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基于区块链的井冈蜜柚可信溯源平台设计与实现

  2022-05-07    82  上传者:管理员

摘要:随着人们生活水平的日益提高,大家对农产品的质量安全越来越重视,传统的井冈蜜柚溯源系统采用集中存储方式,导致数据信息易被篡改、可信度低,如何提升井冈蜜柚的安全性和可信度,已成为亟需解决的问题。而分布式存储、数据加密不可篡改正是区块链技术的特点,这使得其在产品溯源中有重要应用价值。基于此,课题组提出基于区块链的井冈蜜柚可信溯源系统架构,从果农、企业、政府、消费者四个角度出发,将井冈蜜柚的种植、施肥、采摘、加工、运输、质量检测、销售全生命周期流程上链,给用户提供一键溯源服务,保证井冈蜜柚来源的真实可靠。仿真结果表明,本溯源系统具有数据安全可靠特点,实现了井冈蜜柚从种植、采摘、加工、运输、销售全链路监控,保障了蜜柚的供应链信息安全可靠,提升了品牌价值。

  • 关键词:
  • 井冈蜜柚溯源
  • 共识机制
  • 区块链
  • 可信溯源
  • 食品安全
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民以食为天。食品安全是人民群众幸福生活的头等大事,关系到国家长治久安,而农产品安全又是食品安全的重中之重。2022年,《中共中央国务院关于做好2022年全面推进乡村振兴重点工作的意见》指出,开展农业品种培优、品质提升、品牌打造和标准化生产提升行动,推进食用农产品承诺达标合格证制度,完善全产业链质量安全追溯体系。目前国内外非常重视农产品安全溯源,通过相关技术手段建立了溯源体系,溯源系统可以有效监督和把控农产品质量。而区块链技术正是其中核心技术代表之一,这个被认为是蒸汽机、电力、信息技术后,最有革命性浪潮特点的核心技术,近年来,随着相关应用的落地,越来越受到大家的追捧。区块链是一种分布式账单技术,它具有去中心化、不可篡改、安全可靠的技术特点,通过智能合约、非对称加密算法等方法,实现去中心化的点对点交易,有效解决了传统平台数据存储效率低、数据不安全等问题。

井冈蜜柚作为江西本土优质蜜柚品牌,因其口感较好,迅速获得市场用户认可,但井冈蜜柚快速发展的同时也出现一些问题:一是蜜柚苗木品种质量良莠不齐;二是蜜柚种植户过量使用农药防治病虫;三是为缩短蜜柚生长周期,大量使用速效无机化肥;四是加工企业为追求卖相使用添加剂保鲜。种种现象,不仅损害“井冈蜜柚”品牌形象,而且易导致食品安全问题。井冈蜜柚供应链信息关系到每位消费者、生产者的切身利益,因此,建立井冈蜜柚溯源平台迫在眉睫。课题组以井冈蜜柚为研究对象,构建了一套从种植、采摘、加工、运输、销售全产业链的区块链溯源系统,确保井冈蜜柚的安全可靠以及品牌价值。


1、国内外研究现状


近年来,国内外对农产品质量重视程度不断提升,专家学者在农产品溯源方面的研究也越来越深入,有些侧重于溯源模型、溯源平台架构设计创新性研究,有些重点研究产品存储方式和查询效率提升。刘丹等[1]提出将区块链和物联网技术相结合,以此来构建稳固的农产品溯源平台,通过GPS、温度、湿度、光照传感器等物联网设备采集信息,采用ZigBee(紫蜂)技术上传,后台数据基于区块链方式存储。郑明[2]结合当前新冠疫情环境下,跨境电商产品质量不稳定、物流追踪信息不全等问题提出基于区块链技术的跨境电商溯源系统。王华等[3]综合使用二维码、RFID(射频识别)技术、RSA(非对称加密算法)实现禽类肉产品安全溯源。王志铧等[4]通过建立超级账本模式实现可信溯源,并且针对不同生产场景动态溯源,解决传统溯源系统流程灵活性差、安全性低等问题。汪家伟等[5]研发了基于区块链的茶叶可信溯源系统,实现茶叶种植、采摘、加工、统计分析、溯源查询全业务功能。梁景雄[6]从顶层应用出发,采用分布式MQTT(消息队列传输)集群和Fabric(智能合约)联盟链技术方案,构建了物联网与区块链溯源系统整体架构设计,减少系统耦合。吴晓彤[7]提出一种基于备选投票机制的低时延共识算法IPBFT(基于地址的拜占庭容错技术),解决农产品溯源时延高、效率低问题。

