基于區(qū)塊鏈技術的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)結(jié)構設計

于 洋，譚 峰

(黑龍江八一農(nóng)墾大學信息與電氣工程學院，黑龍江 大慶 163711)

0 引言

隨著國民生活水平的提高，越來越多的人開始注重餐桌食品質(zhì)量安全問題。食品質(zhì)量問題既關乎國民身心健康，又影響食品貿(mào)易行業(yè)出口競爭。然而諸如瘦肉精、非法轉(zhuǎn)基因作物、摻假大米及濫用農(nóng)藥等食品安全問題層出不窮。全面的監(jiān)管不管從技術上還是人力上都是非常困難的。因此，為了快速準確找到問題所在，集中統(tǒng)一處理問題產(chǎn)品，依法懲罰違規(guī)者，建立高效可靠的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)就顯得十分必要。

發(fā)達國家為了保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，建立了一系列措施。如美國由政府統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，組織成立專門機構進行農(nóng)產(chǎn)品信息詳細溯源與災害預警工作；英國積累多年的溯源工作經(jīng)驗，形成從農(nóng)產(chǎn)品種植到供應各環(huán)節(jié)全部信息的溯源體系；日本針對瘋牛病問題，為出廠牛肉提供標識，通過標識可以查詢到牛肉各類信息，保證了消費者的生命健康[1]。

發(fā)達國家通過10多年的探索，建立了比較完善的溯源體系結(jié)構，而我國的質(zhì)量體系還尚在建立當中。我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全保障體系的建設，前一階段是主抓階段工作輔以種類的劃分，建立分別由政府、部分社會組織、企業(yè)和食品加工企業(yè)主導的溯源體系；后一階段則是建立國家食品藥品監(jiān)管總局，由監(jiān)管機構統(tǒng)一管理農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的安全問題[2]。由于采取分段管理，各個階段收集的信息、監(jiān)管的過程都是分離的，收集上來的信息就可能產(chǎn)生不兼容或者信息共享困難等問題。在信息的收集過程中，使用物聯(lián)網(wǎng)技術需要建立大量的硬件設施且當作物種類繁多時，需要消耗大量的資源來進行基礎設施建設。當溯源體系涉及政府、企業(yè)等多個主體時，溯源過程的環(huán)節(jié)就會增多，極大地降低了溯源效率，還有可能造成“信息孤島”的問題。

針對上述問題，國內(nèi)學者有的從理論出發(fā)，分析現(xiàn)有體系的優(yōu)缺點，提出建設符合我國國民消費特點的溯源體系，還有學者從技術出發(fā)，使用物聯(lián)網(wǎng)技術并結(jié)合先進的管理體系，提出“供應鏈”管理模式。然而上述方案都無法從根源上解決農(nóng)產(chǎn)品信息快速共享和信息價值化等問題。

區(qū)塊鏈技術可以規(guī)避“信息孤島”和防止數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)易被篡改，利用區(qū)塊鏈技術的聯(lián)盟鏈可以更好地發(fā)揮政府、企業(yè)及農(nóng)戶等組織在溯源體系中的作用，提升農(nóng)戶與企業(yè)的參與度。使用區(qū)塊鏈分布式數(shù)據(jù)技術可以安全地存儲農(nóng)產(chǎn)品的各類信息，利用數(shù)據(jù)塊的“時間戳”可以快速地進行數(shù)據(jù)溯源，借助智能合約技術可以智能地執(zhí)行合同，將農(nóng)產(chǎn)品信息價值化。本文從區(qū)塊鏈核心技術出發(fā)，提出使用區(qū)塊鏈技術中的聯(lián)盟鏈以解決上述問題，并借鑒國內(nèi)知名企業(yè)的溯源案例，設計基于聯(lián)盟鏈的溯源體系方案以供讀者參考。

1 區(qū)塊鏈技術

比特幣誕生之初，許多人簡單地認為區(qū)塊鏈就是“區(qū)塊”和“鏈”的簡單疊加，又或者是一種分布式存儲的數(shù)據(jù)。然而區(qū)塊鏈技術不能說是一項新興的技術，它是由分布式共識算法、對等網(wǎng)絡和密碼學等計算機傳統(tǒng)技術集合而成的一項技術。這種組合技術既保證了數(shù)據(jù)的分布式存儲，又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的透明性與安全性。

