基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的溯源系統(tǒng)研究

【摘" 要】 該研究將物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)用于農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，以提升系統(tǒng)的效率可信度。通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，結(jié)合區(qū)塊鏈的不可篡改和去中心化特性，使用DAG和Fabric-CA技術(shù)提高區(qū)塊鏈的效率，應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)養(yǎng)殖管理、商品包裝管理、運(yùn)輸倉儲管理、批發(fā)零售管理等業(yè)務(wù)中。本研究有效解決了傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)中的信息錄入錯誤、不及時和人工錄入隱瞞信息等問題，提高了溯源系統(tǒng)的效率，并節(jié)省了成本。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品信息的可信度和透明度，提高食品安全水平，并為消費(fèi)者提供更加可靠的選擇依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；區(qū)塊鏈

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題是當(dāng)前備受關(guān)注的社會難題。目前，我國大部分蔬菜供應(yīng)鏈仍依賴人工作業(yè)，導(dǎo)致信息反饋不暢、難以掌控和窩工現(xiàn)象的頻繁發(fā)生。同時，財務(wù)和車輛等方面的管理也存在大量的人力、物力、財力的浪費(fèi)問題，建立農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)尤為重要。溯源系統(tǒng)能夠記錄農(nóng)產(chǎn)品的相關(guān)信息，讓消費(fèi)者放心食用，并追溯生產(chǎn)地點(diǎn)和加工環(huán)節(jié)，有助于質(zhì)量控制和食品安全。通過優(yōu)化供應(yīng)鏈和引入自動化管理，可以提高效率和質(zhì)量。此外，溯源系統(tǒng)提供更多透明度和可追溯性，幫助消費(fèi)者選擇安全健康的產(chǎn)品。因而，建立農(nóng)產(chǎn)品溯源操作系統(tǒng)是處理質(zhì)量安全問題重要舉措，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展并維護(hù)人類身心健康。

一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溯源系統(tǒng)中的運(yùn)用

物聯(lián)網(wǎng)是根據(jù)物品編碼、RFID技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)，將某一總體目標(biāo)物件與互聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)相連接，它是一個信息交換、通信系統(tǒng)處理信息系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和追蹤。

實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實時監(jiān)測。通過在農(nóng)田、溫室或養(yǎng)殖場等地部署傳感器和設(shè)備，可以實時監(jiān)測土壤濕度、溫度、光照等環(huán)境參數(shù)以及農(nóng)作物或畜禽的生長情況。這些信息能通過物聯(lián)網(wǎng)傳送到云平臺，供農(nóng)民和有關(guān)管理人員隨時查看與分析，及時解決問題并采取相應(yīng)措施。

實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集和追蹤。通過在運(yùn)輸車輛、倉庫和銷售點(diǎn)等地部署傳感器和標(biāo)簽，可以實時采集農(nóng)產(chǎn)品的溫度、濕度、位置等信息。這些數(shù)據(jù)可通過物聯(lián)網(wǎng)連接到云平臺，形成完整的農(nóng)產(chǎn)品流通數(shù)據(jù)鏈條，方便追溯產(chǎn)品的來源和流通情況。

實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和安全的監(jiān)控。通過在農(nóng)產(chǎn)品包裝或標(biāo)簽上嵌入傳感器和標(biāo)識碼，可以實時監(jiān)測產(chǎn)品的溫度、濕度、震動等參數(shù)，以及產(chǎn)品的防偽和溯源信息。用戶可以根據(jù)掃描儀標(biāo)識碼或使用手機(jī)應(yīng)用程序，獲得產(chǎn)品的詳細(xì)信息，包含生產(chǎn)制造地址、生產(chǎn)過程、質(zhì)量檢測等，保證產(chǎn)品質(zhì)量以及安全系數(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)提供了實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和追蹤的解決方案。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)連接和信息共享，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)與流通環(huán)節(jié)信息化智能化，提升產(chǎn)品質(zhì)量和安全性，達(dá)到消費(fèi)者對農(nóng)產(chǎn)品的要求。

二、區(qū)塊鏈技術(shù)在溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N數(shù)據(jù)分布式賬本，根據(jù)加密算法和存儲技術(shù)等搭建，確保所記錄的買賣交易的完整性和真實性。區(qū)塊鏈技術(shù)中數(shù)據(jù)要以去中心化的分布式存儲方法保存，區(qū)塊鏈技術(shù)具備防篡改性、交易可追溯性、交易私密性等優(yōu)點(diǎn)。區(qū)塊鏈應(yīng)用能夠確保鏈上數(shù)據(jù)的防篡改和可追溯性，因而在商品從研發(fā)到商品流通的過程中可以實現(xiàn)詳細(xì)信息記錄，為監(jiān)督機(jī)構(gòu)提供產(chǎn)品全方位數(shù)據(jù)信息，使之能夠更有效地進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢驗及數(shù)據(jù)互連互享。區(qū)塊鏈技術(shù)在溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以提高其安全性、透明性和可信度，如在農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中應(yīng)用。

