基于以太坊技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

藍(lán)建平

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314036）

0 引言

在人民生活水平日益提高的今天，食品安全問(wèn)題受到了更多的關(guān)注。而農(nóng)產(chǎn)品作為一種特殊商品，其質(zhì)量安全關(guān)系到廣大人民群眾的身體健康與生命安全，因此建立一個(gè)完善有效的農(nóng)產(chǎn)品追溯體系尤為重要。農(nóng)產(chǎn)品是指由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)出來(lái)并經(jīng)過(guò)加工處理后獲得的產(chǎn)品。傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)通過(guò)二維碼，射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）技術(shù)等手段能一定程度上消費(fèi)者食品溯源的需求，但是因傳統(tǒng)系統(tǒng)使用中心化應(yīng)用易出現(xiàn)如下問(wèn)題：

（1）中心化容易出現(xiàn)系統(tǒng)受到攻擊而癱瘓。

（2）中心化應(yīng)用容易出現(xiàn)信息篡改。

（3）中心化應(yīng)用由于信息不公開(kāi)透明，導(dǎo)致不同主體間的信任問(wèn)題。

而區(qū)塊鏈?zhǔn)腔诜植际劫~本、去中心化的技術(shù)，把該技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中可以很好地解決傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。本文基于區(qū)塊鏈2.0 的以太坊（Ethereum）技術(shù)，分析、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)農(nóng)產(chǎn)品溯源的去中心化應(yīng)用Dapp。

1 需求分析

農(nóng)產(chǎn)品溯源涵蓋了生產(chǎn)，流通，銷(xiāo)售和查詢(xún)等諸多環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)的高效合作可以確保農(nóng)產(chǎn)品信息得到有效追溯。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N基于共識(shí)機(jī)制的去中心化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其具有數(shù)據(jù)不可篡改、可追溯性以及時(shí)間戳等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足不同領(lǐng)域?qū)τ谵r(nóng)產(chǎn)品追溯的要求。文章結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品溯源實(shí)際需求，設(shè)計(jì)區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)，使得區(qū)塊鏈上智能合約與分布式存儲(chǔ)技術(shù)可以保障產(chǎn)品信息流正常傳輸，保障產(chǎn)品流通，溯源與信息分布式存儲(chǔ)。具體的溯源流程如圖1所示。

圖1 農(nóng)產(chǎn)品溯源流程

在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、銷(xiāo)售、運(yùn)輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)，相關(guān)的信息均要提交到區(qū)塊鏈中，而且每個(gè)環(huán)節(jié)中包括了上一個(gè)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息。最后消費(fèi)者通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)進(jìn)而訪(fǎng)問(wèn)底層的區(qū)塊鏈，就能反向跟蹤消費(fèi)的農(nóng)產(chǎn)品的信息。

系統(tǒng)中涉及的用戶(hù)角色有普通消費(fèi)者、與農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)到銷(xiāo)售整個(gè)流程中涉及的各類(lèi)企業(yè)（如種植企業(yè)、運(yùn)輸單位、經(jīng)銷(xiāo)商、零售商等）、各類(lèi)監(jiān)管政府部門(mén)、系統(tǒng)管理員。

在前臺(tái)，新用戶(hù)可以注冊(cè)個(gè)人信息并選擇相關(guān)角色，注冊(cè)完成后通過(guò)管理員后臺(tái)驗(yàn)證，就可以通過(guò)登錄模塊登錄到平臺(tái)上。

用戶(hù)登錄成功后，根據(jù)用戶(hù)的角色不同，主界面也不同。

對(duì)于消費(fèi)者登錄后，主要是溯源查詢(xún)，通過(guò)輸入產(chǎn)品的條碼或二維碼信息后，獲取該產(chǎn)品從生產(chǎn)到流通到銷(xiāo)售整個(gè)環(huán)節(jié)中的各個(gè)溯源信息。

