基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈融合技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)構(gòu)建研究

張麗鳳，王 英

(渤海大學(xué) 管理學(xué)院，遼寧 錦州 121013)

2021年1月，中共中央辦公廳攜手國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)市場(chǎng)體系行動(dòng)方案》文件，明確指出建設(shè)包括第五代移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等技術(shù)的新型基礎(chǔ)設(shè)施。物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集與共享，通過(guò)信息感知、信息傳輸、信息存儲(chǔ)與處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的互聯(lián)互通。區(qū)塊鏈作為“新基建”的重要一環(huán)，其上鏈信息具有去中心化、安全可追溯的特點(diǎn)[1]。將物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈二者融合，可提升行業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)效率與信息安全性能，為行業(yè)應(yīng)用發(fā)展賦能。

早期農(nóng)產(chǎn)品溯源的研究主要集中在育種溯源、產(chǎn)地溯源和防偽溯源等方面，隨著云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的加入，逐步實(shí)現(xiàn)了在小農(nóng)戶生產(chǎn)扶貧[2]、農(nóng)業(yè)眾籌[3]以及會(huì)展農(nóng)產(chǎn)品溯源[4]等涉農(nóng)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。在農(nóng)產(chǎn)品溯源方面，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)可有效解決農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈抵御外部沖擊的韌性不足、質(zhì)量保障體系脆弱等現(xiàn)實(shí)缺陷[5]；面對(duì)農(nóng)產(chǎn)品信息資源過(guò)于分散的問(wèn)題，區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合解決了傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品追溯體系在數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及安全機(jī)制方面存在的瓶頸[6]。

綜上，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合監(jiān)管農(nóng)產(chǎn)品從農(nóng)田到餐桌所有環(huán)節(jié)的操作難度非常大，區(qū)塊鏈的技術(shù)優(yōu)勢(shì)恰能彌補(bǔ)這一缺陷，解決溯源系統(tǒng)應(yīng)用與推廣難題，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈融合技術(shù)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是借助無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)通信模式，實(shí)現(xiàn)物與物之間的信息感知、存儲(chǔ)、傳輸與計(jì)算等服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)參與生活的方方面面，如掃碼支付、人臉識(shí)別、車聯(lián)網(wǎng)、智能集裝箱、產(chǎn)品溯源以及智慧供應(yīng)鏈等領(lǐng)域。

物聯(lián)網(wǎng)具有四層體系架構(gòu)，支撐其架構(gòu)的核心技術(shù)涉及信息的感知、傳輸與處理等方面。常見(jiàn)的信息感知技術(shù)有二維碼技術(shù)與射頻識(shí)別技術(shù)；信息傳輸技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的有NFC、藍(lán)牙、WiFi、ZigBee、LoRa和NB-IoT等；信息處理技術(shù)中地理信息系統(tǒng)、云計(jì)算系統(tǒng)和人機(jī)交互決策支持系統(tǒng)最為常見(jiàn)。

1.2 區(qū)塊鏈融合技術(shù)

區(qū)塊鏈最初應(yīng)用于比特幣交易系統(tǒng)，通過(guò)區(qū)塊互聯(lián)可建立多主體之間的信息傳遞與價(jià)值轉(zhuǎn)換。如圖1所示，單一區(qū)塊分為兩部分，上一區(qū)塊哈?？蓪?shí)現(xiàn)上鏈數(shù)據(jù)的可信追溯，防止斷鏈。而Merkle根則用于快速驗(yàn)證交易數(shù)據(jù)的真實(shí)性，避免數(shù)據(jù)篡改，二者保證了區(qū)塊數(shù)據(jù)一經(jīng)驗(yàn)證寫入便不可篡改。區(qū)塊體運(yùn)用哈希函數(shù)識(shí)別交易信息，可儲(chǔ)存各節(jié)點(diǎn)的真實(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)中間件來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖1 單一區(qū)塊結(jié)構(gòu)

通常區(qū)塊鏈可分為私有鏈、聯(lián)盟鏈和公有鏈三類，詳見(jiàn)表1。目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)是基于聯(lián)盟鏈的追溯系統(tǒng)，比較典型的有螞蟻鏈、健康碼、智臻鏈以及江蘇中南攜手北大荒的區(qū)塊鏈大農(nóng)場(chǎng)等。

表1 三類區(qū)塊鏈對(duì)比

2 農(nóng)產(chǎn)品傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)分析

2.1 農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳感器、圖像識(shí)別、地理信息系統(tǒng)以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等技術(shù)將生產(chǎn)、加工、流通以及銷售各環(huán)節(jié)的信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行“一對(duì)一”標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)“一物一碼”。表2為追溯系統(tǒng)在生鮮農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用案例。健全生鮮農(nóng)產(chǎn)品在產(chǎn)、收、儲(chǔ)、運(yùn)、銷全過(guò)程數(shù)據(jù)的收集與處理，保證政府監(jiān)管部門、企業(yè)管理者以及消費(fèi)者及時(shí)獲取產(chǎn)品信息。

