區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)產(chǎn)品溯源中的應用研究

李天明，嚴 翔，張增年，田 陽，吳 鑫，李超群

浙江萬里學院，浙江 寧波 315100

農(nóng)業(yè)是經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的基礎，農(nóng)產(chǎn)品的安全與國民的生命財產(chǎn)安全密切相關。近年來，全球食品安全事件頻發(fā)，食源性疾病給全球帶來了巨大的負擔[1]，例如，2019年的新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情的爆發(fā)造成全球供應鏈魯棒性破裂，引發(fā)生產(chǎn)停滯、物流遲緩等一系列問題，對農(nóng)產(chǎn)品進出口以及抗風險能力較低的企業(yè)造成不利影響，給世界經(jīng)濟的正常運轉造成嚴重沖擊[2-3]。農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)是保障食品質(zhì)量安全和提高消費者信心的重要手段。農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)通過標識食品來源，記錄、存儲流轉數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)供應鏈全過程可視化，明確責任主體，及時召回處理有問題的產(chǎn)品，防止其繼續(xù)流入市場，避免食品安全事故再次發(fā)生[4]。為把好質(zhì)量關，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化和現(xiàn)代化，需要將物聯(lián)網(wǎng)技術廣泛應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，結合人工智能技術對農(nóng)業(yè)進行精準灌溉施肥和環(huán)境智能調(diào)控等，進而有效降低生產(chǎn)過程中化肥用量，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，為農(nóng)產(chǎn)品溯源提供有力的數(shù)據(jù)支撐。當前農(nóng)產(chǎn)品流通模式主要由生產(chǎn)商、加工商、批發(fā)商、經(jīng)銷商和消費者組成[5]，供應鏈參與者通過物聯(lián)網(wǎng)技術來完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、加工等業(yè)務，并且都有屬于自己的核心數(shù)據(jù)庫，業(yè)務相對獨立。中心化的溯源系統(tǒng)由于供應鏈參與主體較多，存在復雜的利益博弈關系，造成各節(jié)點間信息不對稱，無法快速有效地實現(xiàn)信息交換，存在數(shù)據(jù)信任問題[6]，只能依賴于權威政府機構作為第三方信任中介管理中心數(shù)據(jù)庫[7]?，F(xiàn)有溯源平臺的數(shù)據(jù)存儲在企業(yè)本地數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)由人工上傳，數(shù)據(jù)安全依賴第三方機構監(jiān)管，其高度中心化模式存在交易不透明、易受攻擊等問題，極易造成數(shù)據(jù)傳遞和共享過程中的篡改和泄露威脅[8]。一旦系統(tǒng)無法及時準確地將各環(huán)節(jié)的溯源信息進行關聯(lián)或監(jiān)管部門社會誠信力下降等，易造成企業(yè)間產(chǎn)生糾紛時舉證困難，責任難以明確[9]，無法與當前市場需求相匹配。

區(qū)塊鏈（Blockchain）是一種由多方共同維護，使用密碼學保證傳輸和訪問安全，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)一致存儲、難以篡改、防止抵賴的記賬技術[10]，具有去中心化、時序數(shù)據(jù)、集體維護、可編程和安全可信等特點[11]，能在不安全的網(wǎng)絡環(huán)境中建立節(jié)點之間的信任，構建安全可信的交易環(huán)境，實現(xiàn)價值流動、可信交易、信息共享、數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)裙δ躘12]。區(qū)塊鏈技術與農(nóng)產(chǎn)品追溯相結合，為解決傳統(tǒng)追溯體系所面臨的公信力缺失、監(jiān)管困境、擴展性及追溯成本支付等難題提供了新思路，實現(xiàn)分散資源集中管理、集中資源分散服務[13]。目前研究熱點是將區(qū)塊鏈技術與物聯(lián)網(wǎng)技術框架相融合，來提高溯源系統(tǒng)的魯棒性和數(shù)據(jù)真實性，彌補當前系統(tǒng)存在的缺陷[14]。

本文綜合分析區(qū)塊鏈技術在國內(nèi)外農(nóng)產(chǎn)品溯源中的研究進展，在分析可追溯性和溯源系統(tǒng)概念的基礎上，闡述基于區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)的溯源系統(tǒng)優(yōu)缺點及應用，以及對農(nóng)產(chǎn)品溯源體系建設提出參考建議。

1 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全可追溯的研究現(xiàn)狀

目前，對可追溯性、追溯系統(tǒng)的概念還沒有形成統(tǒng)一的定義，國內(nèi)外相關組織和學者都從不同角度進行了闡述和解釋，如表1所示?？勺匪菪宰畛跏怯煞▏炔糠謿W盟國家提出，歐盟、美國、日本等發(fā)達國家都為此制定了相關法律，并對食品可追溯性要求進行了嚴格規(guī)定。

