基于区块链的茶叶质量安全溯源系统研究

高琪娟，杨春节，武咸春, 赵 宇，王震宇 , 吴雨婷, 张友华*

(1. 安徽农业大学信息与计算机学院，合肥230036；2. 安徽财贸职业学院，合肥 230601)

茶叶是我国重要的农产品，茶产品消费人口接近5 亿，是我国近亿茶业从业人员赖以生存的产业。茶产业对于产业增效、农民增收、促进农业产业结构调整和对机械制造、包装运输以及第三产业都具有重要的带动作用。茶叶作为我国大宗消费品，据统计，2013 年至2019 年间，我国茶叶产量持续保持增长趋势，2019 年，全国干毛茶产量为279.34万t，比上年增加17.74 万t，总产值达2 396 亿元，增幅11.06%[1]。随着我国经济社会的快速发展，老百姓的收入逐年增长的同时对物质生活的要求也越来越高，对茶叶的消费观念也逐步转变为求质而非求量，如何管控农产品质量安全成为国家和人民日益关注的焦点。近年来国内外食品安全事件频频发生，各国对农产品和食品的质量安全保障体系高度重视，欧盟早在2002 年1 月28 日就颁布了178/2002号法令，要求从2004 年起，在欧盟范围内销售的所有食品都能够进行跟踪与追溯，否则就不允许上市销售。我国在“十五”期间也开展了农产品溯源方面的研究，2015 年国务院办公厅关于加快推进重要产品追溯体系建设的意见（国办发〔2015〕95 号）[2]，要求对包括农业投入品、农产品、食品等国家重要产品进行可追溯，茶叶作为重要农产品之一明确要求要纳入可追溯管理。然而，传统的茶叶溯源系统一般基于条形码、RFID、地理信息系统、WEB 服务等技术，数据存储在中心化数据库[3-7]。本研究主要围绕数据采集的方法、各环节的内部溯源和供应链节点之间的关联。内部环节的溯源容易实现，但节点之间的信息关联，由于信息的不共享、不完整性和不真实性，实现难度大。溯源数据存在数据缺失，数据不一致以及数据的可信性等问题。随着区块链技术的发展，利用区块链的分布式存储解决上述问题已经成为可能，从而构建基于区块链的农产品溯源系统，为农产品质量安全信任问题提供技术背书。关于区块链在产品溯源系统应用，国内外很多专家学者做了一定的研究与实践。 Salah 提出了一个基于区块链的解决方案和框架，使用以太网智能合同在大豆供应链中实现可追溯性和可见性[8]；硅谷Sku-chain 研究将区块链技术追踪农产品的运输全过程[9]。国内方面，刘海洋等[10]提出区块链技术应用到农产品种质资源溯源管理，保障农作物种植资源的安全；陶启等[11]应用区块链技术保证粮食大米的食品安全，提供从农田到餐桌的溯源信息的追踪体系。本研究的目标是通过对茶叶溯源体系的研究来建立基于区块链的茶叶质量安全追溯系统。

1 茶叶溯源存在的问题

长期以来，我国茶叶大多是家庭作坊式的加工生产，大规模且标准化的茶叶企业很少，茶产品全程质量安全追溯体系受到茶叶届的认可，但在实际的实施过程中还存在一些问题：

（1）采集到的茶叶种植和加工过程中记录的农药、生长调节剂等的使用导致的茶叶中有害化学物质残留等信息的不准确性，使得溯源体系的信息具有一定的滞后性，提供的信息只有产品的加工或包装批次等信息，没有达到茶叶溯源的目的。

（2）很多溯源信息都是由企业提供，没有有效的机制监督信息的真实性，更没有第三方专业检测机构的检验，让消费者很难参与其中，使得溯源体系的作用大打折扣，目前主要通过二维码技术识别产品的相关信息，但二维码提供的产品信息的真伪鉴定需要进一步研究。

