基于区块链的农产品供应链溯源应用研究Research on the Application of Traceability of Agricultural Product Supply Chain Based on Blockchain

2023-06-11尹雪倩于安芬

物流科技 2023年13期

尹雪倩　于安芬

摘要：农产品是人类食物的重要来源之一。农产品种类繁多，供应链复杂，导致消费者购买的农产品质量参差不齐。农产品溯源是消费者在购买前，评判农产品品质的重要参考。建立可信的农产品溯源系统具有重大意义。文章通过对农产品溯源的研究，根据农业产品的供应链特点结合区块链技术，设计并实现了农产品溯源系统。

关键词：区块链；农产品；溯源；以太坊；智能合约

中图分类号：F259.27 文献标志码：A

DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.13.028

Abstract： Products are one of the important sources of human food. The variety of agricultural products and the complexity of the supply chain lead to the uneven quality of agricultural products purchased by consumers. The traceability of agricultural products is an important reference for consumers to judge the quality of agricultural products before purchasing. It is of great significance to establish a reliable traceability system for agricultural products. Based on the research on the traceability of agricultural products， according to the characteristics of agricultural products supply chain and the blockchain technology， this paper designs and implements the traceability system of agricultural products.

Key words： blockchain; agriculture products; traceability; ethereum; smart contract

0 引言

农产品为人类提供粮食、蔬菜、果类等食物，是人类的食物的主要来源。与此同时，农产品市场也是商品市场的重要组成部分。在农业中，产品供应链相对较长，从农产品生产加工、分销、零售最后消费者手中，农产品流通需经过多个环节，大部分环节分散无序。在农产品最终达到消费者餐桌之前，其内部的许多过程都是复杂的、不透明的，导致农产品信息无从追溯。由于绿色高品质的农产品价值较高，导致如今的农产品市场有很多名不副实，滥竽充数的冒充的高品质农业产品。可以通过建立可靠的溯源系统的方式，确保产品的品质水平，因此可靠的溯源系统的建立具有重要意义。

早在2008年的时候，比特币就已经进入了大众视野。很多群体对该技术的研究产生了兴趣，由于该技术还处于萌芽阶段，人们对该技术不够了解，应用的领域也较为狭窄。在技术方法的日新月异情况下，区块链技术的研究也在不断深入，已经有三种技术框架分别是比特币技术框架、以太坊技术框架和超级账本技术框架，其底层技术的研究也成为了公众的焦点。由于区块链中数据是以去中心化的分布式存储方式存储的，区块链技术具有不可篡改性、交易可追溯性、交易隐私性等特点，将其应用到农产品溯源中，能有效地解决农产品溯源产业溯源信息的可靠性、安全性等问题。

1 农产品溯源方案设计

1.1 农产品溯源供應链分析

农产品溯源是指对农产品相关信息的溯源。农产品信息包括农产品供应链中的生产、加工、物流和销售等信息。在农产品溯源方案中需要针对农产品和农产品供应链的特点进行设计。农产品供应链与普通产品供应链相比有很多方面的不同，表现在下列几点：

（1）产品的生产标准不同

普通产品的大多是通过机器作业的方式生产的，有统一的加工标准，产品的生产时间基本不会影响到产品质量。农产品与其不同，同批次农产品品质也有可能不同。

（2）产品的生产方式不同

普通产品有统一的生产流程，采用批量生产的方式。农产品有合作社种植方式、农户零散化多种种植方式，没有统一的生产流程，人工参与度比较高。

（3）产品的销售方式不同

普通产品大多采用多级销售的方式出售。农产品出售方式多种多样，主要分为批发的方式和零售的方式进行出售。

（4）产品的运输方式不同

普通产品的运输方式比较固定并且对于运输环境也没有特殊要求。但是农产品在运输途中有可能变得不新鲜甚至腐烂，对物流环境要求比较高。例如，新鲜的农产品在运输过程需要一个温度比较低的条件。

1.2 农产品溯源系统模型

农产品供应链与其他产品的供应链对比来说，具有参与角色较多、农产品信息种类繁杂、农产品数据量庞大等特点。在农产品溯源模型设计时应该考虑这些特点进行设计。

产品供应链还具有复杂、长短不一的特点。在一条简单的供应链中，消费者直接从生产者手中购买，这时供应链中生产者一个角色。在复杂的供应链中有农户、加工商、物流商等多个角色。

本文依据所在供应链环节的先后顺序主要有生产者、加工商、物流商、销售商。每个角色都对其对应的供应链环节信息进行上传，由于方案采用了区块链技术避免了信息被篡改的风险，每个节点都采用信息共用与同步模式，得以完成信息流的追溯。农产品溯源系统模型如图1所示。

