基于区块链和物联网的农产品质量安全追溯系统

陈玥婧 周爱莲 谢能付 梁晓贺 汪汇涓 李小雨 史毓心

（中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081）

1 引言

随着经济全球化的迅猛发展和科学技术的不断进步，世界范围内民众的生活水平得到了很大提高，餐桌上的食物种类越来越丰富。与此同时，食品安全问题的关注度也在不断上升。近年来，国内外农业领域的食品安全问题频发，食品安全问题已经成为一个全球性的问题。我国是一个人口大国、农业大国，农业在国民经济中占据着非常重要的地位和作用，为民众提供食物和营养供给，促进相关行业及产业的经济文化发展，为其他产业的蓬勃发展奠定坚实基础。近些年来，我国食品安全问题频发，“地沟油”“假奶粉”“瘦肉精”“塑化剂”等严重的安全事故被曝光后，我国的农产品安全问题引起了社会各界的关注和政府部门的高度重视，如何解决农业领域的食品安全问题、保障农产品安全已经成为了国家和人民高度关注的民生焦点问题。

农产品食品安全问题产生的最重要原因是信息的不全面、不透明、不对称。当前，国内外的研究者基本一致认为要想解决这个问题，最根本的解决方法是做好溯源与追踪工作，建立合理可靠的农产品溯源追溯系统。供应链的任何一个环节出现问题，都会引发食品安全危机，这就需要通过溯源系统去查找问题来源，明确发生问题的环节。当然，除了溯源与追踪，还要保证每个环节的信息都符合要求。只有农产品供应链上的每一个环节的信息都真实、完整、透明且不易篡改，才能维持高水平的农产品安全系数[1]。

以区块链技术为基础的新型的追溯系统与过去的以传统技术为基础的溯源体系相比，前端差别不大，主要区别在后端，即存储数据层存在差别。前端对于各类数据的采集工作都是利用各种网络传感器、各种信息采集终端、识别装置等物联网设备，再通过网络完成的。美国的Provenance 公司是第一个运用区块链技术为供应链产品的整个生命周期提供全程溯源的公司，供应链上各种产品都有，包括钻石、数字艺术作品等，在农业领域的应用研究是开展了基于区块链技术认证金枪鱼的先导项目；荷兰瓦赫宁根大学研究机构（WUR）与先进技术研究院（TNO）合作的关于农产品领域应用的先导项目；美国的Filament将区块链技术引进到农场的资产管理体系中；硅谷Sku-Chain 研究将区块链技术应用于追踪，追踪农产品的运输全过程[2]。

2 问题分析

目前农产品追溯系统主要依靠数据库技术、网络技术、条码技术、自动识别技术等实现，依然存在很多问题[3]。

2.1 信息完整性较低

对于农产品来说，从生产到最后销售，中间经历的环节较多，很难保证信息链的完整性。在大部分实际应用场景中，农产品追溯系统依然只能提供产地、承运环节等基本信息。而且，我国农业的农户以及农产品加工商普遍规模较小，各个环节的对接十分零散，很难有一个覆盖范围足够广的农产品追溯系统能将他们纳入规范系统，这也会使得信息完整性较低。

2.2 数据真实性存疑

现在市面上已经有许多传统的农产品追溯系统，这些系统有的由政府部门主导，有的由社会机构或企业主导，多数以中央数据库存储方式存储追溯信息，控制权集中。其中存在一些农产品生产责任主体自己监督自己的情况，这时数据的真实性就完全依赖生产主体本身的责任意识和道德意识，继而无法解决市场上存在的信任缺失问题。

2.3 数据标准不统一

目前的农产品追溯系统，无论从地域上，还是农产品种类上，适用范围都有限，而各个省市对于农产品追溯系统的建设要求、数据规范、描述内容等都不尽相同，存在格式不一、内容交叉、数据冗余等问题，从而导致了不同追溯系统间系统不兼容，难以实现数据共享。

2.4 缺乏监管制度

虽然政府在食品安全的监管上已经做出很大努力，并取得一定成效，但是农产品种类多、数量大、供应链长，且存在很多不确定因素，所以很多环节的责任主体和责任边界还没有厘清，导致监管成本较高且效率低下。

