基于区块链的茶产业链大数据协同服务平台研究

摘要 安徽省茶叶种植历史悠久，2022年茶产业成为安徽省打造的十大千亿级绿色食品产业之一，是皖西等山区带动农民增收、推动乡村振兴的优势主导产业。随着茶产业的不断发展，茶叶种植面积与产量增长迅速，如何优化配置茶全产业链成为当前重要的现实问题。针对皖西地区茶产业链信息服务中存在的供应链组织衔接程度低、产品质量安全不确定、全供应链协同难度高等问题，利用大数据、区块链等技术，设计基于智能合约的茶产业大数据协同模型和存证技术的茶产业防篡改模型，开发实现基于区块链技术的茶产业链大数据协同服务平台，有效保障茶产业链各环节的智能管理，促进皖西徽茶产业集群发展。

关键词 茶产业链；区块链；信息服务；大数据

中图分类号 S-9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2024）20-0212-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.20.051

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Big Data Collaborative Service Platform for Tea Industry Chain Based on Blockchain

XIA Ying-chun HUANG Shan2， WANG Hua-bin1 et al

（1. New Rural Development Research Institute， Anhui Agricultural University， Hefei， Anhui 230036;2. School of Information and CyCmuvfvxcWdMrIfE4MuQLg==omputer， Anhui Agricultural University， Hefei， Anhui 230036）

Abstract Anhui Province has a long history of tea cultivation. In 2022， the tea industry has become one of the top ten billion yuan green food industries developed by Anhui Province. It is an advantageous leading industry that drives farmers to increase their income and promotes rural revitalization in mountainous areas，such as western Anhui. With the continuous development of the tea industry， the planting area and output of tea have grown rapidly. How to optimize the allocation of the entire tea industry chain has become an important practical problem at present. In response to the low level of supply chain organization connection， uncertainty in product quality and safety， and high difficulty in coordinating the entire supply chain in the information service of the tea industry chain in the western Anhui region， we designed a tea industry big data collaboration model based on smart contracts and a tea industry tamper proof model using technologies， such as big data and blockchain. We developed and implemented a blockchain technology based big data collaborative service platform for the tea industry chain， which effectively ensured the intelligent management of various links in the tea industry chain and promoted the development of western Anhui Huizhou tea industry cluster.

Key words Tea industry chain;Blockchain;Information service;Big data

安徽省茶叶种植历史悠久，在中国传统十大名茶中占据4个，名优茶品类在全国位居第1。2020年，安徽省茶园面积达21.09万hm2，较2015年增长24.05%，茶叶综合产值达477.32亿元，茶叶出口量位居全国第2；“十三五”期间，安徽省涉茶经营主体300多万［1］。2022年，茶产业成为安徽省打造的十大千亿级绿色食品产业之一，是皖西、皖南山区带动农民增收、推动乡村振兴的优势主导产业。随着茶产业的不断发展，茶叶种植面积与产量增长迅速，如何优化配置茶全产业链成为当前一个重要的现实问题［2］。作为一种新兴的信息技术，区块链连接物联网、大数据等技术，让人工智能、智能装备等适用于农业生产的条件，为智慧农业高质量发展提供技术支撑，从而重整农业生产关系，塑造高透明、可追溯、安全的现代农业产业链［3］。一些文献从理论层面上，研究了利用区块链技术解决农业产业链中“卡脖子”现象、农产品全过程追溯困难等问题的优势、应用策略和产业链优化路径［4-6］。国内外学者在利用区块链技术追溯农业产业链全过程中产品的质量安全上进行了较多实践与研究。Baralla等［7］提出了一种基于区块链技术的通用农药供应链可追溯性系统，实现了欧盟目前使用的“从农场到叉子”（F2F）模型，整合了当前系统的可追溯性规则和流程。Salah等［8］设计了基于区块链的大豆供应链溯源系统。近几年国内区块链在茶产业链的溯源上也有较多研究。安徽农业大学高琪娟等［9］研究了基于区块链的茶叶质量安全溯源系统。杨萌［10］结合区块链和5G网络技术，构建了富硒茶的质量安全追溯体系。然而，上述研究主要偏向于对产业链的某一环节或是更关注产品质量安全追溯的单一功能。

