基于區(qū)塊鏈的食品安全溯源系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

傅晶 王文豐 劉天元 胡耀才 武文懷 彭亮

摘要：食品安全事關(guān)人民的身體健康，如何建立可靠的食品流通體系，實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)源頭到銷售終端全程追溯，保障食品質(zhì)量和安全，具有十分重要的意義。該文利用條形碼、QR二維碼和RFID等多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對食品生產(chǎn)、加工、貯存、物流運(yùn)輸和銷售等環(huán)節(jié)進(jìn)行信息化處理，同時結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個去中心化、防篡改的食品溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含Web后臺管理系統(tǒng)和前端微信小程序，較好地滿足了人們對食品安全可溯性的需求。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;共識機(jī)制;RFID;二維碼;食品可溯性

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）19-0009-03

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平日益提高，對食品安全也愈加重視。然而，近年來頻頻發(fā)生的食品安全事件，如地溝油、毒奶粉、病死豬肉以及今年3·15晚會曝光的土坑酸菜等事件，極大地引發(fā)了社會對食品安全問題的嚴(yán)重關(guān)切。

“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”時代的到來以及國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)紛紛興起。新冠肺炎疫情的暴發(fā)，許多居家隔離人群更是將電商平臺作為購買生活必需品的一種主要方式，但近期“多家快遞攜帶病毒”新聞再次引起了消費(fèi)者的擔(dān)憂。

食品供應(yīng)鏈通常涉及生產(chǎn)、加工、貯存、物流、銷售等諸多環(huán)節(jié)[1]，傳統(tǒng)食品監(jiān)管模式下往往存在信息不透明、易篡改、安全性差及信息孤島等缺陷。由于我國許多農(nóng)村地區(qū)信息化程度較低、農(nóng)產(chǎn)品信息采集較困難，因此一旦出現(xiàn)食品安全問題，就需要耗費(fèi)大量的人力物力，溯源成本高昂，且一般只能追溯到生產(chǎn)企業(yè)，而難以追溯到食品供應(yīng)鏈中的各參與方，做到全流程溯源。因此，搭建一個高效精準(zhǔn)的食品安全溯源系統(tǒng)，覆蓋食品的“產(chǎn)、供、銷”環(huán)節(jié)，服務(wù)農(nóng)戶、涉農(nóng)企業(yè)和消費(fèi)者，在后疫情時代下就變得尤為重要。

2 相關(guān)研究

食品溯源也稱為“食品可追溯性”，最早起源于歐美等發(fā)達(dá)國家，它是食品供應(yīng)鏈全程控制和安全管理的有效技術(shù)手段[1]。

食品信息化是建立食品可追溯體系的關(guān)鍵，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為解決這一問題提供了良好的契機(jī)[2]。如，通過傳感器可采集食品生產(chǎn)、加工等環(huán)節(jié)中各種環(huán)境信息，條碼給食品信息識別提供了廉價便捷的技術(shù)手段。此外，RFID標(biāo)簽則可作為食品對象的身份標(biāo)識和信息儲存器，它使得食品具備“開口說話”的能力。

南楠[3]提出利用RFID記錄肉制食品供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)的信息，以此建立有效的食品安全溯源體系。2017年，王振輝[4]采用MVC模式和微服務(wù)框架，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個基于二維碼的食品溯源系統(tǒng)。為防范二維碼偽造可能導(dǎo)致的安全問題，采用混合加密算法以確保溯源的可靠性。上述研究工作利用RFID和二維碼技術(shù)對食品進(jìn)行信息化處理，實(shí)現(xiàn)了食品安全溯源，但由于系統(tǒng)依賴中心服務(wù)器，因此存在易篡改和信息孤島的缺陷。

針對上述問題，班海琴[5]提出利用區(qū)塊鏈技術(shù)和RFID相結(jié)合的方式用于商品溯源防偽，有效解決了容易遭受惡意篡改的問題。2020年，李宣等人[6]提出了雙區(qū)塊鏈的防偽溯源系統(tǒng)。劉秀升等人[7]則將雙區(qū)塊鏈技術(shù)用于農(nóng)業(yè)食品溯源系統(tǒng)中。張瑞星[8]主要分析研究了區(qū)塊鏈技術(shù)中的共識算法，提出了相應(yīng)的優(yōu)化方法。本文將充分借鑒前人研究成果，在此基礎(chǔ)上研究并實(shí)現(xiàn)一個食品安全溯源系統(tǒng)。