依據(jù)節(jié)點中心化的程度將區(qū)塊鏈系統(tǒng)分為公鏈、私鏈和聯(lián)盟鏈。公鏈沒有中心化節(jié)點，只需要一臺電腦和網(wǎng)絡就可以訪問其中的任何節(jié)點并進行鏈上數(shù)據(jù)的讀寫。公鏈的訪問門檻低，數(shù)據(jù)公開透明且無法篡改，由于節(jié)點的數(shù)量過多，存在交易速度慢的缺點。為了提高交易速度，又出現(xiàn)了私鏈，私鏈是由一個中心的管理者集中管理，只有授權的少數(shù)人才能訪問節(jié)點。私鏈適合企業(yè)內(nèi)部使用，由于鏈上的節(jié)點數(shù)量較少，具有很高的信任度，進行交易時不需要所有的節(jié)點確認，提高了交易速度。但是私鏈需要被集中管理，違背了去中心化的初衷，鏈上的數(shù)據(jù)存在被私自修改的可能性，不能根本地解決作弊問題。聯(lián)盟鏈的去中心化程度介于公鏈與私鏈之間，是指由多個機構共同參與管理的組織體系，數(shù)據(jù)僅在組織內(nèi)部進行讀寫和發(fā)送，組織或是企業(yè)可以使用組織中被授權的節(jié)點數(shù)據(jù)讀取服務，未被授權的節(jié)點則無法訪問。去中心化的程度和安全性、信任程度是正相關的，去中心化程度越高交易的效率會越低。因此，為了提高效率和增加利益，更多的商業(yè)價值體現(xiàn)在聯(lián)盟鏈和私有鏈上。

本文采用聯(lián)盟鏈形式，設計一個由農(nóng)戶、農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)、農(nóng)業(yè)工作站和政府等多方參與的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)。

1.1 區(qū)塊鏈結(jié)構

傳統(tǒng)溯源體系面臨很多困境，如農(nóng)產(chǎn)品種類繁多，很難建立統(tǒng)一的體系進行管理；企業(yè)間信息交流不方便，形成“信息孤島”。利用區(qū)塊鏈技術去中心化特點可以有效改善農(nóng)產(chǎn)品市場多領域、多中心的瓶頸；借助區(qū)塊鏈底層分布式數(shù)據(jù)庫輔以密碼學加密技術，將農(nóng)產(chǎn)品的信息封裝到區(qū)塊中去保證數(shù)據(jù)的安全性與可溯性；使用合理的共識機制，可高效準確進行農(nóng)產(chǎn)品交易；憑借智能合約體系將合同與訂單智能化，可減少農(nóng)產(chǎn)品大量滯銷的可能性。

袁勇等[3]從比特幣系統(tǒng)出發(fā)詳細地介紹了區(qū)塊鏈的工作過程。為了介紹具體的應用案例從而引出區(qū)塊鏈技術在農(nóng)業(yè)方面的應用，因此僅按照區(qū)塊鏈的相關概念簡單介紹區(qū)塊鏈的結(jié)構。區(qū)塊鏈簡單理解可以分為以下3部分[4]。

交易：使分布式賬本的狀態(tài)發(fā)生改變的一次操作，如某個用戶進行的一次轉(zhuǎn)賬。

區(qū)塊：保存某個時間段發(fā)生的一系列操作及操作的結(jié)果，也是對各個可信任節(jié)點的共識過程的記錄。

鏈：按照區(qū)塊上的時間戳生成的前后順序，將這些區(qū)塊串聯(lián)起來，所有串聯(lián)而成的鏈組成了分布式賬本狀態(tài)變化的日志。

參照區(qū)塊鏈的基本結(jié)構，將作物的種類名稱作為某條鏈的創(chuàng)世區(qū)塊，將含有時間戳、前一區(qū)塊哈希值及包含農(nóng)作物各類的數(shù)據(jù)塊打包上鏈。區(qū)塊鏈結(jié)構如圖1所示。

