基于區塊鏈技術的數字農業應用平臺

張勇 高安紅 陳紅波 張瑜軒 蘇仁忠

摘 要： 開展區塊鏈基礎軟件體系研究、農業產業鏈與區塊鏈映射模型研究，可解決農業產業鏈條長、生產經營分散、產供銷信息不暢通、市場價格數據分析難及成本提高等問題。結合DCEP 數字貨幣支付方式，建立農業產業鏈共享交換機制，打造跨部門、跨環節信息互聯互通的統一通道，與第三方區塊鏈平臺及業務管理系統進行對接，形成跨越生產方、物流方、渠道方、零售方、監管方、服務方及消費者等多方取得共識的農業產業信息集成應用。實現農業種植、養殖、加工、運輸和銷售等多環節全流程信息透明、安全、共享，打造農業行業生態，形成國家公鏈，推動農業數字資產提供有效支撐，促進農業專業化、精細化、智能化和產業化發展。

關鍵詞：數字農業；區塊鏈；產業鏈；農業物聯網

中圖分類號：S126文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）11-0037-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.006

0 引言

目前，農業產業鏈條長、生產經營分散是我國農業發展的主要特點，農產品供銷信息不暢通、市場價格數據分析難、運行成本高等，導致生產者和消費者之間沒有搭建互通的橋梁，供求信息無法共享，購銷價格相差較大。由此造成我國數字農業發展基礎薄弱、數據資源分散，實現農業數據有效整合的難度較大，數字農業發展面臨困境。

構建從種到銷全鏈條式一體化應用的數字化農業園區，實現從生產環境數據采集、種植管理、病蟲害監測、遠程可視和質量管控到物流運輸、產品銷售等環節數字化升級是發展數字農業的重要路徑。數字化農業園區的發展將為區塊鏈的健康、高效、穩定和安全運行應用提供基礎，全面應用區塊鏈技術，能夠實現整個產業鏈條的公開、透明，數字化農業園區建設有依據、有遵循。“區塊鏈農業園區”將成為未來區塊鏈在數字農業領域應用的主流模式。同時，鄉村治理是數字鄉村建設的重要內容，對實現區塊鏈和數字農業的融合發展有較大的促進作用。目前，鄉村治理、鄉村安全、人居環境和事項辦理等大多靠人工管理、人工填報、現場辦理，缺乏數字化元素的融入，制約了鄉村治理數字化的發展。長期以來，部分農村地區的材料管理、檔案管理、資料管理等數據信息均采用傳統紙質的方式存檔，缺乏長久保存的基礎和條件。隨著數字鄉村建設的不斷深入，數字化對農業生產、鄉村治理、鄉村生態和人居環境等工作的開展進行改變，逐步在生產生活中得到應用，逐步實現生產智能化、管理數據化、經營網絡化及服務在線化，黨建、村務管理、政務事項、農業生產管理及產品銷售等都能通過網絡實現。將區塊鏈技術應用于農業生產、農業經營、農業管理和農業服務中，能夠有效提升應用和管理水平，解決數字技術在鄉村生活、鄉村管理和鄉村民生中的應用，全面提高鄉村治理效能[1-2]。

1 研究思路

對數字農業建設應用存在的問題進行梳理，發現這些問題可以通過開展區塊鏈基礎軟件體系研究、農業產業鏈與區塊鏈的映射模型研究，突破區塊鏈共識與智能合約、多源異構數據集成融合、公鏈共識同態加密等關鍵技術。基于農業產業鏈協同實際需求，結合DCEP 數字貨幣支付方式，完成農業區塊鏈應用平臺研制，并在蔬菜、水果、茶葉等領域產銷一體的典型現代農業產業園區進行應用示范，建立農業產業鏈共享交換機制，打造跨部門、跨環節信息互聯互通的統一通道。與中農網區塊鏈服務平臺、惠農聯盟鏈等第三方區塊鏈平臺，以及農業智慧云倉、智慧農批等第三方業務管理系統進行對接，形成跨越生產方、物流方、渠道方、零售方、監管方、服務方及消費者等多方取得共識的農業產業信息集成應用。實現農業種植、養殖、加工、運輸和銷售等多環節全流程信息透明、安全、共享，打造農業行業生態，形成國家公鏈，推動農業數字資產提供有效支撐，促進農業專業化、精細化、智能化、產業化發展[3]。