確保農(nóng)產(chǎn)品信息的安全性。每一筆交易和信息都被記錄在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，由多個節(jié)點(diǎn)驗證和存儲，使得數(shù)據(jù)不易被篡改或刪除。這種安全性保障可以有效防止信息的偽造、篡改或丟失，確保溯源信息的準(zhǔn)確性和可靠性。

提供農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的透明性。全部參與者都可以在區(qū)塊鏈上查詢和測試相關(guān)信息，包含生產(chǎn)制造地址、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)等。由于區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)共享和透明，消費(fèi)者可以追溯農(nóng)產(chǎn)品的整個流通過程，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。

增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的可信度。由于區(qū)塊鏈的去中心化特性，沒有單一的機(jī)構(gòu)或個人能夠操縱數(shù)據(jù)或控制信息流。所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過多個節(jié)點(diǎn)的驗證和共識，提高了信息的可信度和合法性。這種體制能夠減少信息造假和欺詐個人行為，提升消費(fèi)者對農(nóng)產(chǎn)品的信任度。

區(qū)塊鏈技術(shù)為農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)軟件帶來了安全性、透明和可信的解決方案。根據(jù)利用區(qū)塊鏈技術(shù)的特性，保證農(nóng)產(chǎn)品信息的真實性和完整性，為消費(fèi)者挑選安全系數(shù)高、健康的生活農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，推動農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

三、物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的海量接入，建設(shè)高性能可擴(kuò)展性的物聯(lián)網(wǎng)平臺，并使用物聯(lián)網(wǎng)的各類傳感器實現(xiàn)自動的數(shù)據(jù)采集。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總數(shù)快速增加，對服務(wù)的需求也在不斷增加，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)方式面臨著很大的挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈技術(shù)的核心是分布式計算，及其分布式計算條件下的群體可信協(xié)作體制。區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式計算和人群可靠協(xié)作體制，為了解決物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所面臨的可擴(kuò)展性、協(xié)作能力、信任感與安全防護(hù)等方面考驗帶來了全新的思路和解決方法。

使用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺，可“去中心化”地將各類物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、能力系統(tǒng)、應(yīng)用及服務(wù)等有效連接融合，促進(jìn)其相互協(xié)作，降低成本的同時，最大限度地滿足信任建立、交易加速、海量連接等需求。使用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺，被稱為物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈（BoT），它支持物聯(lián)網(wǎng)實體在“去中心化”的模式下相互協(xié)作。區(qū)塊鏈技術(shù)在算法和共識機(jī)制上合理解決了各連接點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸實效性與真實性，規(guī)范了傳統(tǒng)式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)追溯的缺點(diǎn)，確保上線信息的真實性和完好性。在以太網(wǎng)覆蓋下，通過識別RFID標(biāo)簽，將農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、流通、零售全程數(shù)據(jù)發(fā)送至追溯中心進(jìn)行上鏈，完成農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈多方數(shù)據(jù)協(xié)同記錄，實現(xiàn)原產(chǎn)地追溯與跨境追溯。采用RFID標(biāo)簽，將產(chǎn)品從生產(chǎn)到銷售各環(huán)節(jié)的每筆交易信息以區(qū)塊鏈賬本形式完整儲存于各區(qū)塊中，區(qū)塊之間通過散列值鏈接，實現(xiàn)多主體的多點(diǎn)同時記賬。

區(qū)塊鏈因其“不可篡改”“共識機(jī)制”和“去中心化”等特點(diǎn)，對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生了重要的影響。這種危害包含減少去中心化架構(gòu)高額運(yùn)維成本費(fèi)、維護(hù)客戶數(shù)據(jù)和個人隱私、保證系統(tǒng)安全性、完成數(shù)據(jù)追本溯源及其推動網(wǎng)間協(xié)作。根據(jù)真實身份權(quán)限管理和多方面共識，可以檢測并阻攔違法節(jié)點(diǎn)接入，避免惡意節(jié)點(diǎn)的作惡。與此同時，區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式架構(gòu)和行為主體對等的特征有利于擺脫信息荒島，以成本低創(chuàng)建互信，推動信息的縱向移動和網(wǎng)間合作。

四、溯源系統(tǒng)設(shè)計

（一）系統(tǒng)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用，使用Hyperledger Fabric聯(lián)盟鏈技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)與MQTT物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，構(gòu)建平臺總體技術(shù)架構(gòu)，通過Hyperledger Fabric構(gòu)建基礎(chǔ)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，并對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況進(jìn)行了實時監(jiān)控。實時監(jiān)控物資存儲，確保物資出入庫的安全。加強(qiáng)物資監(jiān)管，減少和杜絕非法流出。使用標(biāo)簽識別技術(shù)，提高物資識別的準(zhǔn)確性，減少人為錯誤，提高庫存準(zhǔn)確率，完成合理庫存管理和控制，快速、高效地流轉(zhuǎn)物資，提供物資歷史和現(xiàn)階段事務(wù)統(tǒng)計報表，為決策者提供精確信息，記錄物資管理員的工作時間，把握他的工作效率，增強(qiáng)對他們的管理方法，將物資單據(jù)的紙質(zhì)信息轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)，簡化查詢步驟，提高查詢速度。

