基于区块链技术的茶叶食品安全追溯体系分析

王坤侠

（浙江农林大学 数学与计算机科学学院，浙江 杭州 311300）

当前，随着食品安全事故的不断发生，致使很多消费者非常关注食品产业的安全情况。茶叶是我国的第一大饮品，当进入世界贸易市场后，普遍发生农药残留、茶叶信息缺失及拼配作假等问题，严重危害消费者的经济利益。与此同时，在原来产业链追溯体系当中，经常发生数据篡改、信息公开不透明及中心化管理等情况，致使茶叶存在的质量安全问题不能得到更好的处理。

根据现有的研究可以得知，农产品质量溯源平台构建期间通过应用数字化技术，加快了溯源平台的建设进程，我国该领域的专家学者和企业确切提出：针对不同信息技术溯源系统的建设制定了相应的方案，如：有的专家学者全面分析了我国茶叶当前的安全现状，依据射频辨别和物联网技术建设茶叶溯源平台，在区块链视域下，梅州市政府与顺丰速运协同建立了柚子溯源系统，进而可以将梅州柚从田地至生产、运输及销售过程中进行追溯。我国是茶叶生产大国，具有很多种茶叶类型，产业在生产过程中拥有较长的生产链，通常情况下茶叶是由具有一定生产规模的小作坊分散经营或小微企业加工生产，原来的溯源平台不能使当前追溯信息的要求得到满足，导致这些信息极易伪造，消费人员不能获得有价值的溯源数据信息。但是随着区块链技术的不断转型与升级，呈现出去中心化、具体保护、不可更改和不可伪造等特点，可以更好的解决茶叶质量溯源问题。

1 茶叶溯源存在的问题

一直以来，我国茶叶是很多家庭作坊式的加工生产，缺少规模较大的茶叶生产企业，茶产品全程质量安全追溯体系得到茶叶届的认同。然而在具体实行过程中还是出现很多问题，主要表现为：其一，搜集到的在茶叶种植与加工过程中对生长调节剂、农药等使茶叶中残留有害化学物质的信息的不精准性进行详细记录，导致追溯体系的信息呈现出滞后性，提供的信息仅包括产品的包装批次或者加工等，不能快速实现茶叶追溯。其二，许多追溯信息基本上是企业供给，缺少完善的机制监督信息，并且缺少第三方专业检测部门的检验，很多消费人员不能加入其中，使追溯体系的作用不能进行充分发挥。当前主要是使用二维码技术辨别产品的有关信息，但是还需要深入探究二维码提供的产品信息的真假。其三，茶产业由原来的生产时代不断过渡至品牌建设时代，茶品牌大部分是将公共品牌和地理标志产品作为核心。一些不良商家冒充知名品牌，生产伪劣产品，在一定程度上降低了原商品的品牌价值，破坏了消费者的权益。当前，大多数依靠企业自主管理，缺乏较强的管控力。

2 基于区块链技术的茶叶食品安全追溯体系分析

2.1 区块链技术概述

区块链被当作一个使用P2P网络节点构成的分布式账簿，从本质上来看，其是一个数据库系统。该数据库系统具有去中心化的特征，并且可以分布式存储数据，对数据进行多层保护。

区块链是由很多个首位相联的区块构成，每个区块之间需要借助下个区块详细记录前一个区块哈希值，从而形成链接，然而区块主要分为区块体与区块头，区块头主要存放时间戳、随机数、父块哈希值、区块版本号等。区块体当中囊括了Merkle数与具体数据。

Markle树结构是区块中非常重要的部位，Markle树的叶子节点具有的功能主要存储各种溯源信息哈希值，非叶子节点具有的功能主要存储其子节点精准计算得出的哈希值，树根哈希隶属于区块头结构的范围。当构建茶叶食品安全追溯体系时，区块储存的主要内容为某个环节溯源数据单的索引，并不包括数据信息，所有的数据信息存储于该链接的数据库中。这种结构有利于减少空间，方便数据信息的备份与同步。与此同时，区块当中无论哪个溯源信息发生改变，均会改变整个Merkle树的结构，最后在区块链网络当中检测到有关节点的改变，从而使追溯信息的不可篡改性得到有效保障。

2.2 挑选茶叶质量溯源方案中的区块链类型

区块链需要按照开放程度划分为公有链、联盟链和私有链三种类别。公有链具有去中心化的特点，能够达到最高的开放程度，全部节点在加入或退出时不会受到时间的约束，每个节点均可以加入共识与记账中，同时数据能够达到共享的目的。私有链与其他两种类型相比，其开放程度非常低，仅能供某个组织内部使用，记账不用经过共识，并且私有链所有人可以操作数据信息，数据不会对外公布。联盟链的开放程度高于私有链，但低于公有链，其具有的主要功能是加强对链上数据节点的加入或退出，属于去中心化的区块链范畴。经过比较公有链和联盟链，其对节点的参与人员进行了约束，同时对数据访问权限的要求越来越高，保护参与者的隐私数据。通过将联盟链与私有链比较，二者之间具有的差别是联盟链主要由很多种组织组合成的联盟模式，联盟成员可以对数据进行记录和保护。

