基于區(qū)塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘要：獼猴桃是一種典型的呼吸躍變型水果，對環(huán)境敏感，冷鏈運輸過程中溫濕度等的變化均會導致獼猴桃的品質劣變，嚴重影響獼猴桃的商品價值。文章提出了一種基于區(qū)塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用區(qū)塊鏈去中心化和不可篡改的特點，結合IoT技術，對獼猴桃冷鏈運輸?shù)沫h(huán)境進行檢測，通過無線通信方式上傳至區(qū)塊鏈，將數(shù)據(jù)加權平均處理之后與獼猴桃冷鏈運輸?shù)倪m宜環(huán)境閾值進行比較，對超過閾值的環(huán)境參數(shù)，開啟相關設備進行自動調整至適宜環(huán)境，并對狀態(tài)異常的獼猴桃及時發(fā)出警報，從而減少運輸過程中獼猴桃的變質損耗，提高運輸過程中溫濕度等關鍵信息的透明度。

關鍵詞：獼猴桃；冷鏈運輸；區(qū)塊鏈；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP39" 文獻標志碼：A

作者簡介：朱文鑫（2002— ），女，本科生；研究方向：物流工程。

0" 引言

國家標準《物流術語》（GB/T 18354—2021）對冷鏈物流的定義為：根據(jù)物品特性，為保持其品質而采用的從生產(chǎn)到消費的過程中始終處于低溫狀態(tài)的物流網(wǎng)絡。我國的獼猴桃產(chǎn)量和種植面積均居世界第一位，但是我國獼猴桃種植產(chǎn)業(yè)結構上呈現(xiàn)出供需兩端在地域上不匹配的現(xiàn)象［1］，因此衍生出了獼猴桃冷鏈運輸這個獼猴桃產(chǎn)業(yè)鏈上重要的一環(huán)。獼猴桃冷鏈運輸是連接獼猴桃種植戶、加工流通、銷售市場、消費者等各個環(huán)節(jié)的有力橋梁［2］。

但是，獼猴桃屬于不耐藏類型的農(nóng)產(chǎn)品，在儲藏、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)極易因為外部溫濕度等環(huán)境參數(shù)變化而發(fā)軟［3］，從而導致運輸過程中存在大量損耗，增加了流通成本。因此，獼猴桃“賣難買貴”現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴重影響了獼猴桃的流通［4］，不利于獼猴桃產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，如何有效地監(jiān)控獼猴桃運輸過程中所處的環(huán)境，已成為以獼猴桃為代表的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中研究的熱點問題。

近年來，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等信息技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用，“互聯(lián)網(wǎng)+”與各行各業(yè)深度融合。2024年中央一號文件中提出持續(xù)實施數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展行動，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，促進信息技術與鄉(xiāng)村的融合。針對獼猴桃冷鏈運輸環(huán)境變化引起獼猴桃變質的問題，國內(nèi)外學者利用區(qū)塊鏈技術在環(huán)境監(jiān)測方面進行了相關研究。雙海軍等［5］通過分析區(qū)塊鏈技術的特點和在農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中的應用，得出區(qū)塊鏈技術能有效幫助農(nóng)產(chǎn)品供應鏈實現(xiàn)冷鏈物流全鏈條溫度可控、過程可視。張學軍等［6］將STM32微控制器、物聯(lián)網(wǎng)傳感器與區(qū)塊鏈結合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)可信溯源，提升了運輸環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。吳文斗等［7］將區(qū)塊鏈技術與物聯(lián)網(wǎng)技術進行深度融合，使用百度開源區(qū)塊鏈Xuperchain構建數(shù)據(jù)安全鏈，實現(xiàn)所有監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上鏈，保證數(shù)據(jù)的真實性、可靠性和不可篡改性。

但是，目前在獼猴桃冷鏈運輸領域區(qū)塊鏈主要用于實現(xiàn)運輸環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和可溯源性，對獼猴桃運輸過程中環(huán)境參數(shù)的調節(jié)，依然主要依靠監(jiān)控系統(tǒng)報警后，司機或相關管理人員的控制調節(jié)，缺乏一定的及時性，不利于獼猴桃所處環(huán)境適宜性的保障。因此，本文在先前研究的基礎上提出了基于區(qū)塊鏈技術獲取獼猴桃運輸過程中環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)據(jù)，并通過IOT控制相關設備來實現(xiàn)運輸環(huán)境的自動調控，從而保障運輸過程中環(huán)境的適宜穩(wěn)定，減少獼猴桃運輸過程中的損耗，為獼猴桃運輸管理智能化決策提供參考。

