區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

陳林蔚

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人工智能學(xué)院,江蘇 南京 210031)

智慧農(nóng)業(yè)在實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)高效、可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用[1],是應(yīng)對未來全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)的必然選擇。但隨著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展,數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全、責(zé)權(quán)歸屬等一系列問題也相伴而生。這些問題為智慧農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一項新興的數(shù)據(jù)信息處理技術(shù),區(qū)塊鏈的核心特性包括去中心化、分布式存儲和安全性,這些特性為智慧農(nóng)業(yè)解決了現(xiàn)有技術(shù)所面臨的一系列問題,特別是在數(shù)據(jù)安全和追溯方面具有明顯優(yōu)勢。區(qū)塊鏈的去中心化使得智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)不依賴于單一的中心機構(gòu)或服務(wù)器,而是由多個節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)共同維護(hù)和驗證數(shù)據(jù)的完整性。這種分布式的數(shù)據(jù)存儲方式使得數(shù)據(jù)更加安全可靠,不易受到單點故障或惡意攻擊的影響。當(dāng)單個節(jié)點出現(xiàn)故障或被攻擊時,其他節(jié)點仍然能夠繼續(xù)運行,確保了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。分布式存儲意味著數(shù)據(jù)被分散存儲在網(wǎng)絡(luò)的多個節(jié)點上,而不是集中存儲在單一的數(shù)據(jù)庫中。這種分布式存儲方式不僅提高了數(shù)據(jù)的容錯性和可用性,還減少了數(shù)據(jù)被篡改或損壞的風(fēng)險。每個數(shù)據(jù)塊都包含了前一個數(shù)據(jù)塊的哈希值,形成了一個鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),任何數(shù)據(jù)的篡改都會被其他節(jié)點檢測到。

區(qū)塊鏈技術(shù)具有強大的安全性。數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈中以加密的形式存儲,并通過密碼學(xué)算法進(jìn)行驗證和授權(quán)。所有參與節(jié)點必須達(dá)成共識才能添加新的數(shù)據(jù)塊,對于智慧農(nóng)業(yè)而言,這意味著農(nóng)作物種植、農(nóng)藥使用、環(huán)境監(jiān)測等數(shù)據(jù)可以被可靠記錄和驗證,確保了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全。區(qū)塊鏈技術(shù)還可以解決智慧農(nóng)業(yè)中的責(zé)權(quán)歸屬問題。由于智慧農(nóng)業(yè)涉及多個參與方,包括農(nóng)民、企業(yè)、供應(yīng)鏈伙伴等,責(zé)權(quán)歸屬往往難以明確。區(qū)塊鏈通過智能合約等機制,可以確保參與方之間的權(quán)益和義務(wù)得到明確和執(zhí)行,提供了一種可信的合作框架。這有助于促進(jìn)各參與方之間的合作和協(xié)調(diào),推動智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展和可持續(xù)性。

區(qū)塊鏈技術(shù)通過去中心化、分布式存儲和安全性等特性,有效解決了智慧農(nóng)業(yè)中的數(shù)據(jù)安全和追溯等問題。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新,相信它將為智慧農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更多支持,并在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

1 智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 智慧農(nóng)業(yè)的概念

智慧農(nóng)業(yè)指的是運用先進(jìn)的信息技術(shù)[2]、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)、無人機技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)手段,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理、決策等環(huán)節(jié)進(jìn)行全面、系統(tǒng)的信息化、智能化改造,以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全等為目標(biāo),使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加智能化、精準(zhǔn)化、集約化[3]、可持續(xù)化,從而實現(xiàn)高效、綠色、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè),智慧農(nóng)業(yè)的特點體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)數(shù)字化管理:智慧農(nóng)業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)采集大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù),通過云計算、區(qū)塊鏈以及大數(shù)據(jù)分析對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測、管理和預(yù)測。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可視化、可控化和智能化。

