区块链农产品质量追溯系统的实现与应用

付东波 陈峰 杨胜明 马鹏程 彭晓溪

（1.北大荒农垦集团八五O农场有限公司 2.黑龙江农垦垦通信息通信有限公司）

【关键字】 区块链；农产品质量追溯系统；应用

区块链技术在全球已有较大发展，尤其是在金融领域方面的应用较广泛，且有一定深度。区块链技术以其分布式存储、去中心化和不可篡改等特点，在农产品供应链追溯体系中的应用也有一些探索的案例。目前，区块链技术在农产品供应链上尤其在农产品生产过程中，不断加大研究的趋势明显，在研究人员的不懈努力下，农产品供应链形成了一套独有的管理思路。

一、区块链技术的发展

区块链技术简称BT（Blockchain Technology），也称为分布式账本技术，是一种互联网数据库技术，其特点是去中心化、公开透明，让每个人均可参与数据库记录，同时数据不可篡改。把数据库比喻为一个账本，一次记账的行为就是一次数据库的读写，当产生一个数据时，在一段时间内谁最快拿到记账权，将由这个人来记账，然后把这个账本信息发给整个系统里的其他所有人，所有人达成共识时，本次记账有效，最终在账本上的数据谁也无权修改。

2008年10月31日，比特币创始人发明了一套新的不受政府和机构控制的电子货币系统，区块链技术就是支持比特币运行的基础。

区块链技术是一种全网信息同步、利用哈希算法产生“通证”（代币）的软件应用，是一种对等网络，要求发生的每一笔交易都要写入历史交易记录，将海量数据存储到计算机集群中。区块链技术是在无信任的环境下，在整个网络中的任意节点建立起的共识机制，不需要担心数据被篡改。区块链技术从1.0版本发展到现在的3.0版本，在不断的发展过程中也在不同领域有了实际的应用。

2016年12月，Agri Digital公司在区块链平台上完成了首次稻谷的销售，在之后的销售过程中，1300名以上参与者利用区块链平台增加了稻谷的销售量，提高了种植户的收入。Agri Digital的成功激发了区块链技术在农业供应链中的潜在应用。

2018年11月，智链科技的北大荒优质大米追溯项目在北大荒集团建设并完成。2020年京东建设了区块链追溯平台，平台已接入800余个品牌商。近年来，新冠肺炎疫情的突然发生更推动了区块链技术的发展，区块链技术还实现了与5G的有效联合。

二、区块链技术解决的问题及存在的难点

区块链技术在农业应用上不断创新，尤其是在农产品的溯源方面有了不断的突破。农产品溯源包括农产品生产、加工、储存、运输、销售等多个环节，根据环节的特点区块链技术可用于解决生产中的实际问题，保证食品的安全和完整性。

区块链技术能够解决农产品在实际供应链中的质量安全问题。

1.共享数据。农产品溯源从种植、管理、收获、储存、运输、加工、销售等过程进行数据定位，如果这些数据在整个供应链中流动，会让消费者看到完整的参与方数据，增加更多信任，但目前这些数据还不能有效被其他环节获取，没能有效打通供应链各环节。

2.去中心化信息存储：存储信息是集体维护，做到共识信任。在参与单位中，以谁为中心维护区块链账本是关键问题，供应链中的利益相关方，抽取哪一个节点来管理信息都存在一定的技术信息问题，采用去中心化信息存储方式可以有效解决存储中心化问题。

3.区块链信息不可逆：不可篡改的区块链溯源信息，为溯源、方位、确权等场景提供了支持，实现数据的不可篡改。

进入区块链3.0时代后，区块链也在实际应用中存在一定的难点。一是食品行业的数据分布存储应在企业内备份，不能只上传到供应链的核心数据库，且企业数据如何上传到数据平台，还有部分问题需要解决。二是区块链技术作为发展中的技术，仍存在些许问题，还要在不断发展中发现并解决。

三、应用技术

1.技术原理。区块链追溯系统数据记录在区块中，通过一定的算法把区块连成一个链（如图1所示），每一次交易都需要对Ledger（账本）状态进行一次改变，生成一个区块，需要所有区块链追溯系统的成员进行确认，达成全员共识时该区块才生效。

