區(qū)塊鏈技術(shù)在井岡蜜柚可信溯源的應(yīng)用研究*

陳小強(qiáng) ，胡 翰 ，黃敏超 ，王 凱

（吉安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 吉安 343006）

民以食為天。食品安全是人民群眾幸福生活的頭等大事，關(guān)系到國家長治久安，而農(nóng)產(chǎn)品安全又是食品安全的重中之重。2022年，《中共中央 國務(wù)院關(guān)于做好2022年全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興重點(diǎn)工作的意見》指出，開展農(nóng)業(yè)品種培優(yōu)、品質(zhì)提升、品牌打造和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)提升行動(dòng)，推進(jìn)食用農(nóng)產(chǎn)品承諾達(dá)標(biāo)合格證制度，完善全產(chǎn)業(yè)鏈質(zhì)量安全追溯體系。目前國內(nèi)外非常重視農(nóng)產(chǎn)品安全溯源，通過相關(guān)技術(shù)手段建立了溯源體系，溯源系統(tǒng)可以有效監(jiān)督和把控農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。而區(qū)塊鏈技術(shù)正是其中核心技術(shù)代表之一，這個(gè)被認(rèn)為是蒸汽機(jī)、電力、信息技術(shù)后，最有革命性浪潮特點(diǎn)的核心技術(shù)，近年來，隨著相關(guān)應(yīng)用的落地，越來越受到大家的追捧。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式賬單技術(shù)，它具有去中心化、不可篡改、安全可靠的技術(shù)特點(diǎn)，通過智能合約、非對稱加密算法等方法，實(shí)現(xiàn)去中心化的點(diǎn)對點(diǎn)交易，有效解決了傳統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)存儲效率低、數(shù)據(jù)不安全等問題。

井岡蜜柚作為江西本土優(yōu)質(zhì)蜜柚品牌，因其口感較好，迅速獲得市場用戶認(rèn)可，但井岡蜜柚快速發(fā)展的同時(shí)也出現(xiàn)一些問題：一是蜜柚苗木品種質(zhì)量良莠不齊；二是蜜柚種植戶過量使用農(nóng)藥防治病蟲；三是為縮短蜜柚生長周期，大量使用速效無機(jī)化肥；四是加工企業(yè)為追求賣相使用添加劑保鮮。種種現(xiàn)象，不僅損害“井岡蜜柚”品牌形象，而且易導(dǎo)致食品安全問題。井岡蜜柚供應(yīng)鏈信息關(guān)系到每位消費(fèi)者、生產(chǎn)者的切身利益，因此，建立井岡蜜柚溯源平臺迫在眉睫。課題組以井岡蜜柚為研究對象，構(gòu)建了一套從種植、采摘、加工、運(yùn)輸、銷售全產(chǎn)業(yè)鏈的區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)，確保井岡蜜柚的安全可靠以及品牌價(jià)值。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量重視程度不斷提升，專家學(xué)者在農(nóng)產(chǎn)品溯源方面的研究也越來越深入，有些側(cè)重于溯源模型、溯源平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性研究，有些重點(diǎn)研究產(chǎn)品存儲方式和查詢效率提升。劉丹等[1]提出將區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，以此來構(gòu)建穩(wěn)固的農(nóng)產(chǎn)品溯源平臺，通過GPS、溫度、濕度、光照傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集信息，采用ZigBee（紫蜂）技術(shù)上傳，后臺數(shù)據(jù)基于區(qū)塊鏈方式存儲。鄭明[2]結(jié)合當(dāng)前新冠疫情環(huán)境下，跨境電商產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、物流追蹤信息不全等問題提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的跨境電商溯源系統(tǒng)。王華等[3]綜合使用二維碼、RFID（射頻識別）技術(shù)、RSA（非對稱加密算法）實(shí)現(xiàn)禽類肉產(chǎn)品安全溯源。王志鏵等[4]通過建立超級賬本模式實(shí)現(xiàn)可信溯源，并且針對不同生產(chǎn)場景動(dòng)態(tài)溯源，解決傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)流程靈活性差、安全性低等問題。汪家偉等[5]研發(fā)了基于區(qū)塊鏈的茶葉可信溯源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)茶葉種植、采摘、加工、統(tǒng)計(jì)分析、溯源查詢?nèi)珮I(yè)務(wù)功能。梁景雄[6]從頂層應(yīng)用出發(fā)，采用分布式MQTT（消息隊(duì)列傳輸）集群和Fabric（智能合約）聯(lián)盟鏈技術(shù)方案，構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，減少系統(tǒng)耦合。吳曉彤[7]提出一種基于備選投票機(jī)制的低時(shí)延共識算法IPBFT（基于地址的拜占庭容錯(cuò)技術(shù)），解決農(nóng)產(chǎn)品溯源時(shí)延高、效率低問題。