（1）生产环节

主要对应的角色是用户，农户负责将生产数据上传到系统中，实现产品数据信息建档任务，每隔一段时间把产品数据录入区块中，并通过私钥签名以认证生产环节符合规范。当产品生产完成并被出售给加工商时，农户需要发起一个交易请求，加工商已成为新的授权角色。角色授权过程主要利用私钥签署内嵌在区块链中的智能合约，授权角色负责跟踪产品并维护产品信息文件，以确保维护的数据正确可靠。

（2）加工环节

加工过程对应的角色是加工商，在其接收到农户提供的产品后，便有了查看及维护产品信息数据的资格。加工商的任务是记录产品原产地、品种、品质等一些数据。上传数据之后会生成溯源码，消费者会通过溯源码进行农产品溯源。

（3）物流环节

物流过程对应的角色是物流商，物流商能够根据公司的定位系统，获取农产品所在的运输位置的相关信息，同时把数据录入产品数据文档，如始发位置、送达位置及运输温度等数据。

（4）销售环节

销售过程对应的角色是销售商。当农产品被销售时，中间环节可能要经历很多次分销才能被零散售出。正因如此，在农产品销售时要做好信息记录，将农产品的批次、收售时间、品质等级等关键农产品信息记录在册，只有这样才可以确保农产品溯源信息的真实完整。

在该方案中，生产者、加工商、物流商、销售商4个角色均都进行了农产品信息上链操作。区块链的分散存储结构和链式区块连接确保了数据的可追溯性。根据农产品溯源特点，提出了一种可靠的溯源方案，确保农产品可追溯性数据的可靠性，提高消费者对农产品产业链追溯的积极性。

1.3 区块链技术平台的选型

针对传统溯源系统中的数据不可信问题，从已有的区块链平台中，选一款较为成熟平台作为农产品溯源的系统框架。区块链技术平台是系统底层框架，平台的选型关系到溯源系统研究目标能否顺利实现。在选择溯源系统基础框架平台时需要注意三个问题：

（1）区块链平台的成熟度，在系统开发过程中成熟的平台出现问题较少，系统具有更高的稳定性，更易于平台的后续维护。

（2）项目开源情况，开源的项目是世界级技术高手共同的劳动成果，在可靠性方面开源项目比闭源项目更具优势。

（3）平台SDK（Software Development Kit，软件开发工具包）接口的丰富度，在针对溯源平台选择区块链平台的原型时，需要考虑到SDK接口中是否具有功能相同接口。

目前，區块链技术平台主要分为三种，分别是比特币、以太坊和超级账本。区块链三大技术平台对比如表1所示。以太坊平台是一款具有优秀综合属性的主流区块链技术平台，该平台提供了丰富的SDK接口，满足开发者实现各类功能的需求。

1.4 溯源方案数据的共识机制

POW共识机制的核心思想是通过分布式节点之间的算力竞争得出记账节点。当添加一个新节点时，比特币系统中各节点会基于各自的算力相互竞争，获胜的节点拥有记账权。节点就解决一个数学难题进行算力竞争，这个难题就是SHA256数学难题。该SHA256难题求解起来非常复杂，但验证相对容易。POW共识算法有三个重要要素组成，分别是工作量证明函数、区块以及难度值。

POW是区块链主流共识算法区块链中一个区块的基本结构如图2所示。

“Nonce”代表着任意数，每个位置的节点运用计算能力得到之后一个区块的Nonce，第一个得到该值的区块，就可以进行记账了。假设想要对区块链中的数据进行篡改，这时需要拥有超过全网51％的算力，达到这一算力很难实现的，因此区块链重点数据不能够被篡改，保证了交易的安全性。

2 农产品溯源系统的设计

2.1 需求分析

根据系统功能的不同，可将系统划分为4个部分，每个模块都与其功能相对应。平台包括登录管理模块、农产品管理模块、信息录入模块和溯源码溯源模块。系统各模块具体功能如图3所示。

（1）登录管理模块

用户注册账号后就能登录系统进行后续操作；登录模块主要是面向农产品生产者、加工商、物流商和销售商，消费者无需进行用户的注册和登陆，在平台中输入商品的专属码就能查询到供应链信息。

（2）信息录入模块

在信息录入部分针对的用户是生产者、加工商、物流商、销售商4类。加工商和物流商主要将农产品加工过程和运输过程中的加工信息和物流信息传入到系统中；销售商用户将农产品销售过程中的销售信息传入系统。

