大數據背景下的智慧農業信息保護技術研究

王桂超

（山東信息職業技術學院，山東 濰坊 261041）

隨著生活水平的提高，人們對食品，尤其是農產品的追求，已經從原來的如何吃飽到現在的如何吃好、吃得健康。越來越多的人開始重視農產品的質量安全問題。同時伴隨著科學技術的發展，物聯網[1]、大數據[2]、區塊鏈[3]等技術也越來越多地應用到新型的智慧農業方面，涌現出了一大批各具特色的智慧農業信息溯源系統，方便了大眾查詢跟蹤農產品從種植到上市的全過程信息。另一方面，全程的數據溯源既可以為農產品的改良選育提供數據支撐，又方便了管理部門的監督管理。

基于大數據和物聯網的農產品信息溯源系統，可以方便地采集農作物從種子、種植、管理、農藥化肥到采摘上市的全過程數據，方便快捷。在此過程中，數據的安全性就顯得尤為重要，必須要保障所有環節采集到的數據是準確無誤且未經改動的，只有這樣才能真正做到全流程的信息溯源，才能保證最終的消費者能夠準確獲取農產品的相關信息。那么如何利用現有數據保護技術，來保護信息溯源過程中的數據安全，正是本文研究的重點。

1 關鍵技術簡介

1.1 大數據技術

顧名思義，大數據（big data）就是大量的數據聚集，而大數據的產生離不開物聯網技術的飛速發展。同時，農業數據的多樣性、低密度性、低價值性等特點也決定了其最適合大數據來處理，在智慧農業領域大數據具體可以應用在以下幾個方面：

1.1.1 農作物直接關聯性數據

智慧農業的根基，涉及到農作物的育種信息、種植過程中的種植時間、地點、種植管理人員、化肥農藥使用詳情、病蟲害詳情、采摘時間等詳細信息。而這些信息的準確性也決定了該農產品所有的屬性溯源的準確性。

1.1.2 農作物管理相關性數據

在農作物管理方面，如何做到數據的可靠真實、科學合理的規劃，是農作物能夠健康生長、生態發展的一個關鍵領域。

1.1.3 農作物環境相關性數據

農作物生長的環境如溫度、濕度、土壤所含微量元素等等決定了其品質的好壞，如何提高農作物生長的環境指數，科學規范調控其所處的環境數據，是智慧農業重要的研究方向。

大數據技術所采用的處理平臺一般采用比較成熟的Hadoop平臺，在智慧農業相關研究領域也多數采用該平臺。該平臺是Apache開源基金會旗下的一項基于java開發的處理大數據的開源平臺。它具有成熟穩定，分布式管理，部署方便快捷，系統成本低廉等特點，特別適合智慧農業大數據處理的應用。

1.2 物聯網技術

物聯網技術本質是萬物互聯，是采集底層基本數據的一項技術，其是大數據能夠得到迅猛發展的基石，同時也是智慧農業數據來源的根本。物聯網技術通俗講就是利用多種信息采集手段如射頻設備、紅外線設備、傳感器設備等獲取所要研究對象的相關數據的一種方法。在智慧農業方面我們通常會用到以下幾種方案來實時采集農作物的相關數據：

1.2.1 傳感器技術

在智慧農業領域，尤其是農作物環境數據采集方案主要采用各種傳感器技術，如溫濕度傳感器、風力傳感器、土壤濕度傳感器、土壤營養分析傳感器、光照傳感器等。通過各種微型物聯網傳感器可以方便快捷實時地采集農作物所需要的各類數據。

1.2.2 射頻識別技術（RFID）

該技術也稱電子標簽，其是一種近距離非接觸通信技術[4]。RFID技術在智慧農業領域主要應用在采集與農作物相關的外界信息，如種植者農戶信息、采摘信息、加工信息、運輸信息、出售信息等。通過RFID技術可以快速非接觸地獲取農產品的一系列相關數據，極大方便了后期對農產品的追蹤溯源，可以最大程度保證農產品的質量追蹤。