（3）茶产业已从传统的生产进入了品牌建设时代，茶品牌大多以公共品牌、地理标志产品为主，个别不良商家盗用知名品牌，生产假冒伪劣产品，破坏了原商品的品牌价值，损坏了消费者的权益。目前大部分依赖企业自主管理，没有很强的约束力。

2 茶叶溯源系统的设计与实现

2.1 茶叶可追溯系统的基本单元和数据库

茶叶质量安全追溯体系贯穿于每个基本单元，从茶叶的生产、采摘、加工包装、仓储、流通，直到卖场的全过程进行可靠记录，切实保障消费者对茶叶产品种植、加工运输等相关过程信息的知情权，并集中在统一的数据处理平台进行管控，进一步提升对茶叶产品质量安全的监管和茶叶品牌的建设。茶叶可追溯的基本单元如图1 所示。

图1 茶叶可追溯的基本单元Figure 1 The basic unit of tea trace-ability

图2 茶叶可追溯的数据库的主要节点单元Figure 2 The main node unit of tea trace-ability database

在建立茶叶溯源产业链中部分，收集了各环节数据信息，建立了茶叶溯源信息数据库，如图2 所示：包括茶叶产业链的主要的节点信息（地理环境、地块、农事活动、投入品信息、设备工艺、操作流程、仓库信息、包装信息、运输信息和经销商信息等）。

2.2 茶叶可追溯系统的总体架构

该溯源系统架构总体分为：技术支撑、核心平台、平台应用和标准规范4 个体系。技术支撑体系基于“互联网＋”的概念，广泛采用物联网、大数据和区块链等技术[12-14]，为业务应用及基础设施等提供先进的技术支持；核心平台主要由数据交换平台、实时商务智能、业务流程引擎和信息资源库等组成；平台应用主要由六大应用系统组成；标准规范体系主要包括国际国内标准规范。

溯源系统采集的数据主要包括：对茶叶生产企业从选种、投入品的生产企业、投入品的作用范围、防治对象和操作人等过程信息，直到加工生产成品等全过程数据（图3）。让茶叶产品生产、加工、运输的各个过程及所有环节都能够责任到人。消费者在扫码的时候可以方便地查询茶叶产品的溯源信息，进而可以方便地反馈产品存在的一些问题。从目前茶叶安全体系着手，针对性解决系统信息采集不标准、数据存储不安全以及企业间信息交换过程隐私不能得到保障等问题[15]。

该设计目前主要采用溯源技术对茶叶质量进行控制，构建完整的茶叶溯源体系（图3），通过对茶叶生产、流通过程的信息管理和产品质量的追溯管理、生产档案（产地环境、生产流程、质量检测）管理、二维码标签设计和打印、基于网站和手机短信平台的质量安全溯源等功能，将茶叶的全过程信息记录保存，保证来源可追溯、去向可查询、风险可掌控、责任可追究。从而实现对茶叶产品溯源的目的，可向质量监管部门提供监测、执法依据，提升茶叶生产企业产品的附加值和品牌知名度，同时也能够让消费者增强质量安全意识。

图3 茶叶可追溯的体系总体架构Figure 3 The overall structure of the tea trace-ability system

图4 茶叶可追溯平台功能模块Figure 4 Function modules in a platform of tea trace-ability

2.3 设计系统的功能模块

质量安全追溯系统利用数据采集技术，将产品原料的生长、加工、储藏及零售等供应链环节的管理对象进行标识、链接，同时记录各个环节的相关数据并上传至区块链数据服务器存储，为茶叶产品质量安全溯源提供数据依据。产品质量安全追溯系统，主要功能有基本信息管理、各个环节的信息采集、环节关联以及追溯信息查询功能（图4）。

