基于區(qū)塊鏈的多鏈金銀花溯源系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)＊

袁鑫

（湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410006）

0 引言

金銀花具有清熱解毒與消炎退腫等功效，主要在飲料、花茶、中成花、中藥飲片等產(chǎn)品中使用。受疫情影響，作為中藥防疫用藥的金銀花的社會(huì)消費(fèi)量激增，根據(jù)天地云圖中藥產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)估算的數(shù)據(jù)，2021 年國內(nèi)金銀花產(chǎn)量達(dá)到1.61 萬t，與2020年相比增長7.33%；按照2021 年金銀花的年度均價(jià)計(jì)算，國內(nèi)金銀花市場(chǎng)規(guī)模約為18.75 億元，預(yù)計(jì)未來市場(chǎng)規(guī)模會(huì)有所縮小，但作為飲料與花茶的市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)增長。然而，市場(chǎng)近年來出現(xiàn)了以次充好、硫黃熏制的劣質(zhì)金銀花，主要是部分企業(yè)或農(nóng)戶貼牌、以次充好等行為擾亂了市場(chǎng)秩序［1］。因銷售渠道復(fù)雜，導(dǎo)致相關(guān)部門很難做到全面監(jiān)控與管理，嚴(yán)重影響了特色農(nóng)產(chǎn)品金銀花的市場(chǎng)競(jìng)爭力與產(chǎn)品信譽(yù)度［2］。

隆回縣是湖南省典型的農(nóng)業(yè)大縣，位于北緯27°，具有四季分明、雨水充足、含硒量高等優(yōu)越的地理?xiàng)l件，是種植金銀花的適宜地區(qū)之一。在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，“一縣一特”金銀花產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步建成，隆回縣成為中國生產(chǎn)規(guī)模最大的原生態(tài)種植區(qū)，金銀花產(chǎn)業(yè)也形成以政府、企業(yè)、基地、合作社與用戶共同種植經(jīng)營的良好局面，正在逐步推行一些新的農(nóng)業(yè)合作模式，如“公司+農(nóng)戶”“基地+農(nóng)戶”“合作社+農(nóng)戶”［3］。這些模式推動(dòng)了不同的農(nóng)業(yè)主體與農(nóng)戶進(jìn)行合作，共同發(fā)展農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，通過這些合作模式，農(nóng)戶可以獲得更多的支持和資源，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。同時(shí)，有助于促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。將優(yōu)質(zhì)金銀花產(chǎn)業(yè)鏈做大做強(qiáng)，需要更穩(wěn)定的消費(fèi)信譽(yù)，因此開發(fā)一套適合隆回縣金銀花的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)就顯得尤為重要。通過對(duì)前人的文獻(xiàn)資料進(jìn)行整理與分析，本文發(fā)現(xiàn)目前對(duì)于區(qū)塊鏈技術(shù)如何具體應(yīng)用到特色農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈及其關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)的研究較少，缺乏區(qū)塊鏈環(huán)境下特色農(nóng)產(chǎn)品電子追溯系統(tǒng)開發(fā)的深入研究，特別是針對(duì)金銀花的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)研究還是空白。本文研究應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)金銀花的種植、加工、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)到銷售的全過程進(jìn)行監(jiān)管，使產(chǎn)品信息全過程透明化，提高消費(fèi)者對(duì)所購買產(chǎn)品質(zhì)量安全的信任度，促進(jìn)市場(chǎng)的良性發(fā)展。