1.3 區塊鏈技術

區塊鏈技術作為數據安全領域的一項新技術，近幾年得到了飛速的發展，應用的場合也越來越廣泛。區塊鏈技術通過去中心化的核心算法來保證數據流通的各個環節數據的共享和安全。同時，在整個區塊鏈系統中，每個節點都可以作為中心節點，且每個計算節點都是相互獨立的，這樣即使某個節點出現故障也能保證整個數據的安全性和完整性。同時，區塊鏈技術具有不可更改、可追蹤、可溯源、公開透明的特點[5]，而其共識機制的應用，弱化了中心化監管機制的功能，可以從根本上解決加密系統內部導致的數據篡改問題，因此其非常適合智慧農業中數據加密處理。

2 現有數據加密技術存在的問題

基于智慧農業背景下的信息溯源系統[6]，可以方便地為農產品提供各個環節的所需信息。尤其在食品安全問題越來越突出的今天，消費者能夠及時準確地掌握農產品的相關信息直接關系到農產品的銷售問題，甚至影響整個產業的發展。為了更好地保護信息溯源系統中各個環節的信息安全問題，各國學者提供了很多不同的解決方案，大體可分為以下幾類：

2.1 基于對稱加密技術（如DES）的信息保護方案

該方案對基礎數據可以很好地進行加密保護，并且硬件需求低，加密速度快。但是由于其無法防止加密之前進行數據篡改，且無法防止信息溯源系統內部合法人員對數據進行非法篡改，因此不適合智慧農業背景下的信息溯源管理系統中數據的加密處理。

2.2 基于非對稱加密技術（如RSA[7]）的信息保護方案

該方案雖然加密功能強大，但是加密硬件要求高，加密速度慢，同時也無法防止信息溯源系統內部合法人員對數據進行非法篡改，因此也不適合信息溯源管理系統中數據的加密處理。

2.3 基于分級安全策略（如RBAC）的信息保護方案[8]

該方案可以根據不同人員屬性不同分配信息處理權限，但是對高級別屬性人員同樣無法完全杜絕其非法篡改相關農產品數據，因此也不適合信息溯源系統數據加密處理。

雖然以上數據保護方案在一定程度上保護了智慧農業信息溯源系統中信息的安全性，卻都存在一定的問題。

3 基于區塊鏈的信息安全保護技術設計

為了更好地保護農產品信息溯源系統中各個環節的信息安全，防止系統內合法人員對數據進行非授權的篡改，本文提出了一種基于區塊鏈技術的數據加密方案。具體加密流程如下：

（1）信息溯源系統中涉及農作物環境數據，經各種物聯網傳感器技術采集完成后，首先采用DES技術進行首輪加密，然后經無線傳輸途徑傳送到數據處理中心，此過程全程自動化運行，確保其從采集到傳輸過程中無篡改。

（2）涉及農戶數據、采集、加工、流通等數據，采用RFID技術采集相關數據，由于此類信息屬于一經采集，不能再修改信息，因此，采集完成后直接經過區塊鏈加密系統對相關數據進行加密處理，防止非法篡改數據。

（3）對農作物本身數據，其涉及到大量持續性數據，通過傳感器采集后先經過大數據系統進行初步加工，然后經區塊鏈加密處理系統對該類信息進行加密處理后上傳至其他系統。整個加密處理系統框架如圖1所示。

圖1 基于區塊鏈的智慧農業信息溯源系統

4 結束語

本文通過對智慧農業背景下的信息溯源系統中數據保護模式的分析，提出了一種在大數據和物聯網技術背景下的基于區塊鏈技術的數據保護方案。通過引入物聯網技術可以方便快捷地采集農作物相關的數據；通過大數據技術對農產品信息溯源系統海量的數據進行快速加工處理；通過引入區塊鏈技術，對農產品信息溯源系統中各個環節的相關數據進行加密處理，同時結合傳統經典加密技術，以此來更好地保護整個系統中數據的安全及完整性，保護了信息溯源系統的本質。