對于追溯系統(tǒng)的研究，最初是由歐盟為應對瘋牛病問題于1997年開始逐步建立起來的[20]。其概念定義如表2所示。目前我國對農(nóng)產(chǎn)品從種植到消費全過程監(jiān)管，形成產(chǎn)供銷一體化的信息系統(tǒng)。其追溯過程分為兩種，一是順向跟蹤，即按照農(nóng)產(chǎn)品生命周期從上游環(huán)節(jié)跟蹤到下游環(huán)節(jié)；二是逆向溯源，即從產(chǎn)業(yè)鏈的下游環(huán)節(jié)溯源到上游環(huán)節(jié)[21]。楊信廷等認為可追溯性是產(chǎn)品供應鏈跟蹤與追溯的特性和能力，而追溯系統(tǒng)是通過一定技術實現(xiàn)可追溯性的方法、模型和體系[4]?？勺匪菪院妥匪菹到y(tǒng)雖然在概念描述上存在差異，但其內(nèi)涵不變，都是為促進生產(chǎn)信息透明化，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，增強農(nóng)產(chǎn)品市場競爭力。根據(jù)數(shù)據(jù)管理方式，農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)分為中心化系統(tǒng)和去中心化系統(tǒng)，目前企業(yè)上使用的溯源系統(tǒng)大多數(shù)是中心化的。追溯系統(tǒng)主要包含個體標識、中心數(shù)據(jù)庫和信息傳遞系統(tǒng)及個體流動登記等基本要素[22]，其系統(tǒng)架構大致分為物理層、通訊層、數(shù)據(jù)庫層和應用層。傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡架構，將數(shù)據(jù)存放在服務器的Oracle、SQL等數(shù)據(jù)庫中，同時整個農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)擁有一個中心數(shù)據(jù)庫，在權威機構、政府和相關標準組織的監(jiān)管下，對溯源數(shù)據(jù)進行集中管理[23-24]，但無法保證信息傳遞的真實性，易形成信息孤島，造成消費者對系統(tǒng)提供的信息質(zhì)疑，導致溯源效果不理想。針對存在的問題，大量學者提出將區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)相結合，在技術層面上提高溯源系統(tǒng)的可信度。

表1 可追溯性概念Table 1 Traceability concept

表2 溯源系統(tǒng)概念Table 2 Traceability system concept

2 物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈技術

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光掃描器等設備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤和管理的一種網(wǎng)絡，其基本特征為全面感知、可靠傳送和智能處理[30]。農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)技術的重點應用領域之一，也是物聯(lián)網(wǎng)技術應用需求最迫切的領域。通過將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到農(nóng)產(chǎn)品種植/養(yǎng)殖、物流追溯、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控等生產(chǎn)過程中，對發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)起到積極作用。物聯(lián)網(wǎng)包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層[31]。

感知層由各種信息傳感設備和信息智能感知系統(tǒng)（如RFID、GPS等）組成，承擔信息的采集工作，是所有數(shù)據(jù)的來源。感知層通過傳感器、GPS、攝像頭等物聯(lián)網(wǎng)技術來自動采集物理世界中發(fā)生的事件和原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對外部世界信息的感知和識別，減少人工的干預，保證信息的精準和實時性。在農(nóng)作物的養(yǎng)殖/種植過程中，綜合運用無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）技術、GPS技術及遙感（RS）技術等，構建農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用部署的傳感器實時采集溫度、濕度、光照度、土壤含水量等數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡層傳輸給專家決策系統(tǒng)，加以存儲和分析并建立產(chǎn)品的電子信息檔。在農(nóng)作物產(chǎn)品進行加工包裝時，為產(chǎn)品設計帶有防偽性的射頻電子標簽，實時記錄農(nóng)產(chǎn)品從種植（養(yǎng)殖）、施肥、采摘（捕撈）到加工、運輸、銷售、消費全流程的主要產(chǎn)品信息，并通過通用無線分組業(yè)務（GRPS）、第三代移動通信技術（3G）以及互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡技術將供應鏈各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)實時上傳到數(shù)據(jù)庫中。運輸過程中，通過地理信息系統(tǒng)（GIS）改善物流配送路徑，將農(nóng)產(chǎn)品置于全程監(jiān)控之下，實現(xiàn)標準化配送。