目前，溯源系統(tǒng)可分成兩大類，即傳統(tǒng)溯源識別技術(shù)和區(qū)塊鏈溯源架構(gòu)技術(shù)。傳統(tǒng)的溯源識別技術(shù)主要包括二維碼識別技術(shù)、RFID識別技術(shù)、成分分析技術(shù)，其中二維碼識別和RFID使用最廣泛[8-10]。

1.1 傳統(tǒng)溯源識別技術(shù)現(xiàn)狀

1.1.1 二維碼溯源識別技術(shù)

二維碼溯源識別技術(shù)是指使用黑白矩形圖案表示的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過手機(jī)等掃描儀設(shè)備掃描后可獲取信息。二維碼防偽標(biāo)簽結(jié)合二維碼技術(shù)、數(shù)碼防偽技術(shù)及激光全息防偽技術(shù)，通過后端系統(tǒng)自動(dòng)生成唯一的防偽二維碼標(biāo)簽，再將標(biāo)簽貼到產(chǎn)品或包裝上，消費(fèi)者購買后掃一掃產(chǎn)品上的二維碼即可驗(yàn)證產(chǎn)品真?zhèn)?，二維碼溯源防偽標(biāo)簽查詢過程非常方便、快捷。例如，果農(nóng)在向廠家提供井岡蜜柚時(shí)，把蜜柚原產(chǎn)地、種植時(shí)間、施肥農(nóng)藥使用信息錄入到后臺系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)信息自動(dòng)生成唯一的二維碼標(biāo)簽粘貼在包裝箱上。正因?yàn)槎S碼有著信息容量大、編碼范圍廣、識別準(zhǔn)確性高以及制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈監(jiān)控流通環(huán)節(jié)，打擊假冒偽劣產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)高效防偽。

1.1.2 RFID溯源識別技術(shù)

RFID溯源識別技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，它無需識別設(shè)備和目標(biāo)之間接觸，直接通過無線電信號讀寫數(shù)據(jù)。標(biāo)簽本身可以發(fā)射無線電波，掃描儀只要在數(shù)米以內(nèi)均可視波。不過RFID標(biāo)簽與條形碼不同的是，射頻標(biāo)簽不受遮蓋物影響，即便是放在箱子或者盒子內(nèi)，而且讀取器一次可以讀取多個(gè)標(biāo)簽。近些年，因電子識別技術(shù)逐漸成熟，很多商場開始用電子標(biāo)簽代替原來的條形碼標(biāo)簽，提升自動(dòng)售貨速度。RFID系統(tǒng)由信號接收機(jī)、信號發(fā)射機(jī)、編程器、天線構(gòu)成。信號發(fā)射機(jī)比較典型的形式是電子碼標(biāo)簽，它能夠主動(dòng)向外發(fā)射信號，并且信號包含相關(guān)的存儲信息。信號接收機(jī)也叫作識別器，識別器的功能是根據(jù)“命令響應(yīng)協(xié)議”接收發(fā)射機(jī)反射出的信號，甚至對于某些特殊場景，比如信號受到干擾時(shí)可以自動(dòng)校驗(yàn)。編程器是指向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)的一種電子裝置，可以離線或者在線完成寫入數(shù)據(jù)。天線可以用來發(fā)射、接收傳輸數(shù)據(jù)，類似于以前的錄音機(jī)天線，當(dāng)然，天線的信號不僅受功率影響，還與天線的形狀、位置有密切關(guān)系。