圖1 區(qū)塊鏈結(jié)構Fig.1 Structure of blockchain

1.2 區(qū)塊鏈核心技術

1.2.1共識機制

共識(consensus)和一致性(consistency)有時會被放在一起討論，但是從形式上來說兩者并不相同[5-6]。一致性是分布式系統(tǒng)中多個節(jié)點對外表現(xiàn)出來的狀態(tài)，是一種結(jié)果。共識則是分布式系統(tǒng)中若干個節(jié)點達成某種一致性狀態(tài)的過程。實現(xiàn)了某種共識狀態(tài)，但這種狀態(tài)有可能并不是需要的狀態(tài)。比特幣系統(tǒng)使用的是工作量證明算法，該算法的實質(zhì)是節(jié)點算力的競爭，即所有參與競爭的節(jié)點都在尋找某一數(shù)值，該數(shù)值滿足某種條件，當找到滿足條件的結(jié)果時，獲得數(shù)值的節(jié)點就擁有了記賬權，并且獲得一定幣值的獎勵。以太坊使用的則是權益量證明算法，即系統(tǒng)中權益量大的節(jié)點獲取記賬權的概率高。但是上述兩種共識機制都需要通過挖礦花費大量的資源來維護網(wǎng)絡性能，會造成資源浪費。本研究設計的質(zhì)量溯源系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量大，要求系統(tǒng)具有強擴展性，因此選用一種新的共識機制——權威證明機制(PoA)[7]。

共識機制是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的靈魂，共識算法的好壞會直接影響到分布式系統(tǒng)的性能，使用PoA共識機制，節(jié)點間不需要競爭算力，所有的交易和區(qū)塊均有驗證人(授權節(jié)點)處理，從而使得聯(lián)盟鏈的維護成本極低。但是PoA共識機制需要選取驗證人(授權節(jié)點)，這一步極為重要，負責處理區(qū)塊的驗證人(授權節(jié)點)必須經(jīng)過層層篩選，必須保證自身的可靠性。

1.2.2密碼學

現(xiàn)代密碼學和信息安全的研究成果是人類社會通向信息社會的橋梁[8]。區(qū)塊鏈中信息的安全性、完整性和可溯源性就是依賴密碼學技術的成果。如比特幣系統(tǒng)中使用雙HASH256算法來處理交易信息，保證數(shù)據(jù)的完整性，把不同長度的信息處理成256位二進制的字符串以Merkle樹形結(jié)構存儲，將樹的根節(jié)點作為信息查找的索引存儲在區(qū)塊鏈頭部，便于信息的查找與檢驗。

哈希算法具有正向快速(有效時間內(nèi)快速計算出哈希值)、逆向困難(已知哈希值，很難計算出哈希值對應的明文)、輸入敏感(原始信息和修改后信息的哈希值明顯不同)和沖突避免(內(nèi)容不同的明文，基本不可能出現(xiàn)相同的哈希值)特點。

為了滿足安全性和權限檢驗的需求，區(qū)塊鏈技術使用了非對稱加密技術。非對稱加密技術的含義是加密和解密的過程中使用不同的密碼，分別稱為公鑰和私鑰。使用該技術，可以實現(xiàn)消息的機密、數(shù)字簽名和合法登錄等服務。數(shù)字簽名則是用來驗證消息的完整性和發(fā)送人的身份，發(fā)送消息的人用自己的私鑰加密消息然后傳遞給接收者，收到消息后使用發(fā)送者的公鑰對消息解密以確保消息來源的可靠性。合法登錄服務是將登錄消息利用私鑰加密后發(fā)送給服務器，服務器接收消息后利用公鑰解密，來判斷登錄的合法性。