（3）农产品管理模块

农产品管理模块面向管理员用户，系统管理员主要对系统中的农产品进行管理工作，包括农产品查询、农产品删除。

（4）溯源码溯源功能模块

溯源码溯源模块主要面向消费者用户，消费者想要了解农产品质量信息时，只需在溯源系统输入溯源码，就能查询到农产品溯源信息。该模块又分为溯源码生成和解析两个小模块。

2.2 系统架构

农产品溯源系统的架构如图4所示。

基础层的区块链模块负责对溯源信息进行存储，在区块链中农产品溯源信息以分布式账本的形式存储，即去中心化的存储方式，有效地保障了农产品的可信度。

核心层的关键性在于该层是溯源系统与区块链架构交互层。本文选用的是成熟度较高、平台SDK接口丰富的开源项目系统架构——以太坊架构。农产品信息录入到溯源系统后，农产品供应链中的节点通过共识机制形成供应链数据，将区块链数据通过智能合约打包之后，将数据部署在区块链上，完成农产品数据上链。

服务层主要面向追溯平台的应用环境。服务层主要分为3个功能模块：用户服务模块、数据录入模块、溯源码模块。用户模块主要面向的3种用户，分别是管理员、生产者、加工商、物流商和销售商，并负责用户的登录和注册；数据录入模块面向的4种用户，负责将用户录入的数据上传到溯源系统中；溯源码模块的主要面向2种用户，分别是生产者和消费者。把用户上传的农产品信息转变成溯源码，同时也可以把农产品的专属码数据转变成农产品供应链数据。

应用层是系统与用户的交互层，供应链中对农产品生产销售信息的上传以及消费者对溯源信息的查询都是通过应用层实现的。于此同时，管理员对系统和用户权限的管理也要通过应用层实现。

管理层溯源系统的管理，包括对用户权限的管理和对农产品的管理。

2.3 系统概要设计

2.3.1 系统逻辑视图

整个系统划分为溯源码服务模块、用户服务模块、数据录入模块、区块链服务模块，这些功能模块集成到交易管理服务模块。其关系为溯源码服务模块主要提供消费者端的溯源服务；用户服务模块主要提供供应链各环节的溯源服务；数据录入模块提供标准的服务窗口，供用户完成追溯信息的记录；区块链服务模块主要完成基于区块链技术的数据加密、区块化、分布式存储等相关服务，体现系统的可追溯性、不可篡改性、保密性等追溯系统本质属性的保证。交易管理模块将供应链各环节标准化为交易管理服务，保证交易方法的规范性。系统逻辑视图如图5所示。

2.3.2 系统开发视图

系统开发视图是开发人员对于开发视角的描述，是系统设计的基础视图。系统开发视图如图6所示。

在平台开发视图中平台划分成3个层面：视图层、业务层和数据存储层。系统的最上层是视图层。主要为平台及用户提供介质，方便用户和平台之间的信息交换。视图层有数据查询、数据管理、数据录入和登录注册4个界面。数据层中Dispatcher（调度员）分发模块能够对不同的数据进行调度。数据的交互伴随着数据的调度而进行。在调度过程中，数据被分配给了各自模块采取接下来的处理。

业务层有智能合约模块、溯源码溯源模块和用户管理模块3大模块。区块链上存储了农产品溯源信息。智能合约能够对区块链上的数据进行存取，智能合约通过调用相应的结构体方式对区块链上的相关生产数据进行存储和查看操作；农产品溯源信息与溯源码信息是两种不同的数据，溯源码溯源的功能是作用在这兩类数据间；用户管理的主要功能是用户的登录注册。数据存储层是以区块链为核心存储，在区块链系统中数据是以分布式账单的形式存储的。农产品溯源信息、用户信息全部存储在数据存储层。

3 研究结论

在农业信息化进程中，为解决和保障农产品质量安全问题，农业技术人员在不断的对农产品溯源方法进行摸索。大多数现有的溯源解决方案中溯源数据的存储是中心化的。中心化的溯源平台反映了相关数据信息都是集中存储管理，缺乏监管机制。中心化的农产品溯源平台中数据存在被篡改的安全隐患，农产品信息的可信性难以保证。

因此，对于目前溯源领域的不合理现象，本文结合了当前较为流行的区块链技术，考虑到农产品种类繁多和农产品供应链复杂问题，针对传统溯源系统中数据不透明，易被篡改以及数据中心化的问题，设计了基于区块链的农产品溯源系统。

本文在一定程度上解决了传统农产品溯源中溯源数据的不可信问题，具有实际应用价值。本文的主要工作如下：

（1）综合分析区块链的三种主流架构，分别从项目开源情况、平台成熟度以及平台SDK接口丰富度方面考虑，选择将以太坊作为系统的底层框架。系统分析了农产品和供应链的特点，设计了基于区块链的农产品溯源方案。

（2）综合考虑农产品溯源的业务特点，设计了基于区块链的农产品溯源系统对智能合约的结构体和功能进行了详细设计。

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