区块链技术在农产品溯源中的应用与研究

黄宁，陈秀兰，王敬红

（甘肃开放大学，甘肃 兰州 730030）

我国发布的《“十三五”国家信息化》在2016年将区块链技术发展纳入其中，并将其作为核心技术自主创新的重要突破口，用以解决当前传统领域的许多痛点问题，提升劳动力及资本运转效率[1]。

随着农产品安全不断出现问题，对于农产品质量追溯显得非常紧迫，失去公信力缺失及监管困境等成为传统农产品追溯系统所面临的主要问题。随着区块链技术不断发展，其具有的分布式、去中心化、不可篡改、可追溯等特性在改善农产品溯源系统数据安全性、透明性等方面起着重要作用，并在各个行业中得到了广泛的应用。

1 区块链技术的概述和主要类型

1.1 区块链技术的概述

数字世界中人们相互连接尤为紧密，区块链在其改革过程中发挥重要作用。也就是说，作为分布式账本的一种，区块链具有共享性，并且区块链数据结构是链式结构，以更为便捷和安全的方法针对全部成员在业务网络内部交易流程进行记录，同时对资产进行追踪。它提供了一种记录和数据传输的透明、安全和可追溯的方法。区块链技术可能在未来的几年颠覆现有的很多行业。

1.2 区块链技术的发展阶段

最早是在2008年由中本聪技术极客发表的《比特币:一种点对点电子现金系统》论文中第一次提出区块链技术，发展至今可分成四个阶段：

第一阶段：2009—2012年:比特币。比特币2009年上线，此阶段被称为区块链1.0，其包含了区块链技术的分布式、不可篡改等所有的基本特征。

第二个阶段：2012—2015年：山寨币的诞生。各种基于比特币技术的山寨币出现，比如狗狗币、莱特币、点点币等传播，这些都是在比特币技术的基础上针对某些方面的应用而进行的改进区块链项目。

第三阶段：2015—2019年:以太坊的诞生。以太坊在区块链1.0的基础上实现了区块知晓、图灵完备、价值知晓，在一些细节上进行了优化，并进一步产生了以智能合约为特色的区块链2.0。

第四阶段：2019—至今：Libra。习近平总书记的重要讲话。2019年发生了两件具有历史意义重大标志性的事件。首先，Facebook公开宣布了Libra区块链项目，标志着区块链技术被正名，正式得到Face⁃book多达27亿全球用户的大公司的使用，在提高区块链技术曝光度的同时,也将区块链技术提到了金融竞争的高度。在中国，2019年10月，习近平总书记的重要讲话中提到，将区块链技术提高到国家竞争的高度，因此，之后在中国掀起了区块链技术落地的浪潮，成为许多学者和爱好者关注的焦点。

1.3 区块链技术的基本类型

区块链技术主要分成公有链、联盟链和私有链三种。（1）公有链

公有链技术指的是世界范围内所有人都能够获取并进行交易的同时也可以通过交易确认，所有人都可以对其共识过程参与的区块链——区块链内部添加哪个区块以及其状态确定都是由共识过程来决定的。公有链一般情况下都认为是完全去中心化，匿名公开、不可篡改以及技术门槛很低都是其主要特征，以太坊和比特币等是其应用中具有代表性的。

（2）联盟联

联盟链指的是在共识过程中预选节点会对其进行控制的区块链，由若干私有链构成，由若干机构协同参与实现管理的区块链，每一个机构或者组织对一个或者若干节点进行管理，仅允许系统内部各个机构实现数据读写与发送。它的特点是部分去中心化，可控性较强、数据不会默认公开、交易速度很快。主要应用于数字金融、供应链管理和电子存证等领域。

（3）私有链

私有链就是完全私有的区块链，建立在某个企业内部，写入权限仅属于该企业的区块链。以企业实际要求完成系统运行规则的制定。可以适当限制读取权限，也可以对外开放读取权限。私有链提供运行平台能够保证自动运行、不可篡改、可追溯且安全性高，能够对公司内外部威胁和攻击数据安全的因素进行有效预防。私有链的特点是交易速度快，保护隐私，而且交易成本极低，主要应用于公司或者机构内部。

2 区块链的基本架构

图1为区块链基本框架图，最上层为应用层，其次是合约层、激励层、共识层和网络层，最下层为数据层[2]。

图1 区块链基本架构

数据层：属于链表和区块链数据结构，从根本上来看区块链为分布式。

网络层：P2P的网络、验证机制和数据传播等。

共识层：完成区块链获取货币机制的制定，为系统正常安全运行提供保障。比如，比特币采用PoW：随着计算机性能的提升，获得货币奖励的难度越小；又如PoS：与众筹分红有些相似，对持有货币数R要进行考虑。