3 区块链与物联网

3.1 区块链

区块链本质上是一个分布式记账本，具有不可伪造、全程留痕、可以追溯、公开透明、集体维护等特征，核心技术主要包括P2P 网络传输、时间戳、非对称加密、共识机制、智能合约等。根据开放程度，区块链主要分为公有链、联盟链、私有链三大类。本文中的区块链技术选择以联盟链为基础架构。由于私有链只在个体组织内部使用，本文不考虑私有链。王毛路等总结归纳了公有链、联盟链在效率与共识、隐私与透明、分散与集中这三大矛盾点上的不同。鉴于在农产品追溯系统中，参与主体比较确定，不需要太强的匿名性，并且在政府的主导下，参与各方有一定的信任共识基础，区块链只需要专注提高效率和部分去中心化，因此联盟链是较好的选择[4]。有关区块链技术在农产品追溯系统中的应用研究，梁昊等提出了建立区块链农产品交易体系的概念，通过提供灵活的分布式存储机制、完备的信息共识体系、可靠的信息防篡改功能和实用的激励回报措施，完成农产品信息追溯和农产品市场信息透明化[5]。赵磊等从信息生态视角分析用户需求，提出追溯参与主体的风险补偿方案，进行追溯信息链流程再造[6]。李明佳等从顶层架构出发将区块链植入食品追溯体系，在区块链的去中心化程度、共识机制等方面加以改进以克服原始区块链的缺点[7]。钱建平等总结了农产品追溯系统从1.0 到3.0 的发展历程，提出未来追溯系统技术横向融合的发展趋势[8]。

3.2 物联网

物联网是指通过各种信息传感装置，实时采集各种声、光、热等所需信息，实现物与物、物与人的泛在连接，从而对事物进行智能化的感知、识别和管理。有关物联网技术在农产品追溯系统中的应用研究，陈佳丽运用条码技术（BC）、射频识别技术（RFID）、EPC-ONS 技术构建茶叶智联安全追溯流程，大大提高了茶叶质量追溯体系的可信度和安全性[9]。颜波等以互联网技术为支撑，构建了基于物联网的最严格覆盖全过程的农产品安全可追溯监管体系，对农产品安全风险进行评估[10]。

3.3 区块链+物联网的优势

物联网技术和区块链技术都有各自的优劣，而在今后的农产品质量安全追溯系统发展过程中，多种技术的融合将是未来的发展方向。物联网技术和区块链技术的融合，可以很好的取长补短：（1）检测物联网恶意节点。物联网中分布式的优化算法依赖于单个智能体的本地计算和近邻间通信来迭代地解决一类广泛的、受约束的优化问题，但是容易遭受来自内部恶意节点的数据注入攻击，并且现有技术对其检测的结果并不理想；而使用区块链技术和智能合约可以更好地检测定位恶意节点[11]；（2）优化数据存储。利用区块链的去中心化可以大大改善大数据存储的中心化现状，减少物联网对于中心结构的依赖，利用区块链技术的非对称加密技术可以保证文件数据安全[12]；（3）完善身份认证。物联网集中式平台在设备身份认证过程中兼容性低、抗攻击能力弱，引入区块链技术，将数字身份等信息存入新型区块数据结构中，能够有效保护隐私、提高安全性、减少计算开销[13]。

4 农产品质量安全追溯体系结构设计

4.1 农产品质量安全追溯体系流程及主体设计

本文提出的农产品安全追溯系统基于联盟链，其中政府部门，如农业部、市场监督管理局等具有较高的权限，作为监管主体，保证农产品安全追溯系统的标准化运行，监管基础设施建设以及多方的协调互利，并与生产销售主体有效对接沟通，达到农产品安全追溯系统的合理运行状态。

在农产品生产销售链中涉及的主体主要是原材料提供者、加工厂家、物流运输商、分销商和消费者，本文在设计农产品质量安全追溯体系时也从这几个方面入手，具体如图1 所示。为了确定责任边界，将追溯链从产品诞生到消费的流通过程划分为生产、加工、分销、消费四大环节，对应的责任主体分别是农户，加工厂家，批发商、零售商、电商平台和物流运输企业，消费者。生产销售主体一方面保障追溯系统信息链完整性、准确性，另一方面收集反馈信息，完善追溯体系，最终达到农产品质量安全追溯系统的标准高效运行。

4.2 农产品质量安全追溯管理体系设计

根据农产品的整个供应链的功能需求，该农产品质量安全追溯管理体系分为生产系统、加工系统、物流系统、销售系统、监管系统和其他功能系统，由监管系统建立完备的质量标准体系，并采取有效的防御措施，约定惩罚机制。在生产和加工系统中，可以通过各种物联网传感设备采集数据，保证数据的完整性、真实性、可靠性；并在系统中设置异常值警告，提供农产品安全预警，如图2所示。

首先，各个责任主体在进入本系统时，要进行注册登记，登记信息主要包括用户名称（农户姓名、加工工厂名称、物流公司名称、销售公司名称）、类型、联系方式、通讯地址、相关资质文件等。

4.2.1 生产系统

生产系统是农产品安全体系的源头，需要重点把控。重点提供选种管理、环境监测、生长追踪、农药投放、疾病管理等功能。其中选种管理重点记录种苗名称、种苗购入信息；农药投放重点记录农药名称、生产厂商、投放量、投放时间等信息。所有农产品按批次赋码，记录生产信息。

