區塊鏈+物聯網在農產品溯源中的應用研究

李天明，嚴 翔，張增年，田 陽，吳 鑫，李超群

浙江萬里學院，浙江 寧波 315100

農業是經濟發展和社會穩定的基礎，農產品的安全與國民的生命財產安全密切相關。近年來，全球食品安全事件頻發，食源性疾病給全球帶來了巨大的負擔[1]，例如，2019年的新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情的爆發造成全球供應鏈魯棒性破裂，引發生產停滯、物流遲緩等一系列問題，對農產品進出口以及抗風險能力較低的企業造成不利影響，給世界經濟的正常運轉造成嚴重沖擊[2-3]。農產品溯源系統是保障食品質量安全和提高消費者信心的重要手段。農產品追溯系統通過標識食品來源，記錄、存儲流轉數據信息，實現供應鏈全過程可視化，明確責任主體，及時召回處理有問題的產品，防止其繼續流入市場，避免食品安全事故再次發生[4]。為把好質量關，實現農業信息化和現代化，需要將物聯網技術廣泛應用到農業生產的各個環節，結合人工智能技術對農業進行精準灌溉施肥和環境智能調控等，進而有效降低生產過程中化肥用量，提高農產品質量，為農產品溯源提供有力的數據支撐。當前農產品流通模式主要由生產商、加工商、批發商、經銷商和消費者組成[5]，供應鏈參與者通過物聯網技術來完成數據采集、傳輸、加工等業務，并且都有屬于自己的核心數據庫，業務相對獨立。中心化的溯源系統由于供應鏈參與主體較多，存在復雜的利益博弈關系，造成各節點間信息不對稱，無法快速有效地實現信息交換，存在數據信任問題[6]，只能依賴于權威政府機構作為第三方信任中介管理中心數據庫[7]。現有溯源平臺的數據存儲在企業本地數據庫，數據由人工上傳，數據安全依賴第三方機構監管，其高度中心化模式存在交易不透明、易受攻擊等問題，極易造成數據傳遞和共享過程中的篡改和泄露威脅[8]。一旦系統無法及時準確地將各環節的溯源信息進行關聯或監管部門社會誠信力下降等，易造成企業間產生糾紛時舉證困難，責任難以明確[9]，無法與當前市場需求相匹配。

區塊鏈（Blockchain）是一種由多方共同維護，使用密碼學保證傳輸和訪問安全，能夠實現數據一致存儲、難以篡改、防止抵賴的記賬技術[10]，具有去中心化、時序數據、集體維護、可編程和安全可信等特點[11]，能在不安全的網絡環境中建立節點之間的信任，構建安全可信的交易環境，實現價值流動、可信交易、信息共享、數據安全傳輸等功能[12]。區塊鏈技術與農產品追溯相結合，為解決傳統追溯體系所面臨的公信力缺失、監管困境、擴展性及追溯成本支付等難題提供了新思路，實現分散資源集中管理、集中資源分散服務[13]。目前研究熱點是將區塊鏈技術與物聯網技術框架相融合，來提高溯源系統的魯棒性和數據真實性，彌補當前系統存在的缺陷[14]。

本文綜合分析區塊鏈技術在國內外農產品溯源中的研究進展，在分析可追溯性和溯源系統概念的基礎上，闡述基于區塊鏈+物聯網的溯源系統優缺點及應用，以及對農產品溯源體系建設提出參考建議。

1 農產品質量安全可追溯的研究現狀

目前，對可追溯性、追溯系統的概念還沒有形成統一的定義，國內外相關組織和學者都從不同角度進行了闡述和解釋，如表1所示。可追溯性最初是由法國等部分歐盟國家提出，歐盟、美國、日本等發達國家都為此制定了相關法律，并對食品可追溯性要求進行了嚴格規定。