3 食品溯源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 條碼

條碼是由若干個寬度不等的黑白條紋按照一定的編碼規(guī)范組合而成的圖形標(biāo)識符，它是一種信息自動識別技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和識別等功能，因此常被應(yīng)用于電子商務(wù)、供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域。

條碼分為一維碼和二維碼。一維碼制作簡單、易識別，但只能表示簡單數(shù)字信息。相比而言，二維碼的存儲容量更大、存儲信息類型豐富，且具有抗損毀能力。QR Code是目前應(yīng)用最為廣泛的一種矩陣式二維條碼，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）能夠存儲圖像、音/視頻、指紋及漢字等多種類型的信息;2）探測點(diǎn)位多，識讀范圍廣、速度快;3）具有防偽特性，糾錯能力強(qiáng);4）制作成本低，對果蔬等農(nóng)產(chǎn)品的溯源而言，開發(fā)性價比高。

基于一維碼和二維碼的不同特性，本文將根據(jù)實(shí)際需求采用相應(yīng)的食品信息識別技術(shù)。

3.2 RFID

RFID是一種無線射頻自動識別技術(shù)，完整的系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽、讀寫器和數(shù)據(jù)管理三個部分，其工作原理是通過讀寫器收發(fā)無線電訊號以實(shí)現(xiàn)對電子標(biāo)簽的自動讀寫。

RFID技術(shù)具有以下特性：1）識別能力強(qiáng)，無須接觸即可識別標(biāo)簽信息，真正做到信息采集過程無人工干預(yù)，從而保證數(shù)據(jù)來源的真實(shí)性，因此非常適合新冠肺炎疫情時期的特殊要求;2）讀寫速度快，可實(shí)現(xiàn)同時、多次讀寫，極大地提高了信息傳輸效率;3）安全性高，標(biāo)簽信息加密存儲難以篡改;4）容量大、適用性強(qiáng)，即使在惡劣環(huán)境下仍可長時間工作。

RFID技術(shù)常應(yīng)用于食品供應(yīng)鏈的生產(chǎn)和加工環(huán)節(jié)，但由于其制作成本高，因此本系統(tǒng)主要將其應(yīng)用于高附加值的食品，如水產(chǎn)養(yǎng)殖、肉制品加工等。

3.3 區(qū)塊鏈

顧名思義，區(qū)塊鏈就是由一個個區(qū)塊連接而成的“鏈條”。其中，每個區(qū)塊保存了一定數(shù)量的摘要信息，它們通常按照時間的先后順序鏈接而成。由于該鏈條被保存在系統(tǒng)中所有服務(wù)器節(jié)點(diǎn)中，如果有惡意用戶想要修改區(qū)塊鏈中的信息，必須有超過半數(shù)的節(jié)點(diǎn)“共謀”才有可能，而這些節(jié)點(diǎn)往往都隸屬于獨(dú)立的主體，因此協(xié)同作弊將極為困難，從而確保了安全性。區(qū)塊鏈具有如下特性：

1）去中心化。沒有中心節(jié)點(diǎn)，任意一個節(jié)點(diǎn)都可以保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全。

2）不可篡改。數(shù)據(jù)一經(jīng)上鏈，所有數(shù)據(jù)更新操作都將永久地記錄在區(qū)塊鏈上，實(shí)現(xiàn)責(zé)任主體有備案、生產(chǎn)過程有記錄、主體責(zé)任可追溯，因此能夠有效解決傳統(tǒng)食品供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)可能發(fā)生的信息篡改。

3）多方所有。區(qū)塊鏈寫入數(shù)據(jù)不由單一主體所控制，經(jīng)過多方驗(yàn)證達(dá)成共識，才能寫入存儲。在寫入過程中，整合各環(huán)節(jié)信息形成共享信息鏈。

4）智能合約。智能合約基于代碼指定規(guī)則，并通過共識機(jī)制保證計(jì)算嚴(yán)格按照合約約定執(zhí)行，并產(chǎn)生可信的計(jì)算結(jié)果，可用于實(shí)現(xiàn)任何計(jì)算和交易邏輯的自動化和智能化，同時交易可追蹤且不可逆轉(zhuǎn)。