茶叶追溯区块链体系主要是由茶叶种植人员、加工人员、物流公司人员等组成，溯源数据主要为这些参与者提供，与此同时，政府部门可以严格监督与管理这些参与者，针对他们建立完善的准入机制。溯源数据中包含很多组织商业秘密，这就要求区块链加强对隐私数据的保护。按照不同区块链的特点与茶叶质量溯源的要求，文章主要分析了基于区块链技术的茶叶食品安全追溯体系，最终可以保证茶叶食品安全追溯过程的安全性。

2.3 茶叶食品安全追溯体系设计方案

2.3.1 设计思绪。通过科学合理的应用区块链技术，可以详细记录茶叶流通期间产生的所有节点数据，同时展开数字签名，采取时间戳方式进行连接，构成数据区块，在产业链当中能够动态记录茶叶产品的各种数据信息，清楚讲解产品路线，让消费者能够满足茶叶产品数据信息溯源提出的各种要求。另外，通过对区块链分布式存储的特点进行详细分析，不能随便更改区块链上各种数据信息，配合政府监督管理部门追踪问题产品，从而落实监管工作。

2.3.2 整体框架。通过对图2中进行观察可以看出，利用区块链技术设计茶叶食品安全追溯体系过程中，需要在生产、加工、物流至售卖等方面综合考量茶叶供应链的整个过程的质量追溯，使用以往的物联网技术搜集茶叶主要追溯点的数据，通过科学合理的应用区块链节点，可以对数据的真实性进行准确验证。验证合格之后，能够全面考虑数据存储的容量和溯源查询效率，将具体数据信息存储在原来的数据库中，但是索引数据单需要在分布式区块链数据库中进行存储，如此一来能够更好的保证茶叶追溯信息的安全性与可靠性。区块链节点管理指的是管理加入追溯区块链体系的每个节点，区块管理主要囊括了数据怎样存放于区块上，每个区块怎样快速构成一条完善的链式结构。

3 基于区块链技术的茶叶食品安全追溯体系的应用

在设计茶叶溯源系统过程中，应用区块链技术能够实现茶叶从种植至物流等环节的集成，使用分布式去中心化的溯源信息的存储方法，每个节点构成区块链网络，最终可以更好的追踪信息。

3.1 建立与选择区块链平台

区块链平台主要是由Truffle架构、MVC架构及B/S，C/S混合架构，通过开发Web技术，平台建立过程中主要体现在开源系统IPFS+以太坊，根据Web系统元素建立应用系统，这个系统具备较强的查询功能。

3.2 基于区块链的茶叶供应链追溯体系运行过程

经过搜集施肥信息、茶园信息及病虫害信息，区块链会依据生产地点与生产时间等有关信息，自动形成一个溯源码，加密并传输至区块链云平台。溯源码号和数字签名进行连接，同时存储在区块链当中，为每种类型的茶叶形成信息记录，同时张贴时间戳。

消费者最关心的是采摘的茶叶加工成产品的过程，茶叶种植的信息记录会伴随着供应链的优化进行相应的创新，利用设备搜集的加工环境，加工环节及保质期等信息，使用上链储存至区块链中，实时创新茶叶的信息记录，同时增加至全局区块链当中。

采摘的茶叶加工完成以后，需要把产品销售给经销商、批发商、零售商及分销商，这个环节需要把获得的温度、湿度、产品标识及运输路线等信息更新至茶叶的供应链信息上。

最后一步是销售茶叶，企业需要标注产品的来源，在原来更新的茶叶信息中填入产品的价格、仓储环境及销售单位等信息，进而构成茶叶的供应链信息记录。消费人员使用手机扫描外面包装上的二维码信息，获得产品生成、加工、销售过程及物流运输信息。

3.3 功能的实现和演示

消费人员在查询茶叶溯源信息时，能够借鉴追溯码、商品条码及批次号等信息搜集区块链数据库与当地数据的两份记录，如果出现篡改或者是修改信息数据，需要使用红色进行标记，这样可以使数据的一致性得到有效保障。

4 区块链技术应用下茶叶食品安全追溯体系的构建

4.1 加强对茶叶质量溯源节点进行管理

将P2P网络应用于区块链技术中能够更好的连接每个节点，不需要借助第三方信任部门即可完成交易，全面呈现出去中心化的特点。因此区块链中包括的每个节点均需要负责数据验证、区块传播等工作。区域块技术属于分布式技术的范畴，具有不可信的特点，为了实现追溯信息的稳定性与可靠性，全面实施准入制度体系，从而加大节点的管理力度。在茶叶种植、生产及销售的每个环节，如果各部门需要进入联盟链当中，政府监督与管理部门需要严格审查每个部门的资质，审查合格以后，要求政府监督管理部门发放准入许可证，这样可以记录于共识和记账当中。当节点通过准入机制以后，能够获得相应的公钥和私钥，公钥的权限比较大，其能够公布区块链中的所有节点信息，私钥可以对身份信息和网络进行验证后有效连接。假如追溯节点中有新区块内容时，可以将新区块分散至整个区块网中的各个节点中，根据提前建立的共识制度进行验证，当每个节点均进行共识后，方可将新区块转嫁至相应区块链中。