(2)智能化設(shè)備:智慧農(nóng)業(yè)采用先進(jìn)的設(shè)備和傳感器,可以對農(nóng)作物進(jìn)行實時監(jiān)測和控制,對農(nóng)田土壤、水質(zhì)、氣象等環(huán)境因素進(jìn)行高精度監(jiān)測,這些設(shè)備不僅可以自動執(zhí)行任務(wù),還可以對作物生長過程進(jìn)行快速響應(yīng)和精細(xì)化管理[4],避免了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中存在的大量浪費和環(huán)境污染問題。

(3)生產(chǎn)環(huán)節(jié)優(yōu)化:智慧農(nóng)業(yè)可以對生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整,如對種植、養(yǎng)殖、管理等環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和升級,提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本。

總的來說,智慧農(nóng)業(yè)更加注重數(shù)據(jù)化、精準(zhǔn)化和智能化管理,通過技術(shù)手段實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程監(jiān)測和調(diào)控,達(dá)到了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目的。同時,智慧農(nóng)業(yè)也對農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)環(huán)境帶來積極影響,有利于推動農(nóng)村現(xiàn)代化進(jìn)程,促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長和農(nóng)民增收。

1.2 智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展困境

智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開數(shù)據(jù)的支撐,在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中,包括了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、市場、運輸?shù)榷喾N數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)要經(jīng)過收集、處理、存儲和使用,如果這些數(shù)據(jù)泄露或被攻擊,可能會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會問題。而中國農(nóng)村信息化建設(shè)成熟度不高,沒有健全的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)共享平臺[5],農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主體對信息安全重視不夠,部分智慧農(nóng)業(yè)企業(yè)未能對全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行完整的風(fēng)險評估[6]。

1.2.1 數(shù)據(jù)來源和收集階段 智慧農(nóng)業(yè)需要依靠各種傳感器、探測器、監(jiān)控設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。這些設(shè)備往往需要聯(lián)網(wǎng),這就帶來了網(wǎng)絡(luò)安全問題。一旦設(shè)備被黑客攻擊,就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露或被篡改。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性,數(shù)據(jù)的收集往往面臨著多樣性和分散性的問題。各種傳感器和設(shè)備的數(shù)據(jù)格式和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,導(dǎo)致不同的企業(yè)和組織在食品追溯的標(biāo)準(zhǔn)和流程上存在差異,不利于數(shù)據(jù)交換和共享。

此外,在食品生產(chǎn)和加工過程中,會涉及到多個環(huán)節(jié),包括播種、施肥、灌溉、采摘、加工等,每個環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)來源的真實性和準(zhǔn)確性也是食品追溯的基礎(chǔ)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理和存儲階段 智慧農(nóng)業(yè)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理和分析,這些數(shù)據(jù)具有來源復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)周期長等特點,在數(shù)據(jù)處理和分析過程中,往往需要使用到各種算法和模型,這就帶來了數(shù)據(jù)隱私和安全的問題。另外,智慧農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)量往往非常大,不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)存儲和管理也是一個重要的問題。由于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和管理技術(shù)往往面臨著數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)損壞等問題,并且基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的中心化管理成本難以估量[7],因此需要采用更加安全和可靠的數(shù)據(jù)存儲和管理技術(shù),以實現(xiàn)數(shù)據(jù)可追溯性。

1.2.3 數(shù)據(jù)使用和共享階段 智慧農(nóng)業(yè)往往涉及多個參與方,包括政府、農(nóng)民、消費者和銷售商等。這些參與方之間的數(shù)據(jù)共享和交互會涉及到數(shù)據(jù)隱私和安全的問題[8]。智慧農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)往往需要在不同的應(yīng)用場景中進(jìn)行使用和共享,這些數(shù)據(jù)包括了生產(chǎn)過程中的敏感信息,如生產(chǎn)成本、品種選擇、肥料用量等,如果數(shù)據(jù)被非法使用或泄露,將給農(nóng)民和企業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。