以皖西徽茶为研究对象，紧紧围绕皖西徽茶的全产业链现状与具体需求，利用区块链、物联网、大数据等技术，研制茶叶物联网和大数据存储与计算技术与设施，紧密结合传统种植、加工、流通、消费等全产业链关键业务流程，建立皖西徽茶全产业链大数据协同服务平台。平台构建基于区块链的动态、协同、分布式的茶产品全生命周期可信质量管理系统模型和跨域多态数据链系统，实现从种植到商品化处理的全生产过程质量管控信息的链上集成与决策知识的同步共享，实现各个节点之间的信息透明共享和整体一致性，保障产业链各个环节的智能管理，减少人工作业强度，带动智慧农业化发展，促进皖西徽茶产业集群发展。鉴于此，笔者针对皖西地区茶产业链信息服务中存在的供应链组织衔接程度低、产品质量安全不确定、全供应链协同难度高等问题，利用大数据、区块链等技术，设计基于智能合约的茶产业大数据协同模型和存证技术的茶产业防篡改模型，开发实现基于区块链技术的茶产业链大数据协同服务平台，有效保障茶产业链各环节的智能管理，促进皖西徽茶产业集群发展。

1 茶产业链信息服务存在的问题

安徽作为我国重要的产茶大省之一，茶产业已经逐步成为皖西地区发展的经济支柱［11］。皖西地区的茶叶产量虽然在我国首屈一指，但是在很多方面，皖西的茶产业发展都落后于其他地区，尤其是信息服务方面，皖西的大部分地区仍旧延续以往的小农经济时代模式，存在茶叶从种植到商品化处理全供应链组织衔接程度低、茶产品质量安全缺乏有力保障、供应链环节无法准确追根溯源，导致现阶段尚未形成统一的茶产业链信息服务系统。

1.1 供应链组织衔接程度低

在安徽省，茶叶的种植区域大多在山区，茶产业大批量规模化、集约化程度低，茶产业既连接着茶农，又关系着广大消费者，其中还包括茶企茶商。茶产业链条长，管理环节多，可以分为产业上游、产业中游和产业下游。由图1可知，产业上游主要包括种植环节，种植环节中存在茶农种植、茶场种植、基地种植和科研机构的种植过程，各个种植环节之间相互独立，基本没有信息交流过程。产业中游包括加工制造环节和分销流通环节，加工制造环节主要包括茶叶生产商的加工流程、茶叶相关附件的加工、茶产品的深加工以及科研机构对茶叶的研究加工过程。分销流通环节则表示茶叶的销售渠道，包括市场和经销商、超市和商场、徽茶专卖店和茶楼、网上销售，每个分销渠道相互独立，茶叶的销售过程流通较广，对茶产品的追溯过程较为困难。产业下游则是茶叶的消费环节，主要包括购买茶叶的消费群体，如家庭、礼品、餐饮及其他消费方式。茶产业链的上、中、下游都包含了多个分支结构，其中每个分支之间相互独立，在进行茶产业链平台搭建时无法整合所有环节的信息。

目前，由于茶叶生产分散、栽培管理技术相对落后，茶产业链信息化服务系统上各方相对独立，信息闭塞，无法建立共信体系和隐私保护体系，资源共享难度较大。茶产业信息系统多以单个食品加工企业为基础开发的内部协同服务系统，仅满足本企业各个部门之间的协同制造需求，面向全产业链的信息共享和管控交叉，各个部门之间相对独立，没有实现上下游企业之间的信息传递。

1.2 茶产品质量安全不确定

当前，茶产业链信息化服务系统只关注于茶产业上游种植环节农药的使用，对产业中游及产业下游的茶产业质量安全监测及各环节之间的大数据协同技术研究相对薄弱。传统的农业食品安全溯源系统可以依靠物联网、大数据等相关技术对茶产业链各环节的数据进行存储和管理，但多数系统中用户仅有单一的信息存储库，并根据此唯一的信息点内容共享数据，从而导致难以追踪到各环节具体操作内容和产品的真正来源，并且单个信息点的内容易篡改且无法验证其完整性。茶产业链上的产品质量安全问题能够通过产业链之间的协同服务来解决。区块链在建立一个区块信息点时，会将该信息点副本同步至其他节点，利用非对称加密算法使得信息点内容实现可验证和防篡改，从而解决传统溯源系统存在的安全和信任问题。