1.2.3智能合約技術

智能合約是一種經(jīng)計算機編程嵌入的可以自動執(zhí)行合約的相關操作。智能合約大致分為3類。第1類是“Chaincode”，即區(qū)塊鏈代碼，將智能合約放在鏈上的某個區(qū)塊上。第2類是“智能法律合約”，將法律上允許的行為通過區(qū)塊鏈上的代碼加以整合，以達到自治的目的。第3類則是“智能應用合約”，即以智能合約為底層核心，建立有商業(yè)價值的新型合約模式。智能合約的聲明周期與傳統(tǒng)的合約類似，第1階段是合約的生成，參與合約制定的多方人員執(zhí)行溝通，指定合約規(guī)范，將最終得到的合約進行驗證，獲得正確有效的合約代碼。第2階段則是合約的發(fā)布，合約的發(fā)布與鏈上信息的廣播與驗證是類似的，將合約的代碼存進區(qū)塊數(shù)據(jù)上。最終階段是合約的執(zhí)行，當有某個事件符合合約的觸發(fā)機制并且合法就會被執(zhí)行。

基于聯(lián)盟鏈的質(zhì)量溯源系統(tǒng)結(jié)合使用第2類與第3類智能合約，在農(nóng)業(yè)種植鏈與企業(yè)加工鏈上采用第2類合約，指定相應的明文規(guī)范以約束兩者可能會產(chǎn)生的違法行為。在預定訂單等方面使用第3類智能合約，自動配發(fā)符合條件的訂單，提高聯(lián)盟鏈處理訂單的效率。

2 基于區(qū)塊鏈技術質(zhì)量溯源的企業(yè)案例

我國是農(nóng)業(yè)大國，從刀耕火種到機械化大規(guī)模作業(yè)，科技在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面起到了巨大作用。黨和國家非常重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，提倡農(nóng)業(yè)與新興科學技術相結(jié)合，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展。2016年，工信部結(jié)合全球200多個案例，提出我國區(qū)塊鏈技術發(fā)展路線的建議，雖然其中并未明確指出區(qū)塊鏈技術如何融入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，卻為相關發(fā)展打下了基礎。2018年中央1號文件提出，實施智慧農(nóng)業(yè)。2020年中央1號文件指出，依托現(xiàn)有資源建設農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)中心，加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、第5代移動通信網(wǎng)絡和智慧氣象等現(xiàn)代信息技術在農(nóng)業(yè)領域的應用[9]。越來越多的研究人員也把區(qū)塊鏈研究融入到智慧農(nóng)業(yè)中。TIAN Feng[10]分析了農(nóng)產(chǎn)品供應鏈追溯系統(tǒng)的優(yōu)缺點，并構建利用射頻識別和區(qū)塊鏈技術的系統(tǒng)。GEORGE R V等[11]等從食品供應鏈出發(fā)，介紹了區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)和食品供應鏈方面的應用。

2.1 單一種植業(yè)

2017年4月25日，江蘇某公司聯(lián)合黑龍江墾區(qū)，在上海舉辦全球首個“區(qū)塊鏈大農(nóng)場”推介會，針對區(qū)塊鏈技術在大數(shù)據(jù)農(nóng)業(yè)方面的場景應用和經(jīng)營方式進行重點推介。雙方合力打造了一個以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈技術等為基礎的線上農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的管理平臺，形成了一個封閉的“平臺+基地+農(nóng)戶”的自治農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系。

該平臺將其智能服務一分為五，將種植前中后一系列服務融合到一起。聯(lián)手優(yōu)質(zhì)產(chǎn)業(yè)鏈伙伴，共同為訂單客戶提供優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)服務；使用智能的農(nóng)業(yè)終端，實現(xiàn)作業(yè)全程數(shù)字化、信息實時化和管理智能化，訂單客戶可實時追蹤訂單情況；利用智能合約技術將訂單與合同智能匹配，既降低了違規(guī)操作的可能性又提升了產(chǎn)品效益；使用權威機構的檢測結(jié)果多方面評判糧食品質(zhì)，為糧食交易提供精確品質(zhì)保障。為了將糧食信息價值化，平臺將信息封裝成區(qū)塊，這種區(qū)塊是可以在鏈上自由交易的數(shù)字化資產(chǎn)，任何參與者以通過自己手中的資源獲取到“價值信息”。該平臺借助新興科技力量改變了傳統(tǒng)靠天吃飯種植模式，以訂單需求進行資源劃分，分配土地種植，改善傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)資產(chǎn)與資源濫用的情況，開創(chuàng)了一種從土地到種子、從種子到種植戶、最后到售賣的全新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。平臺可對整個過程進行追蹤記錄，從產(chǎn)品初始地就保證了糧食的安全生產(chǎn)及信息的透明化。該平臺的實質(zhì)是通過區(qū)塊鏈技術進行溯源，以智能合約技術進行訂單管理，借鑒該平臺的技術，可以將其推廣到漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等方面，幫助農(nóng)業(yè)向著更高智能化水平發(fā)展。