2 平臺架構及內容

2.1 架構設計

農業區塊鏈應用平臺按照農業產業鏈管理體系標準，結合區塊鏈的分布式賬本、智能合約、混合共識、身份鑒權、受信任和防篡改等特點對現有系統資料進行集成融合，實現資源共享、數據共用，建立一套數據采集管理交換中臺，搭建農業全產業鏈管理服務應用平臺。同時按照統一編碼規則、統一采集指標、統一傳輸格式、統一接口規范和統一工作流程的思路，配套管理制度和技術標準，平臺支持產業鏈上下游管理系統、第三方聯盟鏈、私有鏈對接，實現獨立平行區塊鏈之間，以及與系統中心數據資源庫之間還可以相互鏈接，使得每個獨立平行區塊鏈中的每一個區塊節點都能方便高效地實現系統資源分享和數字資產共享行為的互操作，還能確保整個網絡系統的可延展性、安全性和去中心化等特質的穩定。同時，平臺形成業務聯匯集大數據，實現共享交換機制，打造跨鏈、跨部門、跨環節信息互聯互通的統一通道，實現數據在各個節點之間同步共享，透明安全。農業區塊鏈應用平臺整體架構分為 6 個層次、2 大體系。包含感知層、網絡通信層、邊緣數據支撐層、公有鏈支撐層、應用系統層和平臺開放對接層 6 個層次及安全保障體系、運維監管體系[4-7]。

（1）數據感知層。通過物聯網設備的感知應用，對生產環境、病蟲測報、土壤墑情、作物長勢、視頻圖像、設施分布和人員定位等進行感知采集。通過搭建的物聯網綜合管理平臺，實現對數據的智能感知，提升數據采集能力、設備控制能力及實時交互能力，做到數據感知的自動化、網絡化和精準化。

（2）網絡通信層。主要通過NB-IO、GPRS 等物聯網傳輸協議及SIP 多媒體通信協議，將采集的各類物聯數據自動傳輸到管理平臺，為系統提供大容量、高可靠和高并發的網絡聯接和數據傳輸服務。

（3）邊緣數據支撐層。在數據上鏈前進行數據整合處理，有效避免存在冗余數據、臟數據上鏈，保障鏈上數據的完整性、有效性。數據支撐層支持結構化、非結構化和半結構化等多源異構數據匯聚整合。在數據 ETL/清洗技術基礎上，結合物聯網元數據體系進行“按需清洗”與“按需整合”，建立全局數據語義網絡，方便數據表示和服務發現；同時，結合業務需求，將繁雜的物聯網大數據變成易于分析應用、有效、干凈、完備的“小”數據集，形成數據倉庫，促進物聯網數據再更便捷、更深層次地數據計算與應用。

（4）公有鏈支撐層。結合區塊鏈去中心化、點對點網絡、時間戳、不可篡改、共識機制及智能合約等技術，采用各業務環節作為節點接入公鏈，進行數據上傳，支撐上層業務應用。同時對多系統接入、多鏈接入提供技術平臺支撐。

（5）應用系統層。基于農業產業鏈行業實際業務需求，貼合業務流程拓展深度應用，提供智慧農業種植生產應用、農產品智慧供應鏈管理、農產品一體化營銷管理等諸多方面開展綜合應用。

（6）平臺開放對接層。平臺支持產業鏈上下游管理系統、第三方聯盟鏈、私有鏈對接進行信息共享及鏈間互操作。平臺支持多條獨立平行區塊鏈所組成的去中心化網絡鏈接，并且每個獨立平行區塊鏈之間，以及與系統中心數據資源庫之間還可以相互鏈接，使得每個獨立平行區塊鏈中的每一個區塊節點（peer）都能方便高效地實現系統資源分享和資產共享行為的互操作，還能確保整個網絡系統的可延展性、安全性和去中心化等特質的穩定，有助于建立農業產業生態。