對于追溯系統的研究，最初是由歐盟為應對瘋牛病問題于1997年開始逐步建立起來的[20]。其概念定義如表2所示。目前我國對農產品從種植到消費全過程監管，形成產供銷一體化的信息系統。其追溯過程分為兩種，一是順向跟蹤，即按照農產品生命周期從上游環節跟蹤到下游環節；二是逆向溯源，即從產業鏈的下游環節溯源到上游環節[21]。楊信廷等認為可追溯性是產品供應鏈跟蹤與追溯的特性和能力，而追溯系統是通過一定技術實現可追溯性的方法、模型和體系[4]。可追溯性和追溯系統雖然在概念描述上存在差異，但其內涵不變，都是為促進生產信息透明化，提高農產品質量安全，增強農產品市場競爭力。根據數據管理方式，農產品溯源系統分為中心化系統和去中心化系統，目前企業上使用的溯源系統大多數是中心化的。追溯系統主要包含個體標識、中心數據庫和信息傳遞系統及個體流動登記等基本要素[22]，其系統架構大致分為物理層、通訊層、數據庫層和應用層。傳統的農產品追溯系統采用B/S網絡架構，將數據存放在服務器的Oracle、SQL等數據庫中，同時整個農產品追溯系統擁有一個中心數據庫，在權威機構、政府和相關標準組織的監管下，對溯源數據進行集中管理[23-24]，但無法保證信息傳遞的真實性，易形成信息孤島，造成消費者對系統提供的信息質疑，導致溯源效果不理想。針對存在的問題，大量學者提出將區塊鏈和物聯網相結合，在技術層面上提高溯源系統的可信度。

表1 可追溯性概念Table 1 Traceability concept

表2 溯源系統概念Table 2 Traceability system concept

2 物聯網與區塊鏈技術

2.1 物聯網技術

物聯網是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統（GPS）、激光掃描器等設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤和管理的一種網絡，其基本特征為全面感知、可靠傳送和智能處理[30]。農業是物聯網技術的重點應用領域之一，也是物聯網技術應用需求最迫切的領域。通過將物聯網技術應用到農產品種植/養殖、物流追溯、生態環境監控等生產過程中，對發展現代農業起到積極作用。物聯網包括感知層、網絡層和應用層[31]。

感知層由各種信息傳感設備和信息智能感知系統（如RFID、GPS等）組成，承擔信息的采集工作，是所有數據的來源。感知層通過傳感器、GPS、攝像頭等物聯網技術來自動采集物理世界中發生的事件和原始數據，實現對外部世界信息的感知和識別，減少人工的干預，保證信息的精準和實時性。在農作物的養殖/種植過程中，綜合運用無線傳感器網絡（WSNs）技術、GPS技術及遙感（RS）技術等，構建農業生態環境監測系統，利用部署的傳感器實時采集溫度、濕度、光照度、土壤含水量等數據，通過網絡層傳輸給專家決策系統，加以存儲和分析并建立產品的電子信息檔。在農作物產品進行加工包裝時，為產品設計帶有防偽性的射頻電子標簽，實時記錄農產品從種植（養殖）、施肥、采摘（捕撈）到加工、運輸、銷售、消費全流程的主要產品信息，并通過通用無線分組業務（GRPS）、第三代移動通信技術（3G）以及互聯網等網絡技術將供應鏈各環節數據實時上傳到數據庫中。運輸過程中，通過地理信息系統（GIS）改善物流配送路徑，將農產品置于全程監控之下，實現標準化配送。

網絡層包括網絡結構和通信協議，該層也稱為傳輸層，主要分為物聯網設備在數據傳輸時采用的藍牙、紫蜂（ZigBee）等通信機制和軟件在運行傳輸時使用的無線通信技術（WiFi）、4G/5G、以太網等兩大類。網絡層為感知層和應用層提供透明的數據傳輸能力。當感知層完成數據采集，經由GRPS等網絡實現數據傳輸，將感知的信息高效、安全、快捷地傳輸到應用層，應用層中的服務平臺對接收到的海量數據進行處理，分析提煉出有用信息后，再通過網絡層傳輸給企業及管理機構對應的服務平臺（如溫室監控、畜牧生產等），最后平臺利用這些數據為用戶提供所需的服務。

應用層主要完成數據分析處理和判斷決策，為用戶提供各種定制的智能化應用（如農產品溯源系統、專家決策系統、環境監測等），實現人與物、物與物之間的連接、識別和控制。

2.1.1 感知與標識技術

在農產品的生產、加工、存儲、物流、銷售等環節包含著溯源需要的基礎信息，是實現農產品供應鏈全過程追蹤溯源的保障。感知和標識技術則是負責采集數據，該技術包含有RFID、傳感器、二維碼等，是物聯網技術的基礎，可實現對貨物的識別和跟蹤定位、生產環境的監測調控等。例如傳感器通過自動采集農產品供應鏈過程數據并對其進行預處理，可以快速生成標準化的數字報告；RFID可以對標簽中存儲的商品信息進行多批量快速自動識別，用于標識和跟蹤產品。