2.2 多元種植業(yè)

“綠色農(nóng)業(yè)”一直是我國倡導的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，當前我國正積極推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構性改革，強調(diào)以科技促進農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展，走循環(huán)發(fā)展的路子。某公司與同濟大學聯(lián)手利用區(qū)塊鏈技術打造了我國第1個有機食品的溯源與防偽系統(tǒng)。該系統(tǒng)是授權認證的聯(lián)盟鏈，借助區(qū)塊鏈技術良好數(shù)據(jù)傳輸與安全性的特點，將農(nóng)產(chǎn)品在種植、倉儲、檢測、加工與銷售過程中涉及的實體全部加入到鏈內(nèi)，建立了一個全方位的質(zhì)量溯源平臺。

為了迎合潮流，方便大眾，該公司同時與黑龍江墾區(qū)精誠合作，研發(fā)了國內(nèi)首款農(nóng)業(yè)質(zhì)量溯源APP。該APP是基于C-Ledger區(qū)塊鏈大數(shù)據(jù)庫的手機客戶端應用，用戶可以通過該APP查詢到大米從田間到商場的過程中產(chǎn)生的一系列信息，并且通過防偽碼可以驗證大米是否摻假。為了擴大聯(lián)盟鏈的范圍，該公司先后同新疆生產(chǎn)建設兵團，齊齊哈爾等地區(qū)的種植戶進行合作，涵蓋了蔬菜、水果等多種有機食品，靈活地將綠水青山同群眾舌尖上的安全聯(lián)系了起來，實現(xiàn)生產(chǎn)效益與民生效益的雙贏，為更多產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)增值提供借鑒與參考。

2.3 養(yǎng)殖業(yè)

某科技公司同保險公司、物聯(lián)網(wǎng)科技平臺合作，聯(lián)手打造了一個集人工智能、區(qū)塊鏈和防偽等技術的農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)的質(zhì)量溯源系統(tǒng)。從雞苗的入欄到成熟、屠宰和運輸，這一系列過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息都會被記錄入鏈，利用鏈上區(qū)塊數(shù)據(jù)不可篡改性的特點保證每只雞的信息安全可信。同時，該項目負責人與當?shù)胤鲐氜k合作，將分散的養(yǎng)殖戶的雞集中管理，既保證了雞的品質(zhì)，又解決了當?shù)刎毨舻木蜆I(yè)問題。

為了更好地收集每只雞的信息，養(yǎng)殖場為每一只雞都佩帶了物聯(lián)證件——“雞牌”。“雞牌”可以自動收集各類信息并實時上傳至區(qū)塊鏈，結(jié)合使用混沌學防偽、光學防偽等技術，使得每一只雞的“雞牌”都是獨一無二的，并且用完立即焚毀。利用養(yǎng)殖場的監(jiān)控設備，可以實時監(jiān)控雞倉溫度、土壤濕度和雞的日常生活等信息，然后傳到后臺；利用人工智能技術對信息分析建模并預測雞的健康。同時，為了降低養(yǎng)殖戶的投資風險，依據(jù)區(qū)塊鏈上的信息，保險公司可以評估養(yǎng)殖戶的資質(zhì)，為其提供農(nóng)業(yè)保險等保障，大大減少養(yǎng)殖戶財產(chǎn)損失，降低投資風險。

