基于区块链的食品安全溯源系统研究与实现

傅晶 王文丰 刘天元 胡耀才 武文怀 彭亮

摘要：食品安全事关人民的身体健康，如何建立可靠的食品流通体系，实现从生产源头到销售终端全程追溯，保障食品质量和安全，具有十分重要的意义。该文利用条形码、QR二维码和RFID等多种物联网技术，对食品生产、加工、贮存、物流运输和销售等环节进行信息化处理，同时结合区块链技术实现了一个去中心化、防篡改的食品溯源系统。该系统包含Web后台管理系统和前端微信小程序，较好地满足了人们对食品安全可溯性的需求。

关键词：区块链;共识机制;RFID;二维码;食品可溯性

中图分类号：TP393      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）19-0009-03

1 引言

随着经济的快速发展，人们生活水平日益提高，对食品安全也愈加重视。然而，近年来频频发生的食品安全事件，如地沟油、毒奶粉、病死猪肉以及今年3·15晚会曝光的土坑酸菜等事件，极大地引发了社会对食品安全问题的严重关切。

“互联网+农业”时代的到来以及国家乡村振兴战略的实施，农产品电子商务纷纷兴起。新冠肺炎疫情的暴發，许多居家隔离人群更是将电商平台作为购买生活必需品的一种主要方式，但近期“多家快递携带病毒”新闻再次引起了消费者的担忧。

食品供应链通常涉及生产、加工、贮存、物流、销售等诸多环节[1]，传统食品监管模式下往往存在信息不透明、易篡改、安全性差及信息孤岛等缺陷。由于我国许多农村地区信息化程度较低、农产品信息采集较困难，因此一旦出现食品安全问题，就需要耗费大量的人力物力，溯源成本高昂，且一般只能追溯到生产企业，而难以追溯到食品供应链中的各参与方，做到全流程溯源。因此，搭建一个高效精准的食品安全溯源系统，覆盖食品的“产、供、销”环节，服务农户、涉农企业和消费者，在后疫情时代下就变得尤为重要。

2 相关研究

食品溯源也称为“食品可追溯性”，最早起源于欧美等发达国家，它是食品供应链全程控制和安全管理的有效技术手段[1]。

食品信息化是建立食品可追溯体系的关键，物联网技术为解决这一问题提供了良好的契机[2]。如，通过传感器可采集食品生产、加工等环节中各种环境信息，条码给食品信息识别提供了廉价便捷的技术手段。此外，RFID标签则可作为食品对象的身份标识和信息储存器，它使得食品具备“开口说话”的能力。

南楠[3]提出利用RFID记录肉制食品供应链各个环节的信息，以此建立有效的食品安全溯源体系。2017年，王振辉[4]采用MVC模式和微服务框架，设计并实现了一个基于二维码的食品溯源系统。为防范二维码伪造可能导致的安全问题，采用混合加密算法以确保溯源的可靠性。上述研究工作利用RFID和二维码技术对食品进行信息化处理，实现了食品安全溯源，但由于系统依赖中心服务器，因此存在易篡改和信息孤岛的缺陷。

针对上述问题，班海琴[5]提出利用区块链技术和RFID相结合的方式用于商品溯源防伪，有效解决了容易遭受恶意篡改的问题。2020年，李宣等人[6]提出了双区块链的防伪溯源系统。刘秀升等人[7]则将双区块链技术用于农业食品溯源系统中。张瑞星[8]主要分析研究了区块链技术中的共识算法，提出了相应的优化方法。本文将充分借鉴前人研究成果，在此基础上研究并实现一个食品安全溯源系统。

3 食品溯源系统关键技术

3.1 条码

条码是由若干个宽度不等的黑白条纹按照一定的编码规范组合而成的图形标识符，它是一种信息自动识别技术，能够实现数据采集、处理和识别等功能，因此常被应用于电子商务、供应链管理等领域。

条码分为一维码和二维码。一维码制作简单、易识别，但只能表示简单数字信息。相比而言，二维码的存储容量更大、存储信息类型丰富，且具有抗损毁能力。QR Code是目前应用最为广泛的一种矩阵式二维条码，它具有如下优点：1）能够存储图像、音/视频、指纹及汉字等多种类型的信息;2）探测点位多，识读范围广、速度快;3）具有防伪特性，纠错能力强;4）制作成本低，对果蔬等农产品的溯源而言，开发性价比高。