2.1.2 網絡與通信技術

網絡與通信技術是信息傳送的通道，為物聯網信息高效可靠的傳送提供技術支撐。例如5G通信技術通過在體系架構上進行改進，在通信帶寬、速率以及組網效率上進行技術突破，大幅度提高了系統性能，保障現代化農業數據的實時獲取，同時解決了農業信息遠程傳輸成本高、能耗大等問題，適應農業物聯網的多種類型數據大批量的傳輸和處理。

2.2 區塊鏈技術

區塊鏈技術是以比特幣為代表的數字加密貨幣體系中的核心支撐技術，能夠通過運用數據加密、時間戳、分布式共識等技術，在無需節點互相信任的分布式系統中實現基于去中心化的點對點交易[11]。最早描述區塊鏈的文獻是中本聰發表的一篇《比特幣：一種點對點的電子現金系統》，到目前為止已歷經三個階段，即區塊鏈1.0“可編程貨幣”、區塊鏈2.0“可編程金融”、區塊鏈3.0“可編程社會”。區塊鏈按應用場景的不同，分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈三種類型。公有鏈中所有的節點可自由地加入或退出，不需要授權；聯盟鏈適用于有限個主體間，需要提供成員管理服務對節點身份進行審核方可進入，私有鏈適用于企業內部，相當于企業內部的私有數據庫，僅內部人員使用。

區塊鏈技術平臺大體可分為數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層等六個層次[32]。區塊鏈本質上是由多個獨立節點參與的分布式數據庫系統，集成了P2P網絡、密碼學、智能合約[33]、共識機制[34]、時間戳、塊鏈結構等多種技術，無需依賴第三方，就能實現數據的自我驗證和管理[35]。

數據層為了實現數據的不可篡改，通過引入以區塊為單位的有序鏈狀數據塊結構。每個區塊由區塊頭和區塊體組成，區塊中利用Merkle樹結構的特性以及時間戳和區塊之間的聯系，確保每個區塊是按時間順序相連且數據不易被篡改，一旦篡改，也能快速定位，為追溯系統數據的可靠性和可信度提供了保證[36]。網絡層在構建的P2P網絡中加入驗證機制和消息傳播協議等要素，為網絡中的每個節點驗證。共識層通過封裝PoW、PoS、DPoS等共識機制可以高效對區塊數據達成共識，保證網絡中的各節點分布式記賬的一致性。激勵層為激勵參與者不斷提供算力，通過設計分配機制和發行機制對參與者按照貢獻來進行獎勵。合約層里封裝著區塊鏈系統所需的各類腳本代碼、算法以及智能合約，是系統應用實現的基礎。應用層能夠將區塊鏈技術的去中心化、不可篡改、可追溯等特點廣泛應用到各個領域中。