農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)商、運(yùn)輸商、銷(xiāo)售商通過(guò)登錄系統(tǒng)后，可以完善單位信息，并申請(qǐng)認(rèn)證。通過(guò)認(rèn)證后就可以在平臺(tái)中管理相關(guān)產(chǎn)品信息，如添加商品、修改商品、商品信息上鏈、查詢(xún)顯示商品等功能。

各類(lèi)監(jiān)管政府部門(mén)注冊(cè)登錄后，可以在平臺(tái)中查詢(xún)供應(yīng)鏈上的各類(lèi)單位信息，進(jìn)行主體單位的認(rèn)證工作，通過(guò)平臺(tái)，可以溯源出現(xiàn)問(wèn)題的商品，從而及時(shí)精準(zhǔn)召回，落實(shí)相關(guān)主體的責(zé)任。

管理員用戶(hù)登錄后，主要通過(guò)管理后臺(tái)進(jìn)行角色管理，系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典維護(hù)等與系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)相關(guān)的工作。

具體的系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。

圖2 農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)功能模塊圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈?zhǔn)怯深?lèi)似信息記錄組成的分布式賬本，稱(chēng)為區(qū)塊鏈。這個(gè)賬本在不斷增長(zhǎng)，所有的區(qū)塊都是通過(guò)密碼學(xué)連接的。區(qū)塊鏈持有的信息是一個(gè)共享的、不斷更新的數(shù)據(jù)庫(kù)。

作為一種分布式、去中心化的賬本，它不是只存在于一個(gè)地方，而是真正公開(kāi)的、可核查的。區(qū)塊鏈技術(shù)不需要第三方背書(shū)，就能使系統(tǒng)內(nèi)全部數(shù)據(jù)信息公開(kāi)透明，不可篡改，不可偽造，可追溯。所以區(qū)塊鏈技術(shù)可以很好地應(yīng)用到溯源領(lǐng)域，從而解決傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)中存在的痛點(diǎn)。

區(qū)塊鏈技術(shù)按節(jié)點(diǎn)參與模式可分為：公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈。

公有鏈：任何區(qū)塊鏈服務(wù)用戶(hù)都可以使用，任何節(jié)點(diǎn)都可以訪(fǎng)問(wèn)，所有訪(fǎng)問(wèn)節(jié)點(diǎn)都可以參與讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。

聯(lián)盟鏈：只適用于一組具體客戶(hù)，只允許授權(quán)節(jié)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)，訪(fǎng)問(wèn)節(jié)點(diǎn)可以按照規(guī)則參與數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

私有鏈：只適用于個(gè)別客戶(hù)，只有被授權(quán)節(jié)點(diǎn)才能訪(fǎng)問(wèn)，訪(fǎng)問(wèn)節(jié)點(diǎn)可以按照規(guī)則參與讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。

溯源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)測(cè)試階段，使用私有鏈。生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)境為聯(lián)盟鏈，與溯源系統(tǒng)相關(guān)的各類(lèi)用戶(hù)通過(guò)授權(quán)接入，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳到區(qū)塊鏈和從區(qū)塊鏈中查詢(xún)相關(guān)溯源信息。

2.1.2 以太坊技術(shù)

以太坊（Ethereum）是一個(gè)建立在區(qū)塊鏈技術(shù)之上，去中心化應(yīng)用平臺(tái)。以太坊是平臺(tái)，它讓我們方便地使用區(qū)塊鏈技術(shù)開(kāi)發(fā)去中心化的應(yīng)用，在這個(gè)應(yīng)用中，使用Solidity來(lái)編寫(xiě)和區(qū)塊鏈交互的智能合約。

智能合約只是一個(gè)運(yùn)行在以太坊鏈上的一個(gè)程序。它是位于以太坊區(qū)塊鏈上一個(gè)特定地址的一系列代碼（函數(shù)）和數(shù)據(jù)（狀態(tài)）。

