基于MQTT協(xié)議的區(qū)塊鏈智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)*

熊 輝 ，陳 晴 ，周久軍 ，陳蘭麗

（1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.湖北理工學(xué)院，湖北 黃石 435003；3.瑞典烏普薩拉大學(xué) 工程科學(xué)系，瑞典 烏普薩拉 SE-75105）

黨的十八大以來，黨中央、國務(wù)院高度重視數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村建設(shè)，作出實(shí)施大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略和數(shù)字鄉(xiāng)村戰(zhàn)略、大力推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等一系列重大部署。我國2018年開始實(shí)施《中共中央、國務(wù)院關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》《國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018-2022年）》《數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等，要求加強(qiáng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化改造，增加農(nóng)業(yè)遙感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，提高農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化水平，加快推動(dòng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村生產(chǎn)經(jīng)營精準(zhǔn)化、管理服務(wù)智能化、鄉(xiāng)村治理數(shù)字化。

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)與信息技術(shù)的深度融合[1-3]，充分利用區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等信息技術(shù)，通過傳感設(shè)備和大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、流通、銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施精細(xì)化管理、自動(dòng)化管理和智能化管理。智慧農(nóng)業(yè)的開展有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，延伸農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。

1 技術(shù)背景

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈（Blockchain）是一種基于分布式記賬本的共識(shí)機(jī)制[4]。區(qū)塊鏈?zhǔn)窃谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間共享的分布式數(shù)據(jù)庫。作為數(shù)據(jù)庫，區(qū)塊鏈以數(shù)字格式用電子方式存儲(chǔ)信息。區(qū)塊鏈因其在比特幣等加密貨幣系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用而被廣為人知。該系統(tǒng)被用于維護(hù)安全且分散的交易記錄。區(qū)塊鏈的創(chuàng)新在于，它保證了數(shù)據(jù)記錄的保真度和安全性，并在不需要可信第三方的情況下產(chǎn)生信任。

典型數(shù)據(jù)庫和區(qū)塊鏈之間的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別是數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)方式。區(qū)塊鏈以組的形式收集信息，稱為“塊”（block），包含一組信息。區(qū)塊具有一定的存儲(chǔ)容量，填充后，將關(guān)閉并鏈接到先前填充的區(qū)塊，形成一個(gè)稱為“區(qū)塊鏈”的數(shù)據(jù)鏈。新添加的區(qū)塊之后的所有新信息將編譯成一個(gè)新形成的區(qū)塊，填充后也將添加到鏈中。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N協(xié)作的、防篡改的分類賬，可以維護(hù)交易記錄。交易記錄（數(shù)據(jù)）被歸類為塊。通過包含基于前一塊數(shù)據(jù)的獨(dú)特標(biāo)識(shí)符，塊連接到上一個(gè)區(qū)塊。因此，如果數(shù)據(jù)在一個(gè)區(qū)塊中更改，則其唯一標(biāo)識(shí)符更改，可在隨后的每個(gè)區(qū)塊中看到這些更改（提供篡改證據(jù)）。這種多米諾骨牌效應(yīng)允許區(qū)塊鏈內(nèi)的所有用戶知道前一個(gè)區(qū)塊的數(shù)據(jù)是否被篡改。由于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)難以更改或破壞，因此它提供了一種彈性的協(xié)作記錄保存方法。

1.2 智能合約實(shí)現(xiàn)方法

智能合約（Smart contract）是一種計(jì)算機(jī)代碼，可以內(nèi)置到區(qū)塊鏈中，以促進(jìn)、驗(yàn)證或協(xié)商合同協(xié)議。智能合約在用戶同意的一系列條件下運(yùn)行。當(dāng)這些條件得到滿足時(shí)，協(xié)議條款將自動(dòng)執(zhí)行。智能合約是自動(dòng)執(zhí)行的合同，買賣雙方之間的協(xié)議條款直接寫入代碼。

智能合約只是存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上的程序，在滿足預(yù)定條件時(shí)運(yùn)行。它們通常用于自動(dòng)化協(xié)議的執(zhí)行，以便所有參與者能夠立即確定結(jié)果，而無需任何中間人的參與，不存在時(shí)間損失。智能合約使交易具有可追蹤性、透明性和不可逆性。