1.3 全供应链协同难度高

茶产业链信息服务平台往往具有高度中心化的特点，中心化可以将茶叶供应链中的环节聚集在一起，集中处理供应链流程中产生的问题。然而，在茶产业链信息服务中，中心化会导致上下游协同能力弱，信息可追溯性差。当前，茶产业信息服务平台由于其中心化的特点导致系统信息采集不充分，系统数据库不兼容，种植、加工、运输等环节大多未实现电子档案化，大数据协同效率低，尤其是RFID、4G/5G、云计算和大数据等技术应用于食品质量追溯应用滞后。联合茶产业全供应链信息，追溯供应链各环节可能导致茶产品质量出现问题的环节，建立可信、高效、标准化、智能化的溯源系统亟待进一步研究与应用。

2 茶产业链大数据协同服务平台的关键技术

传统的存证平台操作过程复杂且第三方存证权限过于集中，存证的信息难以追踪到个人，数据具有一定不可靠性。对茶产业链来说，在去除第三方存证平台的情况下，如何保证供应链上的上下游企业及消费者之间形成信任关系，是当前需要解决的重要问题。该研究利用区块链智能合约及区块链存证技术构建了茶叶溯源存证平台，通过共识机制、时间戳等区块链关键技术，实现茶全产业链中从田间生产、加工存储、运输销售等主要环节数据上链，自底向上解决茶叶各环节之间的协同制造问题，确保供应链上的节点在有效时间内将操作信息上链及供应链节点链上数据的真实有效。

2.1 基于智能合约的茶产业大数据协同模型

在茶产业链大数据协同服务平台中，利用以太坊结合星际文件系统（InterPlanetary File System，IPFS）分布式网络设计了去中心化的茶叶存证模型，为茶产业链大数据协同服务平台提供有安全保障且可信的数据来源。为扩展区块链智能合约的性能，分别针对用户、事件以及管理员构建相应的智能合约模块，形成一个可交互的茶产业链大数据协同模型。系统中的一般用户利用该交互模型可设立个人的用户区块信息，能够将用户数据与其操作的事件相关数据实现一一对应，管理员则可利用该交互模块查看已发布的用户和事件数据。

茶产业链大数据协同服务平台中的区块链是一个去中心化的分布式账本，链上用户能够在账本上增添区块数据，增添的区块数据将以副本形式同步至链上所有用户，这些同步的区块数据以非对称密码学的方式连接排列形成区块链，从而保证链上数据的安全存储，不会因为部分数据的损坏而丢失区块信息。茶全产业链中各个环节多且操作人员复杂，难以真正追溯到各个具体操作者，基于茶产业大数据协调模型，按照茶产业链从生产、加工到销售的流程，构建了原材料供应商、工厂制造、分销商、零售商以及流通运输环节的茶产业链溯源体系。各个环节的用户首先建立独立的用户区块信息，加入区块链中，并且通过Hash算法设置非对称加密的公钥和私钥，链上每一笔交易事件的产生都需要节点用户的公私钥同时符合才能进行。

由图2可知，茶叶生产加工企业添加茶产业链至全网，茶叶种植户即原材料供应商将茶生产过程中的农事操作设立区块信息，在设立区块信息的过程中，将交易数据通过Hash算法生成加密后的交易信息，再与供应商私钥生成供应商的数字签名，随后将该次已进行加密的交易信息及供应商公钥向区块链中所有节点进行公布，后续的流程节点利用供应商公钥对加密后的信息进行解密核对后，茶叶种植环节的区块信息就实现上链。茶叶加工企业将茶加工过程中的各类操作设立区块信息，在设立区块信息的过程中，将交易数据通过Hash算法生成加密后的交易信息，再与加工商的私钥生成加工商的数字签名，随后将该次已进行加密的交易信息及加工商公钥向区块链中所有节点进行公布，后续的流程节点利用公钥对加密后的信息进行解密核对后，茶叶加工环节的区块信息就实现上链。根据上述这一上链方法，依次对质检员、销售商和运输者的交易信息进行上链并验证，从而将茶产业链各环节的有效信息完成上链操作。