表2 國(guó)內(nèi)外大型生鮮農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域典型追溯系統(tǒng)

2.2 農(nóng)產(chǎn)品傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)的弊端

傳統(tǒng)追溯系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)信息量極大，導(dǎo)致信息處理效率低，加之供應(yīng)鏈上下游信息在數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中失真嚴(yán)重，缺乏信息安全管理機(jī)制。消費(fèi)者對(duì)追溯信息的真實(shí)性存在質(zhì)疑，既沒(méi)有完善的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，也缺少必要的約束手段。

(1)信息存儲(chǔ)方面。農(nóng)產(chǎn)品從田間到餐桌涉及環(huán)節(jié)多，數(shù)據(jù)更新頻繁?，F(xiàn)有儲(chǔ)存設(shè)備承載能力有限，在現(xiàn)有存儲(chǔ)算法之下，要存儲(chǔ)如此大量的數(shù)據(jù)將占用很大的存儲(chǔ)空間，對(duì)設(shè)備要求高，溯源信息存儲(chǔ)成本高。要想使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品溯源應(yīng)用中得到普及，必須改進(jìn)目前的存儲(chǔ)算法。

(2)信息處理方面。農(nóng)產(chǎn)品物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)多而雜，具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)以及碎片化的特點(diǎn)。在處理多類型數(shù)據(jù)時(shí)，中間件需要對(duì)采集到的海量信息進(jìn)行大規(guī)模甄別，篩選出有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。如何能將不同類型、不同時(shí)間的信息利用有限的信道發(fā)送出去以及如何提高信息傳輸效率，這些問(wèn)題都需要解決。

(3)信息安全方面。目前關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)信息安全研究集中在網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知層信息源安全機(jī)制的研究較少。比如無(wú)線感知技術(shù)的安全性問(wèn)題，目前無(wú)源RFID技術(shù)以及圖像識(shí)別技術(shù)均缺少服務(wù)感知層的可靠安全機(jī)制。

我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)與加工企業(yè)推廣物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)上鏈成本高、農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈上行信息不完善、設(shè)施設(shè)備柔性不高等問(wèn)題凸顯，亟待解決。

3 構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈融合技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈融合技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)

區(qū)塊鏈技術(shù)在算法和共識(shí)機(jī)制上有效解決了各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行耘c真實(shí)性，完善了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)溯源的弊端，保證上鏈信息的真實(shí)性和完整性。表3列出了部分物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈模式在農(nóng)產(chǎn)品溯源方面的技術(shù)突破。

表3 基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈融合技術(shù)應(yīng)用舉例

3.2 實(shí)例分析

3.2.1 數(shù)據(jù)流分析

本文選取黑龍江北大荒農(nóng)業(yè)股份有限公司設(shè)計(jì)構(gòu)建的區(qū)塊鏈大農(nóng)場(chǎng)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析。區(qū)塊鏈大農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用于北大荒高度組織化的農(nóng)場(chǎng)種植模式，涉及農(nóng)產(chǎn)品從播種到加工的全部核心流程。該農(nóng)場(chǎng)將每件農(nóng)產(chǎn)品的真實(shí)生命軌跡信息記錄到區(qū)塊鏈中，解決了北大荒自然資源向數(shù)字資產(chǎn)可信轉(zhuǎn)移的問(wèn)題。該農(nóng)場(chǎng)涉及農(nóng)產(chǎn)品溯源數(shù)據(jù)流有三種類型，如圖2所示。

圖2 農(nóng)產(chǎn)品溯源數(shù)據(jù)流

(1)產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)流。產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)流包括農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集與儲(chǔ)存。物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備自動(dòng)識(shí)別實(shí)體標(biāo)簽，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)接入物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸系統(tǒng)，經(jīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)至平臺(tái)服務(wù)商，最終數(shù)據(jù)流向各物聯(lián)網(wǎng)用戶，其中農(nóng)產(chǎn)品全流程上鏈數(shù)據(jù)均儲(chǔ)存在以區(qū)塊鏈為支撐的農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

(2)查詢數(shù)據(jù)流。產(chǎn)品查詢數(shù)據(jù)流包括相關(guān)企業(yè)、消費(fèi)者與監(jiān)管部門的三方查詢數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的查詢主體溯源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取開(kāi)放權(quán)限不同。相關(guān)企業(yè)可查詢農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈上下游交易數(shù)據(jù)信息；消費(fèi)者可針對(duì)原產(chǎn)地、流通渠道、產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)等進(jìn)行查詢；監(jiān)管部門主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息后臺(tái)有效監(jiān)管，針對(duì)問(wèn)題農(nóng)產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)同源一鍵鎖定，便于快速追回。