該項目開創(chuàng)了我國養(yǎng)殖業(yè)第1個基于區(qū)塊鏈技術的質(zhì)量溯源系統(tǒng)的先河，為養(yǎng)殖業(yè)的溯源提供了新的思路，同時將保險資質(zhì)評估的信息加入到鏈內(nèi)使得養(yǎng)殖戶投保工作變得不再繁瑣。

2.4 案例經(jīng)驗總結(jié)

案例1與案例2有一個共同特點，都是依托黑龍江墾區(qū)萬畝良田，借助企業(yè)的科技力量，聯(lián)合眾多農(nóng)戶合力打造的大米質(zhì)量溯源系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于黑龍江墾區(qū)種植面積大，種植大米的種類雖然多但是便于統(tǒng)一管理，可以機械化統(tǒng)一作業(yè)，而且已有的基礎設施齊全，不需要再進行大規(guī)模地改進，實現(xiàn)起來比較方便。后者為了擴大領域，將果蔬也涵蓋進其溯源系統(tǒng)。

上述2個案例均是作用在大規(guī)模種植地區(qū)，對于種植種類多但是土地不成片的地區(qū)適應性則較差。針對這類地區(qū)可以采用聯(lián)盟鏈的方式進行管理，首先，根據(jù)作物的不同，劃分不同的種植代表地區(qū)，依托權威檢測機構進行授權，符合標準的地區(qū)才能準許入鏈。其次，不同地區(qū)使用不同的物聯(lián)設備采集作物信息，然后建立小基站收集信息，統(tǒng)一收集并由專業(yè)人員進行鑒定，保證上傳的信息真實可信。最后，聯(lián)盟鏈應該由當?shù)卣鲗?，合理地協(xié)調(diào)各方利益沖突，統(tǒng)籌各地區(qū)人員與物資規(guī)劃。

案例3創(chuàng)新性地將區(qū)塊鏈溯源技術應用到養(yǎng)殖業(yè)，參考其為雞配發(fā)“雞牌”的做法，可以將其推廣至牛、羊等養(yǎng)殖業(yè)，但是如果大型牲畜從一開就進行這種模式，其費用也是巨大的。大型牲畜飼養(yǎng)周期長、費用大，針對這一問題，可以建立一個中間檢測機構，在進行販賣牲畜前，需要到該機構進行登記，該機構將會進行牲畜檢測，并將牲畜的檢測信息存儲到區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫，符合檢測要求的牲畜可以進行販賣，檢測機構還需記錄收購者的信息，條件允許還可以將收購者的信息統(tǒng)一錄入。通過這種方式的規(guī)劃可以減少前期收集牲畜信息過程中產(chǎn)生的巨額成本，提高辦事效率。

3 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)結(jié)構設計

本文通過分析總結(jié)上述3個案例，提出農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源體系的簡單結(jié)構與設計。實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)地實時查詢，讓消費者吃上安全可信的食物具有重要意義，使用區(qū)塊鏈技術可以很好解決這個問題[12]。首先，需要將農(nóng)產(chǎn)品的各類信息加蓋時間戳，然后利用哈希數(shù)輸出每個產(chǎn)品的哈希值，并按照時間序列將這些信息成塊成鏈[13]。農(nóng)產(chǎn)品各類信息包括育種、種植、收貨、生產(chǎn)、加工、保存和運輸?shù)?，還需要保證這些數(shù)據(jù)的真實性[14]。其次，某個產(chǎn)品出現(xiàn)問題時，根據(jù)信息在傳輸?shù)哪硞€過程中使用的數(shù)字簽名和密鑰可以找到信息的發(fā)出者，找到該負責人并對產(chǎn)品進行追回。上述案例中的“善糧味道”就是農(nóng)產(chǎn)品溯源很好的成果，在發(fā)生問題之后能夠第一時間定位到問題源點，通過借鑒該平臺的成功經(jīng)驗，可以將其推廣到水果、蔬菜和魚肉蛋奶等其他農(nóng)產(chǎn)品。時間戳可以保證數(shù)據(jù)的完整性，哈希函數(shù)保證了數(shù)據(jù)的不可篡改性，數(shù)字簽名保證了數(shù)據(jù)的不可否任性，因此利用區(qū)塊鏈技術可以高效地完成農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源。

