基于區塊鏈的多鏈金銀花溯源系統研究與設計＊

袁鑫

（湖南商務職業技術學院，湖南 長沙 410006）

0 引言

金銀花具有清熱解毒與消炎退腫等功效，主要在飲料、花茶、中成花、中藥飲片等產品中使用。受疫情影響，作為中藥防疫用藥的金銀花的社會消費量激增，根據天地云圖中藥產業大數據平臺估算的數據，2021 年國內金銀花產量達到1.61 萬t，與2020年相比增長7.33%；按照2021 年金銀花的年度均價計算，國內金銀花市場規模約為18.75 億元，預計未來市場規模會有所縮小，但作為飲料與花茶的市場規模將持續增長。然而，市場近年來出現了以次充好、硫黃熏制的劣質金銀花，主要是部分企業或農戶貼牌、以次充好等行為擾亂了市場秩序［1］。因銷售渠道復雜，導致相關部門很難做到全面監控與管理，嚴重影響了特色農產品金銀花的市場競爭力與產品信譽度［2］。

隆回縣是湖南省典型的農業大縣，位于北緯27°，具有四季分明、雨水充足、含硒量高等優越的地理條件，是種植金銀花的適宜地區之一。在鄉村振興戰略的指導下，“一縣一特”金銀花產業鏈已經初步建成，隆回縣成為中國生產規模最大的原生態種植區，金銀花產業也形成以政府、企業、基地、合作社與用戶共同種植經營的良好局面，正在逐步推行一些新的農業合作模式，如“公司+農戶”“基地+農戶”“合作社+農戶”［3］。這些模式推動了不同的農業主體與農戶進行合作，共同發展農業產業，通過這些合作模式，農戶可以獲得更多的支持和資源，提高農業生產效益。同時，有助于促進農業產業的協調發展，實現農村經濟的可持續發展。將優質金銀花產業鏈做大做強，需要更穩定的消費信譽，因此開發一套適合隆回縣金銀花的農產品溯源系統就顯得尤為重要。通過對前人的文獻資料進行整理與分析，本文發現目前對于區塊鏈技術如何具體應用到特色農產品供應鏈及其關鍵控制環節的研究較少，缺乏區塊鏈環境下特色農產品電子追溯系統開發的深入研究，特別是針對金銀花的農產品溯源系統研究還是空白。本文研究應用區塊鏈技術對金銀花的種植、加工、運輸、倉儲到銷售的全過程進行監管，使產品信息全過程透明化，提高消費者對所購買產品質量安全的信任度，促進市場的良性發展。

1 金銀花溯源系統中的關鍵技術

金銀花質量安全溯源系統包括正向追蹤與逆向溯源，正向追蹤是消費者可以對金銀花從種植、加工、運輸倉儲到銷售過程中的信息進行正向的追蹤；逆向溯源是消費者通過采購到的產品相關信息，查詢金銀花從供應鏈的下游到上游的全過程中的所有質量安全信息。目前，在金銀花質量安全溯源系統中，常用的關鍵技術有物聯網、無線傳感、區塊鏈等。

1.1 物聯網技術

物聯網是一種集成無線射頻識別、全球定位系統、紅外感應器等信息傳感設備的系統。按照某種特定的需求與流程，實現信息的采集、傳輸、存儲、交換和共享。視頻監控技術和無線射頻識別技術（RFID）是物聯網中至關重要的技術，視頻監控技術可以通過攝像頭和傳感器實時監測和記錄環境中的動態信息，可用于安全監控、行為分析和智能決策等，無線射頻識別技術利用無線電波實現對物體的識別和追蹤，可以用于物品的管理、追蹤和定位等。這兩種技術在物聯網中扮演著重要角色，為實現智能化、自動化和精細化管理提供了基礎。金銀花從種植到銷售的各個環節，在每一個重要的節點設置視頻監控，記錄各環節的重要信息，如消費者最關心的加工過程，視頻實時記錄加工環境、人員、技術工藝等信息，讓監管部門、企業和消費者能夠隨時跟蹤到相關信息，最大限度地保障了金銀花加工的質量安全。

1.2 無線傳感技術

雖然金銀花的種植對土壤質量要求不高，但pH值在5.50～7.80 范圍內的土壤更有利于金銀花的健康生長，所以可以通過無線土壤pH 傳感器實時檢測土壤pH 值的變化，通過無線土壤水分傳感器檢測土壤濕度的變化。通常，加工金銀花有曬干和烘干2 種主要方式。其中，烤房烘干的方式，要經歷多次調溫，初烘時溫度控制在30～35 ℃，烘2 h 后溫度升至40 ℃左右，烘5～10 h，溫度要達到45～50 ℃，最后將溫度升至55～60 ℃，使金銀花迅速干透。因此，在金銀花加工車間安裝無線溫度傳感器實時探測烤房的溫度，能確保加工過程的有序進行，使金銀花達到干燥標準。

