区块链技术在井冈蜜柚可信溯源的应用研究*

陈小强 ，胡 翰 ，黄敏超 ，王 凯

（吉安职业技术学院，江西 吉安 343006）

民以食为天。食品安全是人民群众幸福生活的头等大事，关系到国家长治久安，而农产品安全又是食品安全的重中之重。2022年，《中共中央 国务院关于做好2022年全面推进乡村振兴重点工作的意见》指出，开展农业品种培优、品质提升、品牌打造和标准化生产提升行动，推进食用农产品承诺达标合格证制度，完善全产业链质量安全追溯体系。目前国内外非常重视农产品安全溯源，通过相关技术手段建立了溯源体系，溯源系统可以有效监督和把控农产品质量。而区块链技术正是其中核心技术代表之一，这个被认为是蒸汽机、电力、信息技术后，最有革命性浪潮特点的核心技术，近年来，随着相关应用的落地，越来越受到大家的追捧。区块链是一种分布式账单技术，它具有去中心化、不可篡改、安全可靠的技术特点，通过智能合约、非对称加密算法等方法，实现去中心化的点对点交易，有效解决了传统平台数据存储效率低、数据不安全等问题。

井冈蜜柚作为江西本土优质蜜柚品牌，因其口感较好，迅速获得市场用户认可，但井冈蜜柚快速发展的同时也出现一些问题：一是蜜柚苗木品种质量良莠不齐；二是蜜柚种植户过量使用农药防治病虫；三是为缩短蜜柚生长周期，大量使用速效无机化肥；四是加工企业为追求卖相使用添加剂保鲜。种种现象，不仅损害“井冈蜜柚”品牌形象，而且易导致食品安全问题。井冈蜜柚供应链信息关系到每位消费者、生产者的切身利益，因此，建立井冈蜜柚溯源平台迫在眉睫。课题组以井冈蜜柚为研究对象，构建了一套从种植、采摘、加工、运输、销售全产业链的区块链溯源系统，确保井冈蜜柚的安全可靠以及品牌价值。

1 国内外研究现状

近年来，国内外对农产品质量重视程度不断提升，专家学者在农产品溯源方面的研究也越来越深入，有些侧重于溯源模型、溯源平台架构设计创新性研究，有些重点研究产品存储方式和查询效率提升。刘丹等[1]提出将区块链和物联网技术相结合，以此来构建稳固的农产品溯源平台，通过GPS、温度、湿度、光照传感器等物联网设备采集信息，采用ZigBee（紫蜂）技术上传，后台数据基于区块链方式存储。郑明[2]结合当前新冠疫情环境下，跨境电商产品质量不稳定、物流追踪信息不全等问题提出基于区块链技术的跨境电商溯源系统。王华等[3]综合使用二维码、RFID（射频识别）技术、RSA（非对称加密算法）实现禽类肉产品安全溯源。王志铧等[4]通过建立超级账本模式实现可信溯源，并且针对不同生产场景动态溯源，解决传统溯源系统流程灵活性差、安全性低等问题。汪家伟等[5]研发了基于区块链的茶叶可信溯源系统，实现茶叶种植、采摘、加工、统计分析、溯源查询全业务功能。梁景雄[6]从顶层应用出发，采用分布式MQTT（消息队列传输）集群和Fabric（智能合约）联盟链技术方案，构建了物联网与区块链溯源系统整体架构设计，减少系统耦合。吴晓彤[7]提出一种基于备选投票机制的低时延共识算法IPBFT（基于地址的拜占庭容错技术），解决农产品溯源时延高、效率低问题。

目前，溯源系统可分成两大类，即传统溯源识别技术和区块链溯源架构技术。传统的溯源识别技术主要包括二维码识别技术、RFID识别技术、成分分析技术，其中二维码识别和RFID使用最广泛[8-10]。

1.1 传统溯源识别技术现状

1.1.1 二维码溯源识别技术

二维码溯源识别技术是指使用黑白矩形图案表示的二进制数据，通过手机等扫描仪设备扫描后可获取信息。二维码防伪标签结合二维码技术、数码防伪技术及激光全息防伪技术，通过后端系统自动生成唯一的防伪二维码标签，再将标签贴到产品或包装上，消费者购买后扫一扫产品上的二维码即可验证产品真伪，二维码溯源防伪标签查询过程非常方便、快捷。例如，果农在向厂家提供井冈蜜柚时，把蜜柚原产地、种植时间、施肥农药使用信息录入到后台系统中，系统根据信息自动生成唯一的二维码标签粘贴在包装箱上。正因为二维码有着信息容量大、编码范围广、识别准确性高以及制作成本低等优点，被广泛应用于产品产业链监控流通环节，打击假冒伪劣产品，实现高效防伪。

1.1.2 RFID溯源识别技术

RFID溯源识别技术是一种无线通信技术，它无需识别设备和目标之间接触，直接通过无线电信号读写数据。标签本身可以发射无线电波，扫描仪只要在数米以内均可视波。不过RFID标签与条形码不同的是，射频标签不受遮盖物影响，即便是放在箱子或者盒子内，而且读取器一次可以读取多个标签。近些年，因电子识别技术逐渐成熟，很多商场开始用电子标签代替原来的条形码标签，提升自动售货速度。RFID系统由信号接收机、信号发射机、编程器、天线构成。信号发射机比较典型的形式是电子码标签，它能够主动向外发射信号，并且信号包含相关的存储信息。信号接收机也叫作识别器，识别器的功能是根据“命令响应协议”接收发射机反射出的信号，甚至对于某些特殊场景，比如信号受到干扰时可以自动校验。编程器是指向标签写入数据的一种电子装置，可以离线或者在线完成写入数据。天线可以用来发射、接收传输数据，类似于以前的录音机天线，当然，天线的信号不仅受功率影响，还与天线的形状、位置有密切关系。