農(nóng)產(chǎn)品種類多，種植地區(qū)紛繁復雜，想要建立規(guī)模龐大的農(nóng)產(chǎn)品溯源體需要多方組織參與，針對上述特點，基于聯(lián)盟鏈方式設計的溯源體系架構如圖2所示。

圖2 地區(qū)農(nóng)業(yè)多種作物種植的質(zhì)量溯源體系架構Fig.2 Quality traceability system for regional agriculture of multiple crops

3.1 準入制

準入制服務可以分為地區(qū)注冊與管理、農(nóng)戶身份管理及企業(yè)管理3個部分。地區(qū)注冊與管理服務是負責地區(qū)土地資源與作物種植管理，科技工作站派遣技術人員深入當?shù)睾侠碓u價土地資源和適宜種植的作物等，根據(jù)作物種植種類，將符合條件的地區(qū)劃分成不同節(jié)點，給予入鏈權限。農(nóng)戶身份管理服務則是對進入聯(lián)盟鏈的農(nóng)戶進行培訓，定期考察有無違規(guī)操作，對有違規(guī)操作的農(nóng)戶直接除名不得再次入鏈。企業(yè)管理服務則需要政府聯(lián)合相關檢測機構將信用良好且有能力的企業(yè)加入聯(lián)盟鏈中負責農(nóng)產(chǎn)品的后續(xù)加工服務。準入制服務管理節(jié)點的驗證人需要有良好的信譽，必須是值得信賴的才行，否則會出現(xiàn)難以想象的后果。上述節(jié)點的評定次數(shù)超過3次，則永久失去進入聯(lián)盟鏈的資格。評定流程如圖3所示。

圖3 準入服務流程Fig.3 Access service flow

3.2 區(qū)塊鏈服務

區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)服務統(tǒng)一由農(nóng)業(yè)工作站的科技人員進行管理，包括數(shù)據(jù)的采集、核對和校驗等，每一個數(shù)據(jù)塊都必須含有時間戳，溯源時可以找到準確的時間點。同時，結(jié)合使用二維碼技術和條碼技術，利用二維碼標識作物在生產(chǎn)加工過程的一系列信息，使用條碼技術存儲農(nóng)產(chǎn)品從種植到銷售等過程中的一系列信息。

交易服務的前端可以利用微信小程序，依據(jù)購買數(shù)量將購買身份分為個人購買者和企業(yè)購買者。個人購買者可以直接申請賬號注冊，注冊賬號成功后可以進行購買產(chǎn)品，付款成功后可以獲取到產(chǎn)品和一個公鑰，利用該公鑰可以查詢到該產(chǎn)品的各類信息，如果產(chǎn)品出現(xiàn)問題，可以向管理員申請私鑰進行溯源查詢。企業(yè)購買者首先需要向管理員申請資格評定，符合資格的企業(yè)購買者可以直接獲取公鑰查詢產(chǎn)品相關信息，簽訂訂單后可獲取私鑰進行產(chǎn)品溯源信息的獲取。獲準進行的交易經(jīng)由權限節(jié)點的確認打包上鏈后，統(tǒng)一管理。

基于聯(lián)盟鏈的質(zhì)量溯源系統(tǒng)需要處理的交易數(shù)量多，如果通過節(jié)點競爭算力來獲得記賬權，會降低交易的處理速度，并且會浪費大量資源。系統(tǒng)采用權威證明(PoA)共識機制，前期指定政府檢測機構為授權節(jié)點，對新進來的節(jié)點進行簽名廣播，后期可以通過投票的方式篩選新的授權節(jié)點避免出現(xiàn)非法節(jié)點。使用權威證明(PoA)算法能夠保證聯(lián)盟鏈的處理速度更快、能源消耗更低且可擴展性更強，從而符合智慧農(nóng)業(yè)的要求。