網(wǎng)絡層包括網(wǎng)絡結構和通信協(xié)議，該層也稱為傳輸層，主要分為物聯(lián)網(wǎng)設備在數(shù)據(jù)傳輸時采用的藍牙、紫蜂（ZigBee）等通信機制和軟件在運行傳輸時使用的無線通信技術（WiFi）、4G/5G、以太網(wǎng)等兩大類。網(wǎng)絡層為感知層和應用層提供透明的數(shù)據(jù)傳輸能力。當感知層完成數(shù)據(jù)采集，經(jīng)由GRPS等網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將感知的信息高效、安全、快捷地傳輸?shù)綉脤?，應用層中的服務平臺對接收到的海量數(shù)據(jù)進行處理，分析提煉出有用信息后，再通過網(wǎng)絡層傳輸給企業(yè)及管理機構對應的服務平臺（如溫室監(jiān)控、畜牧生產(chǎn)等），最后平臺利用這些數(shù)據(jù)為用戶提供所需的服務。

應用層主要完成數(shù)據(jù)分析處理和判斷決策，為用戶提供各種定制的智能化應用（如農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)、專家決策系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測等），實現(xiàn)人與物、物與物之間的連接、識別和控制。

2.1.1 感知與標識技術

在農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、存儲、物流、銷售等環(huán)節(jié)包含著溯源需要的基礎信息，是實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品供應鏈全過程追蹤溯源的保障。感知和標識技術則是負責采集數(shù)據(jù)，該技術包含有RFID、傳感器、二維碼等，是物聯(lián)網(wǎng)技術的基礎，可實現(xiàn)對貨物的識別和跟蹤定位、生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)測調(diào)控等。例如傳感器通過自動采集農(nóng)產(chǎn)品供應鏈過程數(shù)據(jù)并對其進行預處理，可以快速生成標準化的數(shù)字報告；RFID可以對標簽中存儲的商品信息進行多批量快速自動識別，用于標識和跟蹤產(chǎn)品。

2.1.2 網(wǎng)絡與通信技術

網(wǎng)絡與通信技術是信息傳送的通道，為物聯(lián)網(wǎng)信息高效可靠的傳送提供技術支撐。例如5G通信技術通過在體系架構上進行改進，在通信帶寬、速率以及組網(wǎng)效率上進行技術突破，大幅度提高了系統(tǒng)性能，保障現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的實時獲取，同時解決了農(nóng)業(yè)信息遠程傳輸成本高、能耗大等問題，適應農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的多種類型數(shù)據(jù)大批量的傳輸和處理。

2.2 區(qū)塊鏈技術

區(qū)塊鏈技術是以比特幣為代表的數(shù)字加密貨幣體系中的核心支撐技術，能夠通過運用數(shù)據(jù)加密、時間戳、分布式共識等技術，在無需節(jié)點互相信任的分布式系統(tǒng)中實現(xiàn)基于去中心化的點對點交易[11]。最早描述區(qū)塊鏈的文獻是中本聰發(fā)表的一篇《比特幣：一種點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》，到目前為止已歷經(jīng)三個階段，即區(qū)塊鏈1.0“可編程貨幣”、區(qū)塊鏈2.0“可編程金融”、區(qū)塊鏈3.0“可編程社會”。區(qū)塊鏈按應用場景的不同，分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈三種類型。公有鏈中所有的節(jié)點可自由地加入或退出，不需要授權；聯(lián)盟鏈適用于有限個主體間，需要提供成員管理服務對節(jié)點身份進行審核方可進入，私有鏈適用于企業(yè)內(nèi)部，相當于企業(yè)內(nèi)部的私有數(shù)據(jù)庫，僅內(nèi)部人員使用。

區(qū)塊鏈技術平臺大體可分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層等六個層次[32]。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是由多個獨立節(jié)點參與的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，集成了P2P網(wǎng)絡、密碼學、智能合約[33]、共識機制[34]、時間戳、塊鏈結構等多種技術，無需依賴第三方，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自我驗證和管理[35]。

數(shù)據(jù)層為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的不可篡改，通過引入以區(qū)塊為單位的有序鏈狀數(shù)據(jù)塊結構。每個區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成，區(qū)塊中利用Merkle樹結構的特性以及時間戳和區(qū)塊之間的聯(lián)系，確保每個區(qū)塊是按時間順序相連且數(shù)據(jù)不易被篡改，一旦篡改，也能快速定位，為追溯系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性和可信度提供了保證[36]。網(wǎng)絡層在構建的P2P網(wǎng)絡中加入驗證機制和消息傳播協(xié)議等要素，為網(wǎng)絡中的每個節(jié)點驗證。共識層通過封裝PoW、PoS、DPoS等共識機制可以高效對區(qū)塊數(shù)據(jù)達成共識，保證網(wǎng)絡中的各節(jié)點分布式記賬的一致性。激勵層為激勵參與者不斷提供算力，通過設計分配機制和發(fā)行機制對參與者按照貢獻來進行獎勵。合約層里封裝著區(qū)塊鏈系統(tǒng)所需的各類腳本代碼、算法以及智能合約，是系統(tǒng)應用實現(xiàn)的基礎。應用層能夠將區(qū)塊鏈技術的去中心化、不可篡改、可追溯等特點廣泛應用到各個領域中。