4.2.2 加工系统

加工系统是农产品安全体系的重点，主要提供工艺流程、环境分析、设备管理等功能。其中工艺流程重点记录农产品经历每一道加工工艺的名称、时间、负责人等信息，包括最初的原材料入库信息和最后加工完成后的入库信息，方便与物流系统对接，在原材料入库时，直接扫描农产品批次码，提取生产信息，进行入库。

4.2.3 物流系统

物流系统是农产品保质保鲜的关键，主要提供产品流向、库存管理、环境监测等功能。其中环境监测主要针对冷链物流，记录温度、湿度等信息；库存管理可以对库存状态进行分析并实时预警。

4.2.4 销售系统

销售系统主要提供商品销售、库存管理、售后管理功能，其中商品销售主要记录农产品名称、数量、价格、销售时间等；库存管理主要记录进出库信息并提供实时预警；售后管理主要记录退换货的名称、数量、理由等信息。

4.2.5 监管系统

监管系统主要由政府部门管理，引入农产品相关的法律法规、技术标准、品级分类标准，并由此构建智能合约的部分内容，系统提供第三方检测和风险评估功能。

4.2.6 其他

本系统还提供咨询服务、问题反馈、防伪查询、系统维护等功能，其中防伪查询通过调取相关智能合约实现。

5 系统设计与实现

5.1 总体框架设计

平台主要分为物理层、数据层、网络层、共识层、合约层和应用层。物理层主要是通过传感器、执行器等采集数据，然后上传至数据层；网络层通过验证机制和节点权限等，结合P2P 网络协议，由政府监管部门将区块链数据存储于各个节点。数据存储采用链上与链下相结合的方式进行，通过映射机制将两者联系起来；共识层采用权益证明（Proof of Stake）算法进行管理，这种基于权益的共识算法可以方便政府监管部门拥有更多管理权限，对参与农产品价格、运输、售卖的主体进行审核管理；合约层结合有关农产品质量安全的法律法规、技术标准等，通过构建智能合约规则，提高管理效率。

5.2 基于物联网的数据采集

该系统需要采集整个供应链上的农产品信息，包括生产阶段、物流仓储阶段和销售阶段。生产环节信息包括生产环境信息、生产操作信息和生产视频信息等，可以利用不同的监测系统对不同项目进行监测。例如，使用土壤信息监测系统，对空气温度、空气相对湿度、太阳辐射、土壤湿度、土壤温度、土壤电导率、叶面水分进行监测；使用加工厂监控以及流水线数据对加工过程进行监测。在物流仓储阶段，农产品及其制品的鲜活性是运输的关键，而冷链的运用可以保鲜、减少污染，因此可以使用基于无线传感器技术的冷链监测系统，实时记录冷藏车中温度、湿度、乙烯含量等。

5.3 “数据库+区块链”的数据双存储设计

由于农产品生长周期较长，期间产生的数据量大，并且数据具有异构性，如果将采集到的所有数据都存储在区块链上，就会导致区块链负荷大，增加运行成本。而且，随着时间推移，节点数增加，交易数据呈指数级增长，如果将数据都存储在区块链上，会使得查询效率低下。因此本文采用链上与链下相结合的方式进行数据存储。在区块链上的部分，重要数据通过哈希算法产生与该数据对应的唯一标识码，并存储在区块链中；在链下的部分中，将采集到的详细数据存入关系型数据库，并标识数据对应的区块链信息位置[14]。

5.4 构建智能合约

智能合约是一种旨在以信息化方式传播、验证或执行合同的计算机协议，它允许在没有第三方的情况下进行可信交易，这些交易可追踪且不可逆转。智能合约一旦部署就能实现自我执行和自我验证。在本文中，智能合约包括《中华人民共和国农业法》、《农产品质量安全法》等法律法规，以及其他相关的法律法规、技术标准等，部分合约规则如表1所示。

表1 智能合约的部分规则Table 1 Some of the rules for smart contracts

6 总结与展望

以区块链技术和物联网技术为支撑，以农产品的“生产—加工—分销—消费”为生命周期过程，笔者提出了农产品质量安全追溯系统总体框架；使用物联网技术和无线传感器技术采集数据，设计了“数据库+区块链”的数据双模存储机制；描述了智能合约的构建过程。构建农产品质量安全追溯系统，有助于提高政府监管力度和农产品质量安全追溯系统的数据储存能力和数据的完整性、真实性、可靠性。

未来在普及推广使用农产品质量安全追溯系统时，还可以从以下几个方面突破努力：（1）在编码方面应制定国家级的统一的追溯码编码规范,改变目前追溯编码混乱的问题。（2）在追溯平台建设方面，政府应横向打破部门壁垒，纵向打破层级壁垒，形成完整体系。（3）在解决追溯系统面临的深度问题时，更应注重不同技术的融合。