基于区块链的多链金银花溯源系统研究与设计＊

袁鑫

（湖南商务职业技术学院，湖南 长沙 410006）

0 引言

金银花具有清热解毒与消炎退肿等功效，主要在饮料、花茶、中成花、中药饮片等产品中使用。受疫情影响，作为中药防疫用药的金银花的社会消费量激增，根据天地云图中药产业大数据平台估算的数据，2021 年国内金银花产量达到1.61 万t，与2020年相比增长7.33%；按照2021 年金银花的年度均价计算，国内金银花市场规模约为18.75 亿元，预计未来市场规模会有所缩小，但作为饮料与花茶的市场规模将持续增长。然而，市场近年来出现了以次充好、硫黄熏制的劣质金银花，主要是部分企业或农户贴牌、以次充好等行为扰乱了市场秩序［1］。因销售渠道复杂，导致相关部门很难做到全面监控与管理，严重影响了特色农产品金银花的市场竞争力与产品信誉度［2］。

隆回县是湖南省典型的农业大县，位于北纬27°，具有四季分明、雨水充足、含硒量高等优越的地理条件，是种植金银花的适宜地区之一。在乡村振兴战略的指导下，“一县一特”金银花产业链已经初步建成，隆回县成为中国生产规模最大的原生态种植区，金银花产业也形成以政府、企业、基地、合作社与用户共同种植经营的良好局面，正在逐步推行一些新的农业合作模式，如“公司+农户”“基地+农户”“合作社+农户”［3］。这些模式推动了不同的农业主体与农户进行合作，共同发展农业产业，通过这些合作模式，农户可以获得更多的支持和资源，提高农业生产效益。同时，有助于促进农业产业的协调发展，实现农村经济的可持续发展。将优质金银花产业链做大做强，需要更稳定的消费信誉，因此开发一套适合隆回县金银花的农产品溯源系统就显得尤为重要。通过对前人的文献资料进行整理与分析，本文发现目前对于区块链技术如何具体应用到特色农产品供应链及其关键控制环节的研究较少，缺乏区块链环境下特色农产品电子追溯系统开发的深入研究，特别是针对金银花的农产品溯源系统研究还是空白。本文研究应用区块链技术对金银花的种植、加工、运输、仓储到销售的全过程进行监管，使产品信息全过程透明化，提高消费者对所购买产品质量安全的信任度，促进市场的良性发展。

1 金银花溯源系统中的关键技术

金银花质量安全溯源系统包括正向追踪与逆向溯源，正向追踪是消费者可以对金银花从种植、加工、运输仓储到销售过程中的信息进行正向的追踪；逆向溯源是消费者通过采购到的产品相关信息，查询金银花从供应链的下游到上游的全过程中的所有质量安全信息。目前，在金银花质量安全溯源系统中，常用的关键技术有物联网、无线传感、区块链等。

1.1 物联网技术

物联网是一种集成无线射频识别、全球定位系统、红外感应器等信息传感设备的系统。按照某种特定的需求与流程，实现信息的采集、传输、存储、交换和共享。视频监控技术和无线射频识别技术（RFID）是物联网中至关重要的技术，视频监控技术可以通过摄像头和传感器实时监测和记录环境中的动态信息，可用于安全监控、行为分析和智能决策等，无线射频识别技术利用无线电波实现对物体的识别和追踪，可以用于物品的管理、追踪和定位等。这两种技术在物联网中扮演着重要角色，为实现智能化、自动化和精细化管理提供了基础。金银花从种植到销售的各个环节，在每一个重要的节点设置视频监控，记录各环节的重要信息，如消费者最关心的加工过程，视频实时记录加工环境、人员、技术工艺等信息，让监管部门、企业和消费者能够随时跟踪到相关信息，最大限度地保障了金银花加工的质量安全。

1.2 无线传感技术

虽然金银花的种植对土壤质量要求不高，但pH值在5.50～7.80 范围内的土壤更有利于金银花的健康生长，所以可以通过无线土壤pH 传感器实时检测土壤pH 值的变化，通过无线土壤水分传感器检测土壤湿度的变化。通常，加工金银花有晒干和烘干2 种主要方式。其中，烤房烘干的方式，要经历多次调温，初烘时温度控制在30～35 ℃，烘2 h 后温度升至40 ℃左右，烘5～10 h，温度要达到45～50 ℃，最后将温度升至55～60 ℃，使金银花迅速干透。因此，在金银花加工车间安装无线温度传感器实时探测烤房的温度，能确保加工过程的有序进行，使金银花达到干燥标准。