3 區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)

3.1 基于區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)框架的研究

近年來，食品安全引起了學術界和商業(yè)界的極大關注。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，許多新興技術都被應用到可追溯系統(tǒng)中，例如區(qū)塊鏈技術因其具有去中心化的特點被應用到農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，來實現(xiàn)追溯過程去中心化。與傳統(tǒng)技術實現(xiàn)的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)相比，采用區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)的去中心化追溯系統(tǒng)在前端沒有區(qū)別，都是依靠網(wǎng)絡，借助射頻裝置、物品指紋及識別裝置、各類應用傳感器和信息采集終端等完成各類數(shù)據(jù)采集，二者的區(qū)別在于后端[37]。傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、NoSQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都是由單一機構進行管理和維護，單一機構對所有數(shù)據(jù)擁有絕對的控制權，其他機構無法完整了解數(shù)據(jù)更新過程，因而無法完全信任數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)[38]。區(qū)塊鏈技術與物聯(lián)網(wǎng)相結合，可以提供更高的透明度和高效的供應鏈。針對適用于物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)塊鏈架構，學者們提出了許多研究方案。例如，Novo基于區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)了一個通用的、可擴展的、易于管理的物聯(lián)網(wǎng)分布式訪問控制系統(tǒng)架構，使用區(qū)塊鏈儲存并分發(fā)訪問控制信息，該系統(tǒng)由管理中心節(jié)點將多個約束網(wǎng)絡同時連接至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，解決了物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)十億受限設備的訪問擴展問題，有效的提高處理負載的能力[39]。Li等提出了一種基于區(qū)塊鏈技術的多層安全物聯(lián)網(wǎng)絡模型，通過將物聯(lián)網(wǎng)劃分為多級去中心網(wǎng)絡，并在網(wǎng)絡的各個層次采用區(qū)塊鏈技術，降低了區(qū)塊鏈實際部署的難度，同時保留了區(qū)塊鏈的高安全性和可信度[40]。Liu等提出一種輕量級的區(qū)塊鏈架構，適用于功耗受限的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景，可以有效地平衡區(qū)塊鏈資源消耗巨大與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備性能受限[41]。Mondal等基于區(qū)塊鏈技術構建透明的食品供應鏈物聯(lián)網(wǎng)架構，該架構基于對象證明的認證協(xié)議，通過在物理層集成基于射頻識別的傳感器和在網(wǎng)絡層集成區(qū)塊鏈來實現(xiàn)當食品包裝在供應鏈中的不同零售商、物流或者存儲階段被掃描時，實時記錄傳感器數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈中被更新，提供防篡改的數(shù)字歷史，任何消費者都可以查看公共分類賬，有助于更新保質(zhì)期，實現(xiàn)有針對性的召回，并提高知名度[42]。區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)的基礎架構大致分為四層：感知層、公鏈層、合約層、應用層。其架構如圖1所示。感知層上收集到的數(shù)據(jù)在公鏈層傳輸，一旦上鏈，數(shù)據(jù)不可篡改，并通過P2P網(wǎng)絡的形式實現(xiàn)信息傳輸。在合約層上，通過智能合約的運行實現(xiàn)系統(tǒng)的運轉[43]。區(qū)塊鏈技術用于存儲數(shù)據(jù)和信息，這些數(shù)據(jù)和信息是各種行為者和利益相關者在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的整個增值過程（從種植到銷售）中產(chǎn)生的，它確保數(shù)據(jù)和信息對相關參與者和利益者都是透明的。

3.2 區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)產(chǎn)品溯源中的應用

目前國內(nèi)外學者、機構將區(qū)塊鏈應用于農(nóng)產(chǎn)品溯源中，在農(nóng)產(chǎn)品供應鏈、農(nóng)產(chǎn)品運輸、數(shù)據(jù)管理、智能農(nóng)業(yè)等方面取得重大突破。

經(jīng)過大量的研究表明，基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)可以在一定程度上提高工作效率，降低物流成本。表3列舉了通過引入?yún)^(qū)塊鏈技術開發(fā)農(nóng)產(chǎn)品應用平臺所取得的效果。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構模型Fig.1 Architecture model of Internet of Things

