还有交易哈希、双方信息、日期等。农产品生产商李四加工实体原料为成品食品后，将在区块链中写入食品信息。农产品销售商王五购买生产商李四的成品食品，由李四在链中将交易完成后的信息写入[4]。

3）控制权限：权限主要有两种实体交易和数据查询。只有注册确定角色，加入农产品供应链的实体才有权交易，且只可查询与自己相关的交易数据。但是监管机构是超级管理员，不受权限制约，可以跨实体获取所有交易信息以及证明文件。

4）查询信息：零售商与消费者之间完成交易后，零售商就可查询食品信息，溯源原料信息，且可以作为凭证提供给消费者。监管机构可全程溯源农产品供应商、生产商，分销商及零售商信息。

4.3架構设计

区块链技术在农产品信息溯源体系中的应用模型架构，溯源架构如图3所示。此模型结合了以太坊、Metamask 钱包插件和 IPFS 文件存储系统。

5 农产品溯源系统双区块链模型设计

传统农产品溯源中心化的服务器，数据不透明、易被篡改、产品若出现异常，溯源难。针对以上原因，设计双区块链农产品溯源架构模型，展现其独特的信息存储优势，即：数据安全、存储低成本、溯源快速。

1）底层以太坊平台：联盟链结合公有链加之智能合约，双链结构在操作指令自动触发下，溯源快、效率高、篡改难且迅速达成共识。

2）征信规则：访问控制设置用户加入区块链、参与区块链、退出区块链规则，这样对数据的可信度以及区块链稳定性有足够的保证。

3）双链优势：大幅降低存储成本，且存储效率高。

溯源模型共有三层：访问节点层、应用层、基础层。

1）访问节点层，主要包括：监管机构、消费者、农产品公司（农产品供应商、农产品生产商、农产品销售商）。农产品公司节点上传农产品溯源信息到区块链网络中，且参与系统信息维护;其中的产品标识供消费者与监管机构在区块链中溯源信息。

2）应用层是访问层与基础层的中间层，职责为数据存储、数据查询。

3）双链的基础层组合：公有链与联盟链，公有链是在产品周期结束后，用来存储溯源中供应链简要信息，因为其处理速度较慢，但是可信度较高;联盟链用来存储溯源中供应链全部环节中详细信息，因为其安全系数高、处理速度快且无资源浪费。

6 农产品流通追溯体系管理系统

溯源系统基于双区块链底层架构，让溯源系统人人参与、人人管理，数据的透明度与安全性有保证、数据存储和验证过程效率有绝对提升。

区块链与供应链结合，将供应链上孤立节点变成联盟链的节点融合在一起，农产品流通追溯体系管理系统分四层：用户层、服务层、区块链层、数据层。

1）用户层：包括农产品供应商、生产商、销售商、监管者、消费者，不同角色系统提供不同权限。

2）服务层：就是用户使用的系统，该层的数据可直接被送达区块链网络，用户系统中有角色分配管理、用户登录界面管理、供应链管理、信息溯源，双区块链架构为服务层提供了便捷操作。

3）区块链层：农产品数据的存储、验证、溯源以及系统稳定性维护都由该核心层主导。本层智能合约允许在无第三方参与的情况下，用户能通过服务层触发智能合约就能得到溯源数据。

4）数据层：农产品溯源系统数据的主要输入源，包括每个环节使用的智能设备，如：RFID射频标签、读卡器、傳感器、网关、扫描枪等，采集的数据包含农产品的实体数据、生产地环境温度湿度数据、加工厂家及加工厂流程数据、运输设备及运输途经数据、销售渠道数据等，进入系统的数据会被处理成最优形式且存储到区块链层[5]。

7  结论

区块链技术在农产品信息溯源体系中的应用研究，目的是让农产品信息溯源易、追责易、消除信息孤岛，降低维护成本、让数据高度透明、增强各方信任度、对保证农产品质量方面起关键作用。 第一、信息溯源能够监测农产品的流向;第二、有效保证农产品溯源信息数据高度透明;第三、在区块链高效与稳定方面，着重研究提高算法日志复制效率的改进方案;第四、改进双区块链设计，优化数据处理速度与存储方式。

参考文献：

[1] 史亮.基于区块链+物联网的果蔬农产品供应链追溯体系研究[D].泰安：山东农业大学，2020.

[2] 杨旭.基于征信信息的区块链农产品溯源系统[D].石家庄：石家庄铁道大学，2020.

[3] 姚忠将，葛敬国.关于区块链原理及应用的综述[J].科研信息化技术与应用，2017，8（2）：3-17.

[4] 周秀秀.基于区块链的食品信息溯源研究[D].重庆：重庆邮电大学，2020.

[5] 张永权.区块链背景下人才测评对HR胜任力的影响[J].才智，2021（7）：12-14.

收稿日期：2022-02-10

基金项目：广东省普通高校重点领域专项（数字经济），基于“区块链”的农产品信息追溯体系研究（项目编号：2021ZDZX3043）

作者简介：林秀丽（1977—），女，安徽安庆人，讲师，研究方向为信息工程、软件工程。