1 金銀花溯源系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

金銀花質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)包括正向追蹤與逆向溯源，正向追蹤是消費(fèi)者可以對(duì)金銀花從種植、加工、運(yùn)輸倉儲(chǔ)到銷售過程中的信息進(jìn)行正向的追蹤；逆向溯源是消費(fèi)者通過采購到的產(chǎn)品相關(guān)信息，查詢金銀花從供應(yīng)鏈的下游到上游的全過程中的所有質(zhì)量安全信息。目前，在金銀花質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)中，常用的關(guān)鍵技術(shù)有物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感、區(qū)塊鏈等。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是一種集成無線射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備的系統(tǒng)。按照某種特定的需求與流程，實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)、交換和共享。視頻監(jiān)控技術(shù)和無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是物聯(lián)網(wǎng)中至關(guān)重要的技術(shù)，視頻監(jiān)控技術(shù)可以通過攝像頭和傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄環(huán)境中的動(dòng)態(tài)信息，可用于安全監(jiān)控、行為分析和智能決策等，無線射頻識(shí)別技術(shù)利用無線電波實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別和追蹤，可以用于物品的管理、追蹤和定位等。這兩種技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中扮演著重要角色，為實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化和精細(xì)化管理提供了基礎(chǔ)。金銀花從種植到銷售的各個(gè)環(huán)節(jié)，在每一個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)設(shè)置視頻監(jiān)控，記錄各環(huán)節(jié)的重要信息，如消費(fèi)者最關(guān)心的加工過程，視頻實(shí)時(shí)記錄加工環(huán)境、人員、技術(shù)工藝等信息，讓監(jiān)管部門、企業(yè)和消費(fèi)者能夠隨時(shí)跟蹤到相關(guān)信息，最大限度地保障了金銀花加工的質(zhì)量安全。

1.2 無線傳感技術(shù)

雖然金銀花的種植對(duì)土壤質(zhì)量要求不高，但pH值在5.50～7.80 范圍內(nèi)的土壤更有利于金銀花的健康生長，所以可以通過無線土壤pH 傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤pH 值的變化，通過無線土壤水分傳感器檢測(cè)土壤濕度的變化。通常，加工金銀花有曬干和烘干2 種主要方式。其中，烤房烘干的方式，要經(jīng)歷多次調(diào)溫，初烘時(shí)溫度控制在30～35 ℃，烘2 h 后溫度升至40 ℃左右，烘5～10 h，溫度要達(dá)到45～50 ℃，最后將溫度升至55～60 ℃，使金銀花迅速干透。因此，在金銀花加工車間安裝無線溫度傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)烤房的溫度，能確保加工過程的有序進(jìn)行，使金銀花達(dá)到干燥標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 區(qū)塊鏈技術(shù)

相對(duì)使用傳統(tǒng)的標(biāo)簽技術(shù)、無線傳感器、RFID等方式記錄溯源信息，采用區(qū)塊鏈技術(shù)的金銀花溯源系統(tǒng)透明性和安全性更高，主要利用區(qū)塊鏈的去中心化、不可篡改、開放性、信任機(jī)制、可追溯等技術(shù)特性，讓各環(huán)節(jié)真正透明、安全與可追溯。依據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景與工作方式，區(qū)塊鏈一般分為公共鏈、私有鏈與聯(lián)盟鏈。公共鏈?zhǔn)峭耆行幕模魏稳硕伎梢噪S時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，因?yàn)樵L問量大，所以數(shù)據(jù)處理速度不高；私有鏈由某個(gè)企業(yè)或者機(jī)構(gòu)進(jìn)行管理，不對(duì)外開放，雖然運(yùn)行速度高，但是不適合溯源系統(tǒng)開放的需求；聯(lián)盟鏈介于公共鏈與私有鏈之間，多個(gè)有權(quán)限的機(jī)構(gòu)可以進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行管理，具有多中心化的特點(diǎn)。

2 基于區(qū)塊鏈的多鏈溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 金銀花供應(yīng)鏈業(yè)務(wù)流程分析

金銀花供應(yīng)鏈包括種植、加工、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、銷售等環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的金銀花追溯系統(tǒng)通過掃描商品包裝外的二維碼，可以顯示產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品位置、產(chǎn)品規(guī)格等部分信息，但無法追溯供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)信息，如生產(chǎn)車間、運(yùn)輸環(huán)境的溫度、濕度等?；趨^(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的溯源系統(tǒng)可以有效改善這一問題。