此外,由于數(shù)據(jù)來源分散、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)傳遞方式不規(guī)范等問題,數(shù)據(jù)傳遞和管理變得非常困難,由于缺乏有效的數(shù)據(jù)流通和信息交互,產(chǎn)生信息孤島問題,影響智慧農(nóng)業(yè)的整體效益和質(zhì)量。如何在保證數(shù)據(jù)共享的前提下,保護(hù)用戶的隱私和數(shù)據(jù)安全,是智慧農(nóng)業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景

在智慧農(nóng)業(yè)中,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)會涉及到大量的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和處理,因此數(shù)據(jù)的安全和溯源問題也越來越受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)管理方式往往采用集中式存儲和管理,這種方式存在單點故障、數(shù)據(jù)篡改和信息泄露等風(fēng)險,容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可信。而區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、分布式存儲和安全性,能夠有效解決智慧農(nóng)業(yè)中的數(shù)據(jù)安全和溯源問題?！皡^(qū)塊鏈+農(nóng)業(yè)”已經(jīng)成為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢,區(qū)塊鏈技術(shù)在促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。

2.1 區(qū)塊鏈核心技術(shù)

2.1.1 聯(lián)盟鏈技術(shù) 區(qū)塊鏈分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈三大類[9](表1)。公有鏈?zhǔn)且环N完全去中心化的區(qū)塊鏈,是全球范圍內(nèi)所有人都能訪問的。通過對項目數(shù)據(jù)的讀取、寫入、驗證和共識等行為,實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的有效獲取并存儲。私有鏈?zhǔn)且环N集中式的區(qū)塊鏈,可有選擇地向社會公開,主要應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)管理。因私有鏈的權(quán)限是有限的,所以適用于一些具體的機構(gòu)或者小型的公司,并且是以一群實體為目標(biāo)。

表1 區(qū)塊鏈分類及其特點

聯(lián)盟鏈?zhǔn)欠植际絽^(qū)塊鏈,它的數(shù)據(jù)能供聯(lián)盟中所有成員進(jìn)行讀取和傳輸。在這個區(qū)塊鏈中,所有成員都能決定自己是否加入某個聯(lián)盟,并將自己的決策提交給其他成員進(jìn)行討論和協(xié)商。通過共識協(xié)議使若干組織結(jié)合在一起以實現(xiàn)共同目標(biāo)而建立聯(lián)盟系統(tǒng)。相對于公有鏈節(jié)點過多而造成的效率低下、性能偏低的問題,聯(lián)盟鏈具有較少節(jié)點,可以快速實現(xiàn)信息同步,提高業(yè)務(wù)性能[10]。

2.1.2 數(shù)字簽名 數(shù)字簽名是一種基于非對稱加密的技術(shù),用于驗證信息的發(fā)送者和信息的完整性。發(fā)送者使用自己的私鑰對信息進(jìn)行加密,生成一個數(shù)字簽名。得到權(quán)限的使用者可以通過公鑰查看信息并與數(shù)字簽名進(jìn)行比對。如果解密結(jié)果與數(shù)字簽名匹配,那么可以確定該信息的發(fā)送者是真實可信的,且信息在傳輸過程中未被篡改。

2.1.3 時間戳 時間戳技術(shù)的重要性在于,它防止了對區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)的篡改。由于區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€不可變的分布式賬本,任何對已存在的區(qū)塊進(jìn)行篡改的嘗試都會破壞區(qū)塊鏈的完整性[11]。因為任何對已存在的區(qū)塊進(jìn)行篡改都會改變區(qū)塊的哈希值,進(jìn)而影響到后續(xù)區(qū)塊的鏈接。通過時間戳技術(shù),每個區(qū)塊的時間戳都會被固定在區(qū)塊鏈中,保證了數(shù)據(jù)的時間順序和不可篡改性。

2.1.4 智能合約 智能合約是一種可編程的自動執(zhí)行的合約,可以實現(xiàn)自動化的數(shù)據(jù)管理和控制。在智慧農(nóng)業(yè)中,智能合約可以用來自動記錄和驗證農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯性和透明性。例如,可以使用智能合約記錄每一次農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程,包括播種、施肥、灌溉等信息,并將這些信息存儲在區(qū)塊鏈上。在農(nóng)產(chǎn)品銷售時,消費者可以通過掃描產(chǎn)品上的二維碼來查詢這些信息,保證產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。