1.2 區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)

2008年，中本聰提出區(qū)塊鏈概念，使用分布式賬單節(jié)點(diǎn)記錄比特幣，每個(gè)區(qū)塊鏈記錄多個(gè)交易記錄，比特幣通過PoW（工作量證明機(jī)制）、PoS（權(quán)益證明機(jī)制）和DPoS（股權(quán)授權(quán)證明機(jī)制）三種一致性協(xié)議達(dá)成共識，所有區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)通過Hash（散列函數(shù)）地址連接，區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)包括分布式存儲、共識機(jī)制、智能合約、超級賬單、非對稱加密技術(shù)。

2 基于區(qū)塊鏈的井岡蜜柚可信溯源平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 相關(guān)技術(shù)

2.1.1 區(qū)塊鏈共識算法

區(qū)塊鏈共識算法是指系統(tǒng)對故障達(dá)成的共識機(jī)制，主要包括崩潰容錯(cuò)協(xié)議和拜占庭容錯(cuò)協(xié)議。為什么要使用共識機(jī)制呢？因?yàn)閰^(qū)塊鏈系統(tǒng)采用去中心化設(shè)計(jì)，各節(jié)點(diǎn)設(shè)備分散分布，需要一套規(guī)章制度來維護(hù)系統(tǒng)公平性，不僅包括對區(qū)塊鏈資源維護(hù)者的獎(jiǎng)勵(lì)，而且要有對資源危害者的懲罰，這就要所有節(jié)點(diǎn)使用前可以達(dá)成統(tǒng)一共識。

2.1.2 超級賬單

超級賬單技術(shù)是一個(gè)開源的聯(lián)盟鏈，它是一種分布式賬單系統(tǒng)，主要由一組有序的、不可篡改的狀態(tài)轉(zhuǎn)移記錄日志構(gòu)成。超級賬單鏈結(jié)構(gòu)包含賬單、鏈碼、通道，針對不同的場景有不同的數(shù)據(jù)可視范圍。賬單數(shù)據(jù)庫存儲各節(jié)點(diǎn)交易狀態(tài)轉(zhuǎn)移碼，狀態(tài)轉(zhuǎn)移碼通過鏈表形式存儲在文件系統(tǒng)中。

2.1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）是一種計(jì)算設(shè)備、機(jī)械、數(shù)字機(jī)器相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，具備通用唯一識別碼（UID），并具有通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的能力，無需人與人或人與設(shè)備的交互。物聯(lián)網(wǎng)一般由感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層組成。其中感知層負(fù)責(zé)為傳感器、RFID等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層由有線、無線通信網(wǎng)組成，通過4G/5G、WLAN、藍(lán)牙、ZigBee技術(shù)將數(shù)據(jù)安全地傳輸至應(yīng)用層。應(yīng)用層是人機(jī)交互層，用戶通過各類應(yīng)用接口獲取不同服務(wù)。

2.2 區(qū)塊鏈可信溯源平臺設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)背景介紹

在政府相關(guān)部門的政策支持下，井岡蜜柚得到快速發(fā)展，品牌競爭力強(qiáng)。然而太高的關(guān)注度卻帶來了一定的負(fù)面影響，很多不法商販將普通蜜柚包裝成井岡蜜柚銷售。為了維護(hù)消費(fèi)者權(quán)益，提升井岡蜜柚的品牌公信力。本文構(gòu)建了井岡蜜柚區(qū)塊鏈溯源平臺，利用溫度、光學(xué)、濕度傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，采集井岡蜜柚日常生長環(huán)境、產(chǎn)地經(jīng)緯度、加工銷售環(huán)境數(shù)據(jù)，用戶通過小程序等溯源入口可對蜜柚種植、采摘、加工、運(yùn)輸、銷售信息進(jìn)行溯源查詢。此外，政府機(jī)構(gòu)還可通過溯源平臺對井岡蜜柚進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和質(zhì)量抽測。綜合考慮，系統(tǒng)需要采集如表1所示的源數(shù)據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)來源采集情況