金銀花供應(yīng)鏈從金銀花種植開始，種植企業(yè)在該環(huán)節(jié)中利用無線土壤pH 傳感器與無線土壤水分傳感器選擇并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤的pH 值與濕度值，然后選擇肥沃的土壤對(duì)金銀花進(jìn)行合理密植，在此環(huán)節(jié)中要記錄肥料批次、種植產(chǎn)品批次、種植日志及檢驗(yàn)信息等。

金銀花采收后進(jìn)入加工環(huán)節(jié)，這是保證金銀花質(zhì)量安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此環(huán)節(jié)要記錄加工產(chǎn)品批次、加工日志及檢驗(yàn)信息等，加工過程操作是否規(guī)范、加工工藝和包裝工藝等都會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量安全。不同規(guī)格的產(chǎn)品要根據(jù)劃分的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工處理，一般采用曬干和烘干兩種方式加工，通過“三無”檢測(cè)環(huán)節(jié)，完成無硫黃、無硝酸鹽、無重金屬殘留等符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品生產(chǎn)，使用符合標(biāo)準(zhǔn)的包裝材料將其包裝成商品，并附上溯源防偽二維碼。

金銀花在運(yùn)輸、倉儲(chǔ)與銷售環(huán)節(jié)中要注意環(huán)境的溫度、濕度等，以及是否具有通風(fēng)、除塵、消防、防蟲與防鼠害等設(shè)施，并應(yīng)利用無線溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在金銀花溯源系統(tǒng)中，要對(duì)運(yùn)輸企業(yè)、運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸車輛等信息進(jìn)行采集。

顧客購買金銀花產(chǎn)品后，可以通過掃描產(chǎn)品包裝上的溯源防偽二維碼追溯產(chǎn)品的來源和真?zhèn)?。若銷售中出現(xiàn)質(zhì)量安全問題，銷售企業(yè)與消費(fèi)者可以雙向追溯，及時(shí)召回問題產(chǎn)品，并將問題提交至上層環(huán)節(jié)。

2.2 多鏈溯源系統(tǒng)信息與存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

金銀花溯源系統(tǒng)采用Hyperledger Fabric 聯(lián)盟鏈進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)［4］。通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)采集每個(gè)環(huán)節(jié)上的數(shù)據(jù)信息，通過區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)并加密。Hyperledger Fabric 是一個(gè)具備創(chuàng)建多通道能力的區(qū)塊鏈框架，它允許用戶在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建多個(gè)獨(dú)立的通道，并為每個(gè)通道創(chuàng)建獨(dú)立的交易賬本，這意味著不同的參與方可以在不同的通道上進(jìn)行交易，而這些交易將被記錄在各自的賬本中。這種設(shè)計(jì)使得Hyperledger Fabric更加靈活，因?yàn)椴煌臉I(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立地管理和維護(hù)自己的交易數(shù)據(jù)，不會(huì)相互干擾。同時(shí)，每個(gè)通道的參與方也可以更加精確地控制訪問和參與該通道的交易活動(dòng)的權(quán)限，這為企業(yè)和組織提供更高的隱私和安全性?？傊?，Hyperledger Fabric 的多通道功能為區(qū)塊鏈應(yīng)用的部署和管理提供了更高的靈活性和定制性，并且為不同的溯源主體設(shè)置不同的權(quán)限，利用跨鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)各條主條鏈之間的數(shù)據(jù)共享，有效地滿足網(wǎng)絡(luò)速率、隱私保護(hù)、權(quán)限共享、可信溯源等功能需求。