傳統(tǒng)的供應鏈是集中的，依賴與第三方進行交易，這些中心化系統(tǒng)缺乏透明度、問責制和可審計性。Leng等基于區(qū)塊鏈提出雙鏈結構的農(nóng)業(yè)供應鏈管理框架，通過區(qū)塊鏈技術來改善供應鏈質(zhì)量管理[52]。Karumanchi等利用區(qū)塊鏈在云環(huán)境中開發(fā)了一個新的供應鏈框架，將供應鏈管理和區(qū)塊鏈相結合，以此消除了中介的參與和與安全相關的問題[53]。Tian基于HACCP（危害分析與關鍵控制點）、區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)構建一個食品供應鏈可追溯系統(tǒng)，為所有供應鏈成員提供一個開放、透明、中立、可靠和安全的信息平臺，用于食品供應鏈的監(jiān)控和追溯[54]。Tsang等為食品供應鏈決策提供支持，提出了一種集成區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)技術和模糊邏輯的食品可追溯系統(tǒng)（BIFTS）[55]。同時基于追溯系統(tǒng)（寬度、深度、精度）和區(qū)塊鏈（分布式、驗證和不可變）中必須考慮的方面，Hayati等通過使用四個區(qū)塊鏈系統(tǒng)抽象層進行Food-Trail區(qū)塊鏈設計，記錄并跟蹤供應鏈中食品的轉移和轉化，通過將所有數(shù)據(jù)分發(fā)到所涉及供應鏈的每個成員，從而允許集成系統(tǒng)在沒有第三方參與的情況下運行[56]。

在農(nóng)產(chǎn)品運輸?shù)任锫?lián)網(wǎng)場景下，傳感器是重要的組成部分，物聯(lián)網(wǎng)的正常運行依賴于大量傳感器數(shù)據(jù)的傳輸，而區(qū)塊鏈與傳感器技術相結合可以實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的存證和溯源，是提高物聯(lián)網(wǎng)去中心化信任和安全的有效手段。Tian提出了一種基于射頻識別技術和區(qū)塊鏈技術的農(nóng)產(chǎn)品價值鏈追溯系統(tǒng)，幫助中國農(nóng)產(chǎn)品在物流過程中提高食品安全質(zhì)量。該系統(tǒng)涵蓋了農(nóng)產(chǎn)品供應鏈各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集和信息管理的全過程，實現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品“從農(nóng)場到餐桌”的質(zhì)量安全監(jiān)控、追溯和管理。在系統(tǒng)中，射頻識別技術用于獲取和共享農(nóng)業(yè)食品價值鏈中的數(shù)據(jù)，區(qū)塊鏈技術用于保證在該可追溯系統(tǒng)中共享和發(fā)布的數(shù)據(jù)是可靠和真實的[57]。Lv等為解決餐飲安全追溯問題，基于區(qū)塊鏈設計開發(fā)了餐飲安全追溯系統(tǒng)，通過Web應用程序和混合APP，用戶可以管理和查詢跟蹤信息[58]。然而，一些研究人員認為，射頻識別技術和基于區(qū)塊鏈的可追溯系統(tǒng)在解決假冒問題上存在一些缺陷。例如，通過克隆射頻識別標簽，可導致假冒零件在農(nóng)業(yè)食品價值鏈中流通[59]。為了克服射頻識別的缺點，Boehm等提出了一種使用區(qū)塊鏈技術結合近場通信（NFC）和驗證用戶更新的可追溯系統(tǒng)。如果用戶想要更新區(qū)塊鏈的產(chǎn)品歷史，他們必須提供有效的用戶證書。因此，產(chǎn)品的各種變化可以被報告，同時其他成員的能力可以被限制，從而可以實現(xiàn)具有更高透明度和安全性的整體跟蹤[60]。

針對保障溯源數(shù)據(jù)的可靠性問題，Li等提出一種基于聯(lián)盟鏈的物流信息溯源模型，利用信息匹配機制和MCPBFT算法，可以防止物流信息在上傳之前被篡改以及提高共識效率和物流更新速度[61]。Ramachandran等利用區(qū)塊鏈開發(fā)了一個自動驗證出處記錄的管理框架，以促進值得信賴的數(shù)據(jù)收集、核實和管理，可以有效安全地捕獲和驗證數(shù)據(jù)來源，并防止對捕獲的數(shù)據(jù)進行任何惡意修改[62]。Shahid等利用在以太坊網(wǎng)絡上部署區(qū)塊鏈和智能合約的關鍵功能，所有交易均寫入?yún)^(qū)塊鏈，最終將數(shù)據(jù)上傳到行星際存儲系統(tǒng)，并引入了交易和交付機制，以允許在農(nóng)業(yè)食品供應鏈實體之間進行安全交易，用于從源頭到最終消費者的數(shù)字化農(nóng)業(yè)食品跟蹤[63]。