2.1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things,IoT），就是通過(guò)多種信息傳感器，射頻識(shí)別技術(shù)（RFID），全球定位系統(tǒng)（GPS），紅外感應(yīng)器（FTIR），激光掃描器（LIBS）等多種設(shè)備和技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)獲取任何一個(gè)需要監(jiān)測(cè)，連接和交互的對(duì)象或進(jìn)程，收集其聲音，光線(xiàn)，熱量，電力，力學(xué)，化學(xué)，生物，位置等多種所需信息，并通過(guò)多種可能的網(wǎng)絡(luò)接入方式來(lái)達(dá)到事物之間，事物之間以及事物與人類(lèi)之間泛在聯(lián)系，從而達(dá)到智能化地感知，識(shí)別以及管理事物及進(jìn)程的目的。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是以互聯(lián)網(wǎng)，傳統(tǒng)電信網(wǎng)等為基礎(chǔ)，使所有可以獨(dú)立尋址的常見(jiàn)物理對(duì)象組成互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)的信息承載體。

本文中所涉及的溯源系統(tǒng)中，通過(guò)部署在農(nóng)田，溫室和園林目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的海量傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)溫度，濕度，光照，氣體濃度和土壤水分進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集到的上述傳感信息和GPS，農(nóng)場(chǎng)信息計(jì)時(shí)寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈作為初始區(qū)塊。

2.1.4 開(kāi)發(fā)框架

Truラe 是針對(duì)基于以太坊的Solidity 語(yǔ)言的一套開(kāi)發(fā)框架。本身基于Java。Truラe 為以太坊提供了開(kāi)發(fā)環(huán)境、測(cè)試框架和資產(chǎn)管道。本文所涉及的溯源系統(tǒng)采用的是Truラe開(kāi)發(fā)框架。

以太坊節(jié)點(diǎn)只能識(shí)別一種JSON-RPC 的語(yǔ)言，但JSONRPC 寫(xiě)起來(lái)很麻煩，也很容易出錯(cuò)，所以通過(guò)Web3.js 來(lái)進(jìn)行封裝，Web3.js 是以太坊Javascript API，這樣就只需要與Web3.js 進(jìn)行交互就可以了。

MetaMask（小狐貍錢(qián)包）是一個(gè)瀏覽器插件，可以用作以太坊錢(qián)包，并且可以像任何常規(guī)插件一樣安裝。安裝之后，它允許用戶(hù)存儲(chǔ) Ether 和其他ERC-20 令牌，從而使他們能跟其他以太坊地址之間進(jìn)行交易轉(zhuǎn)賬。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文中所涉及的溯源系統(tǒng)的三層架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）最底層的是：分布式和去中心化的持久層，由在以太坊區(qū)塊鏈上使用SOLIDTY 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的智能合約（Smart Contract）組成（開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用了Truラe 框架，用于提供本地以太坊開(kāi)發(fā)環(huán)境和測(cè)試框架）。在測(cè)試階段使用了以太坊私有鏈Ganche 進(jìn)行本地部署、運(yùn)行、測(cè)試。

（2）中間層：作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和應(yīng)用層間的中介，通過(guò)一個(gè)Node.js 中間件，利用Web3.js 庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)智能合約，為應(yīng)用層提供相關(guān)API，與本地或遠(yuǎn)程以太坊節(jié)點(diǎn)上的智能合約進(jìn)行互動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)具體的基于以太坊技術(shù)的應(yīng)用。

（3）最上層為應(yīng)用層，該層主要通過(guò)Vue.js 框架實(shí)現(xiàn)分布式應(yīng)用Dapp，用戶(hù)通過(guò)在支持Ethereum 的瀏覽器上運(yùn)行訪(fǎng)問(wèn)項(xiàng)目（如Metamask 瀏覽器擴(kuò)展程序）。

2.3 智能合約設(shè)計(jì)