4.2 操作茶叶质量溯源数据信息

4.2.1 储存数据信息。茶叶食品安全质量追溯区块链体系当中形成的各种数据信息需要存储于数据单中。数据单标识可以使用哈希方法分析数据内容、公钥等之后形成相应哈希值。数据内容是供应链中不可缺少的参与元素，公钥是形成数据单人员的公钥。数字签名指的是数据提供者在数据标识中的签名，防止随便修改数据信息，这样可以更好的确保数据的真实性。

数据单中的内容可以分为各个节点信息、流通记录信息等。从数据内容的角度来看，可以把数据单划分为以下几种类别：

其一，节点信息类。其可以详细统计主体内部有关信息，如：物流公司、茶叶种植商、经销商及加工商等。将茶叶种植商为例，这种数据单既包含茶树编号、茶园面积等信息，还囊括了茶叶病虫害防治等数据信息，这种节点类信息数据单不属于企业的隐私信息。

其二，流通信息类。其能够对茶叶的流通信息进行详细记录。例如，茶叶采摘生产成商品销售过程中，需要出具一条数据单，该数据单主要对茶叶的出厂时间、地点、产品批号等信息进行详细记录。从销售商的角度来看，也需要出具类似的数据单，这样当茶叶存在质量问题后，政府相关部门可以根据数据单上的数据信息追究相关人员的责任。

其三，节点隐私信息类。通过和节点信息类数据单对比能够得知，节点隐私信息类数据会关系到企业隐私数据，这就需要有关人员加大对这种数据的保护力度。比如，茶叶流通期间的价格是茶叶厂商的隐私数据，企业可以使用公钥利用非对称加密技术对这些隐私数据进行标识，倘若需要访问参与节点时，经授权可以使用私钥随时查看信息内容，进而能够使隐私数据在区块链中被经授权的人员查看。

4.2.2 数据上链。以茶叶种植数据上链为例，首要工作需要茶叶种植人员实名认证自己的身份，成功以后可以录入操作种植数据；其次，茶叶种植商可以采取数字签名的方式录入数据，同时产生指定的数据信息标记，然后出列数据单；新的区块链传播到全网每个节点，同时按照预先要求的共识制度体系进行共识验证工作，当每个节点实现共识之后，在区块链上能够完善新区块。

如果茶产品在供应链上一个环节运输到下一个环节时，需要让茶叶加工商发送交易理由，并且与茶叶销售商签订合同，当完成交易操作工作后，茶叶销售商会以新的身份维护与优化茶叶溯源数据信息文件，最终让多个参与主体之间的数据信息互相连通。

4.2.3 查询数据信息。假如消费人员或政府需要查询某个阶段的数据信息时，借助数据标记和私钥查询该区块，然后在数据库中查询有关的数据信息，接着传送给顾客。

本文研究过程中通过将区块链技术作为前提条件，主要设计了茶叶供应链溯源系统，明确指出了解决方案与使用架构。通过将以太网区块链当作主要技术，实现了茶叶从种植至销售每个环节的溯源，可以实时追踪数据信息，同时分布式储存跟踪，执行业务交易数据，清除了茶叶供应链当中能够追溯性的中间环节与中央处理点，让消费者精准的从种植至销售的各个环节追溯茶叶，当茶叶出现质量问题时能够明确责任主体。另外，利用溯源体系还可以使整个茶叶供应的安全性得到有效保障，提升茶叶溯源的高效性。与此同时，还可以提升用户对茶叶质量的信任，提高茶叶产品自身的价值。

另外，此篇文章在研究过程中利用区块链技术可以深入分析茶叶食品安全追溯体系，改善原有追溯系统的问题，同时描述整体方案的实施机制，为追溯体系的构建指明方向。茶叶生产的可追踪性既可以更好的控制茶叶质量安全，同时又可以延伸至生产管理、供应链管理等多个业务功能，为企业生产管理与市场拓展提供便利的数据支撑，提升企业的生产率，减少管理成本，最终可以全面提高企业自身的核心竞争力。

截止到目前为止，区块链技术依然面临着多种困难。在应用系统期间，不能确保信息上报人员填写信息的精准性，因此要严格要求第三方的监管，严格核实上报的信息，同时构建完善的监管制度体系，将监管数据上传至区块链上进而处理这种问题。在今后的工作中，需要更好的处理这些关键问题，同时拟定处理方案。