目前,溯源系统可分成两大类,即传统溯源识别技术和区块链溯源架构技术。传统的溯源识别技术主要包括二维码识别技术、RFID识别技术、成分分析技术,其中二维码识别和RFID使用最广泛[8,9,10]。

1.1 传统溯源识别技术现状

1.1.1 二维码溯源识别技术

二维码溯源识别技术是指使用黑白矩形图案表示的二进制数据,通过手机等扫描仪设备扫描后可获取信息。二维码防伪标签结合二维码技术、数码防伪技术及激光全息防伪技术,通过后端系统自动生成唯一的防伪二维码标签,再将标签贴到产品或包装上,消费者购买后扫一扫产品上的二维码即可验证产品真伪,二维码溯源防伪标签查询过程非常方便、快捷。例如,果农在向厂家提供井冈蜜柚时,把蜜柚原产地、种植时间、施肥农药使用信息录入到后台系统中,系统根据信息自动生成唯一的二维码标签粘贴在包装箱上。正因为二维码有着信息容量大、编码范围广、识别准确性高以及制作成本低等优点,被广泛应用于产品产业链监控流通环节,打击假冒伪劣产品,实现高效防伪。

1.1.2 RFID溯源识别技术

RFID溯源识别技术是一种无线通信技术,它无需识别设备和目标之间接触,直接通过无线电信号读写数据。标签本身可以发射无线电波,扫描仪只要在数米以内均可视波。不过RFID标签与条形码不同的是,射频标签不受遮盖物影响,即便是放在箱子或者盒子内,而且读取器一次可以读取多个标签。近些年,因电子识别技术逐渐成熟,很多商场开始用电子标签代替原来的条形码标签,提升自动售货速度。RFID系统由信号接收机、信号发射机、编程器、天线构成。信号发射机比较典型的形式是电子码标签,它能够主动向外发射信号,并且信号包含相关的存储信息。信号接收机也叫作识别器,识别器的功能是根据“命令响应协议”接收发射机反射出的信号,甚至对于某些特殊场景,比如信号受到干扰时可以自动校验。编程器是指向标签写入数据的一种电子装置,可以离线或者在线完成写入数据。天线可以用来发射、接收传输数据,类似于以前的录音机天线,当然,天线的信号不仅受功率影响,还与天线的形状、位置有密切关系。

1.2 区块链溯源系统架构技术

2008年,中本聪提出区块链概念,使用分布式账单节点记录比特币,每个区块链记录多个交易记录,比特币通过PoW(工作量证明机制)、PoS(权益证明机制)和DPoS(股权授权证明机制)三种一致性协议达成共识,所有区块链节点通过Hash(散列函数)地址连接,区块链关键技术包括分布式存储、共识机制、智能合约、超级账单、非对称加密技术。


2、基于区块链的井冈蜜柚可信溯源平台设计与实现


2.1 相关技术

2.1.1 区块链共识算法

区块链共识算法是指系统对故障达成的共识机制,主要包括崩溃容错协议和拜占庭容错协议。为什么要使用共识机制呢?因为区块链系统采用去中心化设计,各节点设备分散分布,需要一套规章制度来维护系统公平性,不仅包括对区块链资源维护者的奖励,而且要有对资源危害者的惩罚,这就要所有节点使用前可以达成统一共识。

2.1.2 超级账单

超级账单技术是一个开源的联盟链,它是一种分布式账单系统,主要由一组有序的、不可篡改的状态转移记录日志构成。超级账单链结构包含账单、链码、通道,针对不同的场景有不同的数据可视范围。账单数据库存储各节点交易状态转移码,状态转移码通过链表形式存储在文件系统中。

2.1.3 物联网技术

物联网(IoT)是一种计算设备、机械、数字机器相互关联的系统,具备通用唯一识别码(UID),并具有通过网络传输数据的能力,无需人与人或人与设备的交互。物联网一般由感知层、网络层与应用层组成。其中感知层负责为传感器、RFID等物联网设备采集数据。网络层由有线、无线通信网组成,通过4G/5G、WLAN、蓝牙、ZigBee技术将数据安全地传输至应用层。应用层是人机交互层,用户通过各类应用接口获取不同服务。

2.2 区块链可信溯源平台设计

2.2.1 系统背景介绍

在政府相关部门的政策支持下,井冈蜜柚得到快速发展,品牌竞争力强。然而太高的关注度却带来了一定的负面影响,很多不法商贩将普通蜜柚包装成井冈蜜柚销售。为了维护消费者权益,提升井冈蜜柚的品牌公信力。本文构建了井冈蜜柚区块链溯源平台,利用温度、光学、湿度传感器等物联网设备,采集井冈蜜柚日常生长环境、产地经纬度、加工销售环境数据,用户通过小程序等溯源入口可对蜜柚种植、采摘、加工、运输、销售信息进行溯源查询。此外,政府机构还可通过溯源平台对井冈蜜柚进行远程监控和质量抽测。综合考虑,系统需要采集如表1所示的源数据。