基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術的聯(lián)合應用，不少學者提出并實現(xiàn)了許多智能農(nóng)業(yè)模式。例如，Patil等提出“智能溫室農(nóng)場的輕量級區(qū)塊鏈架構”，在溫室中，物聯(lián)網(wǎng)傳感器充當由所有者集中管理的私人本地區(qū)塊鏈[64]。Lin等提出了一個基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的通用智能農(nóng)業(yè)框架。該系統(tǒng)涉及智能農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的所有參與者，即使他們可能彼此不信任。使用物聯(lián)網(wǎng)設備來盡可能多地取代手動記錄和驗證，從而可以有效減少對系統(tǒng)的人為干預[65]。Lin等提出基于區(qū)塊鏈的食品安全可追溯系統(tǒng)，該系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)設備無縫鏈接，可防止數(shù)據(jù)篡改和敏感信息泄露，本系統(tǒng)在以太坊基礎上實現(xiàn)了可追溯性，便于提供生產(chǎn)和消費的數(shù)字數(shù)據(jù)[66]。

為實現(xiàn)食品端到端的追溯，Madumidha等提出一種基于區(qū)塊鏈技術完全去中心化的“提供者-消費者網(wǎng)絡”，提高客戶滿意度和點對點生產(chǎn)力，從而使生產(chǎn)商到消費者都滿意[67]。Hyperledger Fabric即超級賬本是一種基于模塊化的分布式賬本解決方案平臺，是一種權限區(qū)塊鏈的底層基礎框架，具有便捷擴展以及可插拔的優(yōu)勢，適用于企業(yè)級之間[68]。與其他的公有鏈相比，Hyperledger Fabric的不同點主要體現(xiàn)在私有和許可兩個方面，所有參與系統(tǒng)中的節(jié)點都必須是被許可的，其組織中的成員可以通過Membership Services即成員服務來注冊以確保平臺訪問的安全性[69]。Zhang等基于Hyperledger Fabric框架開發(fā)商品可追溯系統(tǒng)平臺，該平臺支持農(nóng)民、運營商和消費者。農(nóng)民可以記錄農(nóng)場活動，消費者可以在購買商品之前查看產(chǎn)品歷史記錄，并跟蹤承運人的運輸直到交貨，集成的物聯(lián)網(wǎng)（IOT）記錄農(nóng)業(yè)環(huán)境，并評估種植期間的農(nóng)場質(zhì)量[70]。

表3 基于不同區(qū)塊鏈平臺的農(nóng)產(chǎn)品應用Table 3 Agricultural products applications based on different blockchain platforms

4 區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)融合的優(yōu)點

最近，區(qū)塊鏈技術已與物聯(lián)網(wǎng)、云計算和云存儲等集成在一起，借助于新一代信息技術，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)改進。基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的架構融合成為區(qū)塊鏈應用中契合度高和最有用的框架之一。

（1）可靠性

物聯(lián)網(wǎng)設備的計算能力和存儲能力較弱，很容易被惡意用戶攻擊，單純的物聯(lián)網(wǎng)設備無法作為一個安全的決策實體，需要一個可信的第三方機構來提供存儲能力和計算能力[71]。由于區(qū)塊鏈本身具有不可篡改性和隱私保護性，且可以在假定參與者都不是可信的情況下，在技術層面迫使所有參與者遵守誠信，可以為訪問控制提供一個可信的環(huán)境[72]?；趨^(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)技術不僅可以借助共識機制來實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)設備的分布式管理，同時可以依靠智能合約技術對相關感知信息進行自動處理[73]。

（2）安全性

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點由各種傳感器構成，數(shù)據(jù)的集中存儲和管理給物聯(lián)網(wǎng)的隱私保護增加了難度，對系統(tǒng)安全的檢測能力較低。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫處理的是離散數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)中處理的是實時、連續(xù)的流式數(shù)據(jù)，一旦被攻擊，所有流式數(shù)據(jù)都會被竊取[73]。區(qū)塊鏈采用去中心化的分布式存儲方式，使數(shù)據(jù)分布在各個網(wǎng)絡節(jié)點，并運用密碼學技術對數(shù)據(jù)進行加密，使得物聯(lián)網(wǎng)智能交易更具匿名性，有效地保護用戶的隱私信息不受侵害，且區(qū)塊鏈與傳感器技術相結合可以實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的存證和溯源，是提高物聯(lián)網(wǎng)去中心化信任和安全的有效手段。劉耀宗等提出一種基于區(qū)塊鏈技術的RFID大數(shù)據(jù)溯源安全模型，建立RFID數(shù)據(jù)溯源全程鏈式路徑，構建多方參與且信息透明、真實可靠的溯源鏈，在很大程度上確保農(nóng)產(chǎn)品供應的安全[74]。

