基于區(qū)塊鏈的茶產(chǎn)品可信化溯源

高靖涵，左 欣，林 優(yōu)，郭宵冉，錢宗其，張春海

（貴州師范學(xué)院，貴州 貴陽 550018）

0 引 言

通過對消費(fèi)者在購買茶產(chǎn)品時(shí)想要了解的信息進(jìn)行了調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，大部分消費(fèi)者在購買茶產(chǎn)品時(shí)，經(jīng)常需要了解茶產(chǎn)品的產(chǎn)地及質(zhì)量，但產(chǎn)品包裝上僅有的一點(diǎn)信息使消費(fèi)者無法辨別。基于此，本文利用區(qū)塊鏈助力智慧農(nóng)業(yè)，通過茶葉二維碼溯源系統(tǒng)對茶產(chǎn)品進(jìn)行可信化溯源。系統(tǒng)采用的傳感器在農(nóng)產(chǎn)品種植的全部時(shí)期都在記錄大量的數(shù)據(jù)，包括農(nóng)產(chǎn)品的選種、育苗、施肥、除草、除蟲、質(zhì)檢、存儲。在加工、包裝和運(yùn)輸?shù)确矫?，基于區(qū)塊鏈技術(shù)下的數(shù)據(jù)存儲和溯源功能，將傳感器收集到的數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈中，有效避免數(shù)據(jù)被篡改。在生產(chǎn)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)部署區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)傳輸與離線數(shù)據(jù)相結(jié)合的模式，精準(zhǔn)記錄農(nóng)產(chǎn)品發(fā)育過程中的有效數(shù)據(jù)，使種植者與消費(fèi)者更多更快地了解農(nóng)產(chǎn)品生長的最新進(jìn)展，方便后期追蹤溯源。通過茶葉二維碼溯源系統(tǒng)，可以查到茶葉從種植生產(chǎn)到包裝銷售的全程信息，提高了管理效率，節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力。

1 區(qū)塊鏈及其特征

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)信息技術(shù)領(lǐng)域的術(shù)語，本質(zhì)上是一種解決信任問題、降低信任成本的技術(shù)方案，目的是為了去中心化[1]。區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛诺牡讓蛹夹g(shù)，也是一個(gè)共享數(shù)據(jù)庫，奠定了堅(jiān)實(shí)的信任基礎(chǔ)，創(chuàng)造了可靠的合作機(jī)制，具有廣闊的運(yùn)用前景[2]。去中心化是區(qū)塊鏈的典型特征之一，其使用分布式儲存與算力，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的權(quán)利與義務(wù)相同，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)本質(zhì)為全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)，不再依靠于中央處理節(jié)點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲、記錄與更新[3]。每個(gè)區(qū)塊鏈都遵循統(tǒng)一規(guī)則，該規(guī)則基于密碼算法而不是信用證書，且數(shù)據(jù)更新過程都需用戶批準(zhǔn)，由此決定了區(qū)塊鏈不需要中介與信任機(jī)構(gòu)背書[4]。一旦利用區(qū)塊鏈技術(shù)，所有數(shù)據(jù)被記錄在冊且不能被人為修改，這使得被病毒、黑客等入侵的概率減小，適用面擴(kuò)大，這得益于區(qū)塊鏈的不可篡改性和全程留痕性[5-6]。區(qū)塊鏈的可追溯性，即在這個(gè)應(yīng)用中商品的所有信息均可被查詢到，例如產(chǎn)地、生產(chǎn)時(shí)間、所用原料及原料產(chǎn)地等，尤其是各種商業(yè)產(chǎn)品，消費(fèi)者更容易辨別真?zhèn)?。在一定程度上，區(qū)塊鏈的可溯源性質(zhì)為人們的生活提供了極大的便利。一般系統(tǒng)的運(yùn)營和維護(hù)需要依靠數(shù)據(jù)中心等平臺，需要較大的成本。但區(qū)塊鏈的集體維護(hù)性決定了區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)是任何人都可以參與維護(hù)的，這可以節(jié)約成本并提高效率，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)和記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在區(qū)塊鏈中存儲的數(shù)據(jù)是公開、透明和可追溯的，所有用戶都可以通過區(qū)塊鏈瀏覽器查詢數(shù)據(jù)。然而，區(qū)塊鏈的公開性和透明度并不影響對消費(fèi)者隱私的保護(hù)，可以理解為用一串地址字符也叫秘鑰代替身份。區(qū)塊鏈的典型特征見表1所列。