2.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過現(xiàn)場走訪調(diào)研果農(nóng)、企業(yè)、政府、用戶需求，構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈的井岡蜜柚溯源平臺系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示，溯源平臺主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層。

圖1 基于區(qū)塊鏈的井岡蜜柚溯源平臺系統(tǒng)架構(gòu)

1）數(shù)據(jù)采集層是由井岡蜜柚種植果農(nóng)、加工企業(yè)、物流公司、包裝銷售商等供應(yīng)鏈中間環(huán)節(jié)參與者，通過GPS、溫度傳感器、掃描儀、果園攝像頭、農(nóng)藥化肥檢測儀、RFID等智能終端采集設(shè)備，采集各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，自動(dòng)保存至井岡蜜柚溯源平臺。采集的數(shù)據(jù)不僅有文本、字符等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還有圖片、視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)傳輸層顯示采集的數(shù)據(jù)通過不同方式傳至數(shù)據(jù)庫，對于大規(guī)模數(shù)據(jù)，比如攝像頭拍攝果園環(huán)境照片、井岡蜜柚加工過程的視頻數(shù)據(jù)，可通過WLAN上傳至數(shù)據(jù)庫，上傳頻率為每天1次。對于小規(guī)模數(shù)據(jù)，如GPS、溫濕度傳感器現(xiàn)場采集的GPS、溫度、濕度等數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)MQTT上傳至后臺。當(dāng)然，如果費(fèi)用可接受，也可以與電信運(yùn)營商協(xié)商，采用4G/5G傳輸數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)存儲層包括傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和超級賬本區(qū)塊鏈系統(tǒng)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲非溯源數(shù)據(jù)，超級賬本區(qū)塊鏈系統(tǒng)存儲溯源數(shù)據(jù)。供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)參與者在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中均有唯一身份標(biāo)識，可通過唯一身份標(biāo)識可追蹤溯源定位，供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)保存在對應(yīng)模塊內(nèi)，降低系統(tǒng)的耦合性，提高系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性。

4）數(shù)據(jù)應(yīng)用層主要作用是溯源系統(tǒng)與不同用戶（果農(nóng)、企業(yè)、政府、消費(fèi)者）進(jìn)行交互，果農(nóng)使用角度包含井岡蜜柚種植、施肥、采摘管理；企業(yè)使用角度包含井岡蜜柚加工、運(yùn)輸、銷售供應(yīng)鏈管理；從政府監(jiān)管角度看，系統(tǒng)提供井岡蜜柚的全產(chǎn)業(yè)鏈遠(yuǎn)程監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量檢測以及供領(lǐng)導(dǎo)決策分析功能；從消費(fèi)者角度來看，不僅有井岡蜜柚銷售電商、用戶評價(jià)平臺，而且最重要的是有可供用戶一鍵溯源的平臺，方便查詢井岡蜜柚種植、生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、銷售全鏈路信息，提供井岡蜜柚安全、綠色、可靠數(shù)據(jù)，進(jìn)而提升品牌價(jià)值。

2.2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)通過Java、MySql數(shù)據(jù)庫、區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建基于B/S架構(gòu)的井岡蜜柚溯源平臺，前端提供微信小程序查詢接口，用戶輸入唯一編號或二維碼溯源查詢。

3 總結(jié)

課題組根據(jù)井岡蜜柚特點(diǎn)，結(jié)合用戶實(shí)際需求，建立了基于區(qū)塊鏈的井岡蜜柚溯源架構(gòu)平臺，針對溯源模型中數(shù)據(jù)同步以及查詢速度慢等問題提出了解決方案。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，本溯源系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)安全可靠的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了井岡蜜柚從種植、采摘、加工、運(yùn)輸、銷售全鏈路監(jiān)控，保障了蜜柚的供應(yīng)鏈信息安全可靠，提升了品牌價(jià)值。