智能合約使用編程語言進(jìn)行編碼，協(xié)議中的規(guī)則、條款和條件通過受控編碼實(shí)施，反映了合同簽訂各方批準(zhǔn)協(xié)議的所有要求。因此，智能合約的主要目標(biāo)是將合同條款嵌入系統(tǒng)軟硬件的組合中，使各方違約變得困難，違約成本變得高昂，最終增加合同的安全性，降低攻擊的可能性。智能合約是區(qū)塊鏈技術(shù)的自動(dòng)化機(jī)制，區(qū)塊鏈智慧農(nóng)業(yè)將智能合約作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，對農(nóng)業(yè)過程中生產(chǎn)鏈、供應(yīng)鏈、資金鏈實(shí)時(shí)跟蹤和對所涉及的所有步驟實(shí)現(xiàn)總體控制。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，它讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（主要是低功耗傳感器）將用于定期更新來自環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議（MQTT：Message Queuing Telemetry Transport）[5]是IBM公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議。它運(yùn)行在TCP/IP應(yīng)用層中，依賴TCP協(xié)議，因此具有非常高的可靠性。它是一種ISO標(biāo)準(zhǔn)消息傳遞協(xié)議，旨在通過不可靠的網(wǎng)絡(luò)連接各種傳感器。

MQTT協(xié)議基于客戶端-服務(wù)器模型，在協(xié)議中主要有三種身份：發(fā)布者（Publisher）、服務(wù)器（Broker）以及訂閱者（Subscriber）。MQTT服務(wù)器為每個(gè)連接的客戶端（訂閱者）添加一個(gè)標(biāo)簽，該標(biāo)簽與服務(wù)器中的所有訂閱相匹配，服務(wù)器會(huì)將消息轉(zhuǎn)發(fā)給與標(biāo)簽相匹配的每個(gè)客戶端，這樣的一個(gè)標(biāo)簽就是主題。MQTT所發(fā)的消息包含主題和內(nèi)容，客戶端可以訂閱任意主題，若有其他客戶端發(fā)布主題時(shí)符合所訂閱的主題，就會(huì)由網(wǎng)關(guān)發(fā)送到客戶端。MQTT消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)，將發(fā)布者發(fā)布的消息轉(zhuǎn)發(fā)給所有訂閱該主題的訂閱者。

MQTT的主要優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：（1）效率高。MQTT消息帶寬小，這使其成為任何電池供電傳感器的理想選擇，使用MQTT作為消息傳遞協(xié)議可以延長傳感器的電池壽命。（2）易于實(shí)現(xiàn)。MQTT能夠簡單實(shí)現(xiàn)接收遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)上的消息。由于大部分復(fù)雜工作都是在服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)的，因此遠(yuǎn)程系統(tǒng)可以利用網(wǎng)絡(luò)共享資源。（3）可靠性高。MQTT用于任務(wù)關(guān)鍵型傳感器系統(tǒng)，允許通過聲明其服務(wù)質(zhì)量（QoS）級別來定義消息的重要性，在項(xiàng)目中使用MQTT可以讓訂閱者和發(fā)布者收到所有重要信息。（4）數(shù)據(jù)兼容性高。協(xié)議允許以消息、數(shù)字、單詞，甚至可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）或JavaScript對象表示法（JSON）發(fā)送任何類型的文本數(shù)據(jù)。

2 區(qū)塊鏈智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 區(qū)塊鏈與MQTT協(xié)議集成交互

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備適合以低功耗和低成本監(jiān)控、收集數(shù)據(jù)，但物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在信息安全方面存在短板，使用區(qū)塊鏈作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)可以解決這些問題。智慧農(nóng)業(yè)通過物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈智能合約進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈管理或生產(chǎn)可追溯性控制，可以使業(yè)務(wù)流程更加順暢，節(jié)省流程處理的時(shí)間。區(qū)塊鏈的關(guān)鍵特征是不可篡改，任何數(shù)據(jù)都不能在區(qū)塊鏈內(nèi)操作而不改變整個(gè)序列或歷史，這個(gè)特性可以保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)。在本文設(shè)計(jì)的場景中，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中積累的數(shù)據(jù)主要存儲(chǔ)在MQTT云服務(wù)器。MQTT協(xié)議在其某些步驟中缺乏安全性，無法加密數(shù)據(jù)。為提高農(nóng)產(chǎn)品可追蹤數(shù)據(jù)的透明度，需使用區(qū)塊鏈用于數(shù)據(jù)與云服務(wù)器的交互。