(3)身份驗(yàn)證數(shù)據(jù)流。在農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)平臺(tái)中，聯(lián)盟鏈信息儲(chǔ)存于多中心節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)成員的讀寫均需授權(quán)。擁有寫入權(quán)限的過(guò)程參與者可使用私鑰加密發(fā)送農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)，完成信息上鏈；監(jiān)管部門及企業(yè)可使用解密密鑰讀取加密信息。所有上鏈參與者通過(guò)私鑰加密完成每次交易的數(shù)據(jù)簽名，保證發(fā)送者身份，各節(jié)點(diǎn)的每一次交易信息將被完整記錄于區(qū)塊鏈賬本。

3.2.2 構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈融合技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈融合技術(shù)助力農(nóng)產(chǎn)品從種植到銷售的全流程溯源，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)農(nóng)情監(jiān)測(cè)

一方面，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)管理人員可通過(guò)遠(yuǎn)程操控獲取生產(chǎn)信息，如蔬菜大棚內(nèi)可通過(guò)感知設(shè)備及時(shí)了解蔬菜長(zhǎng)勢(shì)、水肥狀況以及棚內(nèi)光照、溫度等數(shù)據(jù)，無(wú)需人員下到田間，既提高了數(shù)據(jù)精確性又節(jié)省了人工成本。另一方面，技術(shù)人員根據(jù)已有數(shù)據(jù)結(jié)合農(nóng)作物生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行精確的分析，為生產(chǎn)管理人員的田間操作提供有效指導(dǎo)，提高了生產(chǎn)效率。另外RS系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感以及5G等新技術(shù)的應(yīng)用能加強(qiáng)氣象災(zāi)害預(yù)警，為智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可靠參考，提升農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。

(2)設(shè)施農(nóng)業(yè)

設(shè)施農(nóng)業(yè)是一項(xiàng)通過(guò)技術(shù)手段解決人多地少困境的高效生產(chǎn)方式，常見(jiàn)于設(shè)施種植與設(shè)施養(yǎng)殖。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，大幅提升了設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力水平，通過(guò)區(qū)塊鏈的融合技術(shù)，可提高設(shè)施農(nóng)業(yè)精度，有利于產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化。所有環(huán)節(jié)的感知層信息都將上傳至區(qū)塊鏈賬本，保證數(shù)據(jù)真實(shí)有效。例如設(shè)施養(yǎng)殖中的智能育苗室，能更好得把控育苗溫度，及時(shí)檢測(cè)水氧飽和度，滅菌防病效果佳，提高育苗成活率。

(3)農(nóng)產(chǎn)品流通

農(nóng)產(chǎn)品種類多，流通涉及環(huán)節(jié)廣，物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用能夠改善當(dāng)前的農(nóng)產(chǎn)品流通過(guò)程中交易數(shù)據(jù)雜亂易缺失的問(wèn)題，既能簡(jiǎn)化整個(gè)流程又能提高流通效率。農(nóng)產(chǎn)品的實(shí)體標(biāo)簽或虛擬標(biāo)簽的使用簡(jiǎn)化了產(chǎn)品分揀、出入庫(kù)、運(yùn)輸、檢驗(yàn)等流程。區(qū)塊鏈的哈希函數(shù)是一種具有抗沖擊性的安全算法，對(duì)每一次的交易數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，避免了無(wú)效數(shù)據(jù)的錄入，節(jié)省了存儲(chǔ)空間，加快產(chǎn)品數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)速度，提升了溯源系統(tǒng)的安全可靠性與經(jīng)濟(jì)效益。

(4)質(zhì)量安全

在食品安全方面，區(qū)塊鏈技術(shù)可保證上鏈產(chǎn)品信息的可信度，人們通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)感知端掃描識(shí)別碼，確保產(chǎn)品安全性。融合物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈的溯源系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在自動(dòng)生成農(nóng)產(chǎn)品溯源檔案，包括農(nóng)事操作記錄、水肥狀況、生長(zhǎng)期圖片、流通渠道、物流環(huán)節(jié)記錄等，且未經(jīng)寫入授權(quán)不能輕易更改。消費(fèi)者可通過(guò)掃描二維碼，快捷查詢產(chǎn)品原產(chǎn)地信息與防偽信息，并可通過(guò)開(kāi)放平臺(tái)獲取農(nóng)產(chǎn)品從田間到餐桌的全過(guò)程溯源檔案信息。