2.2 區(qū)塊鏈應(yīng)用場景

2.2.1 區(qū)塊鏈與農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù) 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)涉及農(nóng)田、養(yǎng)殖場等敏感信息,但是數(shù)據(jù)孤島和信息壁壘的問題,限制了數(shù)據(jù)的流動和利用,數(shù)據(jù)的安全性和隱私性也需要一定的保障,區(qū)塊鏈的去中心化、不可篡改性和分布式記賬可以確保數(shù)據(jù)的安全存儲、傳輸和共享,數(shù)據(jù)擁有者可以通過智能合約授權(quán)其他用戶訪問其數(shù)據(jù),從而促進(jìn)跨部門、跨組織的數(shù)據(jù)合作和共享。此外通過分析和挖掘農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù),并將各個環(huán)節(jié)和結(jié)果記錄在區(qū)塊鏈上,消費者可以實現(xiàn)對產(chǎn)品來源、種植、養(yǎng)殖信息的追溯,農(nóng)業(yè)相關(guān)的決策者可以基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的洞察來制定更加精準(zhǔn)和可持續(xù)的農(nóng)業(yè)策略。

2.2.2 區(qū)塊鏈與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),農(nóng)場可以實現(xiàn)對農(nóng)作物、畜禽、農(nóng)業(yè)機械等的全面監(jiān)測和數(shù)據(jù)自動采集。但物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量龐大且分散,涉及到各類傳感器、監(jiān)測設(shè)備等,區(qū)塊鏈技術(shù)能夠有效管理大量設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù),減少了單一故障點的風(fēng)險[12]。此外,采集的數(shù)據(jù)分散在各個設(shè)備中,造成數(shù)據(jù)管理和整合困難,數(shù)據(jù)安全性也面臨重要挑戰(zhàn),將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和共享,任何數(shù)據(jù)的篡改都會被其他節(jié)點發(fā)現(xiàn),此外,通過智能合約技術(shù),可以與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行自動化的交互和執(zhí)行,實現(xiàn)設(shè)備之間的自動協(xié)作,減少中間環(huán)節(jié)和人為干預(yù),提高效率和可靠性。

2.2.3 區(qū)塊鏈與農(nóng)業(yè)金融 區(qū)塊鏈記錄著農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和交易歷史,農(nóng)民可以建立可靠的信用記錄,為金融機構(gòu)提供欲貸款者更全面的信息。農(nóng)民在申請貸款時,銀行、征信公司等機構(gòu)不用提供證明,可以在區(qū)塊鏈上直接提取信息,從而提高農(nóng)民的信用評級和融資機會[13],為他們提供更加個性化和靈活的金融產(chǎn)品和服務(wù)。此外區(qū)塊鏈技術(shù)還可以提供去中心化的金融交易和結(jié)算系統(tǒng),減少金融中介環(huán)節(jié),使得農(nóng)民能夠更便捷地進(jìn)行融資、貸款和支付操作。

2.2.4 區(qū)塊鏈與農(nóng)業(yè)保險 區(qū)塊鏈技術(shù)可以提供透明和可靠的數(shù)據(jù)和驗證。通過將農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和保險合同等相關(guān)數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上,保險公司和農(nóng)民可以共享和訪問數(shù)據(jù),減少欺詐和糾紛的可能性。智能合約的自動執(zhí)行機制可以根據(jù)預(yù)設(shè)條件自動觸發(fā)理賠流程,減少人為干預(yù)和減輕農(nóng)民的負(fù)擔(dān)。區(qū)塊鏈記錄的數(shù)據(jù)可以提供準(zhǔn)確的信息,幫助保險公司快速、準(zhǔn)確地評估風(fēng)險、處理理賠[14]、定價和設(shè)計保險產(chǎn)品,有助于提高保險的可負(fù)擔(dān)性和適應(yīng)性,為農(nóng)民提供個性化的保險。