3 區塊鏈+物聯網

3.1 基于區塊鏈+物聯網框架的研究

近年來，食品安全引起了學術界和商業界的極大關注。隨著互聯網技術的快速發展，許多新興技術都被應用到可追溯系統中，例如區塊鏈技術因其具有去中心化的特點被應用到農產品溯源系統，來實現追溯過程去中心化。與傳統技術實現的農產品追溯系統相比，采用區塊鏈技術實現的去中心化追溯系統在前端沒有區別，都是依靠網絡，借助射頻裝置、物品指紋及識別裝置、各類應用傳感器和信息采集終端等完成各類數據采集，二者的區別在于后端[37]。傳統的關系數據庫管理系統、NoSQL數據庫管理系統都是由單一機構進行管理和維護，單一機構對所有數據擁有絕對的控制權，其他機構無法完整了解數據更新過程，因而無法完全信任數據庫中的數據[38]。區塊鏈技術與物聯網相結合，可以提供更高的透明度和高效的供應鏈。針對適用于物聯網的區塊鏈架構，學者們提出了許多研究方案。例如，Novo基于區塊鏈技術實現了一個通用的、可擴展的、易于管理的物聯網分布式訪問控制系統架構，使用區塊鏈儲存并分發訪問控制信息，該系統由管理中心節點將多個約束網絡同時連接至區塊鏈網絡，解決了物聯網中數十億受限設備的訪問擴展問題，有效的提高處理負載的能力[39]。Li等提出了一種基于區塊鏈技術的多層安全物聯網絡模型，通過將物聯網劃分為多級去中心網絡，并在網絡的各個層次采用區塊鏈技術，降低了區塊鏈實際部署的難度，同時保留了區塊鏈的高安全性和可信度[40]。Liu等提出一種輕量級的區塊鏈架構，適用于功耗受限的工業物聯網場景，可以有效地平衡區塊鏈資源消耗巨大與工業物聯網設備性能受限[41]。Mondal等基于區塊鏈技術構建透明的食品供應鏈物聯網架構，該架構基于對象證明的認證協議，通過在物理層集成基于射頻識別的傳感器和在網絡層集成區塊鏈來實現當食品包裝在供應鏈中的不同零售商、物流或者存儲階段被掃描時，實時記錄傳感器數據在區塊鏈中被更新，提供防篡改的數字歷史，任何消費者都可以查看公共分類賬，有助于更新保質期，實現有針對性的召回，并提高知名度[42]。區塊鏈物聯網的基礎架構大致分為四層：感知層、公鏈層、合約層、應用層。其架構如圖1所示。感知層上收集到的數據在公鏈層傳輸，一旦上鏈，數據不可篡改，并通過P2P網絡的形式實現信息傳輸。在合約層上，通過智能合約的運行實現系統的運轉[43]。區塊鏈技術用于存儲數據和信息，這些數據和信息是各種行為者和利益相關者在農產品生產的整個增值過程（從種植到銷售）中產生的，它確保數據和信息對相關參與者和利益者都是透明的。

3.2 區塊鏈+物聯網在農產品溯源中的應用

目前國內外學者、機構將區塊鏈應用于農產品溯源中，在農產品供應鏈、農產品運輸、數據管理、智能農業等方面取得重大突破。

經過大量的研究表明，基于區塊鏈和物聯網的農產品溯源系統可以在一定程度上提高工作效率，降低物流成本。表3列舉了通過引入區塊鏈技術開發農產品應用平臺所取得的效果。

圖1 物聯網架構模型Fig.1 Architecture model of Internet of Things

傳統的供應鏈是集中的，依賴與第三方進行交易，這些中心化系統缺乏透明度、問責制和可審計性。Leng等基于區塊鏈提出雙鏈結構的農業供應鏈管理框架，通過區塊鏈技術來改善供應鏈質量管理[52]。Karumanchi等利用區塊鏈在云環境中開發了一個新的供應鏈框架，將供應鏈管理和區塊鏈相結合，以此消除了中介的參與和與安全相關的問題[53]。Tian基于HACCP（危害分析與關鍵控制點）、區塊鏈和物聯網構建一個食品供應鏈可追溯系統，為所有供應鏈成員提供一個開放、透明、中立、可靠和安全的信息平臺，用于食品供應鏈的監控和追溯[54]。Tsang等為食品供應鏈決策提供支持，提出了一種集成區塊鏈、物聯網技術和模糊邏輯的食品可追溯系統（BIFTS）[55]。同時基于追溯系統（寬度、深度、精度）和區塊鏈（分布式、驗證和不可變）中必須考慮的方面，Hayati等通過使用四個區塊鏈系統抽象層進行Food-Trail區塊鏈設計，記錄并跟蹤供應鏈中食品的轉移和轉化，通過將所有數據分發到所涉及供應鏈的每個成員，從而允許集成系統在沒有第三方參與的情況下運行[56]。

在農產品運輸等物聯網場景下，傳感器是重要的組成部分，物聯網的正常運行依賴于大量傳感器數據的傳輸，而區塊鏈與傳感器技術相結合可以實現傳感器數據的存證和溯源，是提高物聯網去中心化信任和安全的有效手段。Tian提出了一種基于射頻識別技術和區塊鏈技術的農產品價值鏈追溯系統，幫助中國農產品在物流過程中提高食品安全質量。該系統涵蓋了農產品供應鏈各環節的數據采集和信息管理的全過程，實現了農產品“從農場到餐桌”的質量安全監控、追溯和管理。在系統中，射頻識別技術用于獲取和共享農業食品價值鏈中的數據，區塊鏈技術用于保證在該可追溯系統中共享和發布的數據是可靠和真實的[57]。Lv等為解決餐飲安全追溯問題，基于區塊鏈設計開發了餐飲安全追溯系統，通過Web應用程序和混合APP，用戶可以管理和查詢跟蹤信息[58]。然而，一些研究人員認為，射頻識別技術和基于區塊鏈的可追溯系統在解決假冒問題上存在一些缺陷。例如，通過克隆射頻識別標簽，可導致假冒零件在農業食品價值鏈中流通[59]。為了克服射頻識別的缺點，Boehm等提出了一種使用區塊鏈技術結合近場通信（NFC）和驗證用戶更新的可追溯系統。如果用戶想要更新區塊鏈的產品歷史，他們必須提供有效的用戶證書。因此，產品的各種變化可以被報告，同時其他成員的能力可以被限制，從而可以實現具有更高透明度和安全性的整體跟蹤[60]。

