基于区块链技术的农产品信息追溯方法与应用

沈淑涛 杨孝天 李江 马冉

基金项目：西藏自治区高等学校人文社会科学研究项目，项目名称：基于区块链技术的西藏农产品信息追溯方法研究，项目编号：SK2021-29

摘 要：目前的农产品追溯系统存在数据易篡改、信息不对称等问题，针对这些问题，采用区块链技术，借助其可追溯性、信息难以篡改、去中心化存储、信息对称等特征，可以构建更为可靠的农产品信息追溯方法。本文对区块链技术进行分析，构建在区块链技术基础上的农产品信息追溯系统，以此解决传统物联网技术农产品追溯系统中的各种问题。

关键词：区块链;农产品信息追溯;系统构建;应用

近年来，农产品质量安全事故近年来也有所增多，一些掺假、造假问题，对人民群众的身体健康造成了不同程度的损害。农产品追溯系统是农产品质量保障体系中的重要工具，可以解决消费者对农产品质量安全问题的担忧。不过传统农产品追溯系统存在许多问题，如信息追溯难度大、数据难以共享、中心化网络权力过度集中、数据容易篡改等，只有妥善解决这些问题，农产品追溯才能真正发挥其作用。现如今，区块链技术日益成熟，为农产品追溯系统的构建与应用提供了新的思路和可能性。下文即结合区块链技术，探索农产品信息追溯系统的设计方案。

一、区块链技术分析

区块链类似分布式账本，是一种数据结构，可对交易情况进行记录。在系统中，对信息记录的区块，连接成链，各区块中均包含上一区块中的哈希指针和交易信息，通过哈希指针，可将区块予以连接，根据时间戳对过往交易按照顺序排列。

区块链以链式进行存储，其形成的交易信息，均在区块中存储，而各个区块又包括块体、块头，且包含前一块散列值，以便和上一区块进行连接。同时，其中还含有区块体哈希值、时间戳等。按照各种网络参与方的对应准入标准，可以将区块链技术分成三种类型，分别是联盟链、私有链和公有链。

公有链即公共区块链，以比特币、太坊为代表，具有很强的公开性，用户无需请求加入网络或提供身份证明，即可读取其中的数据，且均可发送交易，获取有效确认，而且所有人均被允许参与到共识之中。私有链即完全私有区块链，指的是少数组织或个人有一定权限。这一区块链对读取权限设置明显，对外开放受到局限，虽然具有公共可审计性，不过因其去中心化，因此并无公共可读性。联盟链即联盟区块链，同时兼具公有链和私有链的特征，指的是预选节点可控制共识的过程，只有系统内的组织能够对账本进行读写，并完成数据记录。当用户获取授权，即可进入联盟链的网络中。这一类型在开放程度、去中心化上有一定限制，需要预先筛选参与者，而在读取交易数据权限方面，具有一定公开性。

上述三种区块链类型各有特点，应用场景有所不同。本研究在农产品追溯系统构建中，处于数据安全性、局部中心化、追溯速度、组织结构等方面的考虑，选择联盟链技术。

二、基于区块链技术的农产品信息追溯方法设计

1.区块链技术基础上的农产品追溯系统构建

（1） 构建系统模型

可以根据区块链的基本原理与联盟链技术，构建农产品追溯系统模型，見上图。在这一模型中，通过CO2浓度感知器、温度及湿度感知器、视频监控等多种方式，在生产种植过程中，对农产品生产的相关信息进行采集;在采摘加工过程中，可通过产品标识、感知芯片等，对加工过程的信息予以采集、记录;在物流运输过程中，可借助定位装置，对运输、周转的过程进行记录，借助环境监控设备，对运输过程中环境数据进行记录;在销售环节，借助二维码、条码来对销售情况进行记录。不同环节的信息采集工作，所用设备各不相同，不过获取的信息会传递到区块链网络中，进行储存应用。

在将农产品的追溯信息上传、存储之后，要避免相关信息遭到篡改，可以借助加密处理技术来实现，密码学加密技术是应用其最多的一种方法。借助区块链技术的时间戳，可形成允许监督、查询、追溯的区块链条，从农产品的种植一直到完成出售全过程，均有这一链条的应用，因此能够确保农产品信息可被追溯。

（2） 追溯流程的设计

① 种植及采摘

大棚内的农作物生长过程中，有专业的传感设备，能够直接对pH、土壤含水量、氧气含量及光照等数据进行采集，转换格式之后，可借助现代无线传输技术，向系统传递相关信息，形成区块链数据源头。当农作物成熟之后，工作人员需要现场采摘，需要将农产品的种植时间、采摘时间、负责人、采摘情况等形成信息，向区块链传递，存储起来。