1" 獼猴桃運輸環(huán)境影響因子分析

獼猴桃屬于呼吸躍變型水果，對運輸過程中所處的環(huán)境極其敏感，運輸過程中溫濕度等的變化都會影響獼猴桃的品質。對于獼猴桃運輸環(huán)境的影響因子，國內(nèi)外學者進行了以下研究。張翼釗［8］研究發(fā)現(xiàn)，溫度波動會引起獼猴桃的呼吸強度和乙烯等氣體的變化，從而影響獼猴桃的品質和營養(yǎng)價值。田津津等［9］對新采摘的新鮮獼猴桃進行16天的連續(xù)測量，發(fā)現(xiàn)在貯藏溫度為0℃時，溫度波動為3℃的獼猴桃硬度變化是溫度波動為0℃的1.94倍，是溫度波動為1.5℃的1.27倍。謝丹丹［10］通過在獼猴桃僅受運輸振動脅迫條件下，比較不同成熟度、振動強度及振動時間對獼猴桃品質的影響，發(fā)現(xiàn)獼猴桃成熟度越高、振動強度越大、振動時間越長，獼猴桃品質劣變的速度越快。唐曉東等［11］通過研究不同冷藏溫濕度對果實品質的影響，發(fā)現(xiàn)“秦紅”獼猴桃的最佳冷藏溫濕度條件為冷藏溫度2℃、冷藏時間35 d、冷藏濕度85%。Xu等［12］研究發(fā)現(xiàn)了冷鏈運輸?shù)臏囟缺３衷?℃時，能夠較好地保證獼猴桃的品質，并且運輸時間的長短會影響獼猴桃的半透明程度。

綜上所述，考慮到冷鏈運輸車輛的環(huán)境限制和成本控制以及其動態(tài)性的特點，本文通過查閱相關文獻，綜合獼猴桃冷鏈運輸適宜的環(huán)境參數(shù)考慮，選擇溫度、濕度、乙烯濃度作為影響獼猴桃品質的環(huán)境因子對其進行調節(jié)控制，減少運輸過程中獼猴桃的損耗。

2" 獼猴桃運輸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)方案設計

本文提出一種基于區(qū)塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，旨在利用IoT設備采集和上傳獼猴桃運輸過程中的環(huán)境參數(shù)，通過智能網(wǎng)關連接到區(qū)塊鏈客戶端運行讀取操作，并通過智能合約自動執(zhí)行數(shù)據(jù)的驗證、處理和存儲到區(qū)塊鏈賬本中，對超過閾值的環(huán)境參數(shù)開啟相關設備進行自動調控并對狀態(tài)異常的獼猴桃及時發(fā)出警報。

2.1" 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體框架

本系統(tǒng)框架分為5層：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、核心層、應用層［13］。實現(xiàn)了對運輸環(huán)境的智能控制，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集的主要作用是通過安裝在冷鏈運輸車輛內(nèi)部的氣體及溫濕度傳感器等傳感器獲取運輸車內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)，通過GPS等獲取運輸車輛的位置信息，并通過紅外攝像頭獲取獼猴桃的狀態(tài)信息。

數(shù)據(jù)層主要包括數(shù)據(jù)區(qū)塊、鏈式結構、時間戳、哈希函數(shù)、Merkle樹、非對稱加密?；趨^(qū)塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通過加密算法和哈希算法，保證運輸過程中數(shù)據(jù)的可靠性和不可篡改。數(shù)據(jù)層儲存數(shù)據(jù)的結構如圖2所示，其中區(qū)塊體中的數(shù)據(jù)主要是傳感器獲取的環(huán)境參數(shù)信息、車輛位置信息以及獼猴桃的狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡層主要封裝了獼猴桃冷鏈運輸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式、數(shù)據(jù)傳播機制和數(shù)據(jù)驗證機制。監(jiān)控系統(tǒng)采用P2P的傳播方式，將各傳感器上鏈的數(shù)據(jù)當成一筆交易，通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡和共識協(xié)議將鏈上數(shù)據(jù)同步至其他所有節(jié)點中［14］。節(jié)點在接收到鄰近節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)的有效性進行驗證，驗證機制如圖3所示。

核心層包括共識機制和智能合約。共識機制是管理分布式賬本更新的管理規(guī)則，通過調用共識算

法，保證區(qū)塊鏈各個賬本的一致性。智能合約負責將區(qū)塊鏈系統(tǒng)的業(yè)務邏輯以代碼的形式實現(xiàn)、編譯并部署，完成既定規(guī)則的條件觸發(fā)和自動執(zhí)行。