2.2.5 區(qū)塊鏈與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯 區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域形成有效的追溯體系,能夠確保農(nóng)產(chǎn)品全過程的透明度,通過將農(nóng)產(chǎn)品的種植、養(yǎng)殖、加工和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上,消費者可以追溯產(chǎn)品的全過程,了解產(chǎn)品的來源、生產(chǎn)條件、使用的農(nóng)藥或飼料等詳細(xì)信息,監(jiān)管機構(gòu)可以實時獲取農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)和信息,加強對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)管和追蹤能力[14]。通過區(qū)塊鏈記錄的數(shù)據(jù)和智能合約的機制,農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)可以得到準(zhǔn)確的驗證和認(rèn)證,確保了產(chǎn)品的質(zhì)量安全。

2.2.6 區(qū)塊鏈與供應(yīng)鏈 隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展,供應(yīng)鏈變得越來越復(fù)雜,涉及上百個流程和多個參與主體。這種復(fù)雜性導(dǎo)致了一系列問題,包括信息無法集中保存、各參與主體之間缺乏信任以及信息共享困難[15]。這些問題對于供應(yīng)鏈的可追溯性、透明性和可信度構(gòu)成了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈中,信息的記錄和傳遞往往依賴于中心化的管理機構(gòu)或第三方中介,這會導(dǎo)致信息不對稱和不透明。例如,農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、運輸和銷售環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)可能分散在多個組織和系統(tǒng)中,無法實現(xiàn)全面的信息共享和整合。這使得追溯農(nóng)產(chǎn)品的來源、生產(chǎn)條件、質(zhì)量和安全等信息變得困難,消費者和監(jiān)管部門難以獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),增加了食品安全和質(zhì)量管理的難度。此外,由于供應(yīng)鏈中的參與方眾多,相互之間缺乏信任,且各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)可能受到人為操控,無法保證數(shù)據(jù)的真實性和可信度,存在信息篡改和欺詐的風(fēng)險。這種問題限制了供應(yīng)鏈的高效運作。

區(qū)塊鏈技術(shù)提供了解決這些問題的機制。通過將供應(yīng)鏈中的各個環(huán)節(jié)、節(jié)點的信息和交易記錄存儲在區(qū)塊鏈上,可以實現(xiàn)從原材料采購到生產(chǎn)、加工、物流和銷售等全過程的溯源。每一次的數(shù)據(jù)記錄都會被記錄在區(qū)塊鏈上,形成一個可追溯的數(shù)據(jù)歷史記錄。這使得參與方能夠?qū)崟r、透明地共享和驗證數(shù)據(jù),確保供應(yīng)鏈的可追溯性、透明性和可信度。

區(qū)塊鏈技術(shù)與農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)[16-18]。通過提供去中心化、不可篡改的數(shù)據(jù)記錄和共享機制,區(qū)塊鏈技術(shù)能夠解決農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈中的信息不對稱、信任缺失和信息共享困難等問題。它實現(xiàn)了供應(yīng)鏈的可追溯性、透明性和可信度,促進(jìn)了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量管理和食品安全監(jiān)管,提高了供應(yīng)鏈的運行效率和透明度。

3 區(qū)塊鏈技術(shù)與智慧農(nóng)業(yè)的融合

3.1 應(yīng)用框架

針對智慧農(nóng)業(yè)中數(shù)據(jù)安全和農(nóng)產(chǎn)品追溯問題,應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)可以建立一個可信的、透明的數(shù)據(jù)共享平臺[19],以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的實時監(jiān)控和溯源追蹤,該平臺包含數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、區(qū)塊鏈模塊、數(shù)據(jù)處理與存儲模塊、智能合約模塊以及應(yīng)用模塊(圖1),這些模塊在整個數(shù)據(jù)共享平臺中進(jìn)行協(xié)同工作,實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的實時監(jiān)控和溯源追蹤,為保障農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全提供了有力的技術(shù)支持。