2.2 基于存证技术的茶产业链防篡改模型

茶生产到销售的全产业链过程中，需要记录到区块链中的信息不仅仅包含文字信息，还有图片视频等多媒体数据，但区块链中每个区块可存储的数据大小有限，因此引入chaincode这一分布式网络解决区块存储空间小的问题。chaincode与区块链具有一个相同的性质，即去中心化，chaincode通过内容寻址实现数据获取。由图3可知，基于该研究提出的存证模型，分布式茶产业链大数据协同服务平台引入chaincode网络，将茶产业链各环节具体信息内容存储在chaincode网络中，而将各环节的内容一一对应的hash地址存储至区块链的区块中，这一操作既可利用区块链的防篡改性质保证chaincode中保存信息的真实性，同时也解决了区块存储空间不够的问题。

3 茶产业链大数据协同服务平台的设计与实现

3.1 平台架构

3.1.1 总体架构。

为有效整合传统种植、加工、流通、消费等茶全产业链关键业务流程信息，充分保障全产业链平台数据的可信、可用，提供产前、产中、产后的全过程、全方位、个性化的全产业链信息技术服务，搭建了基于区块链技术的茶全产业链智慧管理平台，图4为平台总体架构。

平台综合运用物联网、区块链、大数据等信息技术，集成整合商流、物流和信息流，对茶产品种植、加工、物流仓储、终端消费等各环节进行商务协调，形成链条完整、资源配置优化的茶产品可信流通机制，保障茶产品质量安全、市场稳定和风险可控。面向皖西徽茶产业链的不同环节提供全程化、智能化、精准化和网络化的溯源大数据协同服务，确保溯源信息的可信。通过生境信息监测、投入品监管、加工过程监控、云仓监管和市场趋势监测等产业链关键过程实时监测，为消费者、茶产业链参与主体、政府监管部门等提供多用户多场景信息追溯服务。

3.1.2 技术架构。

平台技术架构见图5，共分为4层，分别是区块链服务层、区块链应用层、溯源应用层以及交互层。其中红色部分为本项目的建设范围。区块链服务层是区块链技术底层，提供对外的区块链技术服务。应用平台分为前端门户平台、后端管理平台及接口服务平台，主要功能包括API接口服务（如上链、链上数据查询接口）、用户服务（如用户注册、令牌申请接口）、区块链服务（主要用于与区块链服务层对接）、溯源管理模块（提供唯一标识码以及溯源查询接口）。应用层目前包括茶叶全产业链质量溯源服务平台，为皖西徽茶产业主体提供茶产品溯源认证功能。功能包括种植企业（农户）、土地等基础信息管理及认证、种植过程管理、加工过程管理、流通过程管理和单品防伪溯源查询等全生命周期溯源查询功能。交互层分为第三方接入系统和展现层：第三方接入系统可以接入溯源平台；展现层分为PC WEB端和移动端。

3.2 功能设计

茶产业链大数据协同服务平台的功能覆盖茶产业链种植、加工、流通和消费4个过程中的6个关键环节（产前、产中、产后、采购、储运、销售），分为可视化平台和管理平台两大部分，平台利用物联网等数据采集手段，将产业链关键环节数据验证、上链，存储到区块链数据库中，为茶产业链的关键环节提供全程、可信、可用的个性化信息服务，图6为平台功能结构。

皖西徽茶产业链管理平台主要分为基础管理系统、投入品包材管理系统、茶园种植信息管理系统、皖西徽茶加工信息实时监控管理系统、智慧云仓管理系统、区块链溯源管理系统6个子系统，所有管理子系统的数据都上链至区块链管理系统中。

基础管理系统与投入品包材管理系统涉及产业链采购、销售等多个环节。基础管理系统实现产业链中涉及的各类用户、需要进行产业链全过程管理的茶叶商品以及商品的上链信息管理等功能。投入品包材管理涉及茶叶种植前的种子和设施设备、种植期间施用的化肥以及加工环节的包装等材料，实现投入品包材采购信息上链和库存管理等功能。

茶园监控服务系统主要实现茶叶产中的智慧管理，由茶园监测大屏和茶园种植信息管理系统组成。茶园生境信息采集无线传感器网络体系由安置在茶园中的土壤温湿度传感器、土壤养分采集仪和气象站等设备采集茶园土壤和气象数据，经由智能网关传送至服务器。服务器对茶园环境数据进行综合分析，通过气象数据（风速、风向、大气压力、降雨量等），可随时关注气象变化，形成决策指令。通过对茶叶生长的土壤条件、生态环境和气候因素进行实时监控，确保茶叶的健康生长和生境的全程追溯。其中，茶园监测大屏主要集成了不同茶叶品种的种植及市场数据分析、茶园简介和实况展示、生长情况预警、病虫情信息简介等功能。