图1 区块链技术架构

区块链追溯系统中Ledger（账本）是一系列有序和防篡改状态的转换记录，结构由一个区块链构成，并将不可变的、有序的记录存放在区块中，同时包含一个状态数据库来记录当前的状态，账本的当前状态信息是链交易日志中记录过的最新值，由于当前状态表示的是通道已知的最新值，由此也被称为世界状态。

智能合约又称为链码，是区块链上运行的一段代码，是应用系统与区块链底层交互的中间件，通过智能合约可以实现各种复杂的应用。

Kafka排序是一种高吞吐量的分布式发布订阅消息系统，它可以处理消费者网站中的所有动作流数据，可以配置多个排序节点集群方式。Hyperledger Fabric利用Kafka的高吞吐、低延时特性，对交易信息进行排序处理，实现集群内部支持节点的故障容错。

2.算法。哈希（Hash）算法：可以将任意长度的消息明文转换映射为固定长度的二进制串输出，区块链追溯系统通过哈希（Hash）算法，生成一串字符串，保存在区块的内部，一个区块通过指向上一个Hash值，加入到区块链追溯系统的区块链中。哈希（Hash）算法是一种加密算法，对原始数据进行特定的转换运算，换算成对应的加密值（称为Hash值），是一种单向的加密方式，加密后的数据密文不可逆推，只有加密过程，没有解密过程。

PBFT共识算法：区块链追溯系统中PBFT共识算法主要应用分布式服务器部署，即使有部分区块链追溯服务器出现故障，仍然能正常工作，其核心的正常节点间达成一致。PBFT容错算法针对M个部署的区块链追溯节点，整个区块链追溯系统要求对非PBFT节点输入的数据信息相同时，所产生的结果也应相同。PBFT共识算法适用于区块链追溯场景，PBFT共识机制允许监制节点参与，相对于其他共识算法，其性能更高、耗能更低，所以本系统采用PBFT共识算法。

四、Kafka集群部署与配置

1.Kafka及Zookeeper节点数量论证。区块链农产品质量追溯系统采用四个Kafka节点，Kafka集群节点的最小值为4，是故障容错所需的最小值。四个kafka节点中一个节点崩溃后，所有的通道还可以继续读写并能创建通道。

区块链农产品质量追溯系统采用三个Zookeeper节点，Zookeeper可以为3、5或7，必须是一个奇数，来避免分裂（split-brain），同时选择大于1是为了避免单点故障，超过7个就多余了。

2.Kafka服务配置。区块链农产品质量追溯系统主要采用三个Orderder服务器、四个Kafka服务器、三个Zookeeper服务器、一个CA服务器和四个Peer节点服务器，共8台物理服务器组成Kafka分布式集群，每台服务器的对应如图2所示。

图2 服务器对应图

3.分布式集群部署及集群启动。区块链农产品追溯分布式集群部署策略主要考虑负载均衡、容错性和充分利用服务器资源的特点，将服务器分别部署在红兴隆数据中心、哈尔滨数据中心、九三数据中心，其中红兴隆数据中心主要利用Kafka的高吞吐、低延时特性，对交易信息进行排序处理，实现集群内部支持节点故障容错和CA证书颁发验证，哈尔滨数据中心和九三数据中心主要负责数据的存储，通过执行链码实现对账本的读写操作，节点根据功能不同分为背书节点和提交节点，部署云图如图3所示，集群启动流程如图4所示。

图3 部署云图

图4 集群启动流程图

4.接口配置。区块链集群通过Fabric SDK调用账本（Ledger）、智能合约（Smart contract）、通道（Channel）、节点（Peer）、排序（Orderer）等接口，方便第三方应用程序的开发，接口配置如图5所示。

图5 接口配置图

5.CA方案设计。区块链农产品质量追溯系统生产环境部署有三个组织，分别为orderer（排序）组织和两个Peer（节点）组织，对应的ID为bdhchina.com、org1.bdhchina.com和org2.bdhchina.com，为了让生产环境Fabric CA具有扩展性和安全性，存在一个逻辑根CA（RootCA）和三个中间CA（Intermedia CA），三个中间CA（Intermedia CA）都隶属根CA（RootCA），如图6所示。

图6 CA方案设计流程图

五、系统功能

区块链农产品质量追溯系统将农作物种植、管理、加工、运输、仓储、销售等环节实施上链管理，系统利用智能合约进行农产品信息采集，形成超级账本，并利用区块管理模块，将信息发布到区块链相应节点，防止信息篡改，采用分布式账本存储，能有效去除中心化系统的弊端，避免人为作弊或数据意外损失。