在食品供應(yīng)鏈中，每個環(huán)節(jié)的對應(yīng)主體可視作區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，而每個環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的食品信息操作則可記錄到一個相應(yīng)的區(qū)塊，因此區(qū)塊鏈技術(shù)十分完美地契合了食品安全溯源工作的核心難題，保障了信息的安全可靠性。

4 食品安全溯源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

如圖1所示，食品安全溯源系統(tǒng)自下而上共分為六層，即作業(yè)層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)層、共識及網(wǎng)絡(luò)層、表示層和用戶層。

1）作業(yè)層。食品供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)中需要開展的信息采集工作，它是整個食品追溯體系的基礎(chǔ)。

2）數(shù)據(jù)采集層。利用一維/二維條碼、RFID等信息采集技術(shù)和各類傳感器對作業(yè)層數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集和傳輸，提高食品供應(yīng)鏈整體效率。

3）數(shù)據(jù)層。當(dāng)食品相關(guān)信息采集完成后就需要傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層進(jìn)行存儲，本系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和區(qū)塊鏈雙存儲機(jī)制。即，前者存儲食品完整數(shù)據(jù)和經(jīng)過摘要處理后返回的哈希值，而后者僅存儲摘要信息。

4）共識及網(wǎng)絡(luò)層。運(yùn)行區(qū)塊鏈系統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)管理、傳輸機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共識算法等關(guān)鍵技術(shù)。

5）表示層。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)方面，后臺采用B/S架構(gòu)+SSM框架，前端則采用HTML5、CSS、Vue等相關(guān)技術(shù)將數(shù)據(jù)按用戶需求進(jìn)行呈現(xiàn)。

6）用戶層。它位于架構(gòu)設(shè)計(jì)的最上層，包括Web后臺管理系統(tǒng)和前端微信小程序兩部分，主要面向食品供應(yīng)鏈各參與方，其中消費(fèi)者可通過微信小程序的掃碼識別功能輕松實(shí)現(xiàn)食品溯源。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和功能模塊

在食品溯源系統(tǒng)中，由于供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)都會不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息，因此將信息對應(yīng)存儲于不同的節(jié)點(diǎn)之中，從而實(shí)現(xiàn)整個供應(yīng)鏈的信息流、資金流和物流的互聯(lián)互通。

圖2給出了食品溯源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路，食品及相關(guān)信息由區(qū)塊鏈和數(shù)據(jù)庫共同存儲。如前所述，前者只存儲數(shù)據(jù)的信息摘要，完整的數(shù)據(jù)信息則存儲在后者中。數(shù)據(jù)庫可由食品監(jiān)管部門進(jìn)行維護(hù)，而區(qū)塊鏈系統(tǒng)則由食品供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)所涉及的各方協(xié)同管理。與此同時，為保障各環(huán)節(jié)信息的實(shí)時性，加入了智能監(jiān)管功能，一方面為消費(fèi)者提供食品溯源服務(wù)，另一方面也給管理者提供便捷高效的食品監(jiān)管服務(wù)。

基于實(shí)際需求，本文在區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)中引入了食品召回環(huán)節(jié)。以廣大消費(fèi)者的投訴信息為主要線索來源，食藥監(jiān)局通過數(shù)據(jù)可視化平臺對反饋信息進(jìn)行分類整理，對食用后可能對人體健康造成損害的食品按照其嚴(yán)重程度進(jìn)行分級召回。

綜上所述，基于區(qū)塊鏈的食品溯源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，利用區(qū)塊鏈去中心化的特性，保證了溯源環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息的不可篡改，實(shí)現(xiàn)了對信息流可追溯性的快速查找、精確定位。

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)思路，結(jié)合食品生產(chǎn)企業(yè)規(guī)范化管理要求，將食品安全溯源系統(tǒng)分為四大模塊，主要功能如下：

1）基本信息子系統(tǒng)：記錄企業(yè)信息、綜合信息、人員信息等。

2）業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)： 記錄原料信息、加工信息、貯存信息、物流信息和銷售信息等。