基于一维码和二维码的不同特性，本文将根据实际需求采用相应的食品信息识别技术。

3.2 RFID

RFID是一种无线射频自动识别技术，完整的系统包括电子标签、读写器和数据管理三个部分，其工作原理是通过读写器收发无线电讯号以实现对电子标签的自动读写。

RFID技术具有以下特性：1）识别能力强，无须接触即可识别标签信息，真正做到信息采集过程无人工干预，从而保证数据来源的真实性，因此非常适合新冠肺炎疫情时期的特殊要求;2）读写速度快，可实现同时、多次读写，极大地提高了信息传输效率;3）安全性高，标签信息加密存储难以篡改;4）容量大、适用性强，即使在恶劣环境下仍可长时间工作。

RFID技术常应用于食品供应链的生产和加工环节，但由于其制作成本高，因此本系统主要将其应用于高附加值的食品，如水产养殖、肉制品加工等。

3.3 区块链

顾名思义，区块链就是由一个个区块连接而成的“链条”。其中，每个区块保存了一定数量的摘要信息，它们通常按照时间的先后顺序链接而成。由于该链条被保存在系统中所有服务器节点中，如果有恶意用户想要修改区块链中的信息，必须有超过半数的节点“共谋”才有可能，而这些节点往往都隶属于独立的主体，因此协同作弊将极为困难，从而确保了安全性。区块链具有如下特性：

1）去中心化。没有中心节点，任意一个节点都可以保障系统的正常运行和安全。

2）不可篡改。数据一经上链，所有数据更新操作都将永久地记录在区块链上，实现责任主体有备案、生产过程有记录、主体责任可追溯，因此能够有效解决传统食品供应链各个环节可能发生的信息篡改。

3）多方所有。区块链写入数据不由单一主体所控制，经过多方验证达成共识，才能写入存储。在写入过程中，整合各环节信息形成共享信息链。

4）智能合约。智能合约基于代码指定规则，并通过共识机制保证计算严格按照合约约定执行，并产生可信的计算结果，可用于实现任何计算和交易逻辑的自动化和智能化，同时交易可追踪且不可逆转。

在食品供应链中，每个环节的对应主体可视作区块链系统中的服务器节点，而每个环节所产生的食品信息操作则可记录到一个相应的区块，因此区块链技术十分完美地契合了食品安全溯源工作的核心难题，保障了信息的安全可靠性。

4 食品安全溯源系统的设计与实现

4.1 系统总体架构

如图1所示，食品安全溯源系统自下而上共分为六层，即作业层、数据采集层、数据层、共识及网络层、表示层和用户层。

1）作业层。食品供应链环节中需要开展的信息采集工作，它是整个食品追溯体系的基础。

2）数据采集层。利用一维/二维条码、RFID等信息采集技术和各类传感器对作业层数据进行自动采集和传输，提高食品供应链整体效率。

3）数据层。当食品相关信息采集完成后就需要传输到数据层进行存储，本系统采用关系型数据库和区块链双存储机制。即，前者存储食品完整数据和经过摘要处理后返回的哈希值，而后者仅存储摘要信息。

4）共识及网络层。运行区块链系统的分布式网络管理、传输机制，网络节点共识算法等关键技术。

5）表示层。在系统设计和开发方面，后台采用B/S架构+SSM框架，前端则采用HTML5、CSS、Vue等相关技术将数据按用户需求进行呈现。

6）用户层。它位于架构设计的最上层，包括Web后台管理系统和前端微信小程序两部分，主要面向食品供应链各参与方，其中消费者可通过微信小程序的扫码识别功能轻松实现食品溯源。

4.2 系统设计思路和功能模块

在食品溯源系统中，由于供应链各个环节都会不断产生数据信息，因此将信息对应存储于不同的节点之中，从而实现整个供应链的信息流、资金流和物流的互联互通。

图2给出了食品溯源系统总体设计思路，食品及相关信息由区块链和数据库共同存储。如前所述，前者只存储数据的信息摘要，完整的数据信息则存储在后者中。数据库可由食品监管部门进行维护，而区块链系统则由食品供应链环节所涉及的各方协同管理。与此同时，为保障各环节信息的实时性，加入了智能监管功能，一方面为消费者提供食品溯源服务，另一方面也给管理者提供便捷高效的食品监管服务。

基于实际需求，本文在区块链溯源系统中引入了食品召回环节。以广大消费者的投诉信息为主要线索来源，食药监局通过数据可视化平台对反馈信息进行分类整理，对食用后可能对人体健康造成损害的食品按照其严重程度进行分级召回。