應用層通過調取區(qū)塊鏈中存儲的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)運輸車輛內(nèi)部環(huán)境自動調整功能、異常狀態(tài)獼猴桃報警功能以及環(huán)境狀態(tài)管理查詢功能。其中，查詢功能的網(wǎng)頁版采用JSP方式開發(fā)，Web界面顯示實時環(huán)境參數(shù)以及獼猴桃狀態(tài)；移動版采用JavaScript和WXML方式開發(fā)的微信小程序提供給管理人員使用。

2.2" Fabric框架下核心層設計

Hyperledger Fabric是一個提供分布式賬本平臺帶有節(jié)點許可管理的聯(lián)盟鏈系統(tǒng)，擁有允許可插拔使用的模塊化架構。經(jīng)過許可后的成員才能加入Fabric網(wǎng)絡，所有參與者都有一定的信任基礎［15］。與比特幣不同的是，F(xiàn)abric通過執(zhí)行區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的智能合約來寫入交易或查詢區(qū)塊歷史。監(jiān)控系統(tǒng)的共識機制采用可插拔的共識算法PBFT算法，確保系統(tǒng)的整體安全性和穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的可擴展性。

2.2.1" Fabric框架設計

Fabric系統(tǒng)主要提供成員管理、區(qū)塊鏈服務、智能合約服務、監(jiān)聽服務等功能，本文監(jiān)控系統(tǒng)的Fabric實現(xiàn)架構如圖4所示。Fabric采用PKI公鑰體系，所有成員在Hyperledger Fabric的獨立通道中，須要在證書頒發(fā)機構（CA）申請并獲得證書后，才能加入Fabric網(wǎng)絡，連接到該通道內(nèi)的賬本。本文的監(jiān)控系統(tǒng)主要包含種植企業(yè)、物流企業(yè)、銷售企業(yè)3個組織，每個組織有自己的Orderer節(jié)點、背書節(jié)點、主節(jié)點和記賬節(jié)點。監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點網(wǎng)絡部署如圖5所示，其中客戶端通過發(fā)送交易請求與Fabric網(wǎng)絡進行交互，本文采用JavaScript的API用于開發(fā)Fabric客戶端應用程序。

2.2.2" 共識機制設計

在Fabric系統(tǒng)中，所有交易均要通過共識服務對交易服務進行排序共識，然后按順序打包進區(qū)塊鏈，以保證在整個Fabric系統(tǒng)中各節(jié)點的一致性和唯一性?？紤]到獼猴桃冷鏈運輸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的效率和安全性要求，本文將采用PBFT共識算法對監(jiān)控系統(tǒng)的共識機制進行設計。PBFT共識算法主要包括主節(jié)點和副本節(jié)點2種節(jié)點。其中主節(jié)點負責接收客戶端的請求，并在驗證后將請求廣播給各副本節(jié)點，同時負責收集和處理來自副本節(jié)點的響應，并決定是否提交該請求。主節(jié)點的選取公式為p=vmod|R|。其中，v是視圖編號；|R|是節(jié)點總數(shù)，即|R|=3f+1，f為可容忍的拜占庭節(jié)點數(shù)；p是主節(jié)點的編號。當主節(jié)點失效或者被副本節(jié)點推翻時，進行視圖更新，利用上述公式重新選取主節(jié)點。

PBFT共識算法的執(zhí)行流程如下，具體如圖6所示。

請求階段：客戶端向主節(jié)點發(fā)送請求消息，并用時間戳來保證客戶端請求只執(zhí)行一次。

預準備階段：主節(jié)點從客戶端收到消息后，依次為消息分配一個編號，并向副本節(jié)點進行廣播。

準備階段：副本節(jié)點在接收到消息后對其進行驗證。如果一個節(jié)點接收到2f+1個由其他節(jié)點發(fā)送的確認消息，則創(chuàng)建準備消息并發(fā)送給其他節(jié)點。

確認階段：如果節(jié)點接收到2f+1個有效的確認消息并和預準備消息相同，則向客戶端發(fā)送確認消息。

回復階段：客戶端接收到f+1個確認消息時，則認為系統(tǒng)對消息達成一致性共識，請求結束。

2.2.3" 智能合約設計

智能合約負責將區(qū)塊鏈系統(tǒng)的業(yè)務邏輯以代碼的形式實現(xiàn)、編譯并部署，完成既定規(guī)則的條件觸發(fā)和自動執(zhí)行。在Fabric中智能合約也被稱為鏈碼，是上層應用程序和底層Fabric之間的媒介，在基于區(qū)塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，利用Go語言開發(fā)智能合約。智能合約是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，通過將收集到的運輸環(huán)境的相關數(shù)據(jù)與系統(tǒng)預設的安全范圍進行比較，當數(shù)據(jù)超出安全范圍時，將自動開啟相關設備進行調控并對狀態(tài)異常的獼猴桃及時發(fā)出警報。其運作機理如圖7所示。

