基于5G-IoT和區塊鏈的農產品供應鏈溯源平臺研究

　　摘 要：可追溯性在農產品質量和安全管理中起著至關重要的作用，基于物聯網(IoT)的農產品溯源系統為農產品的質量監控和信息追溯提供了可行的解決方案。但是，目前IoT下的農產品溯源系統信息傳輸效率低、實時性差，而且大多數依賴于集中式服務器-客戶端的模式，使得消費者很難獲取準確的交易信息并跟蹤農產品的來源。因此，文章設計了基于區塊鏈的5G-IoT農產品溯源平臺。將5G技術應用于IoT農產品溯源，可以有效地解決IoT系統產生的海量數據實時傳輸慢的問題;區塊鏈可以保證信息不可篡改，其中聯盟區塊鏈具有較強的可控性，非常適用于多種責任主體的農產品溯源系統。文章首先介紹了當前農產品供應鏈溯源的環節和存在的問題，然后基于5G-IoT對農產品溯源系統，設計了基于聯盟鏈的5G-IoT農產品溯源平臺。研究結果證明了該平臺能夠提高農產品信息溯源的效率，為從業人員、管理人員和消費者提供真實、可靠的農產品信息，并對改善農產品的可持續質量管理具有積極作用。

　　本文源自網絡空間安全 2020年11期《網絡空間安全》(國際統一刊號：ISSN 2096-2282;國內統一刊號：CN 10-1421/TP)期刊創刊于2010 年，由中華人民共和國工業和信息化部主管，中國電子信息產業發展研究院、賽迪工業和信息化研究院主辦，是集學術性、技術性、專業性和權威性為一體的國家級學術期刊。

　　關鍵詞：農產品溯源;IoT系統;5G;區塊鏈

　　1 引言

　　對農產品信息進行溯源有助于農產品供應鏈的可持續性管理[1]，同時可以提高農產品鏈的安全性和可靠性，增加消費者對農產品的信任度和購買意愿。廠家、商家、消費者和監管部門都需要全面了解農產品的生命周期，以確保農產品的安全、可持續和高質量[2]。農產品供應鏈中，數據的實時傳輸和信息防篡改問題對于農產品溯源至關重要，也已成為農業領域需要緊迫解決的問題。5G具有系統容量大、數據傳輸速率高、延遲少的優勢;另外，還允許大規模的設備連接，為大量傳感數據的實時傳輸提供了可能。區塊鏈技術被認為是一種有前景的技術，可以幫助建立安全和共享的信任機制，農產品供應鏈中沒有任何一方可以更改現有信息，為農產品信息溯源和防篡改提供了保障[3]。

　　本文首先介紹了農產品供應鏈及其在信息溯源方面存在的問題，然后利用5G的技術設計了基于5G-IoT的農產品溯源系統，接著介紹了區塊鏈在農產品溯源中的優勢，并通過對區塊鏈技術進行選型，設計了基于聯盟鏈的5G-IoT農產品溯源平臺，幫助消費者和管理人員快速和實時查詢供應鏈上的農產品信息，提高溯源效率，更好地提高農產品信息的真實性和共享性，保證農產品的質量與安全。

　　2 農產品供應鏈溯源概述

　　農產品供應鏈的分布廣泛，涉及許多不同的主體，例如原料供應商、生產加工者、運輸公司、批發商和零售商等，終端是消費者，中間還會涉及到政府等監管部門。農產品供應的主要階段如圖1所示，分為五個階段，分別是生產、加工、分銷、零售和消費。

　　(1)生產：是指農戶進行種植養殖作業，為農產品加工商提供糧食、蔬菜和肉類等原料。

　　(2)加工：將一種或幾種主、副農產品制成各種食品或其他用品，隨后進入包裝階段，每個包裝都通過一個生產批處理碼進行唯一標識，包含生產日期和所用原材料清單等信息。

　　(3)分銷：包裝并貼有標簽的農產品在分銷階段發布。不同農產品交貨時間范圍不同，并且會有不同的存儲步驟。

　　(4)零售：在分銷結束時，將農產品交付給執行農產品銷售的零售商。

　　(5)消費：鏈的最終用戶是消費者，他們購買產品，并對產品質量提出要求，如生產日期、生產方法、原材料等可追溯信息。

　　目前，農產品供應鏈溯源系統通過物聯網(IoT)應用于農產品供應鏈體系，可以實現對農產品的位置跟蹤、來源追溯、實現信息共享，還可以對農產品整個流通過程進行狀態監控。但是，受傳統IoT技術的限制，目前基于IoT的農產品溯源系統存在明顯不足。