根據(jù)具體的業(yè)務(wù)，在項(xiàng)目中設(shè)計(jì)了不同的智能合約，與人員管理相關(guān)的有農(nóng)戶(hù)智能合約，消費(fèi)者智能合約，零售商智能合約，分銷(xiāo)商智能合約，及物流公司智能合約，監(jiān)管部門(mén)智能合約。在這些合約中主要完成一是驗(yàn)證當(dāng)前賬戶(hù)是否是指定的用戶(hù)，當(dāng)前用戶(hù)的注冊(cè)，資質(zhì)申請(qǐng)等功能，監(jiān)管部門(mén)智能合約主要是對(duì)特定用戶(hù)的資質(zhì)申請(qǐng)進(jìn)行審批功能。

除了上述的人員類(lèi)智能合約外，還有支持農(nóng)產(chǎn)品溯源的核心業(yè)務(wù)的供應(yīng)鏈智能合約，上述的人員在完成角色驗(yàn)證后，就可以進(jìn)行相關(guān)的信息上鏈操作。系統(tǒng)的核心智能合約如圖4所示。

圖4 溯源系統(tǒng)核心智能合約類(lèi)圖

對(duì)于農(nóng)戶(hù)來(lái)說(shuō)，農(nóng)產(chǎn)品的原材料，化肥，作物生長(zhǎng)環(huán)境信息要定時(shí)上鏈，農(nóng)產(chǎn)品收獲時(shí)，相應(yīng)的信息要進(jìn)行注冊(cè)上鏈。

對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)物流配送到具體單位時(shí)，會(huì)把物流信息進(jìn)行注冊(cè)上鏈。

零售商對(duì)農(nóng)產(chǎn)品上架出售前會(huì)進(jìn)行信息登記并上鏈。

消費(fèi)者通過(guò)農(nóng)產(chǎn)品上的溯源二維碼就可以反向追蹤到產(chǎn)品從生產(chǎn)到運(yùn)輸?shù)戒N(xiāo)售的整個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)。

監(jiān)管部門(mén)對(duì)系統(tǒng)中的人員，單位信息進(jìn)行認(rèn)證，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行溯源監(jiān)督和問(wèn)題產(chǎn)品的溯源查處。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)前臺(tái)

3.1.1 前臺(tái)主界面

農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的前臺(tái)包括登錄（非管理員用戶(hù)）、注冊(cè)（各類(lèi)不同角色用戶(hù)）、溯源查詢(xún)?nèi)齻€(gè)子模塊的功能。新用戶(hù)在登錄頁(yè)中點(diǎn)擊注冊(cè)新用戶(hù)鏈接，跳轉(zhuǎn)到注冊(cè)頁(yè)面，填寫(xiě)用戶(hù)名、郵箱、密碼等信息后完成注冊(cè)。已完成注冊(cè)的用戶(hù)，在登錄頁(yè)中，輸入用戶(hù)名、密碼、驗(yàn)證碼，驗(yàn)證通過(guò)后就可進(jìn)入系統(tǒng)。

3.1.2 用戶(hù)詳細(xì)信息管理

新注冊(cè)的用戶(hù)首次登錄系統(tǒng)后，必須根據(jù)頁(yè)面內(nèi)容完善用戶(hù)信息，不同的角色需要填寫(xiě)的用戶(hù)信息有所不同，對(duì)于消費(fèi)者用戶(hù)，填寫(xiě)個(gè)人的姓名、性別、年齡等信息后，保存即可以使用系統(tǒng)的溯源查詢(xún)功能。對(duì)于其他用戶(hù)，填寫(xiě)單位名稱(chēng)、地址、聯(lián)系人、經(jīng)營(yíng)產(chǎn)品等信息后保存，通過(guò)認(rèn)證后，即可以使用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品溯源上鏈和查詢(xún)功能。

3.1.3 溯源查詢(xún)

如圖5所示，在前臺(tái)的溯源頁(yè)面中，輸入產(chǎn)品的二維碼信息，點(diǎn)擊查詢(xún)就可以顯示該產(chǎn)品的整個(gè)溯源信息。

圖5 溯源查詢(xún)

3.2 系統(tǒng)后臺(tái)