3" 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設計

本文提出的基于區(qū)塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)不僅包括用于收集運輸環(huán)境數(shù)據(jù)的硬件設備，還包括用于控制調節(jié)設備和信息查詢的軟件部分。

3.1" 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

本文設計的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)選用STM32F103作為主控制器，連接溫濕度傳感器以及氣體傳感器，負責運輸過程中運輸環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，并通過通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈平臺，然后區(qū)塊鏈平臺根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果控制是否開啟相關調節(jié)設備，以保證獼猴桃在運輸過程中始終處于適宜的環(huán)境中。

獼猴桃運輸過程中的環(huán)境參數(shù)主要包括溫度、相對濕度以及乙烯濃度等?？紤]到獼猴桃是呼吸躍變型水果，對環(huán)境敏感，因此本文設計的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)選用具有高精度和高靈敏度的SHT21溫濕度傳感器測量環(huán)境的溫濕度參數(shù)，其測溫精度為±0.3℃，測濕精度為±2%；選用ME3-C2H4乙烯傳感器測量運輸環(huán)境的乙烯濃度，其量程為0～100ppm，分辨率為0.5ppm。此外，考慮到運輸過程中獼猴桃狀態(tài)的獲取，本文設計的監(jiān)控系統(tǒng)選用FLIR A6750紅外攝像頭用于獼猴桃狀態(tài)的監(jiān)測。

3.2" 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計的目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集并控制自動設備的調節(jié)。軟件與硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸采用遠程無線通信模塊。根據(jù)程序設置的采集周期來驅動傳感器采集獼猴桃運輸過程中環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主控制器STM32經(jīng)過初始化后，定時周期開始，系統(tǒng)進入低功耗模式，當定時周期結束后，STM32將依次讀取各傳感器的數(shù)據(jù)，然后再次進入低功耗模式，對數(shù)據(jù)進行分析處理后，通過通信模塊上傳至區(qū)塊鏈平臺。

由于運輸環(huán)境狀況復雜，傳感器的測量會受到周圍環(huán)境的干擾，因此產(chǎn)生的測量誤差是不可避免的，對此，本文設計的監(jiān)控系統(tǒng)采用多傳感器收集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用加權平均法對不同位置的傳感器數(shù)據(jù)進行融合，對測量精度更高的傳感器賦予較大的權重，從而減小單一傳感器受環(huán)境影響產(chǎn)生的誤差。然后通過與智能合約設定的各環(huán)境參數(shù)的閾值進行比較，對超過范圍的參數(shù)開啟相關調節(jié)設備，以保證運輸環(huán)境的適宜性，并對狀態(tài)異常的獼猴桃及時發(fā)出警報。該監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程如圖8所示。

4" 結語

本文提出的基于區(qū)塊鏈技術的獼猴桃冷鏈運輸

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，通過集成數(shù)據(jù)采集、處理和區(qū)塊鏈技術，能夠實時監(jiān)控并記錄獼猴桃在運輸過程中的環(huán)境參數(shù)，通過與系統(tǒng)設定閾值進行比較并進行自動調節(jié)，從而保證獼猴桃在運輸過程中所處環(huán)境的適宜性。綜上，該監(jiān)控系統(tǒng)可以減少運輸過程中環(huán)境變化引起的獼猴桃品質的劣變甚至腐敗的問題，并保證獼猴桃運輸過程中數(shù)據(jù)的可靠性。本文提出的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以減少運輸過程中獼猴桃的損耗，還可以為農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流企業(yè)降低運輸成本，促進產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，具備一定的應用和推廣價值。

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（編輯" 沈" 強）

Design of kiwifruit cold chain transport environment monitoring system based on blockchain technology

ZHU" Wenxin

（College of Information Management，Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China）

Abstract：" Kiwi fruit is a typical respiratory jump type fruit， sensitive to the environment， cold chain transport process temperature and humidity changes， will lead to the quality of kiwi deterioration， seriously affect the value of kiwi fruit. This paper proposes a monitoring system for kiwifruit cold chain transportation environment based on blockchain technology. By utilizing the characteristics of blockchain decentralization and immutability， combined with IOT technology， the environment of kiwifruit cold chain transportation is detected， uploaded to the blockchain through wireless communication， and the data is compared with the appropriate environmental threshold of kiwifruit cold chain transportation after weighted average processing. For the environmental parameters exceeding the threshold， the relevant equipment is automatically adjusted to the appropriate environment， and the abnormal state of the kiwifruit is timely alerted， so as to reduce the deterioration of the kiwifruit during transportation and improve the transparency of key information such as temperature and humidity during transportation.

Key words： kiwi fruit; cold chain transport; blockchain; monitoring system