基于区块链的茶产品可信化溯源

高靖涵，左 欣，林 优，郭宵冉，钱宗其，张春海

（贵州师范学院，贵州 贵阳 550018）

0 引 言

通过对消费者在购买茶产品时想要了解的信息进行了调查和统计，大部分消费者在购买茶产品时，经常需要了解茶产品的产地及质量，但产品包装上仅有的一点信息使消费者无法辨别。基于此，本文利用区块链助力智慧农业，通过茶叶二维码溯源系统对茶产品进行可信化溯源。系统采用的传感器在农产品种植的全部时期都在记录大量的数据，包括农产品的选种、育苗、施肥、除草、除虫、质检、存储。在加工、包装和运输等方面，基于区块链技术下的数据存储和溯源功能，将传感器收集到的数据记录在区块链中，有效避免数据被篡改。在生产链的各个环节部署区块链节点，通过实时传输与离线数据相结合的模式，精准记录农产品发育过程中的有效数据，使种植者与消费者更多更快地了解农产品生长的最新进展，方便后期追踪溯源。通过茶叶二维码溯源系统，可以查到茶叶从种植生产到包装销售的全程信息，提高了管理效率，节省了大量的人力、物力、财力。

1 区块链及其特征

区块链是一个信息技术领域的术语，本质上是一种解决信任问题、降低信任成本的技术方案，目的是为了去中心化[1]。区块链是比特币的底层技术，也是一个共享数据库，奠定了坚实的信任基础，创造了可靠的合作机制，具有广阔的运用前景[2]。去中心化是区块链的典型特征之一，其使用分布式储存与算力，整个网络节点的权利与义务相同，系统中数据本质为全网节点共同维护，不再依靠于中央处理节点，以此实现数据的分布式存储、记录与更新[3]。每个区块链都遵循统一规则，该规则基于密码算法而不是信用证书，且数据更新过程都需用户批准，由此决定了区块链不需要中介与信任机构背书[4]。一旦利用区块链技术，所有数据被记录在册且不能被人为修改，这使得被病毒、黑客等入侵的概率减小，适用面扩大，这得益于区块链的不可篡改性和全程留痕性[5-6]。区块链的可追溯性，即在这个应用中商品的所有信息均可被查询到，例如产地、生产时间、所用原料及原料产地等，尤其是各种商业产品，消费者更容易辨别真伪。在一定程度上，区块链的可溯源性质为人们的生活提供了极大的便利。一般系统的运营和维护需要依靠数据中心等平台，需要较大的成本。但区块链的集体维护性决定了区块链的节点是任何人都可以参与维护的，这可以节约成本并提高效率，并且每个节点都可以验证节点和记录数据的准确性。在区块链中存储的数据是公开、透明和可追溯的，所有用户都可以通过区块链浏览器查询数据。然而，区块链的公开性和透明度并不影响对消费者隐私的保护，可以理解为用一串地址字符也叫秘钥代替身份。区块链的典型特征见表1所列。

表1 区块链特点描述

2 区块链在茶产品领域的应用

近年来，我国茶产品行业蒸蒸日上，是历史上最辉煌的时期。茶文化作为中华五千年优秀传统文化之一，在这一时期重新得到了发扬和传承。茶叶第一产业总产值增长迅猛，从1952年的0.73亿元增长到2020年的2 626.58亿元，年均增长38.6%。与此同时，世界茶产品行业发展势头较好，产量和销量保持稳定增长。但我国传统茶产品行业仍存在企业规模小且较为发散、缺乏一定的管理经验、市场环境有待改善等问题。基于此，采用以下模式带动产业发展：首先是“物联网+区块链”，区块链目前在农产品中的应用受到了极大的制约，主要原因在于高昂的应用成本和维护成本，且存在性能差的缺陷；并且物联网是中心化管理机制，设备的增加会使数据量急剧上升，前期投入和维护成本将难以预测。而“物联网+区块链”模式则会减缓这些问题，节省后期维护成本，有助于提升农业物联网的智能化和规模化程度。其次是“大数据+区块链”模式也被广泛应用在农业中。传统数据库的三大成就：关系模式、事务处理、查询优化，一直到之后NOSQL数据库的崛起，数据库每时每刻都在发生变化[7]。未来会建立更完善的信息入户、政务信息化等体系，需要继续解决如何确保数据的有效性和真实性问题。而以区块链为代表的这些技术将突破性地解决这一问题。将此技术应用在茶产品销售领域，被售卖的茶产品从种植到销售的全程数据被记录，使消费者更放心。农业产业化的过程中，有些地区会有因生产地和销售地距离较远而不易交流的问题，消费者对生产所需的原料、化肥、农药以及运输过程和包装过程中所用到的材料信息不了解，会产生疑问难以解决。通过“质量安全追溯+区块链”技术，扫描二维码即可查询从种植到销售所有用到的原料及时间。在基于区块链技术的农产品追溯系统中，所有的数据一旦记录到区块链账本上将不能被改动，依靠不对称加密和数学算法的先进科技手段从根本上消除了人为因素，使信息更加透明[8]。