系统以数据网络的方式构建区块链溯源网络，使用二维条码技术建立生产和流通档案，并在仓储、运输、销售等环节读取设备获取的农产品产地和生产过程等相关信息，实现农产品溯源。有效提高农产品加工环节质量安全可追溯系统数据采集与传输的准确性，进而提高质量安全可追溯系统求解的精度。

系统从种植源头开始，种植环节的灌溉水质、土壤、质检报告、原产地证书等信息均上链管理，以溯源码为基础的信息，形成一品一码（二维码），再赋予每个商品唯一的身份ID，产品涉及的加工、仓储、运输、销售等环节的信息也全部上链管理，并赋予唯一区块ID编码，包括形成区块时间、该区块数据量、所属联盟及区块ID和区块链认证证书，实现农产品从源头到消费者全程信息可溯源，如图7、8、9所示。

图7 区块连追溯大数据平台

图8 区块链溯源证书

图9 区块链追溯农户及信息

1.区块链联盟。建立区块链联盟，将供应链上的各追溯企业组织成联盟成员，获取区块链上各节点数据上传的权限，是区块链数据上传真实性的基础。

2.种植节点。种植过程是农产品形成的源头，上链信息要能够抓住管理关键点，与种植过程有关的生产资料、生产管理过程都要上链形成分布式存储，并在大数据界面展示，生成区块ID、区块时间、区块数据个数，展示上传者和所在联盟信息。种植节点信息可通过智能终端APP直接上链存储，信息及时、准确，上链数据包括种植面积、作物品种、农户、种植档案、数据采集、水质检测、土壤检测、产品检测等数据。

3.仓储节点。粮食产品的存储在时间上相对较长，上链溯源信息包括仓库位置、产品信息、产品来源等，将仓库位置在数据地图上找到，不同企业需要货仓存储产品，需要嵌套相应仓储管理方式到该节点。

4.运输节点。运输过程要将起始点、运达终点及在途货物的信息上链管理，还包括运输车辆情况、驾驶员情况等，定期回传运输车辆的位置。

5.加工节点。加工过程中按照生产流程找到生产关键节点，通过联盟成员接口，将生产过程数据直接上链，实施分布式存储。必要时，生产过程的数量衡算也要在上链数据中体现出来，加工过程节点数据包括供应商、原辅材料、重要生产节点、包装量、入库量等，形成数量衡算后上链存储，同时在本地备份存储。

6.销售节点。将销售节点收集的销售材料上传到该区块节点，销售信息包括产品信息、直销方向及一级分销商的信息。产品销售过程管控能有效实施产品召回。销售节点上链信息按照销售金额、省份、产品数量等进行数据对比。

六、应用前景

区块链技术使农产品追溯过程信息更加透明可靠，打通了供应链各企业间的信息孤岛，可将溯源过程中发现的问题快速追踪到发生的环节。区块链技术提供了许多好处，让交易变得更安全，为了提高供应链的可追溯性，分散的分类账有助于把农民、供应商、生产商和买家连接起来。区块链技术特别适用于发展中国家，可通过向小农户提供融资和保险来支持农业发展。区块链的使用可以建立一个值得信任的环境，建立透明的农产品供应链，将主要利益相关者纳入溯源供应链管理。

七、应用效果

区块链农产品质量追溯系统已在北大荒农垦集团八五〇农场有限公司进行了应用，该管理系统对全场2万亩寒地稻田的种植节点数据和影像进行了采集管理，涉及的水稻品种包括绥粳18、三江6号等。使用区块链追溯系统后，加强了农产品质量安全溯源体系的监管力度，促进了诚信体系的建立，提升了产品质量的安全管理及产品信息的可追溯性，提高了产品在市场上的竞争力，增强了消费者购买的信心，推动稻米获得更高附加值，促使整个产业健康发展。

八、结束语

区块链技术在有着去中心化、信息不可篡改、开放、自治等优点的同时，也存在性能和效率的问题。目前基于我国农业发展水平，区块链技术在农产品生产上不断向前端延伸，延伸到种植端，将种植端的管理举措、生产资料等都进行上链管理，保证种植、运输、仓储、加工、销售等环节信息的真实性，使供应链上各方都能受益，这是提升我国农业现代化水平的重要突破口。