針對保障溯源數據的可靠性問題，Li等提出一種基于聯盟鏈的物流信息溯源模型，利用信息匹配機制和MCPBFT算法，可以防止物流信息在上傳之前被篡改以及提高共識效率和物流更新速度[61]。Ramachandran等利用區塊鏈開發了一個自動驗證出處記錄的管理框架，以促進值得信賴的數據收集、核實和管理，可以有效安全地捕獲和驗證數據來源，并防止對捕獲的數據進行任何惡意修改[62]。Shahid等利用在以太坊網絡上部署區塊鏈和智能合約的關鍵功能，所有交易均寫入區塊鏈，最終將數據上傳到行星際存儲系統，并引入了交易和交付機制，以允許在農業食品供應鏈實體之間進行安全交易，用于從源頭到最終消費者的數字化農業食品跟蹤[63]。

基于物聯網和區塊鏈技術的聯合應用，不少學者提出并實現了許多智能農業模式。例如，Patil等提出“智能溫室農場的輕量級區塊鏈架構”，在溫室中，物聯網傳感器充當由所有者集中管理的私人本地區塊鏈[64]。Lin等提出了一個基于區塊鏈和物聯網的通用智能農業框架。該系統涉及智能農業生態系統的所有參與者，即使他們可能彼此不信任。使用物聯網設備來盡可能多地取代手動記錄和驗證，從而可以有效減少對系統的人為干預[65]。Lin等提出基于區塊鏈的食品安全可追溯系統，該系統與物聯網設備無縫鏈接，可防止數據篡改和敏感信息泄露，本系統在以太坊基礎上實現了可追溯性，便于提供生產和消費的數字數據[66]。

為實現食品端到端的追溯，Madumidha等提出一種基于區塊鏈技術完全去中心化的“提供者-消費者網絡”，提高客戶滿意度和點對點生產力，從而使生產商到消費者都滿意[67]。Hyperledger Fabric即超級賬本是一種基于模塊化的分布式賬本解決方案平臺，是一種權限區塊鏈的底層基礎框架，具有便捷擴展以及可插拔的優勢，適用于企業級之間[68]。與其他的公有鏈相比，Hyperledger Fabric的不同點主要體現在私有和許可兩個方面，所有參與系統中的節點都必須是被許可的，其組織中的成員可以通過Membership Services即成員服務來注冊以確保平臺訪問的安全性[69]。Zhang等基于Hyperledger Fabric框架開發商品可追溯系統平臺，該平臺支持農民、運營商和消費者。農民可以記錄農場活動，消費者可以在購買商品之前查看產品歷史記錄，并跟蹤承運人的運輸直到交貨，集成的物聯網（IOT）記錄農業環境，并評估種植期間的農場質量[70]。

表3 基于不同區塊鏈平臺的農產品應用Table 3 Agricultural products applications based on different blockchain platforms

4 區塊鏈與物聯網融合的優點

最近，區塊鏈技術已與物聯網、云計算和云存儲等集成在一起，借助于新一代信息技術，農產品質量安全追溯系統的各個環節實現改進。基于區塊鏈和物聯網的架構融合成為區塊鏈應用中契合度高和最有用的框架之一。

（1）可靠性

物聯網設備的計算能力和存儲能力較弱，很容易被惡意用戶攻擊，單純的物聯網設備無法作為一個安全的決策實體，需要一個可信的第三方機構來提供存儲能力和計算能力[71]。由于區塊鏈本身具有不可篡改性和隱私保護性，且可以在假定參與者都不是可信的情況下，在技術層面迫使所有參與者遵守誠信，可以為訪問控制提供一個可信的環境[72]。基于區塊鏈的物聯網技術不僅可以借助共識機制來實現對物聯網設備的分布式管理，同時可以依靠智能合約技術對相關感知信息進行自動處理[73]。

