大数据背景下的智慧农业信息保护技术研究

王桂超

（山东信息职业技术学院，山东 潍坊 261041）

随着生活水平的提高，人们对食品，尤其是农产品的追求，已经从原来的如何吃饱到现在的如何吃好、吃得健康。越来越多的人开始重视农产品的质量安全问题。同时伴随着科学技术的发展，物联网[1]、大数据[2]、区块链[3]等技术也越来越多地应用到新型的智慧农业方面，涌现出了一大批各具特色的智慧农业信息溯源系统，方便了大众查询跟踪农产品从种植到上市的全过程信息。另一方面，全程的数据溯源既可以为农产品的改良选育提供数据支撑，又方便了管理部门的监督管理。

基于大数据和物联网的农产品信息溯源系统，可以方便地采集农作物从种子、种植、管理、农药化肥到采摘上市的全过程数据，方便快捷。在此过程中，数据的安全性就显得尤为重要，必须要保障所有环节采集到的数据是准确无误且未经改动的，只有这样才能真正做到全流程的信息溯源，才能保证最终的消费者能够准确获取农产品的相关信息。那么如何利用现有数据保护技术，来保护信息溯源过程中的数据安全，正是本文研究的重点。

1 关键技术简介

1.1 大数据技术

顾名思义，大数据（big data）就是大量的数据聚集，而大数据的产生离不开物联网技术的飞速发展。同时，农业数据的多样性、低密度性、低价值性等特点也决定了其最适合大数据来处理，在智慧农业领域大数据具体可以应用在以下几个方面：

1.1.1 农作物直接关联性数据

智慧农业的根基，涉及到农作物的育种信息、种植过程中的种植时间、地点、种植管理人员、化肥农药使用详情、病虫害详情、采摘时间等详细信息。而这些信息的准确性也决定了该农产品所有的属性溯源的准确性。

1.1.2 农作物管理相关性数据

在农作物管理方面，如何做到数据的可靠真实、科学合理的规划，是农作物能够健康生长、生态发展的一个关键领域。

1.1.3 农作物环境相关性数据

农作物生长的环境如温度、湿度、土壤所含微量元素等等决定了其品质的好坏，如何提高农作物生长的环境指数，科学规范调控其所处的环境数据，是智慧农业重要的研究方向。

大数据技术所采用的处理平台一般采用比较成熟的Hadoop平台，在智慧农业相关研究领域也多数采用该平台。该平台是Apache开源基金会旗下的一项基于java开发的处理大数据的开源平台。它具有成熟稳定，分布式管理，部署方便快捷，系统成本低廉等特点，特别适合智慧农业大数据处理的应用。

1.2 物联网技术

物联网技术本质是万物互联，是采集底层基本数据的一项技术，其是大数据能够得到迅猛发展的基石，同时也是智慧农业数据来源的根本。物联网技术通俗讲就是利用多种信息采集手段如射频设备、红外线设备、传感器设备等获取所要研究对象的相关数据的一种方法。在智慧农业方面我们通常会用到以下几种方案来实时采集农作物的相关数据：

1.2.1 传感器技术

在智慧农业领域，尤其是农作物环境数据采集方案主要采用各种传感器技术，如温湿度传感器、风力传感器、土壤湿度传感器、土壤营养分析传感器、光照传感器等。通过各种微型物联网传感器可以方便快捷实时地采集农作物所需要的各类数据。

1.2.2 射频识别技术（RFID）

该技术也称电子标签，其是一种近距离非接触通信技术[4]。RFID技术在智慧农业领域主要应用在采集与农作物相关的外界信息，如种植者农户信息、采摘信息、加工信息、运输信息、出售信息等。通过RFID技术可以快速非接触地获取农产品的一系列相关数据，极大方便了后期对农产品的追踪溯源，可以最大程度保证农产品的质量追踪。

1.3 区块链技术

区块链技术作为数据安全领域的一项新技术，近几年得到了飞速的发展，应用的场合也越来越广泛。区块链技术通过去中心化的核心算法来保证数据流通的各个环节数据的共享和安全。同时，在整个区块链系统中，每个节点都可以作为中心节点，且每个计算节点都是相互独立的，这样即使某个节点出现故障也能保证整个数据的安全性和完整性。同时，区块链技术具有不可更改、可追踪、可溯源、公开透明的特点[5]，而其共识机制的应用，弱化了中心化监管机制的功能，可以从根本上解决加密系统内部导致的数据篡改问题，因此其非常适合智慧农业中数据加密处理。

2 现有数据加密技术存在的问题

基于智慧农业背景下的信息溯源系统[6]，可以方便地为农产品提供各个环节的所需信息。尤其在食品安全问题越来越突出的今天，消费者能够及时准确地掌握农产品的相关信息直接关系到农产品的销售问题，甚至影响整个产业的发展。为了更好地保护信息溯源系统中各个环节的信息安全问题，各国学者提供了很多不同的解决方案，大体可分为以下几类：

2.1 基于对称加密技术（如DES）的信息保护方案

该方案对基础数据可以很好地进行加密保护，并且硬件需求低，加密速度快。但是由于其无法防止加密之前进行数据篡改，且无法防止信息溯源系统内部合法人员对数据进行非法篡改，因此不适合智慧农业背景下的信息溯源管理系统中数据的加密处理。

2.2 基于非对称加密技术（如RSA[7]）的信息保护方案

该方案虽然加密功能强大，但是加密硬件要求高，加密速度慢，同时也无法防止信息溯源系统内部合法人员对数据进行非法篡改，因此也不适合信息溯源管理系统中数据的加密处理。

2.3 基于分级安全策略（如RBAC）的信息保护方案[8]

该方案可以根据不同人员属性不同分配信息处理权限，但是对高级别属性人员同样无法完全杜绝其非法篡改相关农产品数据，因此也不适合信息溯源系统数据加密处理。

虽然以上数据保护方案在一定程度上保护了智慧农业信息溯源系统中信息的安全性，却都存在一定的问题。

3 基于区块链的信息安全保护技术设计

为了更好地保护农产品信息溯源系统中各个环节的信息安全，防止系统内合法人员对数据进行非授权的篡改，本文提出了一种基于区块链技术的数据加密方案。具体加密流程如下：

（1）信息溯源系统中涉及农作物环境数据，经各种物联网传感器技术采集完成后，首先采用DES技术进行首轮加密，然后经无线传输途径传送到数据处理中心，此过程全程自动化运行，确保其从采集到传输过程中无篡改。

（2）涉及农户数据、采集、加工、流通等数据，采用RFID技术采集相关数据，由于此类信息属于一经采集，不能再修改信息，因此，采集完成后直接经过区块链加密系统对相关数据进行加密处理，防止非法篡改数据。

（3）对农作物本身数据，其涉及到大量持续性数据，通过传感器采集后先经过大数据系统进行初步加工，然后经区块链加密处理系统对该类信息进行加密处理后上传至其他系统。整个加密处理系统框架如图1所示。

图1 基于区块链的智慧农业信息溯源系统

4 结束语

本文通过对智慧农业背景下的信息溯源系统中数据保护模式的分析，提出了一种在大数据和物联网技术背景下的基于区块链技术的数据保护方案。通过引入物联网技术可以方便快捷地采集农作物相关的数据；通过大数据技术对农产品信息溯源系统海量的数据进行快速加工处理；通过引入区块链技术，对农产品信息溯源系统中各个环节的相关数据进行加密处理，同时结合传统经典加密技术，以此来更好地保护整个系统中数据的安全及完整性，保护了信息溯源系统的本质。