3 茶产品溯源

3.1 基于区块链技术的茶产品溯源体系

区块链溯源技术是指结合区块链的不可篡改性分布式账本记录与物联网技术，从产品源头开始记录相关信息，包括采集原料来源、追溯生产过程、加工环节、存储信息、销售信息、质检问题、防伪标记等，从生产到销售全过程都可以被追溯。区块链本质上是分布式的公共账本，不论商品溯源采用的是哪种形式，它都具有公开透明的特性，在链上的所有人都可以记录信息并查看信息。该系统能够有效解决传统商品难以溯源、各部门工作交接困难、信息不对称透明等问题，每个步骤都被记录在区块链上，及时记录及时同步到所有人的链上。

对茶产品通过二维码的形式进行溯源，是通过二维码（Qrcode）记录产品从种植到销售全部过程涉及到的全部信息和产生的数据，可以实现所有产品所有信息全生命周期内的信息可溯源、可查询，以及进行售后服务等，是产品管理的方法之一。二维码溯源也是溯源方式中较为便捷的一种，有文本型溯源二维码和网址型溯源二维码。文本型二维码主要由文本内容构成，所有信息都以文本文件的方式存储于二维码中，不依赖网络扫码获取信息，主要用在工业生产溯源系统。网址型二维码可在扫描后跳转到特定的网页，此网页包含产品涉及到的信息和数据，用户可自行浏览网页获取有效信息，主要用在生活类产品溯源系统[9-10]。

3.2 区块链的构建

区块链是以图1中所示的区块为主要结构首尾相连而形成的一种特殊类型的数据库，每个区块主要由两部分构成，即区块头和区块体。区块头有4部分结构：前区块哈希、时间戳、Merkle根、后区块哈希。前区块哈希和后区块哈希用于连接前区块和后区块，使区块能形成完整的区块链。区块体主要将存入链上的茶产品数据（产地信息、加工信息、成分信息等）通过Hash算法加密，一层一层传递至Merkle根，完成信息的储存，通过不断的加密算法确保数据的安全性；并且区块链中每次获得新的数据就会随机选择加密算法生成新的区块接在区块链的尾部，一旦生成就不能更改，从而保证茶产品信息不能被人为篡改。

图1 区块链的构成

3.3 系统架构设计

如图2所示，通过茶场的摄像头、传感器等智能设备对茶场茶叶的生长情况进行采集，每隔一定的时间上传茶场环境数据和茶叶生长情况；系统会按茶叶的生长周期和采摘时间，对此类数据进行整理，得到不同时间采摘的茶叶的生长环境参数。完成采摘之后会根据生长环境参数进行分析，给出合适的加工方式以及对生产的茶叶进行等级评定，记录茶叶的加工过程、原产地、微量元素含量等；通过Hash算法对茶叶生长、生产过程中的各项数据以及用户评价数据进行加密，生成区块，连接形成区块链，上传数据库并生成溯源二维码；用户通过相关智能设备扫描二维码获取溯源信息并向系统上传评价和建议。

图2 系统架构设计

3.4 系统流程分析

如图3所示，管理员通过溯源系统对茶叶原产地的环境参数、茶叶所含微量元素的种类和数量、茶叶的加工过程、用户反馈等相关数据进行录入，溯源系统内部的加密算法会对数据进行加密，其主要是通过区块链的生成进行的，区块在形成过程中的Hash算法层层递进加密，使得数据被人为篡改和偷盗的可能性变得很小。溯源系统会通过区块链和物联网技术相结合得到溯源二维码，用户可扫描二维码获取溯源信息和反馈意见。整个溯源系统由消费者和生产商等共同维护，由于其采用区块链的形式储存信息，去掉了传统的中心服务器存储，使得茶产品信息更加安全和真实，能很好地完成茶产品的溯源。

图3 系统流程分析

利用区块链技术对茶产品溯源，用户通过溯源二维码获取到溯源信息，可以确保茶产品溯源信息的真实性，让用户获取到更加真实有效的信息。结合溯源二维码、区块链技术形成完整的茶产品溯源系统，构建了茶产品溯源系统的整体框架，完善了系统整体工作流程，让茶产品溯源实现了大跨越，解决了以前茶产品溯源的信息可篡改、不完整等问题，更加透明、真实、可靠。

4 结 语

新一代技术催生了数字经济，促进了新兴业态的发展壮大，引领了传统产业的升级转型。站在新的节点展望，智慧农业正在一点点渗透并改变人们的生活，推动了新一轮农业科技革命的浪潮。区块链技术作为智慧农业的关键技术之一，与茶产品溯源的需求相契合，是解决茶产品溯源过程中数据分散、记录信息容易丢失、溯源结果不可靠等问题的新手段。在实际应用中，将会大力带动农业的发展。