（2）安全性

物聯網節點由各種傳感器構成，數據的集中存儲和管理給物聯網的隱私保護增加了難度，對系統安全的檢測能力較低。傳統的數據庫處理的是離散數據，物聯網中處理的是實時、連續的流式數據，一旦被攻擊，所有流式數據都會被竊取[73]。區塊鏈采用去中心化的分布式存儲方式，使數據分布在各個網絡節點，并運用密碼學技術對數據進行加密，使得物聯網智能交易更具匿名性，有效地保護用戶的隱私信息不受侵害，且區塊鏈與傳感器技術相結合可以實現傳感器數據的存證和溯源，是提高物聯網去中心化信任和安全的有效手段。劉耀宗等提出一種基于區塊鏈技術的RFID大數據溯源安全模型，建立RFID數據溯源全程鏈式路徑，構建多方參與且信息透明、真實可靠的溯源鏈，在很大程度上確保農產品供應的安全[74]。

（3）透明性

區塊鏈以P2P網絡、時間戳、非對稱加密、智能合約和數據庫等五大技術作為支撐，使其具有去中心化、可追溯性、集體維護性、不可篡改性、匿名性等主要優勢，保障了鏈上數據透明性[75]。

（4）開放性

農產品生產銷售體系涉及主體眾多，借助傳感器實時監控資源消耗大，在數據存儲方面存在挑戰。區塊鏈是一個去中心化、分布式連接的對等網絡，節點之間完全平等，利用這個特性可解決物聯網中海量數據匯聚到單一的控制中心集中存儲的問題，從而在一定程度上緩解存儲壓力。

5 區塊鏈與物聯網融合的不足

（1）可擴展性與效率問題

隨著物聯網設備數量、數據傳輸量及數據計算量的快速增加，系統對傳輸帶寬、計算和響應速度的要求越來越高。區塊鏈交易速率由于受到區塊產生時間、區塊大小及工作量證明機制等因素限制無法與目前系統高效率同步。交易吞吐量和延遲是區塊鏈性能提升的瓶頸。為提高交易處理能力，緩解由交易量和數據量劇增帶來的壓力，提高系統共識機制效率及將區塊鏈節點存儲數據由全量轉化到部分將是今后研究重點。

（2）監管問題

區塊鏈技術是新近發展的高新技術，其相關的監管和審查機制并不到位，且區塊鏈技術的主要特點之一是去中心化。由于共識機制自動達成共識與目前中心化的管理體系存在一定的矛盾，導致有些不法分子利用區塊鏈進行違法行為，給用戶的隱私或者財產造成威脅。為實現可信的價值傳輸，達到真正的共享經濟，制定一系列的法律法規和規章制度也是迫在眉睫。

（3）成本問題

區塊鏈與物聯網結合，是一種組合集成的新興框架，但是技術開發難度大，且區塊鏈的技術和應用均不成熟，導致投入成本高。例如，區塊鏈單個節點獨自升級成本高以及設備廠商對各自物聯網芯片和終端設備集中化管理難度大[36]。

（4）存儲容量和性能

在物聯網中，終端設備可以實時生成千兆字節的數據，然而當前區塊鏈系統的交易吞吐量受限，每秒只能處理幾個事務，不能支持高并發的物聯網系統，且區塊鏈網絡中的全節點存儲整個鏈數據。隨著規模的增長，節點寫入的信息會無限增大，帶來的信息存儲、容量問題會造成系統低吞吐量和高延遲。此外，過長的鏈對性能會有負面影響，例如，它會增加新用戶的同步時間，導致區塊的通信傳輸面臨高延遲的風險。

（5）安全問題

物聯網中的傳感節點通常需要部署在無人值守、不可控制的環境中，除了受到一般無線網絡所面臨的拒絕服務等問題外，還面臨傳感節點容易被攻擊者獲取，通過物理手段獲取存儲在節點中所有信息的危險[76]。為保證少數設備發生故障或者被惡意控制時仍然保持可操作性，基于區塊鏈的物聯網技術需具有較強的容錯性，對數以億計的物聯網設備進行安全審計和驗證，為源頭數據提供真實可信的安全保障，提升系統抵御攻擊的能力，增強系統生態安全性。于此同時，區塊鏈自身也存在安全威脅。當節點通過掌握全網超過51%的算力就有能力成功篡改和偽造區塊鏈上的數據，即51%攻擊問題，因此更為安全有效的共識機制需深入研究和設計。