表1 區(qū)塊鏈特點(diǎn)描述

2 區(qū)塊鏈在茶產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，我國茶產(chǎn)品行業(yè)蒸蒸日上，是歷史上最輝煌的時(shí)期。茶文化作為中華五千年優(yōu)秀傳統(tǒng)文化之一，在這一時(shí)期重新得到了發(fā)揚(yáng)和傳承。茶葉第一產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值增長迅猛，從1952年的0.73億元增長到2020年的2 626.58億元，年均增長38.6%。與此同時(shí)，世界茶產(chǎn)品行業(yè)發(fā)展勢頭較好，產(chǎn)量和銷量保持穩(wěn)定增長。但我國傳統(tǒng)茶產(chǎn)品行業(yè)仍存在企業(yè)規(guī)模小且較為發(fā)散、缺乏一定的管理經(jīng)驗(yàn)、市場環(huán)境有待改善等問題?；诖?，采用以下模式帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展：首先是“物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈”，區(qū)塊鏈目前在農(nóng)產(chǎn)品中的應(yīng)用受到了極大的制約，主要原因在于高昂的應(yīng)用成本和維護(hù)成本，且存在性能差的缺陷；并且物聯(lián)網(wǎng)是中心化管理機(jī)制，設(shè)備的增加會使數(shù)據(jù)量急劇上升，前期投入和維護(hù)成本將難以預(yù)測。而“物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈”模式則會減緩這些問題，節(jié)省后期維護(hù)成本，有助于提升農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能化和規(guī)?；潭?。其次是“大數(shù)據(jù)+區(qū)塊鏈”模式也被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的三大成就：關(guān)系模式、事務(wù)處理、查詢優(yōu)化，一直到之后NOSQL數(shù)據(jù)庫的崛起，數(shù)據(jù)庫每時(shí)每刻都在發(fā)生變化[7]。未來會建立更完善的信息入戶、政務(wù)信息化等體系，需要繼續(xù)解決如何確保數(shù)據(jù)的有效性和真實(shí)性問題。而以區(qū)塊鏈為代表的這些技術(shù)將突破性地解決這一問題。將此技術(shù)應(yīng)用在茶產(chǎn)品銷售領(lǐng)域，被售賣的茶產(chǎn)品從種植到銷售的全程數(shù)據(jù)被記錄，使消費(fèi)者更放心。農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的過程中，有些地區(qū)會有因生產(chǎn)地和銷售地距離較遠(yuǎn)而不易交流的問題，消費(fèi)者對生產(chǎn)所需的原料、化肥、農(nóng)藥以及運(yùn)輸過程和包裝過程中所用到的材料信息不了解，會產(chǎn)生疑問難以解決。通過“質(zhì)量安全追溯+區(qū)塊鏈”技術(shù)，掃描二維碼即可查詢從種植到銷售所有用到的原料及時(shí)間。在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中，所有的數(shù)據(jù)一旦記錄到區(qū)塊鏈賬本上將不能被改動，依靠不對稱加密和數(shù)學(xué)算法的先進(jìn)科技手段從根本上消除了人為因素，使信息更加透明[8]。

3 茶產(chǎn)品溯源

3.1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的茶產(chǎn)品溯源體系

區(qū)塊鏈溯源技術(shù)是指結(jié)合區(qū)塊鏈的不可篡改性分布式賬本記錄與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，從產(chǎn)品源頭開始記錄相關(guān)信息，包括采集原料來源、追溯生產(chǎn)過程、加工環(huán)節(jié)、存儲信息、銷售信息、質(zhì)檢問題、防偽標(biāo)記等，從生產(chǎn)到銷售全過程都可以被追溯。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是分布式的公共賬本，不論商品溯源采用的是哪種形式，它都具有公開透明的特性，在鏈上的所有人都可以記錄信息并查看信息。該系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)商品難以溯源、各部門工作交接困難、信息不對稱透明等問題，每個(gè)步驟都被記錄在區(qū)塊鏈上，及時(shí)記錄及時(shí)同步到所有人的鏈上。

對茶產(chǎn)品通過二維碼的形式進(jìn)行溯源，是通過二維碼（Qrcode）記錄產(chǎn)品從種植到銷售全部過程涉及到的全部信息和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)所有產(chǎn)品所有信息全生命周期內(nèi)的信息可溯源、可查詢，以及進(jìn)行售后服務(wù)等，是產(chǎn)品管理的方法之一。二維碼溯源也是溯源方式中較為便捷的一種，有文本型溯源二維碼和網(wǎng)址型溯源二維碼。文本型二維碼主要由文本內(nèi)容構(gòu)成，所有信息都以文本文件的方式存儲于二維碼中，不依賴網(wǎng)絡(luò)掃碼獲取信息，主要用在工業(yè)生產(chǎn)溯源系統(tǒng)。網(wǎng)址型二維碼可在掃描后跳轉(zhuǎn)到特定的網(wǎng)頁，此網(wǎng)頁包含產(chǎn)品涉及到的信息和數(shù)據(jù)，用戶可自行瀏覽網(wǎng)頁獲取有效信息，主要用在生活類產(chǎn)品溯源系統(tǒng)[9-10]。