農(nóng)產(chǎn)品、種子或者農(nóng)藥、農(nóng)資產(chǎn)品分類集中儲(chǔ)存在各地倉庫中，方便運(yùn)輸和保存。一個(gè)典型的農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)，在倉庫和運(yùn)輸車中應(yīng)配置溫度傳感器、亮度傳感器、濕度傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這些設(shè)備上定期產(chǎn)生數(shù)據(jù)，通過MQTT協(xié)議傳送至云服務(wù)器。云服務(wù)器上加載了基于區(qū)塊鏈的智能合約程序，智能合約將自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)自檢。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與智能合約中約定的關(guān)鍵指標(biāo)不符時(shí)，將會(huì)作為一個(gè)事件記錄在區(qū)塊鏈中。同時(shí)，將數(shù)據(jù)保存在MQTT云服務(wù)器，通知訂閱者查詢。智能合約參與各方作為使用者，可以通過智能手機(jī)、電腦等設(shè)備，通過HTTPS（Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer））傳輸協(xié)議打開分布式應(yīng)用程序，通過程序查看基于區(qū)塊鏈MQTT云服務(wù)器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步形成決策。

2.2 基于MQTT協(xié)議的區(qū)塊鏈智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)概述

智慧農(nóng)業(yè)是信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。通過對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能控制和精細(xì)化管理提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，通過對可信數(shù)據(jù)的精確感知，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，系統(tǒng)提升農(nóng)業(yè)的整體發(fā)展。未來我國將利用區(qū)塊鏈構(gòu)建農(nóng)業(yè)可信數(shù)據(jù)平臺(tái)，并在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)應(yīng)用三個(gè)方面不斷拓展“區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)”智慧農(nóng)業(yè)框架。圖1是本文設(shè)計(jì)的一種基于MQTT協(xié)議的區(qū)塊鏈智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的主要參與者是倉庫、商店、農(nóng)民、物流運(yùn)輸企業(yè)、批發(fā)商和零售商。首先，管理機(jī)構(gòu)在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部署合同，該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)記為第1步。在第2步中，對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中分布式存儲(chǔ)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)施主題訂閱機(jī)制，這使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠連接MQTT云服務(wù)器。在從第3步到第8步的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)銷售步驟中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)定期收集并存儲(chǔ)到MQTT服務(wù)器，而一些復(fù)雜或關(guān)鍵的數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中。智能合約對數(shù)據(jù)進(jìn)行定期檢查，保障數(shù)據(jù)安全性、可追溯性并便于維護(hù)。系統(tǒng)各參與者通過創(chuàng)建基于主題的訂閱發(fā)布系統(tǒng)連接到MQTT云服務(wù)器，MQTT協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)收集方面比超文本傳輸協(xié)議（HTTP）快，與標(biāo)準(zhǔn)HTTP相比屬于輕量級應(yīng)用[6]，系統(tǒng)對異常數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間非常迅速。由于區(qū)塊鏈存儲(chǔ)限制，因此系統(tǒng)不會(huì)將每個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈中。數(shù)據(jù)一般會(huì)通過MQTT服務(wù)器存儲(chǔ)和提供，僅有智能合約要求的關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過區(qū)塊鏈保存。基于區(qū)塊鏈智能合約的MQTT云有助于存儲(chǔ)、共享和發(fā)布數(shù)據(jù)，使智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)合同所有者各方能夠有效聚合數(shù)據(jù)，形成共識(shí)，提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)銷售效率。

3 結(jié)束語

智慧農(nóng)業(yè)通過生產(chǎn)領(lǐng)域的智能化、經(jīng)營領(lǐng)域的差異性以及服務(wù)領(lǐng)域的全方位信息服務(wù)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的改造升級，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精細(xì)化、高效化與綠色化，保障農(nóng)產(chǎn)品安全、農(nóng)業(yè)競爭力提升和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。智慧農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢，基于MQTT協(xié)議的區(qū)塊鏈智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中區(qū)塊鏈技術(shù)維護(hù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確安全，智能合約保證交易透明公正，必將促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。