（6）資源浪費問題

在區塊鏈領域，數據在進行全網廣播、存儲和校驗時需要消耗很大的網絡帶寬、存儲和算力資源。但目前區塊鏈技術中大多使用系統吞吐量較低的共識算法，不能滿足物聯網設備高并發的數據特征，并且物聯網節點處理計算數據的能力偏低，無法提供足夠的算力進行挖礦[77]。因此需研究設計共識機制，來完善共識算法，進而減少資源消耗過大[78]；另一方面是對比特幣、以太坊而言，每年挖礦消耗的電量遠遠超過全球一些小國家的用電量，因此需要發展綠色環保的區塊鏈技術。物聯網領域中，數據傳輸差、功耗、延遲性高等問題依賴5G技術的發展將進一步改善[72]。

6 農產品溯源體系建設

我國農產品質量追溯體系處于建設中，從外部看，政策、法規等有待完善，政府各部門間協同制度有待補充，企業間之間合作有待加強，民眾對溯源體系的信任有待建立。從內部看，企業的參與熱情低、溯源系統的利用率不高。

（1）政府、行業協會

我國目前的追溯體系雜亂無章，政府、行業協會等發布一系列法律法規、行業標準等，但都缺少協調、兼容互通性及強制性。相關的法律法規需要建立，農產品追溯制度與追溯監管制度需同步建立。此外，政府可建立績效評價體系與獎懲機制，以提高農業個體戶和企業參與的積極性，對已經實施或者有意向實施追溯體系的農業個體戶或者企業給予相應的激勵。

（2）監管機構

參與食品安全監管的部門眾多，例如農業部、商務部、衛生部、國家食品藥品監督管理局等，彼此間協調差，追溯信息不共享，易出現信息孤島和工作不連續等問題。因此需要建立溯源平臺，進行統一管理、協同辦公。

（3）企業、消費者

我國消費者對可追溯性的正確認知程度較低，一方面由于中國的實際國情造成企業、消費者參與意愿不高；另一方面，企業實施追溯門檻較高，追溯投入成本高，追溯信息的價值有限，這在一定程度上阻礙了階段性試點與推廣的進行。因此需要以政府、媒體為主，企業為輔的認知宣傳，提高農業個體戶與企業參與追溯體系建設的積極性。

7 總結與展望

隨著物聯網設備數量呈爆炸式增長，區塊鏈技術日益進步的情況下，物聯網與區塊鏈技術的結合已成為目前研究的熱點。在物聯網生態環境下，區塊鏈提供一個分布式去中心化信任平臺，用以解決物聯網存在的安全、信任、隱私等問題，賦予了物聯網數據去中心化、可追溯、不可篡改等新特性。將區塊鏈技術應用到農產品質量追溯系統中，使供應鏈透明化，增加參與者之間的信任，實現對農產品生產全過程的追溯，保障公眾消費和食品安全。

區塊鏈和物聯網相結合帶來機遇的同時也面臨挑戰，未來區塊鏈和物聯網技術在農業領域的溯源應用研究可以從以下幾個方面開展：

（1）保證區塊鏈交易速度與農業中需要處理的海量數據相匹配。農業物聯網中的傳感器在整個供應鏈過程中采集大量的數據導致區塊鏈中的各節點主體存儲的數據越來越多，加大了存儲和計算的負擔。隨著節點越來越多的加入，交易量越來越大，新的用戶加入后需對已有的區塊信息進行同步，且只有在同步完成后才可以進行任務。由于區塊鏈本身處理交易速度慢，導致在實際的大規模使用中的實用性降低。

（2）保障物聯網上鏈數據的可靠性。區塊鏈可以保證鏈中的數據是不可變的，但是如何確保數據上鏈前數據的真實性是今后研究的重點。

（3）優化區塊鏈與物聯網融合框架，提高其可擴展性和靈活性。數據的異構性是物聯網面臨的核心問題，區塊鏈技術可以解決物聯網中的許多問題，但區塊鏈本身不是專門為物聯網所設計的，怎樣將區塊鏈技術與物聯網高效安全的結合是值得研究的問題。