3）溯源管理子系統(tǒng)：完成各類食品溯源碼在線生成和溯源碼在線查詢等操作。

4）溯源微信小程序：消費(fèi)者在銷售終端購買的食品，可通過食品溯源微信小程序的掃碼溯源功能，即可實(shí)時查詢到食品溯源信息，包括食品的基本信息、質(zhì)檢狀況、途經(jīng)路線等信息。

4.3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

限于篇幅，本文以溯源信息表為例進(jìn)行介紹。

如表1所示，溯源信息表包含溯源編號、食品編號、名稱、質(zhì)檢情況、食品檢測認(rèn)證機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、物流公司等信息。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)獲取，在物流公司與儲存?zhèn)}庫字段上設(shè)置了外鍵屬性，從而與物流運(yùn)輸信息表、食品貯存信息表建立起關(guān)聯(lián)。溯源信息表的主要功能在于，將溯源編號作為唯一標(biāo)識，生成食品溯源碼。

圖3顯示了食品安全溯源平臺（Web端）首頁。主要針對食品供應(yīng)鏈五個環(huán)節(jié)的信息進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)信息的增、刪、改、查等功能。同時，根據(jù)不同用戶的角色賦予不同等級的權(quán)限，保證每一環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集皆為實(shí)時記錄、上傳，實(shí)現(xiàn)環(huán)環(huán)相扣，避免人為造假，進(jìn)一步確保信息真實(shí)可信。圖4顯示了食品列表信息頁面。

如前所述，消費(fèi)者可通過溯源小程序的掃碼識別功能，快速顯示食品溯源信息。通過點(diǎn)擊溯源管理頁面的“生成溯源碼”，即可生成該食品溯源卡片，如圖5所示。同時，還可根據(jù)大數(shù)據(jù)分析為消費(fèi)者提供個性化飲食推薦、資訊推送等功能，極大地滿足了對于食品信息溯源的高端需求。

5 結(jié)束語

黨的十九大報告提出，實(shí)施食品安全戰(zhàn)略，讓人民吃得健康、吃得放心。因此，如何從食品源頭追溯、建立可靠的食品流通體系，對保障食品安全、保護(hù)人民健康具有十分重要的意義。本文利用二維碼、RFID等多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對食品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)進(jìn)行信息化處理，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個去中心化、防篡改的食品溯源系統(tǒng)，較好地滿足了現(xiàn)代社會人們對食品安全可溯源性的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦玉青，耿全強(qiáng)，晏紹慶.基于食品鏈的食品溯源系統(tǒng)解析[J].現(xiàn)代食品科技，2007，23（11）：85-88.

[2] 王成瑞，段富海.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在食品溯源中的研究與應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（8）：66-68，70.

[3] 南楠.基于RFID技術(shù)的肉制食品溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代畜牧科技，2016（8）：1-3，5.

[4] 王振輝.基于二維碼的食品溯源系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程，2017，7（6）：29-32，51.

[5] 班海琴.區(qū)塊鏈和RFID技術(shù)在商品溯源防偽中的應(yīng)用研究[J].電腦知識與技術(shù)，2019，15（23）：237-239.

[6] 李宣，柳毅.基于雙區(qū)塊鏈及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防偽溯源系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2020，37（11）：3401-3405，3421.

[7] 劉秀升，郝秋梅，羅詩棟，等.基于雙區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)食品追溯方案[J].電腦知識與技術(shù)，2020，16（36）：227-228，231.

[8] 張瑞星.基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源平臺關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2021.

收稿日期：2022-03-26

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：61561035）;江西省科技落地計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：KJLD13095）;2020年國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（項(xiàng)目編號：202011319014;S202011319019）

作者簡介：傅晶（2000—），女，浙江麗水人，本科在讀，主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù);王文豐（1983—），男，湖北黃岡人，通信作者，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)、云計(jì)算和信息安全;劉天元（1993—），男，江蘇灌云人，助理工程師，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ω?fù)荷調(diào)度、區(qū)塊鏈;胡耀才（2000—），男，江西九江人，本科在讀，主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù);武文懷（2001—），男，河北磁縣人，本科在讀，主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù);彭亮（2002—），男，江西九江人，本科在讀，主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)。