一、技术概述
近年来，随着人们对食品质量安全要求的不断提高提高，催生了溯源系统的研究和应用。当前农产品质量安全领域溯源系统较普遍存在系统实用性弱、柔韧性差、可信性不高等突出问题，以溯源模型为框架、以区块链技术为保障的集柔韧性、可信性、安全性及实用性于一体的农产品质量可信区块链溯源系统是溯源系统应用和推广的关键。
二、技术要点
（一）农产品柔性溯源技术
针对当前溯源模型存在系统实用性弱、追溯流程固化问题，依据模块化设计思想，提出农产品柔性溯源模型。基于农产品供应链的柔性化需求，以种植、加工、仓储、物流及销售全供应链环节为例，设计农产品柔性溯源模型见图1。
图1 农产品柔性溯源模型
在农产品柔性追溯模型中，将环节服务程序与数据库结合封装在独立的模块中，模块间没有固定的衔接顺序，每个模块对内处理本环节的事务、对外提供本环节的服务。模型的柔韧性包括：
（1）摆脱了集中式系统架构，将各供应链环节的事务处理程序和数据存储封装在不同模块中，这就使模块可以整体替换，增加环节、更新环节变得低成本、易操作，能够很容易地根据供应链的升级对环节进行调整.
（2）追溯过程可依靠模块间的相互调用来实现，这代替了传统追溯模型中固定环节顺序追溯方式，由“绳索式”向“环扣式”发展，系统可灵活地跟随供应链伸缩。
（二）农产品品质可信溯源技术
传统的农产品溯源系统普遍将数据存储在集中式数据库中，集中式数据库易遭受黑客攻击造成数据的丢失和篡改，并且无法防止企业为了自身利益篡改数据，无法确保数据的真实性和可信性。而区块链技术具有分布式容错、不可篡改与隐私保护的特点，利用区块链技术设计实现了农产品柔性溯源模型。利用区块链技术代替集中式数据库，遵循环节账本与多主链的存储结构，将不同环节、不同用途的数据分链存放，既保证了溯源数据的安全性与溯源结果的可信性，也简化了追溯系统的存储结构（见图2）。
图2 基于区块链的农产品柔性追溯模型
模型概述：
（1）农产品供应链中有种植、加工、仓储、物流、销售等环节模块，模块内部集合了用户操作、服务程序与环节数据账本，模块能够独立处理所在环节的事务。
（2）供应链环节接受来自其他环节的原料，经过环节内一系列的处理过程，将成品输出给其他环节或发往市场，环节成品会自动附带一个溯源标识；
（3）快速溯源模块会记录下每批产品的溯源码作为农产品追溯的索引，配合特有的溯源机制能够很快找到该产品的历史记录；
（4）模块管理模块是系统的核心，掌握系统中所有模块的信息，所有模块之间的数据都是由模块管理模块中转进而间接通信的；
（三）产业链信息采集、链接、标识及安全保障技术
为实现农产品生产、加工、仓储、检测、物流及销售全产业链流程的准确追踪，提高溯源信息在环节对接中的有效传递，采用自主研发的基于时空信息的农产品溯源设备，实现农产品在各环节中的信息采集与链接。
系统采取的方式主要包括：
（1）软硬件协同工作的方式: 产业链无缝对接，环节分链溯源。通过手持式溯源设备实现溯源信息的采集与链接。根据所生成二维码的时间和空间信息唯一性和真实性，配合上位机管理系统来实现农产品供应链如生产、加工、仓储、物流及销售等全流程的管理及准确追踪。
（2）产业链中时空信息的准确定位与标识。通过北斗定位模块的应用建立了农产品全产业链溯源时空信息模型，保证了二维码标识的唯一性。
（3）实现时、空、人三维安全加密。时间信息、空间信息、负责人信息加入了二维码，能够有效防范二维码的伪造，实现了时、空、人三维安全加密。
（四）溯源系统大数据架构及实现技术
1、基于区块链的农产品溯源系统架构