② 包装加工

农作物采摘完成后，在需要时可对其包装，之后才会入库。部分农产品需要再加工，此时需送至下一单位展开加工，将相关数据向区块链中传递，形成追溯码标识，标记在产品包装之上。

③ 运输配送

农产品需要运输至市场，才能进行销售，运输过程会涉及不同的运输方式、不同工作人员，需要将负责人、发货地址、运输方式、运输时长、收货地址等信息上传。

④ 交易查询

要实现链条式追踪，产品包装二维码中，需要包括产品自产出、加工到出售的所有信息，这样才能维护消费者的知情权，提升消费者满意度。

（3） 追溯方案的设计

① 算法选择

共识算法是区块链中的底层核心。通常情况下，需要借助共识机制实现中心化，来解决相关问题。农产品追溯的各个环节彼此独立，因此所有节点均无法对别的节点加以识别，无宕机情况。在设计中，可以选择的算法共有三种。

a.POW

这一算法为工作量证明算法，用来确认已完成工作量。在过程监测中，这一算法的效率较低，而若借助认证工作结果证明工作量，则工作效率可得到提升。不过这一算法比较耗能，交易性能不理想，需要很长时间才能达成共识，且易发生算力集中的问题，导致去中心化受到破坏。

b.POS

POS为权益证明算法，这一算法会导致电力大量浪费，因此为替代性算法。这一算法类似银行的存储财产，能够按照数字货币持有时间、数量来合理分发利息。在权益证明方面，这一算法能够借助特定方法，定义区块链中的后续合法区块，结合账户结余情况来选择，因此会发生中心化现象。

c.PBFT

这一算法属于实用性的拜占庭容错算法，是可将分布式系统和拜占庭式故障节点维持一致性的一种算法，能耗较低，工作效率较高。目前PBFT是联盟链应用最广泛的算法。总体来看，PBFT速度更快，效率更高，因此更适用于本研究的设计需求。

② 智能合约的选择

在农产品追溯系统中，智能合约方法是借助特定编程语言，对相关程序加以实现，可以于区块链系统容器之内来运行，在一定条件下可激活。智能合约技术用于超级账本中，可构建链码。在农产品追溯中，应用智能合约时，首先需要注册。农产品的生产、包装加工、运输及零售等各个环节涉及的单位，均可注册智能合约，而各衔接单位彼此也可确定合约。当智能合约的相关要求均获得满足之后，合约会立刻生效，并可自行执行。用户若想了解合约履行情况，可以随时查看。

2.农产品信息追溯系统的实现方法

根据上述分析获得的农产品追溯系统模型及技术方案的设计思路，笔者认为，在区块链技术之上构建农产品追溯系统，涉及的数据层、共识层、合约层及应用层，需通过以下方法实现：

（1） 数据层

数据层是借助动态存储方式，将管理者信息、农产品溯源信息等上传到区块链中，为保证上链信息准确，需加入协同验证的模块，借助Merkle树形结构，来存储动态数据。

数据真实性，是农产品追溯系统中需要首先考虑的问题，如果存储的时候即存储伪造数据，则区块链技术的防篡改特性、去中心化，就没有意义。为解决这一问题，在数据层可以设计一个协同验证功能模块，提升农产品信息的真实性。可通过二维码技术，来标注不同环节的产品信息，这样消费者能够根据需要随时查询。

协同验证功能模块，需要企业员工实施操作。各个员工有自己的工作号码，在检查产品时，需要输入自身工作号码，将之作为标识。工作人员签名，数字签名为鉴定之用，可经过签名，对负责人相关信息进行查询。同时签名还可保护标签内容。要对数字签名进行应用，需要先验证，再进行互发信息。这一流程需应用哈希运算赋值方法。

（2） 共识层

共识层是将PBFT共识算法，加入积分惩罚机制，让农产品追溯连接中的分散节点，在区块数据有效性上形成共识，确保区块链网络能够平稳、安全运行。

共识层中涉及超级账本功能，这一功能涉及到智能合约，SDK接口十分丰富。共识机制是通过PBFT共识算法来实现的。Fabric网络内，进行农产品追溯数据存储的单位，彼此是对等Peer节点，所有节点均有记录功能，追溯链条上，各单位加入到区块链网络前，均可从CA节点（代表为监管单位）获取准入许可，而有相应许可的单位，可经客户端来进行农产品数据的发布，背书节点负责背书，之后经共识算法，选择验证节点进行验证，排序节点对所有交易排序处理，打包形成各个区块，再向外发布，实时播报Peer节点，确保同一链条上各节点所接收信息的内容于时间均相同，且逻辑顺序相同。在这一操作下，农产品追溯信息区块即可形成。

