基于区块链技术的农产品信息流追溯体系建设*

□ 戴 进，董继昌

(江苏科技大学，江苏 镇江 212003)

1 研究背景

近年来，随着我国社会高速发展与经济水平的迅猛提升，消费者对生活品质的追求越来越高，但日常必需的农产品质量却依旧停滞不前。同时，由于网络时代的便捷性，消费者获得信息、购买物资的方式日趋多元，这使得他们对商品成分、产地、加工、流通等重要信息的要求也不断上升，尽管国家监管部门现已制定了相应的检测标准，但公众早已不再仅仅满足于国家公示的检验结果。除国家认证外，市场现有的第三方的检测认证在当下也仍旧仅仅是一个流程化的形式，并不能起到时刻监督、有效制约的作用[1]。与此同时，重大农产品安全事件的频发(毒豆芽，毒木耳，假三文鱼等)，更在不断提醒消费者农产品的质量保障令人担忧，长此以往，必将导致政府公信力下降，不利于社会的长治久安。

消费者迫切希望获得更加真实全面的商品信息，政府与市场也需要运用安全级别更高、制约力更强、监管追责更迅速的方法,因此，建设农产品流通溯源体系是我国农业现代化建设的必经之路。目前，农产品流通追溯体系建设面临着两个严峻问题，一是如何快速的集成化采集农产品流通信息并有效上传；二是如何确保流通环节的交易信息具有安全共识且物流信息不会丢失。

2 现有信息采集技术

在传统流通追溯环节，信息的收集主要依赖于物流公司成熟的位置追踪技术，但农产品交易较为零碎短暂，难成规模[2]，传统的定位技术难以精确追踪，致使物流公司无法在产品信息文档中补充运输方式、运输环境和接受地等信息。所以在农产品附加标签以跟踪实体，通过对标签的规范化扫描，来采集并存储可追溯链上所有阶段的信息是农产品流通追溯体系建设的前提。

2.1 条码技术在农产品溯源的信息采集应用

作为最成熟、经济的自动识别数据技术，条形码已被广泛应用于各种可追溯管理系统的信息采集阶段[3]。条码的信息输入速度快、可靠性强且制作成本低，但储存信息的安全性及信息容量存在缺陷，其编码技术的公开化使存储的信息极易受到复制篡改。另外，条形码抗污性较差，而农产品的流通环境容易造成条码受损而丢失信息。

2.2 RFID技术在农产品追溯中的信息采集应用

解决信息采集痛点的另一个成熟技术即是无线射频识别技术(RFID)，相比条码技术，该技术可同时识别多个产品、自动化高、信息储存量、防污染及可回收等诸多优点[4]，但其标签成本较高且技术标准缺乏统一性。在物流领域，RFID已广泛应用于生产加工、仓库管理、物流跟踪和产品防伪等领域。RFID技术在农产品供应链中的应用包括生产(种植/饲养)、采摘/屠宰、加工、仓储、分销和销售等[5]。在这一系列环节中，RFID系统为生产者、批发商、零售商和消费者提供农业食品流通管理信息和安全数据,严格保证了农业食品的质量和安全，极大地提高农业食品的价值。

2.3 其他技术的应用

除以上两种技术，近年来同位素溯源技术和DNA分析技术让信息安全性更进一步，但该类技术尚未成熟，且产品信息识别耗时过长。

3 条码与RFID并行融合的农产品信息采集技术

针对于我国农产品供应链环节产品众多，散货规模较大的现状，单一使用RFID技术不光成本较大，且难以实现信息追溯系统的实时登记把控；然而将条码技术与RFID技术融合使用，解决其信息互通问题，可实现多方面优势互补，解决众多技术瓶颈与成本矛盾，如条码的规模使用可以解决其基本成本问题，而RFID可以通过射频识别技术解决信息的效率识别与表面附着问题。

农产品现有供应链流程大致为：农业生产环节、流通加工环节、仓储环节、运输环节、销售环节。这五大环节间必须建立统一的数据库以实现每一环节的数据信息互通，且使用兼容的信息扫描读取设备与统一的编码规则进行信息的更新添加，全环节并行融合。

在生产种植环节，为处于同一地块的同一品种产物加上电子标签并赋予唯一身份ID，通过对电子标签的规范化扫描将农产品的生长环境，农药化肥施放，当前状态等信息，通过数据库对应该农产品的唯一ID，进行信息的存储保护。

在流通加工环节，通过读取电子标签信息对农产品的品种、尺寸、质量进行层级划分，将不同层级的农产品进行商品分装，利用电子标签与条码打印机数据信息互通，为各层级包装的农产品粘贴链接至数据库对应ID的条码。数据融合如下图所示：

图1 信息数据的串行融合

在仓储环节，因农产品保鲜期较短，需进行合理有序的货位安排辅助智能化调度才能保证农产品周转效率最大化。因此，在仓库设置统一的电子标签读写设备，入库前通过对电子标签数据的读取，在信息系统中合理规划安放货位。

在运输环节，通过在集装运输车中添加可读电子标签，通过设置时间段进行信息的读写更新，并连同信息传感设备获取运输车内环境信息导入至数据库，并在到站后装卸通过统一的读写设备进行电子标签数据到条码封装的数据互通。

