基于區塊鏈技術的農產品信息流追溯體系建設*

□ 戴 進，董繼昌

(江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003)

1 研究背景

近年來，隨著我國社會高速發展與經濟水平的迅猛提升，消費者對生活品質的追求越來越高，但日常必需的農產品質量卻依舊停滯不前。同時，由于網絡時代的便捷性，消費者獲得信息、購買物資的方式日趨多元，這使得他們對商品成分、產地、加工、流通等重要信息的要求也不斷上升，盡管國家監管部門現已制定了相應的檢測標準，但公眾早已不再僅僅滿足于國家公示的檢驗結果。除國家認證外，市場現有的第三方的檢測認證在當下也仍舊僅僅是一個流程化的形式，并不能起到時刻監督、有效制約的作用[1]。與此同時，重大農產品安全事件的頻發(毒豆芽，毒木耳，假三文魚等)，更在不斷提醒消費者農產品的質量保障令人擔憂，長此以往，必將導致政府公信力下降，不利于社會的長治久安。

消費者迫切希望獲得更加真實全面的商品信息，政府與市場也需要運用安全級別更高、制約力更強、監管追責更迅速的方法,因此，建設農產品流通溯源體系是我國農業現代化建設的必經之路。目前，農產品流通追溯體系建設面臨著兩個嚴峻問題，一是如何快速的集成化采集農產品流通信息并有效上傳；二是如何確保流通環節的交易信息具有安全共識且物流信息不會丟失。

2 現有信息采集技術

在傳統流通追溯環節，信息的收集主要依賴于物流公司成熟的位置追蹤技術，但農產品交易較為零碎短暫，難成規模[2]，傳統的定位技術難以精確追蹤，致使物流公司無法在產品信息文檔中補充運輸方式、運輸環境和接受地等信息。所以在農產品附加標簽以跟蹤實體，通過對標簽的規范化掃描，來采集并存儲可追溯鏈上所有階段的信息是農產品流通追溯體系建設的前提。

2.1 條碼技術在農產品溯源的信息采集應用

作為最成熟、經濟的自動識別數據技術，條形碼已被廣泛應用于各種可追溯管理系統的信息采集階段[3]。條碼的信息輸入速度快、可靠性強且制作成本低，但儲存信息的安全性及信息容量存在缺陷，其編碼技術的公開化使存儲的信息極易受到復制篡改。另外，條形碼抗污性較差，而農產品的流通環境容易造成條碼受損而丟失信息。

2.2 RFID技術在農產品追溯中的信息采集應用

解決信息采集痛點的另一個成熟技術即是無線射頻識別技術(RFID)，相比條碼技術，該技術可同時識別多個產品、自動化高、信息儲存量、防污染及可回收等諸多優點[4]，但其標簽成本較高且技術標準缺乏統一性。在物流領域，RFID已廣泛應用于生產加工、倉庫管理、物流跟蹤和產品防偽等領域。RFID技術在農產品供應鏈中的應用包括生產(種植/飼養)、采摘/屠宰、加工、倉儲、分銷和銷售等[5]。在這一系列環節中，RFID系統為生產者、批發商、零售商和消費者提供農業食品流通管理信息和安全數據,嚴格保證了農業食品的質量和安全，極大地提高農業食品的價值。

2.3 其他技術的應用

除以上兩種技術，近年來同位素溯源技術和DNA分析技術讓信息安全性更進一步，但該類技術尚未成熟，且產品信息識別耗時過長。

3 條碼與RFID并行融合的農產品信息采集技術

針對于我國農產品供應鏈環節產品眾多，散貨規模較大的現狀，單一使用RFID技術不光成本較大，且難以實現信息追溯系統的實時登記把控；然而將條碼技術與RFID技術融合使用，解決其信息互通問題，可實現多方面優勢互補，解決眾多技術瓶頸與成本矛盾，如條碼的規模使用可以解決其基本成本問題，而RFID可以通過射頻識別技術解決信息的效率識別與表面附著問題。