3.2.1 農(nóng)產(chǎn)品管理

進(jìn)入后臺(tái)，點(diǎn)擊農(nóng)產(chǎn)品管理，在頁(yè)面中顯示查詢(xún)表單和農(nóng)產(chǎn)品列表信息。輸入類(lèi)別、名稱(chēng)、位置點(diǎn)擊搜索按鈕，顯示符合條件的相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品列表信息。顯示界面如圖6所示，點(diǎn)擊列表上方的添加按鈕，可以在彈窗中輸入農(nóng)產(chǎn)品的各種信息，保存會(huì)寫(xiě)入中心數(shù)據(jù)庫(kù)。點(diǎn)擊連接到MetaMask 按鈕，則連接區(qū)塊鏈，連接成功后，點(diǎn)擊列表項(xiàng)中的操作中的上鏈按鈕，把相應(yīng)的農(nóng)產(chǎn)品信息存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈中，區(qū)塊鏈的鏈塊地址就會(huì)與該商品綁定，記錄到中心數(shù)據(jù)庫(kù)中。此外，相關(guān)用戶(hù)可以進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品查看詳情、修改、刪除等操作。

圖6 農(nóng)產(chǎn)品管理

3.2.2 資質(zhì)認(rèn)證管理

監(jiān)管部門(mén)用戶(hù)登錄后，在主界面中點(diǎn)擊資質(zhì)認(rèn)證鏈接后，顯示“申請(qǐng)資質(zhì)認(rèn)證”列表，“已完成資質(zhì)認(rèn)證列表”。在申請(qǐng)列表中選中某項(xiàng)，并點(diǎn)擊認(rèn)證按鈕鏈接后，顯示申請(qǐng)認(rèn)證的企業(yè)完整信息，核驗(yàn)后，點(diǎn)擊認(rèn)證通過(guò)或者認(rèn)證不通過(guò)，并填寫(xiě)相關(guān)備注信息。完成后相關(guān)的條目信息就從申請(qǐng)列表中移除，在已完成列表中新增了一條相關(guān)的數(shù)據(jù)。

3.2.3 個(gè)人信息管理

點(diǎn)擊后臺(tái)主界面的右上方的用戶(hù)名下列箭頭，彈出快捷菜單，菜單中有基本資料、修改密碼、退出系統(tǒng)等菜單項(xiàng)。點(diǎn)擊基本資料，進(jìn)入修改個(gè)人基本信息頁(yè)面，在該頁(yè)面中可以修改郵箱、手機(jī)號(hào)、備注等信息。點(diǎn)擊修改密碼，進(jìn)入修改密碼頁(yè)面，在該面上輸入正確的舊密碼、新的密碼，新的確認(rèn)密碼后，點(diǎn)擊確認(rèn)保存，完成密碼修改功能。點(diǎn)擊退出系統(tǒng)，注銷(xiāo)登錄信息，跳轉(zhuǎn)到登錄頁(yè)，進(jìn)行登錄操作。

4 結(jié)論

區(qū)塊鏈不可篡改，安全開(kāi)放，去中心化等特性使得區(qū)塊鏈在溯源領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景。目前已有不少學(xué)者對(duì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建溯源系統(tǒng)進(jìn)行研究，并取得一定成果。但是對(duì)于如何將區(qū)塊鏈與傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)相結(jié)合仍是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。

本文對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)現(xiàn)狀及問(wèn)題分析的基礎(chǔ)上，提出一種以以太坊技術(shù)為核心的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析和技術(shù)架構(gòu)，利用以太坊進(jìn)行系統(tǒng)的分布式、去中心化存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一系列的智能合約，整個(gè)項(xiàng)目客戶(hù)端使用Vue 框架實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Web3j 庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)智能合約，實(shí)現(xiàn)溯源數(shù)據(jù)上鏈和查詢(xún)業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)由于融入了區(qū)塊鏈技術(shù)，在很大程度上解決了傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)中數(shù)據(jù)集中，容易被篡改及容易產(chǎn)生信任危機(jī)，溯源流程不完整等一些痛點(diǎn)問(wèn)題，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和不可替代性。