3.2 區(qū)塊鏈的構(gòu)建

區(qū)塊鏈?zhǔn)且詧D1中所示的區(qū)塊為主要結(jié)構(gòu)首尾相連而形成的一種特殊類型的數(shù)據(jù)庫，每個(gè)區(qū)塊主要由兩部分構(gòu)成，即區(qū)塊頭和區(qū)塊體。區(qū)塊頭有4部分結(jié)構(gòu)：前區(qū)塊哈希、時(shí)間戳、Merkle根、后區(qū)塊哈希。前區(qū)塊哈希和后區(qū)塊哈希用于連接前區(qū)塊和后區(qū)塊，使區(qū)塊能形成完整的區(qū)塊鏈。區(qū)塊體主要將存入鏈上的茶產(chǎn)品數(shù)據(jù)（產(chǎn)地信息、加工信息、成分信息等）通過Hash算法加密，一層一層傳遞至Merkle根，完成信息的儲存，通過不斷的加密算法確保數(shù)據(jù)的安全性；并且區(qū)塊鏈中每次獲得新的數(shù)據(jù)就會隨機(jī)選擇加密算法生成新的區(qū)塊接在區(qū)塊鏈的尾部，一旦生成就不能更改，從而保證茶產(chǎn)品信息不能被人為篡改。

圖1 區(qū)塊鏈的構(gòu)成

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，通過茶場的攝像頭、傳感器等智能設(shè)備對茶場茶葉的生長情況進(jìn)行采集，每隔一定的時(shí)間上傳茶場環(huán)境數(shù)據(jù)和茶葉生長情況；系統(tǒng)會按茶葉的生長周期和采摘時(shí)間，對此類數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同時(shí)間采摘的茶葉的生長環(huán)境參數(shù)。完成采摘之后會根據(jù)生長環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析，給出合適的加工方式以及對生產(chǎn)的茶葉進(jìn)行等級評定，記錄茶葉的加工過程、原產(chǎn)地、微量元素含量等；通過Hash算法對茶葉生長、生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及用戶評價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，生成區(qū)塊，連接形成區(qū)塊鏈，上傳數(shù)據(jù)庫并生成溯源二維碼；用戶通過相關(guān)智能設(shè)備掃描二維碼獲取溯源信息并向系統(tǒng)上傳評價(jià)和建議。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4 系統(tǒng)流程分析

如圖3所示，管理員通過溯源系統(tǒng)對茶葉原產(chǎn)地的環(huán)境參數(shù)、茶葉所含微量元素的種類和數(shù)量、茶葉的加工過程、用戶反饋等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入，溯源系統(tǒng)內(nèi)部的加密算法會對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，其主要是通過區(qū)塊鏈的生成進(jìn)行的，區(qū)塊在形成過程中的Hash算法層層遞進(jìn)加密，使得數(shù)據(jù)被人為篡改和偷盜的可能性變得很小。溯源系統(tǒng)會通過區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合得到溯源二維碼，用戶可掃描二維碼獲取溯源信息和反饋意見。整個(gè)溯源系統(tǒng)由消費(fèi)者和生產(chǎn)商等共同維護(hù)，由于其采用區(qū)塊鏈的形式儲存信息，去掉了傳統(tǒng)的中心服務(wù)器存儲，使得茶產(chǎn)品信息更加安全和真實(shí)，能很好地完成茶產(chǎn)品的溯源。

圖3 系統(tǒng)流程分析

利用區(qū)塊鏈技術(shù)對茶產(chǎn)品溯源，用戶通過溯源二維碼獲取到溯源信息，可以確保茶產(chǎn)品溯源信息的真實(shí)性，讓用戶獲取到更加真實(shí)有效的信息。結(jié)合溯源二維碼、區(qū)塊鏈技術(shù)形成完整的茶產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，構(gòu)建了茶產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的整體框架，完善了系統(tǒng)整體工作流程，讓茶產(chǎn)品溯源實(shí)現(xiàn)了大跨越，解決了以前茶產(chǎn)品溯源的信息可篡改、不完整等問題，更加透明、真實(shí)、可靠。

4 結(jié) 語

新一代技術(shù)催生了數(shù)字經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)了新興業(yè)態(tài)的發(fā)展壯大，引領(lǐng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級轉(zhuǎn)型。站在新的節(jié)點(diǎn)展望，智慧農(nóng)業(yè)正在一點(diǎn)點(diǎn)滲透并改變?nèi)藗兊纳睿苿恿诵乱惠嗈r(nóng)業(yè)科技革命的浪潮。區(qū)塊鏈技術(shù)作為智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，與茶產(chǎn)品溯源的需求相契合，是解決茶產(chǎn)品溯源過程中數(shù)據(jù)分散、記錄信息容易丟失、溯源結(jié)果不可靠等問題的新手段。在實(shí)際應(yīng)用中，將會大力帶動農(nóng)業(yè)的發(fā)展。