農產品現有供應鏈流程大致為：農業生產環節、流通加工環節、倉儲環節、運輸環節、銷售環節。這五大環節間必須建立統一的數據庫以實現每一環節的數據信息互通，且使用兼容的信息掃描讀取設備與統一的編碼規則進行信息的更新添加，全環節并行融合。

在生產種植環節，為處于同一地塊的同一品種產物加上電子標簽并賦予唯一身份ID，通過對電子標簽的規范化掃描將農產品的生長環境，農藥化肥施放，當前狀態等信息，通過數據庫對應該農產品的唯一ID，進行信息的存儲保護。

在流通加工環節，通過讀取電子標簽信息對農產品的品種、尺寸、質量進行層級劃分，將不同層級的農產品進行商品分裝，利用電子標簽與條碼打印機數據信息互通，為各層級包裝的農產品粘貼鏈接至數據庫對應ID的條碼。數據融合如下圖所示：

圖1 信息數據的串行融合

在倉儲環節，因農產品保鮮期較短，需進行合理有序的貨位安排輔助智能化調度才能保證農產品周轉效率最大化。因此，在倉庫設置統一的電子標簽讀寫設備，入庫前通過對電子標簽數據的讀取，在信息系統中合理規劃安放貨位。

在運輸環節，通過在集裝運輸車中添加可讀電子標簽，通過設置時間段進行信息的讀寫更新，并連同信息傳感設備獲取運輸車內環境信息導入至數據庫，并在到站后裝卸通過統一的讀寫設備進行電子標簽數據到條碼封裝的數據互通。

在最終銷售環節，銷售商通過對條碼的掃讀進行系統中貨物信息的及時更新，并在送出后通過電子標簽的定時讀取完成終端配送信息的更新。

4 區塊鏈技術對于農產品流通追溯的價值

在農產品流通追溯體系建設過程中，另一個重要的問題即是如何維護流通過程中的交易信息不被篡改。而區塊鏈的核心就是為安全信息建立共識基礎，依靠數據庫的技術方案，通過分散和無信任的方法共同維護交易信息，不必去擔心節點被惡意篡改。該技術方案可以通過使用加密對系統中的任何數量的節點來創建區塊，每個塊包含一段時間內系統中發生的所有交易數據，通過創建數字識別機制，使用不同密鑰加密解密，并用來驗證信息的有效性并與下一個塊連接。

利用區塊鏈技術，可以構建新型農產品流通體系，改變現在信息極不對稱，流通體系極不健全的現狀[6]。因此，設想利用區塊鏈技術搭建一個基于以太坊智能合約的包括種植商、分銷商、零售商、物流公司以及終端客戶在內的公鏈，不光允許農產品流通環節的所有參與者加入監管環節，甚至公眾也可獲得合法的訪問身份，通過應用端參與農產品市場的監管。通過推廣該技術，促使該鏈條將資金信息流與貨物流都記錄在鏈上不可篡改，這樣有效降低了農產品供應鏈成本；同時，實現了農產品流通信息的真實性與可追溯性[7]。

4.1 流通追蹤查詢

傳統的信息記錄往往面臨著信息丟失和篡改的問題[8]，通過區塊鏈技術可使交易信息由參與者集體保護擁有且不被篡改。在傳統的農產品流通過程中，往往面臨著多個承運商轉運的情況，信息極易丟失，應用區塊鏈技術可保障流通過程中信息記錄的完整性、真實性，也可保證交易用戶隨時通過應用查詢到流通信息。

4.2 信息共識安全

在以往的數據儲存方式中，數據通常由中央處理器集中存儲，只要擁有一定訪問核心權限的工作人員對數據稍加更改，就能使流動信息達到被篡改的目的。而區塊鏈技術的去中心化處理，使每個參與者都是“處理核心”，要想更改數據，理論上需要同時獲得起碼51%以上用戶的訪問權限，當某個不法參與商企圖刪除更改自己的違法記錄，也只能更改自己這唯一終端的數據，然而其他參與者依舊保留原始數據，確保了責任認定的無誤。