1.3 區塊鏈技術

相對使用傳統的標簽技術、無線傳感器、RFID等方式記錄溯源信息，采用區塊鏈技術的金銀花溯源系統透明性和安全性更高，主要利用區塊鏈的去中心化、不可篡改、開放性、信任機制、可追溯等技術特性，讓各環節真正透明、安全與可追溯。依據不同的應用場景與工作方式，區塊鏈一般分為公共鏈、私有鏈與聯盟鏈。公共鏈是完全中心化的，任何人都可以隨時進入系統讀取數據，因為訪問量大，所以數據處理速度不高；私有鏈由某個企業或者機構進行管理，不對外開放，雖然運行速度高，但是不適合溯源系統開放的需求；聯盟鏈介于公共鏈與私有鏈之間，多個有權限的機構可以進入系統進行管理，具有多中心化的特點。

2 基于區塊鏈的多鏈溯源系統設計

2.1 金銀花供應鏈業務流程分析

金銀花供應鏈包括種植、加工、運輸、倉儲、銷售等環節，傳統的金銀花追溯系統通過掃描商品包裝外的二維碼，可以顯示產品名稱、產品位置、產品規格等部分信息，但無法追溯供應鏈各環節的動態信息，如生產車間、運輸環境的溫度、濕度等。基于區塊鏈與物聯網的溯源系統可以有效改善這一問題。

金銀花供應鏈從金銀花種植開始，種植企業在該環節中利用無線土壤pH 傳感器與無線土壤水分傳感器選擇并實時監測土壤的pH 值與濕度值，然后選擇肥沃的土壤對金銀花進行合理密植，在此環節中要記錄肥料批次、種植產品批次、種植日志及檢驗信息等。

金銀花采收后進入加工環節，這是保證金銀花質量安全的關鍵環節。在此環節要記錄加工產品批次、加工日志及檢驗信息等，加工過程操作是否規范、加工工藝和包裝工藝等都會影響產品的質量安全。不同規格的產品要根據劃分的標準進行加工處理，一般采用曬干和烘干兩種方式加工，通過“三無”檢測環節，完成無硫黃、無硝酸鹽、無重金屬殘留等符合標準的產品生產，使用符合標準的包裝材料將其包裝成商品，并附上溯源防偽二維碼。

金銀花在運輸、倉儲與銷售環節中要注意環境的溫度、濕度等，以及是否具有通風、除塵、消防、防蟲與防鼠害等設施，并應利用無線溫度傳感器對溫度進行實時監測。在金銀花溯源系統中，要對運輸企業、運輸時間、運輸車輛等信息進行采集。

顧客購買金銀花產品后，可以通過掃描產品包裝上的溯源防偽二維碼追溯產品的來源和真偽。若銷售中出現質量安全問題，銷售企業與消費者可以雙向追溯，及時召回問題產品，并將問題提交至上層環節。

2.2 多鏈溯源系統信息與存儲設計

金銀花溯源系統采用Hyperledger Fabric 聯盟鏈進行設計與開發［4］。通過物聯網設備自動采集每個環節上的數據信息，通過區塊鏈技術進行存儲并加密。Hyperledger Fabric 是一個具備創建多通道能力的區塊鏈框架，它允許用戶在網絡上創建多個獨立的通道，并為每個通道創建獨立的交易賬本，這意味著不同的參與方可以在不同的通道上進行交易，而這些交易將被記錄在各自的賬本中。這種設計使得Hyperledger Fabric更加靈活，因為不同的業務網絡可以獨立地管理和維護自己的交易數據，不會相互干擾。同時，每個通道的參與方也可以更加精確地控制訪問和參與該通道的交易活動的權限，這為企業和組織提供更高的隱私和安全性。總之，Hyperledger Fabric 的多通道功能為區塊鏈應用的部署和管理提供了更高的靈活性和定制性，并且為不同的溯源主體設置不同的權限，利用跨鏈技術實現各條主條鏈之間的數據共享，有效地滿足網絡速率、隱私保護、權限共享、可信溯源等功能需求。

從以往的研究文獻中可知，單鏈結構的溯源系統存在存儲負荷重、并行能力弱等缺點，于是在金銀花溯源系統中引入多鏈結構。在金銀花供應鏈環節中，需要提供4 個不同溯源服務的主體，分別為生產企業、上下游企業、監管機構與消費者，結合供應鏈中的種植、加工、運輸、倉儲、銷售5個環節，共同構成溯源系統的存儲數據庫。針對不同溯源主體的溯源需求，設計多鏈溯源存儲架構模型（如圖1 所示），其中隱私鏈只對生產企業開放，主要記錄具有企業核心且不能公開的數據信息；共享鏈對上下游企業開放，主要實現與上下游企業的信息對接與共享；監管鏈對企業監管部門或監管機構開放，主要向企業提供各環節的資質與檢測報告，一旦遇到風險或者不合格的指標參數，監管機構會第一時間反饋給企業，督促企業整改，為企業的規范性操作嚴格把關；溯源鏈面向消費者和上下游企業開放，消費者通過掃描二維碼可以直接查看購買的產品各環節的相關信息，解決了消費者與產品生產者之間信息不對稱的難題［5］。