激励层:挖矿机制。具体是通过经济方法实现激励的分配与发行机制。

合约层：负责对区块链运行的脚本代码和合约机制进行储存。最初的区块链是没有这一层的。因此之前的区块链只能用于交易，却无法用于其他领域及进行其他的逻辑处理。合约层能够实现在其他领域中应用区块链，例如在物联网中使用区块链。

应用层：区块链技术的具体应用，即应用的展示层，如以太坊使用的是Truffle和Web。无论是Web端、移动端或者将现代的服务器融入进来，都可以当作应用层，将业务服务器作为应用层[3]。

3 区块链技术在农产品溯源中的应用

3.1 农产品溯源的现状

以美国疾病防控中心统计的数据可知，每年由于食品而患上疾病的人共计4800万人次，需要住院治疗的人就高达12.8万人，死亡人数高达三千人。2008年我国指出需要对农产品进行全面监控，促使农产品安全性得到保障。目前，对农产品溯源系统的概念没有统一的定义，只有国内外的一些相关组织和学者从不同角度分别进行了阐述和解释。最初是由法国等部分欧盟国家提出，欧盟、美国、日本等发达国家都为此制定了相关法律，并对食品可溯源性要求进行了严格规定。

3.2 区块链技术在农产品溯源中应用

为了实现整个农产品生态系统的透明，基于区块链的农产品追溯系统中需要将生态系统中的所有实体都连接起来，包括生产商、加工商、零售商、制造商、消费者、销售商和监管部门在内的每个环节，还包括从种植者到餐桌所涉及的每个人，最后到达食品链的最终消费者[4]。

本文以农产品食品链参与者进行分析，对参与者在所有流程中负责的工作内容以及对应标准进行全面了解，这些参与者包括：农民、食品生产商、仓库和配送中心、食品运输商、商场和超市、消费者、监管者、认证机构及遵守的准则。

图2展示了农产品食品链中的所有参与者。本文主要目的是将区块链和物联网结合起来，提升共享重要信息的可信度，减少人为的错误，并为农产品溯源系统提供更优的解决方案。

图2 农产品食物链流程图

以系统设计应用的技术层面分析，解决方案的灵魂就是物联网。在整个溯源过程中，都需要传感器来采集每个阶段的数据。如今，大部分资产追踪传感器连接以及数据传输是利用RFID、NFC、超声波、红外、卫星、NB-物联网、LTE、LPWA、蓝牙以及Wi-Fi等技术来实现的[5]。在选择物联网方式时，数据访问通常在区块链网络中储存数据，然后对其中数据信息进行访问，区块链技术能够确保数据信息更加安全，信息更加可靠且不允许篡改，同时成员间信任度更高，这种在以前是不能实现的，而区块链技术为我们解决了这一难题。通过该技术也可以在各种系统中对不同数据信息进行共享。

区块链技术保障成员之间的信任，使我们能够真正解决一些问题、可以更好地服务于客户。此外，通过创建信任,区块链允许我们访问历史资产数据，这些数据代表了我们几十年来积累的数据和分析方式，包括认知、机器学习、预测、大数据等。总之，区块链代表了将所有这些因素结合在一起的缺失的拼图。

区块链技术解决方案可以实现的一些重要内容如下:在食品行业实现透明管理。建立可信赖的联系,让食品生态系统中的每一个人都能参与。提升互操作性,使业界能够推动系统可用性提升。实现系统对牲畜和谷物的监控、牲畜定位、室温监测(温度和灌溉)。

综上所述，农产品溯源极其复杂，各个环节之间密切关联、相互依存。农产品产业链存在诸多程序，任何一个环节出问题都会给顾客带来风险。在传统生产过程中我们需要工人亲自在场监督食品流转的每个环节，现在通过区块链技术和物联网实现联网设备的可视化，工作人员就可以直观地了解设备、库存、人员和生产过程的情况[6]。所以区块链技术和物联网的发展为农产品溯源困难提供了新的解决思路。

4 总结

区块链技术的主要优势在于自治、开放、不可篡改以及去中心化。从目前我国农业发展水平情况来看，区块链技术在农产品溯源应用上可以不断向前端延伸，延伸到种植端，将种植端的管理举措、生产资料、工作人员等都进行上链管理，为种植、加工、运输、存储以及销售等过程中数据信息真实性和安全性提供保障，使每个环节及供应链上的各方都能受益，这是我国使用区块链提升农业现代化管理水平的重要突破口。