（3） 合约层

Fabric框架之下，借助Golang语言，对链码进行编写，从而实现各组织节点的智能合约，再借助Docker容器，对链码连接Fabric与客户端的过程进行运行，在一定条件下激活，使之自动运行。

智能合约本质上属于一段程序，是借助部分计算编程语言的编写技术，来确保这一程序在区块链系统容器内运作，且这些程序在内在或外在条件的刺激下，可自动运行。按照农产品追溯具体的需求，系统智能合约包括农产品信息查询、农产品交易两种类型，借助两种智能合约，可以完成加密交易、无缝衔接。

农产品数据结构，包括生产单位、加工单位、承运单位和销售终端。客户端进行智能合约接口的调试，此后可以向区块链网络发布各种交易提案的内容，在验证、背书环节检查之后，通过排序节点，在同一通道中的组织成员，即可查询、提取交易信息。进行农产品信息发布的接口，不仅需发布相关生产信息，还可发布加工信息、运输销售信息。成员获得授权之后，需要安装智能合约，在Peer节点服务器上，对其实施实例化，被授权者可借助Fabric-SDK客户端和Peer节点服务间实现交互，以此部署、运行智能合约。

（4） 应用层

借助CSS、HTML5等工具，实现交互界面前端开发，这样农产品追溯系统可在手机端、PC端实现追溯查询的操作，各组织节点可发布农产品的追溯信息。为确保农产品信息公开透明，实现系统去中心化，还需过根据农产品源头与区块链技术的特征，设计农产品信息源头追溯的联盟链模型，其中生产单位、加工单位、运输单位、销售单位包含4类节点，分别是头节点、锚节点、记账节点、背书节点、公共排序节点。农产品从生产到销售，其涉及的节点，在系统中均有读取数据信息、写入数据信息的权限，且区块链节点之间可以实现数据协同。

三、基于区块链技术的农产品信息追溯的应用

农产品追溯系统，是应用HTML5、CSS，在Dreamweaver上进行操作部署，后端用MySQL数据库读取数据，来实现追溯过程。以某地苹果生产、销售的过程为例，其具体应用如下。

（1） 生成追溯二维码：首先，在信息发布过程时，农产品的信息追溯码和产品编码可同时产生。二维码形成后，可打印出来，粘贴在包装外，而各级节点均可扫描二维码、输入产品编号，来协同验证，这样能够为消费券提供可信度高的追溯。（2） 信息发布：农产品信息发布，涵盖农产品生产、加工、运输、销售等多种信息。在录入这些信息时，可采用人工录入、传感器采集等方式，发起交易的一方，可在发布界面填写数据，同时提交到区块链网络中，经过背书节点验证交易提案，排序打包，获取区块。（3） 信息查询：消费者购买苹果之后，可扫描二维码、输入追溯编码等，来查询苹果的生产情况、运输情况及销售情况，此时农产品的各种信息均可得到显示。

四、结束语

农产品追溯系统的构建，可以确保农产品信息真实可靠、清晰透明。区块链技术的优势是数据信息不可更改，因此在区块链技术基础上构建农产品追溯系统，可以有效解决农产品溯源问题，为人民群众的食品安全提供有力保障。不过，目前物联网设备和系统集成，针对的主要是农产品信息的协同验证方案，在信息填写与发布中，还需依赖于人工配合验证，这导致执行效率较低，也可能出现录入信息有误的情况。未来可以将物联网设备和系统实现高度集成，减少人工的参与，借此进一步提升工作效率，提高信息的準确性与可靠性。

参考文献：

[1]田钟浩，郑承华.食用农产品信息追溯监管体系中企业法律风险防范[J].食品安全导刊，2022（13）：177-183.

[2]陈智.大数据背景下农产品可追溯信息对顾客满意度的影响——产品知识的多群组分析[J].商业经济研究，2022（01）： 131-134.

[3]梁飞.信息价值感知、追溯行为与农产品质量安全追溯[D].郑州，河南农业大学，2021.

作者简介：沈淑涛（1979- ），女，汉族，内蒙古乌盟凉城县人，硕士研究生，副教授，主要研究方向：图像处理、中文信息处理;杨孝天（1996.08- ），男，汉族，河北张家口人，在读硕士，主要研究方向：区块链、网络安全;李江（1993.11- ），男，汉族，山西省绛县人，硕士研究生，主要研究方向：区块链技术、数据挖掘;马冉（1994.12- ），女，汉族，河北石家庄人，硕士，在读研究生，主要研究方向：数据分析和区块链