2.2 研究內容

針對農業產業鏈安全共享、數據智能融合等應用，研究安全、可信、高效的區塊鏈分布式架構，包括區塊鏈底層平臺與上層業務系統之間的關系與鏈接、鏈式數據存儲結構、網絡拓撲及消息傳播機制、高效的共識算法、智能合約系統、虛擬化技術及密碼算法應用等核心關鍵共性技術，使得區塊鏈架構靈活、可擴展，為系統應用提供強有力的數據共享支撐。

通過對農業產業鏈各個參與主體單位及各階段業務環節的分析及數據整理，研究基于種植生產、產品加工、產銷對接和電子商務等業務流及數據，協同農產品物流、農業金融、農業監管等關鍵環節，建設針對農業產業鏈的全過程、全要素數據采集、數據上鏈、安全傳輸和綜合應用進行應用驗證。平臺利用現代電子技術、移動網絡通信技術、計算機及網絡技術相結合，將農作物生長最密切相關的空氣溫濕度、土壤墑情，以及農產品流通過程中的質量、交易過程等實時監控數據通過各種傳感器以總線網絡實時采集，并利用運營商網絡通信技術，將數據及時傳送到農業區塊鏈應用平臺。使設施農業管理人員、農產品供應鏈各業務節點工作人員和農業專家通過手機或手持終端就可以及時掌握農作物的生長環境、農產品生產加工及流通信息，確保及時采取控制措施，及時調度指揮，達到最大限度地提高農業產業鏈間各業務單位的信息流轉，從而實現降低運營成本，提高生產量，增加勞動效益[8]。

3 應用成效

鶴壁農墾農業發展有限公司運用區域鏈、大數據、云計算、物聯網和人工智能等先進信息技術，在大田種植和特色農產品種植得到了示范應用，建成了數字大田、數字菜園和數字菌園，打造從種植環境數據采集，到病蟲害自動監測、水肥一體智能控制、作物全生命周期管控、農產品質量安全檢測、測土配方施肥、全程質量追溯和合格證應用，并實現線上銷售的全過程、全鏈條、全環節的應用，加快數據信息匯總集成、共享共用和農業數字化改造升級，探索生產、管理和經營數字化發展新路徑。

目前，建成了集物聯網生態環境氣象自動監測應用、病蟲害自動監測應用、管式多層超聲土壤墑情在線監測、遠程生態監控系統、水肥一體化智能控制應用及農產品質量安全追溯等功能為一體的區塊鏈應用平臺，實現了特色種植區域大田作物生產過程、質量控制、數據感知和產品銷售等關鍵環節的信息技術集成應用，促進數字農業生產取得重要進展，提升信息技術應用能力，勞動生產率提高50% 以上，單位面積產量提升10% 以上，水、肥、藥等農業投入品使用降低10% 以上，取得顯著經濟社會效益[9-10]。

4 結束語

隨著區塊鏈、人工智能、大數據等新一代信息技術的快速發展，農業產業鏈的發展迎來了由傳統方式向信息技術方式轉型的機遇。區塊鏈技術擁有去中介、去信任、智能合約等諸多得天獨厚的優勢，為農業產業鏈發展提供信任機制、激勵機制、契約機制等，為優化農業產業鏈發展探索了一條全新的路徑。結合智慧農業工程建設，加快涉農數據整合，建設涉農數據資源庫，打破涉農“信息孤島”和“數據煙囪”，形成農業產業鏈全過程貫通。建立涉農數據分類目錄，建設統一的數據開放平臺，提升公眾對農業數據的使用效率，推動數據資源開放共享。積極探索涉農數據市場化運作，開展涉農數據產學研研究，挖掘好數據價值，加快推動農業農村數據資源資產化，激活政府涉農數據資源。同時，區塊鏈能夠在數據安全、信息安全等方面發揮積極的作用，保障數字化在農業中的健康快速發展。基于區塊鏈技術研發的數字農業核心功能和應用，是數字農業發展的一項重要內容，也是數字農業未來發展的必然方向。

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