2.2.2 系统设计

通过现场走访调研果农、企业、政府、用户需求,构建了基于区块链的井冈蜜柚溯源平台系统架构,如图1所示,溯源平台主要包括数据采集层、数据传输层、数据存储层、数据应用层。

1)数据采集层是由井冈蜜柚种植果农、加工企业、物流公司、包装销售商等供应链中间环节参与者,通过GPS、温度传感器、扫描仪、果园摄像头、农药化肥检测仪、RFID等智能终端采集设备,采集各环节数据,自动保存至井冈蜜柚溯源平台。采集的数据不仅有文本、字符等结构化数据,还有图片、视频等非结构化数据。

2)数据传输层显示采集的数据通过不同方式传至数据库,对于大规模数据,比如摄像头拍摄果园环境照片、井冈蜜柚加工过程的视频数据,可通过WLAN上传至数据库,上传频率为每天1次。对于小规模数据,如GPS、温湿度传感器现场采集的GPS、温度、湿度等数据通过物联网MQTT上传至后台。当然,如果费用可接受,也可以与电信运营商协商,采用4G/5G传输数据。

3)数据存储层包括传统的关系型数据库和超级账本区块链系统,关系型数据库存储非溯源数据,超级账本区块链系统存储溯源数据。供应链各环节参与者在区块链系统中均有唯一身份标识,可通过唯一身份标识可追踪溯源定位,供应链各环节数据保存在对应模块内,降低系统的耦合性,提高系统功能的可扩展性。

4)数据应用层主要作用是溯源系统与不同用户(果农、企业、政府、消费者)进行交互,果农使用角度包含井冈蜜柚种植、施肥、采摘管理;企业使用角度包含井冈蜜柚加工、运输、销售供应链管理;从政府监管角度看,系统提供井冈蜜柚的全产业链远程监控、产品质量检测以及供领导决策分析功能;从消费者角度来看,不仅有井冈蜜柚销售电商、用户评价平台,而且最重要的是有可供用户一键溯源的平台,方便查询井冈蜜柚种植、生产、加工、运输、销售全链路信息,提供井冈蜜柚安全、绿色、可靠数据,进而提升品牌价值。

2.2.3 系统实现

系统通过Java、MySql数据库、区块链技术构建基于B/S架构的井冈蜜柚溯源平台,前端提供微信小程序查询接口,用户输入唯一编号或二维码溯源查询。


3、总结


课题组根据井冈蜜柚特点,结合用户实际需求,建立了基于区块链的井冈蜜柚溯源架构平台,针对溯源模型中数据同步以及查询速度慢等问题提出了解决方案。实际应用结果表明,本溯源系统具有数据安全可靠的特点,实现了井冈蜜柚从种植、采摘、加工、运输、销售全链路监控,保障了蜜柚的供应链信息安全可靠,提升了品牌价值。


参考文献:

[1]刘丹,窦津津,胡建斌.基于“区块链+物联网"融合的农产品溯源系统[J].软件工程,2021,24(7):39-42.

[2]郑明.基于区块链技术的跨境电商产品溯源[J].现代商贸工业,2021,42(6):27-28.

[3]王华,李卫卫,吴怀广,等.基于二维码的禽类肉产品安全溯源系统设计与实现[J].计算机应用与软件,2020,37(10):1-5.

[4]王志钟,柳平增,宋成宝,等.基于区块链的农产品柔性可信溯源系统研究[J].计算机工程,2020,46(12):313-320.

[5]汪家伟,饶元,常仲禹.基于区块链的茶叶可信溯源系统的设计与实现[J].黑龙江八一农垦大学学报,2020,32(2):74-81+90.

[6]梁景雄.基于区块链与物联网的产品溯源系统关键技术研究与实现[D].杭州:浙江大学,2020.

[7吴晓彤.基于区块链的农产品可信溯源系统研究与实现[D].泰安:山东农业大学,2020.

[8]陈小强,黄敏超.基于“区块链+农业"交叉学科课程体系研究[J].南方农机,2022,53(3):161-163.

[9]王芳飞.吉安市井冈蜜柚产业发展现状及建议[J].现代农业科技,2020(8):94-95.

[10]周文欣.基于区块链技术的农产品溯源系统面临的问题及对策[J].南方农机,2021,52(24):108-110.


文章来源:陈小强,胡翰,黄敏超,王凯.区块链技术在井冈蜜柚可信溯源的应用研究[J].南方农机,2022,53(09):30-33.

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