1.3 区块链技术

相对使用传统的标签技术、无线传感器、RFID等方式记录溯源信息，采用区块链技术的金银花溯源系统透明性和安全性更高，主要利用区块链的去中心化、不可篡改、开放性、信任机制、可追溯等技术特性，让各环节真正透明、安全与可追溯。依据不同的应用场景与工作方式，区块链一般分为公共链、私有链与联盟链。公共链是完全中心化的，任何人都可以随时进入系统读取数据，因为访问量大，所以数据处理速度不高；私有链由某个企业或者机构进行管理，不对外开放，虽然运行速度高，但是不适合溯源系统开放的需求；联盟链介于公共链与私有链之间，多个有权限的机构可以进入系统进行管理，具有多中心化的特点。

2 基于区块链的多链溯源系统设计

2.1 金银花供应链业务流程分析

金银花供应链包括种植、加工、运输、仓储、销售等环节，传统的金银花追溯系统通过扫描商品包装外的二维码，可以显示产品名称、产品位置、产品规格等部分信息，但无法追溯供应链各环节的动态信息，如生产车间、运输环境的温度、湿度等。基于区块链与物联网的溯源系统可以有效改善这一问题。

金银花供应链从金银花种植开始，种植企业在该环节中利用无线土壤pH 传感器与无线土壤水分传感器选择并实时监测土壤的pH 值与湿度值，然后选择肥沃的土壤对金银花进行合理密植，在此环节中要记录肥料批次、种植产品批次、种植日志及检验信息等。

金银花采收后进入加工环节，这是保证金银花质量安全的关键环节。在此环节要记录加工产品批次、加工日志及检验信息等，加工过程操作是否规范、加工工艺和包装工艺等都会影响产品的质量安全。不同规格的产品要根据划分的标准进行加工处理，一般采用晒干和烘干两种方式加工，通过“三无”检测环节，完成无硫黄、无硝酸盐、无重金属残留等符合标准的产品生产，使用符合标准的包装材料将其包装成商品，并附上溯源防伪二维码。

金银花在运输、仓储与销售环节中要注意环境的温度、湿度等，以及是否具有通风、除尘、消防、防虫与防鼠害等设施，并应利用无线温度传感器对温度进行实时监测。在金银花溯源系统中，要对运输企业、运输时间、运输车辆等信息进行采集。

顾客购买金银花产品后，可以通过扫描产品包装上的溯源防伪二维码追溯产品的来源和真伪。若销售中出现质量安全问题，销售企业与消费者可以双向追溯，及时召回问题产品，并将问题提交至上层环节。

2.2 多链溯源系统信息与存储设计

金银花溯源系统采用Hyperledger Fabric 联盟链进行设计与开发［4］。通过物联网设备自动采集每个环节上的数据信息，通过区块链技术进行存储并加密。Hyperledger Fabric 是一个具备创建多通道能力的区块链框架，它允许用户在网络上创建多个独立的通道，并为每个通道创建独立的交易账本，这意味着不同的参与方可以在不同的通道上进行交易，而这些交易将被记录在各自的账本中。这种设计使得Hyperledger Fabric更加灵活，因为不同的业务网络可以独立地管理和维护自己的交易数据，不会相互干扰。同时，每个通道的参与方也可以更加精确地控制访问和参与该通道的交易活动的权限，这为企业和组织提供更高的隐私和安全性。总之，Hyperledger Fabric 的多通道功能为区块链应用的部署和管理提供了更高的灵活性和定制性，并且为不同的溯源主体设置不同的权限，利用跨链技术实现各条主条链之间的数据共享，有效地满足网络速率、隐私保护、权限共享、可信溯源等功能需求。

从以往的研究文献中可知，单链结构的溯源系统存在存储负荷重、并行能力弱等缺点，于是在金银花溯源系统中引入多链结构。在金银花供应链环节中，需要提供4 个不同溯源服务的主体，分别为生产企业、上下游企业、监管机构与消费者，结合供应链中的种植、加工、运输、仓储、销售5个环节，共同构成溯源系统的存储数据库。针对不同溯源主体的溯源需求，设计多链溯源存储架构模型（如图1 所示），其中隐私链只对生产企业开放，主要记录具有企业核心且不能公开的数据信息；共享链对上下游企业开放，主要实现与上下游企业的信息对接与共享；监管链对企业监管部门或监管机构开放，主要向企业提供各环节的资质与检测报告，一旦遇到风险或者不合格的指标参数，监管机构会第一时间反馈给企业，督促企业整改，为企业的规范性操作严格把关；溯源链面向消费者和上下游企业开放，消费者通过扫描二维码可以直接查看购买的产品各环节的相关信息，解决了消费者与产品生产者之间信息不对称的难题［5］。