從以往的研究文獻(xiàn)中可知，單鏈結(jié)構(gòu)的溯源系統(tǒng)存在存儲(chǔ)負(fù)荷重、并行能力弱等缺點(diǎn)，于是在金銀花溯源系統(tǒng)中引入多鏈結(jié)構(gòu)。在金銀花供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)中，需要提供4 個(gè)不同溯源服務(wù)的主體，分別為生產(chǎn)企業(yè)、上下游企業(yè)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)與消費(fèi)者，結(jié)合供應(yīng)鏈中的種植、加工、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、銷售5個(gè)環(huán)節(jié)，共同構(gòu)成溯源系統(tǒng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫。針對(duì)不同溯源主體的溯源需求，設(shè)計(jì)多鏈溯源存儲(chǔ)架構(gòu)模型（如圖1 所示），其中隱私鏈只對(duì)生產(chǎn)企業(yè)開放，主要記錄具有企業(yè)核心且不能公開的數(shù)據(jù)信息；共享鏈對(duì)上下游企業(yè)開放，主要實(shí)現(xiàn)與上下游企業(yè)的信息對(duì)接與共享；監(jiān)管鏈對(duì)企業(yè)監(jiān)管部門或監(jiān)管機(jī)構(gòu)開放，主要向企業(yè)提供各環(huán)節(jié)的資質(zhì)與檢測(cè)報(bào)告，一旦遇到風(fēng)險(xiǎn)或者不合格的指標(biāo)參數(shù)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)會(huì)第一時(shí)間反饋給企業(yè)，督促企業(yè)整改，為企業(yè)的規(guī)范性操作嚴(yán)格把關(guān)；溯源鏈面向消費(fèi)者和上下游企業(yè)開放，消費(fèi)者通過掃描二維碼可以直接查看購買的產(chǎn)品各環(huán)節(jié)的相關(guān)信息，解決了消費(fèi)者與產(chǎn)品生產(chǎn)者之間信息不對(duì)稱的難題［5］。

圖1 多鏈溯源存儲(chǔ)架構(gòu)模型

不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)由不同主體采集與管理。表1為金銀花溯源系統(tǒng)多鏈信息表。在種植、加工、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸與銷售等環(huán)節(jié)，由金銀花供應(yīng)鏈上各主體提交數(shù)據(jù)。每個(gè)環(huán)節(jié)有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)表，根據(jù)溯源主體設(shè)置數(shù)據(jù)表的訪問與管理權(quán)限。金銀花溯源系統(tǒng)采用Mysql 數(shù)據(jù)庫與RocksDB 數(shù)據(jù)庫，Mysql 數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，RocksDB數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，它們?cè)谔幚泶罅繑?shù)據(jù)時(shí)，性能出色且安全可靠。結(jié)合系統(tǒng)需求，主要的數(shù)據(jù)表有企業(yè)信息表（編號(hào)、企業(yè)名稱、企業(yè)類型、企業(yè)簡介、企業(yè)資質(zhì)等），其中企業(yè)類型包括種植企業(yè)、加工企業(yè)、倉儲(chǔ)企業(yè)、運(yùn)輸企業(yè)與銷售企業(yè)5 種；管理員信息表（管理員編號(hào)、管理員類型、管理員姓名等），其中管理員類型包括超級(jí)系統(tǒng)管理員、本企業(yè)管理員及上下游企業(yè)管理員、監(jiān)管機(jī)構(gòu)管理員4種；產(chǎn)品信息表（產(chǎn)品編號(hào)、產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品品種等）；種植信息表（種植企業(yè)、種植品種、種植數(shù)量、種植環(huán)境等）；加工信息表（加工企業(yè)、加工規(guī)格、加工數(shù)量、加工環(huán)境等）；倉儲(chǔ)信息表（加工企業(yè)、倉儲(chǔ)位置、產(chǎn)品數(shù)量、入庫時(shí)間等）；運(yùn)輸信息表（運(yùn)輸企業(yè)、運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸工具、運(yùn)輸環(huán)境等）；銷售信息表（銷售企業(yè)、銷售時(shí)間、銷售數(shù)量、銷售環(huán)境等），以上信息表保存了金銀花的基礎(chǔ)信息，通過設(shè)置不同數(shù)據(jù)表中的主鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各表之間的關(guān)聯(lián)，隨時(shí)實(shí)現(xiàn)多鏈不同環(huán)節(jié)的信息采集、共享、交換與管理。