圖1 區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用框架

3.1.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊 該模塊是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ),也是智慧農(nóng)業(yè)中基礎(chǔ)模塊,通過采用物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù),實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集、加密傳輸和共享管理,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和可靠性。這些數(shù)據(jù)包括了種植品種、施肥和灌溉情況等生產(chǎn)數(shù)據(jù),以及農(nóng)產(chǎn)品流通、交易及用戶使用等數(shù)據(jù)[20]。因此需要建立一個可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過安裝各種傳感器和監(jiān)測設(shè)備,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并通過數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)模塊。

輸入的數(shù)據(jù)會經(jīng)過全網(wǎng)廣播給各節(jié)點,鏈上其他各節(jié)點通過共識機制進(jìn)行真實性和完整性查驗,驗證成功后,將信息備份到自己維護(hù)的區(qū)塊中。經(jīng)確認(rèn)后的信息會經(jīng)過哈希算法生成唯一的哈希值,加蓋時間戳,生成不易篡改的新區(qū)塊。該模塊利用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密和傳輸,自動存儲更新智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

3.1.2 區(qū)塊鏈模塊 區(qū)塊鏈模塊是智慧農(nóng)業(yè)中的核心模塊,它能夠增強數(shù)據(jù)的可信度和不可篡改性,從而確保數(shù)據(jù)的安全性和可追溯性。該模塊主要是使用區(qū)塊鏈技術(shù)來實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)中數(shù)據(jù)的存儲和管理,同時也是數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換的核心。通過該模塊,可以將智慧農(nóng)業(yè)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以區(qū)塊鏈的方式進(jìn)行存儲,并保證數(shù)據(jù)的不可篡改性和可追溯性,從而確保數(shù)據(jù)的安全性和可信度。

3.1.3 數(shù)據(jù)處理與存儲模塊 數(shù)據(jù)處理與存儲模塊是智慧農(nóng)業(yè)中非常重要的一部分,它主要負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)借助物聯(lián)網(wǎng)或射頻識別技術(shù)(Radio frequency identification,RFID)等工具進(jìn)行進(jìn)一步處理,并存儲到區(qū)塊鏈中,以保證數(shù)據(jù)的安全性、可信度和完整性。

在該模塊中,數(shù)據(jù)的處理分為兩個主要階段:數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)清洗是指對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。數(shù)據(jù)分析則是基于可追溯性,對交易信息的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行深度挖掘和分析,基于數(shù)據(jù)采集模塊提供的完整數(shù)據(jù)鏈,進(jìn)行多角度深層次分析數(shù)據(jù)的真實性和合理性,從而為智慧農(nóng)業(yè)的決策提供支持。當(dāng)收到預(yù)警信號項目發(fā)生異常情況時,自動將問題匯總發(fā)送給分析人員,分析人員基于區(qū)塊上唯一的跟蹤代碼來實現(xiàn)信息追溯和人工復(fù)核,人工復(fù)核后再經(jīng)過數(shù)據(jù)接口傳送到數(shù)據(jù)處理模塊,如此循環(huán)直到信息確認(rèn)無誤后及進(jìn)行上鏈存儲(圖2)。

RFID:射頻識別技術(shù)。

數(shù)據(jù)存儲則需要通過區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)。在智慧農(nóng)業(yè)中,由于涉及到大量的數(shù)據(jù)采集和處理,因此需要使用分布式存儲的技術(shù)來存儲數(shù)據(jù)[21]。區(qū)塊鏈技術(shù)中的分布式存儲可以有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和共享,并通過智能合約來保證數(shù)據(jù)的訪問和使用的安全性。

3.1.4 智能合約模塊 智能合約是區(qū)塊鏈技術(shù)的核心功能之一,也是智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)追溯方案中不可或缺的一部分。在智慧農(nóng)業(yè)中,智能合約可以用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)驗證、權(quán)限控制、交易自動化等多個功能[21]。智能合約可以被看作是一份自動執(zhí)行的合同,其中包含了事先約定的條款和條件。智能合約的執(zhí)行基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點和算法,無需人為干預(yù),從而保證了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