（3）透明性

區(qū)塊鏈以P2P網(wǎng)絡、時間戳、非對稱加密、智能合約和數(shù)據(jù)庫等五大技術作為支撐，使其具有去中心化、可追溯性、集體維護性、不可篡改性、匿名性等主要優(yōu)勢，保障了鏈上數(shù)據(jù)透明性[75]。

（4）開放性

農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)銷售體系涉及主體眾多，借助傳感器實時監(jiān)控資源消耗大，在數(shù)據(jù)存儲方面存在挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈是一個去中心化、分布式連接的對等網(wǎng)絡，節(jié)點之間完全平等，利用這個特性可解決物聯(lián)網(wǎng)中海量數(shù)據(jù)匯聚到單一的控制中心集中存儲的問題，從而在一定程度上緩解存儲壓力。

5 區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)融合的不足

（1）可擴展性與效率問題

隨著物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸量及數(shù)據(jù)計算量的快速增加，系統(tǒng)對傳輸帶寬、計算和響應速度的要求越來越高。區(qū)塊鏈交易速率由于受到區(qū)塊產(chǎn)生時間、區(qū)塊大小及工作量證明機制等因素限制無法與目前系統(tǒng)高效率同步。交易吞吐量和延遲是區(qū)塊鏈性能提升的瓶頸。為提高交易處理能力，緩解由交易量和數(shù)據(jù)量劇增帶來的壓力，提高系統(tǒng)共識機制效率及將區(qū)塊鏈節(jié)點存儲數(shù)據(jù)由全量轉化到部分將是今后研究重點。

（2）監(jiān)管問題

區(qū)塊鏈技術是新近發(fā)展的高新技術，其相關的監(jiān)管和審查機制并不到位，且區(qū)塊鏈技術的主要特點之一是去中心化。由于共識機制自動達成共識與目前中心化的管理體系存在一定的矛盾，導致有些不法分子利用區(qū)塊鏈進行違法行為，給用戶的隱私或者財產(chǎn)造成威脅。為實現(xiàn)可信的價值傳輸，達到真正的共享經(jīng)濟，制定一系列的法律法規(guī)和規(guī)章制度也是迫在眉睫。

（3）成本問題

區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)結合，是一種組合集成的新興框架，但是技術開發(fā)難度大，且區(qū)塊鏈的技術和應用均不成熟，導致投入成本高。例如，區(qū)塊鏈單個節(jié)點獨自升級成本高以及設備廠商對各自物聯(lián)網(wǎng)芯片和終端設備集中化管理難度大[36]。

（4）存儲容量和性能

在物聯(lián)網(wǎng)中，終端設備可以實時生成千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，然而當前區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易吞吐量受限，每秒只能處理幾個事務，不能支持高并發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，且區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的全節(jié)點存儲整個鏈數(shù)據(jù)。隨著規(guī)模的增長，節(jié)點寫入的信息會無限增大，帶來的信息存儲、容量問題會造成系統(tǒng)低吞吐量和高延遲。此外，過長的鏈對性能會有負面影響，例如，它會增加新用戶的同步時間，導致區(qū)塊的通信傳輸面臨高延遲的風險。

（5）安全問題

物聯(lián)網(wǎng)中的傳感節(jié)點通常需要部署在無人值守、不可控制的環(huán)境中，除了受到一般無線網(wǎng)絡所面臨的拒絕服務等問題外，還面臨傳感節(jié)點容易被攻擊者獲取，通過物理手段獲取存儲在節(jié)點中所有信息的危險[76]。為保證少數(shù)設備發(fā)生故障或者被惡意控制時仍然保持可操作性，基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)技術需具有較強的容錯性，對數(shù)以億計的物聯(lián)網(wǎng)設備進行安全審計和驗證，為源頭數(shù)據(jù)提供真實可信的安全保障，提升系統(tǒng)抵御攻擊的能力，增強系統(tǒng)生態(tài)安全性。于此同時，區(qū)塊鏈自身也存在安全威脅。當節(jié)點通過掌握全網(wǎng)超過51%的算力就有能力成功篡改和偽造區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)，即51%攻擊問題，因此更為安全有效的共識機制需深入研究和設計。