基于区块链的农产品溯源系统架构，在原有的传统农产品溯源模型基础上，利用区块链技术代替集中式数据库，以超级账本（v1.1）作为区块链实现方式，以Kafka消息队列实现共识机制，设计了基于区块链的农产品柔性追溯系统架构（见图3）：
（1）数据采集层。在供应链诸环节中，通过人工记录或传感器、扫描仪、RFID标签等物联网设备采集溯源数据。
（2）网络层。用于向上传输硬件采集的数据，以及完成各节点间、模块间的数据通信。
（3）共识层。共识层的作用是在节点中交流并确定最终上链的数据内容及顺序，是区块链生成过程的关键环节。本系统将Kafka消息队列作为共识机制的实现方式，由于追溯模型中节点只负责账本的维护和执行基本的账本读写操作，这使得系统中几乎不存在发送干扰数据的节点，且溯源数据都会被各环节服务程序追加边缘用户的身份标识，能够准确定位到数据的发布者，模型设计及一系列的机制可以确保数据的安全性。在共识层中，溯源数据在依次经过MSP节点身份验证、背书节点模拟执行并生成数字签名、提交至排序节点汇总等一系列程序后，最终由记账节点将数据追加在区块链中。
（4）存储层。本系统使用超级账本作为区块链的实现方式，超级账本属于联盟链，有严格的身份验证及管理机制。依据“环节账本和多主链结构”和“模块化与微服务加购”的追溯模型设计思想，整个系统的数据被分类放在不同模块的账本中存储，按所处环节划分的账本有种植、加工等环节模块账本，按模块功能划分的账本有模块管理账本、快速溯源账本、用户服务账本。各模块的服务程序通过互联网相互通信，调用对方和自己的数据，相互配合完成系统的功能。
（5）事务处理层。本层事务处理工作主要是交给追溯系统中各模块的服务程序，服务程序主要是负责本模块内的数据接收、逻辑处理、与账本的数据交互、对外通信等工作，维持模块自身的正常运行并能够及时准确地反馈外界请求。
（6）应用层。应用层是在事务处理层之上建立起来的系统应用，向不同用户提供不同的功能。本层将用户分为三类，分别是边缘用户、质量监管部门及消费者，对边缘用户提供的功能，会根据其所属的不同环节模块有差异化，如对质量监管部门提供数据监控与对外发布警告功能，对消费者提供溯源数据查询与投诉建议等功能。
（7）交互层。本层的作用在于将应用层展示给用户，包括网页应用、手机APP等多种方式。
图3 基于区块链的农产品柔性追溯系统架构
2、溯源系统实现
以油茶籽油为追溯对象，依据农产品质量可信区块链溯源技术，实现了基于区块链的油茶籽油溯源系统，图4-图7分别列举了产业部分环节的管理界面。
图4 种植基地管理界面
图5 农事操作管理界面
图6 加工环节信息展示界面
图7溯源产品加工信息查询结果
三、适宜区域
产品技术适应于农产品质量安全溯源及其他产品质量安全溯源，适宜于注重农产品品牌打造可信溯源的企业和政府部门，利于提高质量安全管理水平，利于产业的高效及可持续发展。
该技术已在以下单位进行应用示范：山东省滨州市政府、山东省万兴食品有限公司、深圳华之粹生态科技有限公司等。
四、注意事项
模型技术方可进行系统功能扩展，提高系统柔韧性，但要注意不同产品的溯源粒度。
区块链作为数据存储介质具有不可篡改的特性，对于已经上链的数据，其编辑历史被完整、安全、可追溯地保存，但不能删除已经上链的数据，确保数据的可信性。
五、依托单位
山东农业大学
联系地址：山东省泰安市泰山区岱宗大街61号
邮政编码：271000
联系人：柳平增
联系电话：18660865275
电子信箱：pzliu@sdau.edu.cn
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