在智慧農(nóng)業(yè)中,智能合約可以用來驗證農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)、來源和交易記錄(圖3)。當(dāng)一個農(nóng)產(chǎn)品被采摘后,該農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)信息將被輸入到智能合約中。當(dāng)消費者購買這個農(nóng)產(chǎn)品時,智能合約將驗證該農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)信息,并確定該農(nóng)產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn),從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量和消費者的權(quán)益。此外,智能合約還可以用來控制數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限。在智慧農(nóng)業(yè)中,不同類型的數(shù)據(jù)需要不同級別的訪問權(quán)限。例如,農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)信息應(yīng)該只能被農(nóng)場管理人員和政府監(jiān)管機構(gòu)訪問,而農(nóng)產(chǎn)品的銷售信息則可以被銷售商和消費者訪問。智能合約可以根據(jù)事先設(shè)定的訪問規(guī)則,自動控制數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限,從而保證數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。

圖3 智能合約技術(shù)原理

3.1.5 應(yīng)用模塊 該模塊主要是針對不同的智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用場景,進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)和部署。通過該模塊,可以快速構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用,如農(nóng)產(chǎn)品溯源、智能灌溉、智能施肥等,并提供相應(yīng)的接口,以方便其他系統(tǒng)調(diào)用。例如,針對智慧農(nóng)業(yè)中的追溯需求,可以設(shè)計一個基于區(qū)塊鏈的追溯查詢平臺,用戶可以通過該平臺輕松查詢農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、運輸?shù)刃畔22]。應(yīng)用模塊是智慧農(nóng)業(yè)和區(qū)塊鏈融合框架中至關(guān)重要的一環(huán),它決定了區(qū)塊鏈技術(shù)是否能夠真正發(fā)揮作用,為智慧農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有效支持。因此,在應(yīng)用開發(fā)過程中,需要充分考慮用戶需求,靈活運用技術(shù)手段,實現(xiàn)應(yīng)用場景的最優(yōu)化設(shè)計。

4 區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)的成功案例

“步步雞”項目是由眾安科技與沃樸物聯(lián)共同打造的,于2017年6月首次在國內(nèi)公開[23]。該項目與靖江市政府、華源禽業(yè)合作社等合作,在靖江市成立了科技扶貧養(yǎng)殖基地?！安讲诫u”項目整合了區(qū)塊鏈、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和防偽技術(shù),旨在實現(xiàn)對雞成長過程的全程追溯。通過將雞苗的供應(yīng)、養(yǎng)殖、加工、物流等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)全程上鏈,并通過共識算法確保信息的透明性和不可篡改性。在該項目中,每只雛雞都被賦予了獨特的身份碼,也稱為雞牌。這些雞牌內(nèi)置傳感器,能夠?qū)崟r記錄養(yǎng)殖過程中的詳細(xì)數(shù)據(jù)。消費者可以通過掃描雞身上的二維碼獲取溯源信息,其中包括培育記錄、疫苗信息、質(zhì)檢證書等,這樣的可追溯性措施增加了消費者對產(chǎn)品的信任。此外,該項目還與農(nóng)業(yè)保險和農(nóng)業(yè)金融進(jìn)行合作,將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于這些領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)保險機構(gòu)利用區(qū)塊鏈平臺存儲的數(shù)據(jù),可以實時判斷理賠金額并解決養(yǎng)殖戶資金短缺等金融問題。這種合作為養(yǎng)殖戶提供了更及時、準(zhǔn)確的理賠服務(wù),并通過區(qū)塊鏈的不可篡改性確保數(shù)據(jù)的可信度。

5 結(jié)論

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分,區(qū)塊鏈技術(shù)也逐漸成為智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)。本文圍繞智慧農(nóng)業(yè)在數(shù)據(jù)安全和追溯方面面臨的困境,分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。總的來說,區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的安全存儲和有效追溯,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的透明度和公正性,降低生產(chǎn)成本,改善農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。同時,區(qū)塊鏈技術(shù)也為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了新的思路和方向。