综上所述，基于区块链的食品溯源系统总体设计，利用区块链去中心化的特性，保证了溯源环节数据信息的不可篡改，实现了对信息流可追溯性的快速查找、精确定位。

根据上述总体设计思路，结合食品生产企业规范化管理要求，将食品安全溯源系统分为四大模块，主要功能如下：

1）基本信息子系统：记录企业信息、综合信息、人员信息等。

2）业务管理子系统： 记录原料信息、加工信息、贮存信息、物流信息和销售信息等。

3）溯源管理子系统：完成各类食品溯源码在线生成和溯源码在线查询等操作。

4）溯源微信小程序：消费者在销售终端购买的食品，可通过食品溯源微信小程序的扫码溯源功能，即可实时查询到食品溯源信息，包括食品的基本信息、质检状况、途经路线等信息。

4.3 系统详细设计及实现

限于篇幅，本文以溯源信息表为例进行介绍。

如表1所示，溯源信息表包含溯源编号、食品编号、名称、质检情况、食品检测认证机构、生产日期、保质期、物流公司等信息。为了实现数据的动态获取，在物流公司与储存仓库字段上设置了外键属性，从而与物流运输信息表、食品贮存信息表建立起关联。溯源信息表的主要功能在于，将溯源编号作为唯一标识，生成食品溯源码。

图3显示了食品安全溯源平台（Web端）首页。主要针对食品供应链五个环节的信息进行管理，实现信息的增、删、改、查等功能。同时，根据不同用户的角色赋予不同等级的权限，保证每一环节的数据采集皆为实时记录、上传，实现环环相扣，避免人为造假，进一步确保信息真实可信。图4显示了食品列表信息页面。

如前所述，消费者可通过溯源小程序的扫码识别功能，快速显示食品溯源信息。通过点击溯源管理页面的“生成溯源码”，即可生成该食品溯源卡片，如图5所示。同时，还可根据大数据分析为消费者提供个性化饮食推荐、资讯推送等功能，极大地满足了对于食品信息溯源的高端需求。

5 结束语

党的十九大报告提出，实施食品安全战略，让人民吃得健康、吃得放心。因此，如何从食品源头追溯、建立可靠的食品流通体系，对保障食品安全、保护人民健康具有十分重要的意义。本文利用二维码、RFID等多种物联网技术对食品供应链各环节进行信息化处理，结合区块链技术实现了一个去中心化、防篡改的食品溯源系统，较好地满足了现代社会人们对食品安全可溯源性的需求。

参考文献：

[1] 秦玉青，耿全强，晏绍庆.基于食品链的食品溯源系统解析[J].现代食品科技，2007，23（11）：85-88.

[2] 王成瑞，段富海.物联网关键技术在食品溯源中的研究与应用[J].物联网技术，2012，2（8）：66-68，70.

[3] 南楠.基于RFID技术的肉制食品溯源系统设计[J].现代畜牧科技，2016（8）：1-3，5.

[4] 王振辉.基于二维码的食品溯源系统[J].农业工程，2017，7（6）：29-32，51.

[5] 班海琴.区块链和RFID技术在商品溯源防伪中的应用研究[J].电脑知识与技术，2019，15（23）：237-239.

[6] 李宣，柳毅.基于双区块链及物联网技术的防伪溯源系统[J].计算机应用研究，2020，37（11）：3401-3405，3421.

[7] 刘秀升，郝秋梅，羅诗栋，等.基于双区块链结构的农业食品追溯方案[J].电脑知识与技术，2020，16（36）：227-228，231.

[8] 张瑞星.基于区块链技术的食品溯源平台关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2021.

收稿日期：2022-03-26

基金项目：国家自然科学基金（项目编号：61561035）;江西省科技落地计划项目（项目编号：KJLD13095）;2020年国家大学生创新创业训练计划（项目编号：202011319014;S202011319019）

作者简介：傅晶（2000—），女，浙江丽水人，本科在读，主要研究方向为大数据;王文丰（1983—），男，湖北黄冈人，通信作者，副教授，博士，主要研究方向为大数据、云计算和信息安全;刘天元（1993—），男，江苏灌云人，助理工程师，硕士，主要研究方向为电力负荷调度、区块链;胡耀才（2000—），男，江西九江人，本科在读，主要研究方向为大数据;武文怀（2001—），男，河北磁县人，本科在读，主要研究方向为大数据;彭亮（2002—），男，江西九江人，本科在读，主要研究方向为大数据。