3.3 智能合約服務

制定一系列獎懲措施，利用智能合約技術編程實現(xiàn)，嵌入到代碼中，當違反聯(lián)盟鏈規(guī)則的行為發(fā)生時自動執(zhí)行獎懲，提高管理效率。使用智能合約技術管理合同與訂單，根據(jù)生產(chǎn)量與訂單數(shù)量，智能地分配訂單任務，高效地利用每一塊土地資源。合約一旦建立，系統(tǒng)會自動執(zhí)行合約，任何人都不可以單方面撤銷合約或阻止合約的執(zhí)行，避免出現(xiàn)信用問題。使用進程間隔離的技術將智能合約代碼的進程隔離到系統(tǒng)之外，并通過socket通信方式遠程調(diào)用智能合約。最先進的是安全容器技術，讓智能合約代碼運行在獨立的容器內(nèi)，實現(xiàn)合約代碼與賬本數(shù)據(jù)的完全隔離，避免出現(xiàn)賬本數(shù)據(jù)被修改的安全問題。

3.4 聯(lián)盟鏈的維護與優(yōu)勢

聯(lián)盟鏈的前期維護可以利用政府或是高校的科技工作者，后期可以尋求符合資格的企業(yè)進行共同維護，采用聯(lián)盟鏈的形式進行農(nóng)業(yè)種植作物的質(zhì)量溯源可以較大程度保證質(zhì)量溯源的可靠性，接納更多的良心企業(yè)參與其中，使得來自不同地區(qū)的不同作物都能夠上鏈。專門的科技人員進行數(shù)據(jù)采集與維護，這種方式雖然會增加一定的成本，但是如果在某個環(huán)節(jié)出了問題，就可以快速地找到問題源頭，從而節(jié)約時間，提高辦事效率。聯(lián)盟鏈最大的特點就是可以容納多方進入，這樣就可以實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品種植、生產(chǎn)加工和包裝銷售的一條龍服務。聯(lián)盟鏈采取的是先訂單后種植方式，根據(jù)訂單的數(shù)量合理分配土地資源，既可以有效利用土地資源，又能夠減少農(nóng)產(chǎn)品滯銷風險?？偟膩碚f，使用聯(lián)盟鏈的方式要優(yōu)于使用公鏈或者私鏈的方式進行質(zhì)量溯源。

4 結(jié)束語

我國傳統(tǒng)種植業(yè)經(jīng)常存在農(nóng)藥使用超標、產(chǎn)地造假等問題，為解決這類問題，可以利用鏈上數(shù)據(jù)具有溯源性這一特點，將農(nóng)作物育種、產(chǎn)地、存儲和物流等一系列信息上鏈，發(fā)現(xiàn)問題及時溯源、及時解決，既保證了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量真實可信，又節(jié)約了企業(yè)的質(zhì)量檢測成本。將分布式賬本的特性應用到農(nóng)產(chǎn)品供應鏈中，農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、物流和消費環(huán)節(jié)以“鏈”實現(xiàn)，可以解決產(chǎn)品買賣雙方地位不平等問題。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，自然災害問題是難以避免的，將農(nóng)業(yè)保險的一些條款利用智能合約技術寫入?yún)^(qū)塊鏈中，當災害發(fā)生之后自動執(zhí)行合約，既可以提高理賠效率，又能夠減少騙保行為的發(fā)生。

區(qū)塊鏈技術發(fā)展至今已有12年，但是將區(qū)塊鏈技術應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還有許多問題需要解決。首先，區(qū)塊鏈技術應用到農(nóng)業(yè)上的時間并不長，想要商業(yè)化落地還需要不斷創(chuàng)新，大力推廣。其次，雖然區(qū)塊鏈技術中的數(shù)據(jù)有很好的安全性，但也不是完全不可能被竊取，如何保證農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)不被竊取也是一個重要的問題。最后，區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)不允許篡改，如果上傳到鏈上的數(shù)據(jù)本就是虛假的，將會造成難以想象的后果。上述僅是區(qū)塊鏈技術應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的部分問題，作為新技術，區(qū)塊鏈技術還需要不斷探索以保證在智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中更好發(fā)揮作用。