3 系统的应用和实现

基于区块链的茶叶溯源系统实现了种植、采摘、加工和物流等环节的集成，采用分布式去中心化的溯源信息的存储方式，各节点组成区块链的网络，实现信息的有效追踪。

3.1 区块链平台的构建和选择

本平台采用MVC 架构、Truffle 架构和B/S，C/S 混合架构，基于Web 技术开发，平台构建在主流开源系统IPFS+以太坊（图5），结合Web 系统要素构建应用系统，该系统具有强大的查询功能。

图5 茶叶可追溯平台技术架构Figure 5 Technical architecture of tea trace-ability platform

3.2 基于区块链的茶叶供应链追溯体系运行流程

通过采集茶园信息、施肥信息和病虫害信息通过上链系统，区块链会根据生产地点和生产时间等相关信息，自动生成一个溯源码，加密并上传到区块链云平台。溯源码号与数字签名相连，共同存放在区块链中，为每个品种的茶叶生成信息记录，并附上时间戳。

采摘的茶叶加工成产品的过程是消费者最关心的问题，茶叶种植的信息记录会随着供应链的进程不断的更新，通过设备采集的加工环境，保质期、加工环节等信息，通过上链存储到区块链中，更新茶叶的信息记录，并添加到全局区块链中。

加工完成后，主要环节就是将产品销售到批发商、经销商、分销商和零售商那边，该节点将获取的温度、湿度、运输路线和产品标识等信息再更新到茶叶的供应链信息上。

最后茶叶进入销售环节，企业需要标明产品的来源，将产品的价格、销售单位、仓储的环境等信息写入之前更新的茶叶信息，从而形成完整的茶叶的供应链信息记录。消费者通过手机扫描外面包装的二维码信息，获取产品生成、加工、物流运输和销售的过程信息，图7 展示了基于区块链的供应链追溯信息。

3.3 功能的实现与演示

消费者在前台查询茶叶的溯源信息时，可以通过商品条码、追溯码和批次号等信息进行溯源获取区块链的数据库和本地数据的两份记录，当有修改或篡改信息数据中，通过红色标记显示，能保证数据的一致性。查询界面如图8 所示，性能高效，易于扩展，UI 美观，操作方便。

图6 茶叶投入品的种植信息查询平台Figure 6 The query information of tea planation platform

图7 区块链的供应链追溯信息Figure 7 Trace-ability information in the supply chain of blockchain

图8 区块链的追溯查询信息Figure 8 Query information of block-chain trace-ability

4 讨论与结论

本研究基于区块链技术构建了茶叶供应链的溯源系统，提出了一个解决方案和通用框架，利用以太网区块链为技术核心对茶叶种植、加工、物流和销售各个环节溯源上传到区块链，能对数据进行跟踪，且分布式存储跟踪和执行业务交易数据，消除了茶叶供应链中可追溯性的中间环节和中央处理点。实现了茶叶从种植到消费者全过程精准可追溯，信息可信赖，问题可追责。保证整个茶叶的供应的安全性，使得茶叶的溯源更加高效。同时也增加了用户的信任，提升茶叶产品的价值。

茶叶生产的可追踪行，不仅使得茶叶质量安全得到有效控制，而且也可以扩展到供应链管理、生产管理等多种业务功能，为企业生产管理和市场开拓提供方便快捷的工具和可靠的数据支撑，提高企业生产效率，降低管理成本，提升企业的竞争优势。在系统的设置方面，增加了对敏感数据的处理环节，根据功能需求设计了智能合约，通过实例对溯源系统进行了展示。

迄今为止，区块链技术仍然面临着与可扩展性、治理、身份注册、隐私、标准和法规相关的关键挑战。在系统应用过程中，不能保证信息上报人员填写信息的准确行，需要第三方的监督，对上报信息进行核实，以及设立监管机制，对监管监督数据进行上链来解决此问题。作为未来的工作，计划着眼于解决这些关键挑战，并制定解决方案。还计划在本课题组提议的解决方案中集成自动支付和交付证明，在这种解决方案中，在成功交付作物和产品后，通过智能合同以自动化和集中的方式使用加密货币向各方支付款项。