圖1 多鏈溯源存儲架構模型

不同環節的數據由不同主體采集與管理。表1為金銀花溯源系統多鏈信息表。在種植、加工、倉儲、運輸與銷售等環節，由金銀花供應鏈上各主體提交數據。每個環節有獨立的數據庫與數據表，根據溯源主體設置數據表的訪問與管理權限。金銀花溯源系統采用Mysql 數據庫與RocksDB 數據庫，Mysql 數據庫負責處理結構化數據，RocksDB數據庫負責處理非結構化數據，它們在處理大量數據時，性能出色且安全可靠。結合系統需求，主要的數據表有企業信息表（編號、企業名稱、企業類型、企業簡介、企業資質等），其中企業類型包括種植企業、加工企業、倉儲企業、運輸企業與銷售企業5 種；管理員信息表（管理員編號、管理員類型、管理員姓名等），其中管理員類型包括超級系統管理員、本企業管理員及上下游企業管理員、監管機構管理員4種；產品信息表（產品編號、產品名稱、產品品種等）；種植信息表（種植企業、種植品種、種植數量、種植環境等）；加工信息表（加工企業、加工規格、加工數量、加工環境等）；倉儲信息表（加工企業、倉儲位置、產品數量、入庫時間等）；運輸信息表（運輸企業、運輸時間、運輸工具、運輸環境等）；銷售信息表（銷售企業、銷售時間、銷售數量、銷售環境等），以上信息表保存了金銀花的基礎信息，通過設置不同數據表中的主鍵參數，實現各表之間的關聯，隨時實現多鏈不同環節的信息采集、共享、交換與管理。

表1 金銀花溯源系統多鏈信息表

2.3 多鏈溯源系統總體框架設計

在區塊鏈的6層架構的基礎上，結合金銀花供應鏈過程設計金銀花溯源系統總體框架（如圖2所示）。根據功能的不同劃分為數據采集層、存儲層、網絡層、合約層、接口層與應用層。

圖2 金銀花溯源系統總體框架

數據采集層通過視頻設備、傳感設備和物聯網采集設備采集鏈下供應鏈各環節的靜態和動態信息，確保上鏈數據的真實性，通過數據清洗、數據分析等一系列操作完成數據處理。

存儲層由數據庫、IPFS 文件系統協議和區塊鏈共同組成，其中本地數據庫用來存儲共享數據，企業被保護的隱私數據就存儲在本地數據庫；IPFS 文件系統中存儲通過Merkle（哈希樹）驗證數據內容的有效性與安全性，保障區塊數據的完整性；分布式賬本中每個節點都有與中心賬本相同的賬本副本，體現了數據的去中心化與透明化，以確保數據在每個環節不被篡改。

網絡層主要包括P2P（對等網絡）、POS（以太坊的權益證明）等共識機制與智能合約［7］。在共識機制下，每個節點在交易集達成共識后，按照順序驗證使用交易集中的每一筆交易，最終得到一個狀態樹根哈希，并結合區塊號與時間戳等構建區塊頭信息，根據每個節點對新區塊的投票結果判斷是否驗證通過［8］。

合約層中智能合約建立數字身份和進行身份驗證，在分布式物聯網設備管理時，實現智能設備之間的自動交互；在供應鏈管理時，實現各環節的自動化與透明化，確保信息的公正度、有效性與可追溯。

接口層提供多種協議的RPC（遠程過程調用）接口、SDK（軟件開發工具包）和交互式控制臺，實現區塊鏈鏈上、鏈下數據的查詢、上傳、共享、驗證、加密等功能。

應用層為實際使用的消費者、企業或機構提供服務，主要包括監管機構、消費者與供應鏈各環節企業等，用戶借助電腦或移動終端可以查詢自身權限范圍內的功能和服務。

3 結論

本文針對傳統單鏈溯源系統存儲負荷重、并行能力弱等問題，提出了多鏈溯源信息與存儲設計，基于物聯網實時采集與區塊鏈技術的金銀花溯源系統，確保數據安全可靠且不可被篡改，接口層具有可拓展性，在金銀花供應鏈各環節中采集并存儲數據信息，能追溯到相應環節的企業，及時召回有問題的產品。在設計完成后，下一步將進入系統應用階段，主要包括施工和運維的二次開發，確保金銀花產品在產業鏈全過程的質量安全。