區(qū)塊鏈技術(shù)能夠支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的拓展，構(gòu)建高效率、安全分布式物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)，并構(gòu)建數(shù)據(jù)信息密集型運(yùn)用。它帶來了信任機(jī)制，確保所有權(quán)、交易等記載的可信性、可靠性和透明性，與此同時，維護(hù)用戶隱私。這種改進(jìn)有助于推動物聯(lián)網(wǎng)向更為靈活化、智能化最高級的形狀演進(jìn)。

（二）系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)，構(gòu)建了一個結(jié)合感應(yīng)器收集、無線傳輸、Web運(yùn)用和二維碼等新技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為四個層次：

物理層：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)感應(yīng)器收集農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)信息，包含生長發(fā)育環(huán)境、生產(chǎn)制造環(huán)境運(yùn)輸環(huán)境的信息。生長自然環(huán)境數(shù)據(jù)包括溫度、環(huán)境濕度、光照和生長日期等，工作環(huán)境數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)過程生產(chǎn)日期等，運(yùn)輸自然環(huán)境數(shù)據(jù)包括運(yùn)輸?shù)刂?、方式等?/p>

數(shù)據(jù)存放層：選用區(qū)塊鏈技術(shù)，將數(shù)據(jù)以鏈?zhǔn)酱娣诺男问竭M(jìn)行存放，對溯源數(shù)據(jù)開展高效管理，保證數(shù)據(jù)的安全性。如下圖1所顯示，該系統(tǒng)區(qū)塊鏈區(qū)塊信息包括區(qū)塊頭部和區(qū)塊體，區(qū)塊頭由區(qū)塊hash值、時間格式、Merkle樹桿、難度系數(shù)總體目標(biāo)等信息，區(qū)塊行為主體包含數(shù)據(jù)交易的信息類型、哈希函數(shù)、密匙等信息和溯源系統(tǒng)的信息，根據(jù)無線傳感器收集到的農(nóng)產(chǎn)品田地、溫室大棚或養(yǎng)殖場農(nóng)產(chǎn)品生長發(fā)育信息、制造廠包裝加工信息、貨運(yùn)物流中運(yùn)送存儲等信息。

數(shù)據(jù)傳輸層：數(shù)據(jù)傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信，通過使用RFID掃描儀或NFC讀卡器將產(chǎn)品編號等溯源信息廣播在DAG（Directed Acyclic Graph）中。DAG即有向無環(huán)圖，DAG的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)單元的寫入操作是異步的，大量的客戶端可以獨(dú)立、異步地將交易數(shù)據(jù)寫入DAG，DAG結(jié)構(gòu)下區(qū)塊的區(qū)塊頭可以包含多個區(qū)塊的哈希值，指向不同的前代區(qū)塊，單位時間內(nèi)打包的交易變多。根據(jù)使用DAG作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，解決了傳統(tǒng)區(qū)塊鏈的高并發(fā)難題，并提高了容量的速度和。以最低的成本開展擴(kuò)展，應(yīng)用好幾條DAG作為存放，維護(hù)真正交易信息和敏感數(shù)據(jù)。單條聯(lián)盟鏈作為核心，給予公布溯源數(shù)據(jù)信息上弦，及其智能合約高效運(yùn)行Fabric-CA申請注冊組員作用。Fabric-CA技術(shù)性提供了可插拔的架構(gòu)設(shè)計，適用的共識、權(quán)限設(shè)置、加解密和賬簿體制控制模塊，同時具有多通道特性完成數(shù)據(jù)隔離，還提供身份證件書管理服務(wù)，提高了可靠性和可擴(kuò)展性。

數(shù)據(jù)展示層：利用二維碼技術(shù)向客戶展示有序、合理的溯源信息。二維碼具備多種多樣編號種類和大容量信息特征，能夠展現(xiàn)產(chǎn)品名稱、產(chǎn)地、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、生存環(huán)境等信息。此外，二維碼還可以編碼圖片、文字鏈接等相關(guān)信息，提升溯源系統(tǒng)的多樣性。結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)和加密手段，進(jìn)一步保障農(nóng)產(chǎn)品的安全性。

五、結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈技術(shù)有助于處理與農(nóng)業(yè)農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)的痛點(diǎn)。一方面，主要是通過物聯(lián)網(wǎng)提高農(nóng)牧業(yè)效率，連接孤立產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，造就增量使用價值。另一方面，依托區(qū)塊鏈技術(shù)連接農(nóng)牧業(yè)數(shù)據(jù)創(chuàng)新要素，創(chuàng)建全程信用監(jiān)管管理體系，引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食品市場領(lǐng)域內(nèi)的革命性更新。這項技術(shù)融合發(fā)揮了物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的優(yōu)勢，完成了物件信息的全面掌握和信息可信。

在二維碼和RFID技術(shù)基礎(chǔ)上引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，用于產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，確保產(chǎn)品任何環(huán)節(jié)的問題都可追溯，并提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。它通過物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)自動監(jiān)測、采集、儲存區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)，提高溯源效率，節(jié)省了人工記錄和監(jiān)管成本。

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