皖西徽茶加工信息实时监控管理系统实现对茶叶产后的加工信息实时监控管理，主要分为计划进度、设备管理、工艺监控、物料监控、质量监控、人员监控和系统管理7个功能。为了保证茶叶在加工过程中的稳定性、可预测性，提高茶叶产品的质量、生产能力，系统采用了实时统计过程控制（简称SPC）质量管理技术，应用统计方法对过程中的各个阶段进行评估和监控，建立并保持过程处于可接受的并且稳定的水平，从而保证产品与服务符合规定要求的一种质量管理技术。在企业生产过程中，产品的加工波动是不可避免的，通过SPC技术，系统可以判断茶叶在加工过程中相关参数的异常，根据生产产品的特点，定时对相应工序采集数据，发现加工过程中的潜在问题，为企业制程分析提供依据。

智能仓储物流管理系统对茶叶储运进行管理，主要功能是实现商家对自己拥有的云仓网络进行统一调度和管理，作为溯源链上一个重要环节，对商品的仓间流转交易上传区块链用以溯源存证，统计分析各仓库的调拨数据以及出入库情况，进而分析产品在各地区的销售状况，为营销人员调整销售策略提供决策支持，系统主要包括订单管理、智能调拨、视频监控、环境监控、数据分析、数据存证、出库管理、入库管理、调度运输、基础管理等模块。

区块链溯源信息系统是以二维码识别技术及区块链信息存储为中心，为消费者提供真实、可靠的茶产品数据信息。区块链溯源信息系统对茶叶生产的各个环节进行质量监控。茶叶“从茶园到杯中”，既是一个产品的生产、加工过程，也是一个信息生产、传递过程。监管者对生产信息进行监管；消费者根据产品信息进行选择。该系统有2个子系统，一是区块链溯源信息系统，主要是管理人员管理公司信息、产品生产流程以及任务分发查看，另一个是溯源客户端操作系统，主要用于操作人员接收任务、填写任务记录、与区块链信息系统对接、进行任务数据上链。

皖西徽茶产业链可视化平台主要向不同类型用户展示用户所需信息，包括茶园智能监测服务信息、茶叶加工数据、智能云仓监测信息、茶叶销售大数据分析、智慧茶园公共溯源信息等，为用户对茶产业链全过程管理做出及时准确的决策提供依据。

3.3 功能实现与展示

平台采用Bootstrap框架涵盖了HTML5、CSS、JavaScript、jQuery等技术，基于Web技术和基于智能合约区块链技术开发，由主要演示区块链管理系统以及区块链溯源系统的部分功能实现。图7是区块链系统中的上链信息展示页面，包括从生产、种植、加工、物流、存储5个模块上传的信息情况，每个模块包括若干条信息。用户可以获取每条操作在区块的具体位置、产生时间等详细信息，甚至可以手动修改信息。由图8可知，当区块链系统获取或监听到区块信息尝试发生改变，则将这条信息发布给区块链管理系统的所有用户，其他用户可以点击详细信息跳转进入投票页面，判断是否更改区块信息，当同意修改大于50%，则全局更改本条信息。

图9、10展示了区块链溯源信息系统查询界面以及管理员进行茶叶生产信息上链操作页面。

4 总结

该研究基于区块链技术的皖西徽茶全产业链大数据协同服务模式，在分析茶产业链信息服务存在问题的基础上，提出了基于智能合约的茶产业大数据协同技术和基于存证的茶产业防篡改技术，利用区块链分布式账本实现茶产业大数据去中心化操作，设计chaincode结合区块链构建茶叶溯源存证账本结构，从而实现茶产业链信息服务关键技术研究。

皖西徽茶全产业链大数据协同服务平台，实现了皖西徽茶全产业信息资源的集成利用，为全产业链的参与者提供产前、产中、产后的全过程、全方位、个性化的全产业链信息技术服务，串联产业链各个环节主体，打通信息流、物流等，加强对产业链关键节点的控制，节省了组织运营成本，推动茶叶品牌建设，提升产品的附加值，进一步带动农民增收。

截至目前，农产品交易监管仍然是产业链中的重要环节和难题。未来，课题组将结合区块链技术研究去中心化的茶产品交易系统，进一步完善产业链全过程，形成以服务平台为中心、以区块链为支撑的茶产业链新生态。

参考文献

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