1.2 区块链溯源系统架构技术

2008年，中本聪提出区块链概念，使用分布式账单节点记录比特币，每个区块链记录多个交易记录，比特币通过PoW（工作量证明机制）、PoS（权益证明机制）和DPoS（股权授权证明机制）三种一致性协议达成共识，所有区块链节点通过Hash（散列函数）地址连接，区块链关键技术包括分布式存储、共识机制、智能合约、超级账单、非对称加密技术。

2 基于区块链的井冈蜜柚可信溯源平台设计与实现

2.1 相关技术

2.1.1 区块链共识算法

区块链共识算法是指系统对故障达成的共识机制，主要包括崩溃容错协议和拜占庭容错协议。为什么要使用共识机制呢？因为区块链系统采用去中心化设计，各节点设备分散分布，需要一套规章制度来维护系统公平性，不仅包括对区块链资源维护者的奖励，而且要有对资源危害者的惩罚，这就要所有节点使用前可以达成统一共识。

2.1.2 超级账单

超级账单技术是一个开源的联盟链，它是一种分布式账单系统，主要由一组有序的、不可篡改的状态转移记录日志构成。超级账单链结构包含账单、链码、通道，针对不同的场景有不同的数据可视范围。账单数据库存储各节点交易状态转移码，状态转移码通过链表形式存储在文件系统中。

2.1.3 物联网技术

物联网（Internet of Things, IoT）是一种计算设备、机械、数字机器相互关联的系统，具备通用唯一识别码（UID），并具有通过网络传输数据的能力，无需人与人或人与设备的交互。物联网一般由感知层、网络层与应用层组成。其中感知层负责为传感器、RFID等物联网设备采集数据。网络层由有线、无线通信网组成，通过4G/5G、WLAN、蓝牙、ZigBee技术将数据安全地传输至应用层。应用层是人机交互层，用户通过各类应用接口获取不同服务。

2.2 区块链可信溯源平台设计

2.2.1 系统背景介绍

在政府相关部门的政策支持下，井冈蜜柚得到快速发展，品牌竞争力强。然而太高的关注度却带来了一定的负面影响，很多不法商贩将普通蜜柚包装成井冈蜜柚销售。为了维护消费者权益，提升井冈蜜柚的品牌公信力。本文构建了井冈蜜柚区块链溯源平台，利用温度、光学、湿度传感器等物联网设备，采集井冈蜜柚日常生长环境、产地经纬度、加工销售环境数据，用户通过小程序等溯源入口可对蜜柚种植、采摘、加工、运输、销售信息进行溯源查询。此外，政府机构还可通过溯源平台对井冈蜜柚进行远程监控和质量抽测。综合考虑，系统需要采集如表1所示的源数据。

表1 数据来源采集情况

2.2.2 系统设计

通过现场走访调研果农、企业、政府、用户需求，构建了基于区块链的井冈蜜柚溯源平台系统架构，如图1所示，溯源平台主要包括数据采集层、数据传输层、数据存储层、数据应用层。

图1 基于区块链的井冈蜜柚溯源平台系统架构

1）数据采集层是由井冈蜜柚种植果农、加工企业、物流公司、包装销售商等供应链中间环节参与者，通过GPS、温度传感器、扫描仪、果园摄像头、农药化肥检测仪、RFID等智能终端采集设备，采集各环节数据，自动保存至井冈蜜柚溯源平台。采集的数据不仅有文本、字符等结构化数据，还有图片、视频等非结构化数据。

2）数据传输层显示采集的数据通过不同方式传至数据库，对于大规模数据，比如摄像头拍摄果园环境照片、井冈蜜柚加工过程的视频数据，可通过WLAN上传至数据库，上传频率为每天1次。对于小规模数据，如GPS、温湿度传感器现场采集的GPS、温度、湿度等数据通过物联网MQTT上传至后台。当然，如果费用可接受，也可以与电信运营商协商，采用4G/5G传输数据。

3）数据存储层包括传统的关系型数据库和超级账本区块链系统，关系型数据库存储非溯源数据，超级账本区块链系统存储溯源数据。供应链各环节参与者在区块链系统中均有唯一身份标识，可通过唯一身份标识可追踪溯源定位，供应链各环节数据保存在对应模块内，降低系统的耦合性，提高系统功能的可扩展性。

4）数据应用层主要作用是溯源系统与不同用户（果农、企业、政府、消费者）进行交互，果农使用角度包含井冈蜜柚种植、施肥、采摘管理；企业使用角度包含井冈蜜柚加工、运输、销售供应链管理；从政府监管角度看，系统提供井冈蜜柚的全产业链远程监控、产品质量检测以及供领导决策分析功能；从消费者角度来看，不仅有井冈蜜柚销售电商、用户评价平台，而且最重要的是有可供用户一键溯源的平台，方便查询井冈蜜柚种植、生产、加工、运输、销售全链路信息，提供井冈蜜柚安全、绿色、可靠数据，进而提升品牌价值。

2.2.3 系统实现

系统通过Java、MySql数据库、区块链技术构建基于B/S架构的井冈蜜柚溯源平台，前端提供微信小程序查询接口，用户输入唯一编号或二维码溯源查询。

3 总结

课题组根据井冈蜜柚特点，结合用户实际需求，建立了基于区块链的井冈蜜柚溯源架构平台，针对溯源模型中数据同步以及查询速度慢等问题提出了解决方案。实际应用结果表明，本溯源系统具有数据安全可靠的特点，实现了井冈蜜柚从种植、采摘、加工、运输、销售全链路监控，保障了蜜柚的供应链信息安全可靠，提升了品牌价值。