表1 金銀花溯源系統(tǒng)多鏈信息表

2.3 多鏈溯源系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

在區(qū)塊鏈的6層架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合金銀花供應(yīng)鏈過程設(shè)計(jì)金銀花溯源系統(tǒng)總體框架（如圖2所示）。根據(jù)功能的不同劃分為數(shù)據(jù)采集層、存儲(chǔ)層、網(wǎng)絡(luò)層、合約層、接口層與應(yīng)用層。

圖2 金銀花溯源系統(tǒng)總體框架

數(shù)據(jù)采集層通過視頻設(shè)備、傳感設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)采集設(shè)備采集鏈下供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，確保上鏈數(shù)據(jù)的真實(shí)性，通過數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析等一系列操作完成數(shù)據(jù)處理。

存儲(chǔ)層由數(shù)據(jù)庫、IPFS 文件系統(tǒng)協(xié)議和區(qū)塊鏈共同組成，其中本地?cái)?shù)據(jù)庫用來存儲(chǔ)共享數(shù)據(jù)，企業(yè)被保護(hù)的隱私數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫；IPFS 文件系統(tǒng)中存儲(chǔ)通過Merkle（哈希樹）驗(yàn)證數(shù)據(jù)內(nèi)容的有效性與安全性，保障區(qū)塊數(shù)據(jù)的完整性；分布式賬本中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有與中心賬本相同的賬本副本，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)的去中心化與透明化，以確保數(shù)據(jù)在每個(gè)環(huán)節(jié)不被篡改。

網(wǎng)絡(luò)層主要包括P2P（對(duì)等網(wǎng)絡(luò)）、POS（以太坊的權(quán)益證明）等共識(shí)機(jī)制與智能合約［7］。在共識(shí)機(jī)制下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在交易集達(dá)成共識(shí)后，按照順序驗(yàn)證使用交易集中的每一筆交易，最終得到一個(gè)狀態(tài)樹根哈希，并結(jié)合區(qū)塊號(hào)與時(shí)間戳等構(gòu)建區(qū)塊頭信息，根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)新區(qū)塊的投票結(jié)果判斷是否驗(yàn)證通過［8］。

合約層中智能合約建立數(shù)字身份和進(jìn)行身份驗(yàn)證，在分布式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理時(shí)，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備之間的自動(dòng)交互；在供應(yīng)鏈管理時(shí)，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的自動(dòng)化與透明化，確保信息的公正度、有效性與可追溯。

接口層提供多種協(xié)議的RPC（遠(yuǎn)程過程調(diào)用）接口、SDK（軟件開發(fā)工具包）和交互式控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈鏈上、鏈下數(shù)據(jù)的查詢、上傳、共享、驗(yàn)證、加密等功能。

應(yīng)用層為實(shí)際使用的消費(fèi)者、企業(yè)或機(jī)構(gòu)提供服務(wù)，主要包括監(jiān)管機(jī)構(gòu)、消費(fèi)者與供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)企業(yè)等，用戶借助電腦或移動(dòng)終端可以查詢自身權(quán)限范圍內(nèi)的功能和服務(wù)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)單鏈溯源系統(tǒng)存儲(chǔ)負(fù)荷重、并行能力弱等問題，提出了多鏈溯源信息與存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)采集與區(qū)塊鏈技術(shù)的金銀花溯源系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)安全可靠且不可被篡改，接口層具有可拓展性，在金銀花供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)中采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，能追溯到相應(yīng)環(huán)節(jié)的企業(yè)，及時(shí)召回有問題的產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)完成后，下一步將進(jìn)入系統(tǒng)應(yīng)用階段，主要包括施工和運(yùn)維的二次開發(fā)，確保金銀花產(chǎn)品在產(chǎn)業(yè)鏈全過程的質(zhì)量安全。