在最终销售环节，销售商通过对条码的扫读进行系统中货物信息的及时更新，并在送出后通过电子标签的定时读取完成终端配送信息的更新。

4 区块链技术对于农产品流通追溯的价值

在农产品流通追溯体系建设过程中，另一个重要的问题即是如何维护流通过程中的交易信息不被篡改。而区块链的核心就是为安全信息建立共识基础，依靠数据库的技术方案，通过分散和无信任的方法共同维护交易信息，不必去担心节点被恶意篡改。该技术方案可以通过使用加密对系统中的任何数量的节点来创建区块，每个块包含一段时间内系统中发生的所有交易数据，通过创建数字识别机制，使用不同密钥加密解密，并用来验证信息的有效性并与下一个块连接。

利用区块链技术，可以构建新型农产品流通体系，改变现在信息极不对称，流通体系极不健全的现状[6]。因此，设想利用区块链技术搭建一个基于以太坊智能合约的包括种植商、分销商、零售商、物流公司以及终端客户在内的公链，不光允许农产品流通环节的所有参与者加入监管环节，甚至公众也可获得合法的访问身份，通过应用端参与农产品市场的监管。通过推广该技术，促使该链条将资金信息流与货物流都记录在链上不可篡改，这样有效降低了农产品供应链成本；同时，实现了农产品流通信息的真实性与可追溯性[7]。

4.1 流通追踪查询

传统的信息记录往往面临着信息丢失和篡改的问题[8]，通过区块链技术可使交易信息由参与者集体保护拥有且不被篡改。在传统的农产品流通过程中，往往面临着多个承运商转运的情况，信息极易丢失，应用区块链技术可保障流通过程中信息记录的完整性、真实性，也可保证交易用户随时通过应用查询到流通信息。

4.2 信息共识安全

在以往的数据储存方式中，数据通常由中央处理器集中存储，只要拥有一定访问核心权限的工作人员对数据稍加更改，就能使流动信息达到被篡改的目的。而区块链技术的去中心化处理，使每个参与者都是“处理核心”，要想更改数据，理论上需要同时获得起码51%以上用户的访问权限，当某个不法参与商企图删除更改自己的违法记录，也只能更改自己这唯一终端的数据，然而其他参与者依旧保留原始数据，确保了责任认定的无误。

5 农产品流通追溯体系基础架构设计

综合现有信息收集技术与区块链特性，设计出区块链基本架构如下图2所示,该框架主要分为物理层、通信(协议)层、数据层、应用(接口)层;其中区块链技术直接应用于通信层与数据层[9]。

物理层：物理层主要包含上文阐述的传感器与扫描信息收集技术，采集市场上相关农产品包括产地、实时价格、流通加工等重要信息，并上传至数据层。但现有访问机制使其信息传递具有被攻击的潜在威胁，安全性的加强必须依靠通信层的身份认证。在信息采集方面，物理层使用了RFID与条码技术的并行融合设计，通过两者交叉混合使用，增加了物理层信息采集的效率并且降低了基础使用成本。

图2 农产品流通体系基础框架

通信层：通信层主要包含网络传输与信息协议，采用4G/5G，以太网等通信机制，建立在基于区块链技术的以太坊平台，保护系统在节点遭受网络攻击的情况下依旧稳定。在这一层中，主要采取的是POW共识机制，该共识以哈希SHA256算法函数为基础，通过运算出满足规则的随机数获得访问记账权限，并发出本次所需记录的数据，当其他节点共同验证后，即可共同进行交易信息存储。[10]通信层可以确保信息传递的稳定快速与身份验证的安全可靠，这对于RFID与条码间的信息互通验证极为重要，通过智能协议对唯一身份ID的验证，实现信息的交换与封装是实现物理层信息交换的保障。

数据层：数据层为交易记录创建信息区块，建立分布式存储数据库，通过非对称加密与时间戳的方式使每条交易记录拥有独立的加密密钥，交易记录一旦成功存储至数据层即无法更改，且完整的交易数据可供任何合法身份用户进行验证审核。访问该公链不需要获取访问权限，信息记录对网络中所有合法节点公开，使其具有高透明性，建立了交易信息安全共识基础。该层保存了RFID实时更新收集的信息，条码待封装的信息以及外部用户信息获取交易信息，一经存储即无法篡改。

应用(接口)层：应用层可以理解为消费者可使用的客户端软件，通过嵌入相关协议，进行身份确认后，消费者可通过应用层的接口与区块链技术对接，进行信息交易，获取相关产品溯源信息，监管部门亦可追溯问题商品流通，实行精确定位，快速追责。

在该平台搭建成功的环境下，农产品的基本身份信息与每一环节的流通信息均可通过物理层的传感交互技术进行高效收集，并链接到电子信息文档，解决无法集成化采集农产品流通信息的痛点。通过通信层的网络协议将数据上传至数据层平台，在通信层基于以太坊的智能合约与完全去中心化的共识机制可以保证信息传输的高效完整且安全性得到保障。完成上传的信息，通过数据层的分布式记账存储，实现完全去中心化，保证信息获得安全共识且无法篡改。而在应用层，终端用户通过嵌入接口达到数据层互通的APP，扫描农产品包装上的条码获取承载的信息，达到获取农产品每一流通加工环节信息的目的。

6 结论

本文融合了现有成熟的信息采集技术，基于区块链工作原理，设计了应用区块链技术的农产品流通追溯体系框架，并从技术层面解释了运营流程以及框架的合理性。目前，我国基于区块链应用的农产品追溯案例较少，大多数应用均为大型企业内部或企业间合作的流程性追溯。本文则创新地结合农产品交易市场现状，分析了公众对追溯系统建设地迫切需求，从社会、企业、政府多层面综合性提出建设方案，以区块链技术为落脚点，并考虑到技术实现难度，充分利用现有成熟技术与新技术结合，既解决了农产品流通追溯体系建设面临的痛点，又满足了我国农业现代化发展建设的需求。