（6）資源浪費問題

在區(qū)塊鏈領域，數(shù)據(jù)在進行全網(wǎng)廣播、存儲和校驗時需要消耗很大的網(wǎng)絡帶寬、存儲和算力資源。但目前區(qū)塊鏈技術中大多使用系統(tǒng)吞吐量較低的共識算法，不能滿足物聯(lián)網(wǎng)設備高并發(fā)的數(shù)據(jù)特征，并且物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點處理計算數(shù)據(jù)的能力偏低，無法提供足夠的算力進行挖礦[77]。因此需研究設計共識機制，來完善共識算法，進而減少資源消耗過大[78]；另一方面是對比特幣、以太坊而言，每年挖礦消耗的電量遠遠超過全球一些小國家的用電量，因此需要發(fā)展綠色環(huán)保的區(qū)塊鏈技術。物聯(lián)網(wǎng)領域中，數(shù)據(jù)傳輸差、功耗、延遲性高等問題依賴5G技術的發(fā)展將進一步改善[72]。

6 農(nóng)產(chǎn)品溯源體系建設

我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯體系處于建設中，從外部看，政策、法規(guī)等有待完善，政府各部門間協(xié)同制度有待補充，企業(yè)間之間合作有待加強，民眾對溯源體系的信任有待建立。從內(nèi)部看，企業(yè)的參與熱情低、溯源系統(tǒng)的利用率不高。

（1）政府、行業(yè)協(xié)會

我國目前的追溯體系雜亂無章，政府、行業(yè)協(xié)會等發(fā)布一系列法律法規(guī)、行業(yè)標準等，但都缺少協(xié)調(diào)、兼容互通性及強制性。相關的法律法規(guī)需要建立，農(nóng)產(chǎn)品追溯制度與追溯監(jiān)管制度需同步建立。此外，政府可建立績效評價體系與獎懲機制，以提高農(nóng)業(yè)個體戶和企業(yè)參與的積極性，對已經(jīng)實施或者有意向實施追溯體系的農(nóng)業(yè)個體戶或者企業(yè)給予相應的激勵。

（2）監(jiān)管機構

參與食品安全監(jiān)管的部門眾多，例如農(nóng)業(yè)部、商務部、衛(wèi)生部、國家食品藥品監(jiān)督管理局等，彼此間協(xié)調(diào)差，追溯信息不共享，易出現(xiàn)信息孤島和工作不連續(xù)等問題。因此需要建立溯源平臺，進行統(tǒng)一管理、協(xié)同辦公。

（3）企業(yè)、消費者

我國消費者對可追溯性的正確認知程度較低，一方面由于中國的實際國情造成企業(yè)、消費者參與意愿不高；另一方面，企業(yè)實施追溯門檻較高，追溯投入成本高，追溯信息的價值有限，這在一定程度上阻礙了階段性試點與推廣的進行。因此需要以政府、媒體為主，企業(yè)為輔的認知宣傳，提高農(nóng)業(yè)個體戶與企業(yè)參與追溯體系建設的積極性。

7 總結與展望

隨著物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量呈爆炸式增長，區(qū)塊鏈技術日益進步的情況下，物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈技術的結合已成為目前研究的熱點。在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境下，區(qū)塊鏈提供一個分布式去中心化信任平臺，用以解決物聯(lián)網(wǎng)存在的安全、信任、隱私等問題，賦予了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)去中心化、可追溯、不可篡改等新特性。將區(qū)塊鏈技術應用到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)中，使供應鏈透明化，增加參與者之間的信任，實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的追溯，保障公眾消費和食品安全。

區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)相結合帶來機遇的同時也面臨挑戰(zhàn)，未來區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)領域的溯源應用研究可以從以下幾個方面開展：

（1）保證區(qū)塊鏈交易速度與農(nóng)業(yè)中需要處理的海量數(shù)據(jù)相匹配。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器在整個供應鏈過程中采集大量的數(shù)據(jù)導致區(qū)塊鏈中的各節(jié)點主體存儲的數(shù)據(jù)越來越多，加大了存儲和計算的負擔。隨著節(jié)點越來越多的加入，交易量越來越大，新的用戶加入后需對已有的區(qū)塊信息進行同步，且只有在同步完成后才可以進行任務。由于區(qū)塊鏈本身處理交易速度慢，導致在實際的大規(guī)模使用中的實用性降低。

（2）保障物聯(lián)網(wǎng)上鏈數(shù)據(jù)的可靠性。區(qū)塊鏈可以保證鏈中的數(shù)據(jù)是不可變的，但是如何確保數(shù)據(jù)上鏈前數(shù)據(jù)的真實性是今后研究的重點。

（3）優(yōu)化區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)融合框架，提高其可擴展性和靈活性。數(shù)據(jù)的異構性是物聯(lián)網(wǎng)面臨的核心問題，區(qū)塊鏈技術可以解決物聯(lián)網(wǎng)中的許多問題，但區(qū)塊鏈本身不是專門為物聯(lián)網(wǎng)所設計的，怎樣將區(qū)塊鏈技術與物聯(lián)網(wǎng)高效安全的結合是值得研究的問題。