5 農產品流通追溯體系基礎架構設計

綜合現有信息收集技術與區塊鏈特性，設計出區塊鏈基本架構如下圖2所示,該框架主要分為物理層、通信(協議)層、數據層、應用(接口)層;其中區塊鏈技術直接應用于通信層與數據層[9]。

物理層：物理層主要包含上文闡述的傳感器與掃描信息收集技術，采集市場上相關農產品包括產地、實時價格、流通加工等重要信息，并上傳至數據層。但現有訪問機制使其信息傳遞具有被攻擊的潛在威脅，安全性的加強必須依靠通信層的身份認證。在信息采集方面，物理層使用了RFID與條碼技術的并行融合設計，通過兩者交叉混合使用，增加了物理層信息采集的效率并且降低了基礎使用成本。

圖2 農產品流通體系基礎框架

通信層：通信層主要包含網絡傳輸與信息協議，采用4G/5G，以太網等通信機制，建立在基于區塊鏈技術的以太坊平臺，保護系統在節點遭受網絡攻擊的情況下依舊穩定。在這一層中，主要采取的是POW共識機制，該共識以哈希SHA256算法函數為基礎，通過運算出滿足規則的隨機數獲得訪問記賬權限，并發出本次所需記錄的數據，當其他節點共同驗證后，即可共同進行交易信息存儲。[10]通信層可以確保信息傳遞的穩定快速與身份驗證的安全可靠，這對于RFID與條碼間的信息互通驗證極為重要，通過智能協議對唯一身份ID的驗證，實現信息的交換與封裝是實現物理層信息交換的保障。

數據層：數據層為交易記錄創建信息區塊，建立分布式存儲數據庫，通過非對稱加密與時間戳的方式使每條交易記錄擁有獨立的加密密鑰，交易記錄一旦成功存儲至數據層即無法更改，且完整的交易數據可供任何合法身份用戶進行驗證審核。訪問該公鏈不需要獲取訪問權限，信息記錄對網絡中所有合法節點公開，使其具有高透明性，建立了交易信息安全共識基礎。該層保存了RFID實時更新收集的信息，條碼待封裝的信息以及外部用戶信息獲取交易信息，一經存儲即無法篡改。

應用(接口)層：應用層可以理解為消費者可使用的客戶端軟件，通過嵌入相關協議，進行身份確認后，消費者可通過應用層的接口與區塊鏈技術對接，進行信息交易，獲取相關產品溯源信息，監管部門亦可追溯問題商品流通，實行精確定位，快速追責。

在該平臺搭建成功的環境下，農產品的基本身份信息與每一環節的流通信息均可通過物理層的傳感交互技術進行高效收集，并鏈接到電子信息文檔，解決無法集成化采集農產品流通信息的痛點。通過通信層的網絡協議將數據上傳至數據層平臺，在通信層基于以太坊的智能合約與完全去中心化的共識機制可以保證信息傳輸的高效完整且安全性得到保障。完成上傳的信息，通過數據層的分布式記賬存儲，實現完全去中心化，保證信息獲得安全共識且無法篡改。而在應用層，終端用戶通過嵌入接口達到數據層互通的APP，掃描農產品包裝上的條碼獲取承載的信息，達到獲取農產品每一流通加工環節信息的目的。

6 結論

本文融合了現有成熟的信息采集技術，基于區塊鏈工作原理，設計了應用區塊鏈技術的農產品流通追溯體系框架，并從技術層面解釋了運營流程以及框架的合理性。目前，我國基于區塊鏈應用的農產品追溯案例較少，大多數應用均為大型企業內部或企業間合作的流程性追溯。本文則創新地結合農產品交易市場現狀，分析了公眾對追溯系統建設地迫切需求，從社會、企業、政府多層面綜合性提出建設方案，以區塊鏈技術為落腳點，并考慮到技術實現難度，充分利用現有成熟技術與新技術結合，既解決了農產品流通追溯體系建設面臨的痛點，又滿足了我國農業現代化發展建設的需求。