图1 多链溯源存储架构模型

不同环节的数据由不同主体采集与管理。表1为金银花溯源系统多链信息表。在种植、加工、仓储、运输与销售等环节，由金银花供应链上各主体提交数据。每个环节有独立的数据库与数据表，根据溯源主体设置数据表的访问与管理权限。金银花溯源系统采用Mysql 数据库与RocksDB 数据库，Mysql 数据库负责处理结构化数据，RocksDB数据库负责处理非结构化数据，它们在处理大量数据时，性能出色且安全可靠。结合系统需求，主要的数据表有企业信息表（编号、企业名称、企业类型、企业简介、企业资质等），其中企业类型包括种植企业、加工企业、仓储企业、运输企业与销售企业5 种；管理员信息表（管理员编号、管理员类型、管理员姓名等），其中管理员类型包括超级系统管理员、本企业管理员及上下游企业管理员、监管机构管理员4种；产品信息表（产品编号、产品名称、产品品种等）；种植信息表（种植企业、种植品种、种植数量、种植环境等）；加工信息表（加工企业、加工规格、加工数量、加工环境等）；仓储信息表（加工企业、仓储位置、产品数量、入库时间等）；运输信息表（运输企业、运输时间、运输工具、运输环境等）；销售信息表（销售企业、销售时间、销售数量、销售环境等），以上信息表保存了金银花的基础信息，通过设置不同数据表中的主键参数，实现各表之间的关联，随时实现多链不同环节的信息采集、共享、交换与管理。

表1 金银花溯源系统多链信息表

2.3 多链溯源系统总体框架设计

在区块链的6层架构的基础上，结合金银花供应链过程设计金银花溯源系统总体框架（如图2所示）。根据功能的不同划分为数据采集层、存储层、网络层、合约层、接口层与应用层。

图2 金银花溯源系统总体框架

数据采集层通过视频设备、传感设备和物联网采集设备采集链下供应链各环节的静态和动态信息，确保上链数据的真实性，通过数据清洗、数据分析等一系列操作完成数据处理。

存储层由数据库、IPFS 文件系统协议和区块链共同组成，其中本地数据库用来存储共享数据，企业被保护的隐私数据就存储在本地数据库；IPFS 文件系统中存储通过Merkle（哈希树）验证数据内容的有效性与安全性，保障区块数据的完整性；分布式账本中每个节点都有与中心账本相同的账本副本，体现了数据的去中心化与透明化，以确保数据在每个环节不被篡改。

网络层主要包括P2P（对等网络）、POS（以太坊的权益证明）等共识机制与智能合约［7］。在共识机制下，每个节点在交易集达成共识后，按照顺序验证使用交易集中的每一笔交易，最终得到一个状态树根哈希，并结合区块号与时间戳等构建区块头信息，根据每个节点对新区块的投票结果判断是否验证通过［8］。

合约层中智能合约建立数字身份和进行身份验证，在分布式物联网设备管理时，实现智能设备之间的自动交互；在供应链管理时，实现各环节的自动化与透明化，确保信息的公正度、有效性与可追溯。

接口层提供多种协议的RPC（远程过程调用）接口、SDK（软件开发工具包）和交互式控制台，实现区块链链上、链下数据的查询、上传、共享、验证、加密等功能。

应用层为实际使用的消费者、企业或机构提供服务，主要包括监管机构、消费者与供应链各环节企业等，用户借助电脑或移动终端可以查询自身权限范围内的功能和服务。

3 结论

本文针对传统单链溯源系统存储负荷重、并行能力弱等问题，提出了多链溯源信息与存储设计，基于物联网实时采集与区块链技术的金银花溯源系统，确保数据安全可靠且不可被篡改，接口层具有可拓展性，在金银花供应链各环节中采集并存储数据信息，能追溯到相应环节的企业，及时召回有问题的产品。在设计完成后，下一步将进入系统应用阶段，主要包括施工和运维的二次开发，确保金银花产品在产业链全过程的质量安全。