　　(1)數據存儲容量不足。隨著農產品供應鏈中的數字化程度越來越高，IoT系統中上傳和下載的數據量越來越大，海量數據使IoT系統的存儲容量受到限制，系統容易出現卡頓問題，網絡的穩定性也受到影響。

　　(2)數據傳輸效率低。農產品信息要想通過網絡實時準確傳遞出去，需要穩定高效的網絡傳輸支持，當供應鏈中間環節較多或數據量過大時，受通信技術的限制，必然造成數據傳輸效率低的問題。

　　(3)中心化系統數據安全性低。IoT系統管理農產品供應鏈信息，普遍采用的是中心化管理方式，數據庫中存儲的數據能夠人為進行篡改，數據的可靠性和安全性無法保證，而且存在信息不對稱的現象，導致責任主體難以確定。

　　(4)多主體信息共享難實現。農產品供應鏈中多個企業在各環節之間的信息對接過程十分冗雜，信息流動不暢導致供應鏈上的各節點難以第一時間掌握相關情況，影響供應鏈信息傳遞效率。傳統統溯源系統難以建立多方共同信任體系和隱私保護體系，物流信息在共享過程中容易被泄露，信息孤島現象嚴重，同時多方的供應鏈溯源系統也存在被攻擊、侵入、信息篡改的風險。

　　以上問題使企業無法對市場需求進行實時、準確地預測，消費者難以查詢到購買的農產品的真實源頭信息，同時監管部門也無法實現對農產品市場的實時監控。因此，實現農產品溯源要保證系統存儲量大，數據傳輸效率高，還要確保數據在傳輸過程中的真實性和不可篡改，并實現供應鏈多主體間的信息共享。

　　3 基于5G-IoT的農產品溯源

　　3.1 5G技術應用于IoT系統

　　5G作為新一代移動通信技術，是一個多業務技術融合的網絡，能夠實現隨時、隨地、萬物互聯，以其特有的優勢助力各個行業發展。5G通信技術具有三大特點。

　　(1)超大容量。與4G通信技術相比較，5G的數據信息承載量高出1，000倍，即便在網絡擁堵的環境下，也可以滿足大量IoT系統設備的需求。

　　(2)超高傳輸速率。5G數據流量傳輸速度極快，峰值速率的下行可以達到20Gbit/s，上行速率可以達到10Gbit/，是4G速率的20倍，能夠保障信息長時間傳送在一個高速率的狀態下。

　　(3)超低時延。5G網絡技術提出了全光網來降低空中傳輸時延，利用新型多址技術節省調度開銷，通過網絡切片來減少轉發節點，實現超低時延通信。

　　將5G技術作為大體量傳感器數據的傳輸媒介應用于IoT系統，可以有效解決系統存儲容量不足和數據傳輸效率低的問題，信息交換更加迅速高效，實時、精準地將需求數據反饋到系統中。基于5G的IoT系統分為感知層、網絡層和應用層三個層次，如圖2所示。

　　感知層可以用來識別物體，采集物體信息，感知設備包括各種傳感器、RFID以及圖像視頻采集設備等[4]，根據工作環境的不同，可以利用不同的感知設備搭建相應的傳感器網。

　　網絡層主要由局域網、互聯網、有線無線通訊網組成，負責感知層采集的信息的傳遞。5G-IoT是將網絡層替換為5G通訊網絡，讓傳感器于終端服務器間的信息交流更加迅速高效。

　　應用層面向的是平臺用戶，主要指的是網絡層與用戶之間的接口，可以應用于各個行業，如農業、交通、醫療等。

　　3.2 基于5G-IoT的農產品溯源系統

　　農產品供應鏈上各個環節的原始數據及相關交易數據均通過IoT系統中的感知設備進行獲取。生產商需要提供原料信息，如果訂單較多，信息在由服務器傳輸到應用端就會產生超體量數據和較大時延;加工階段信息量大，農產品的狀態信息需要穩定高效傳輸，隨著市場擴大必定要留有技術空間以應對服務提升裕量;物流信息在整個鏈中都要進行及時傳遞，當供應鏈中間環節較多時必然造成數據量膨脹。

　　基于5G-IoT的農產品溯源系統涉及了農產品供應的全部環節，在各個環節上的原始數據及其相關交易數據均通過傳感器進行獲取，組成實時數據采集網，從而實現數據的迅速采集及供應鏈信息的實時監控，基于5G-IoT的農產品溯源系統結構如圖3所示。

　　5G超大容量、超高傳輸速率及超低時延的特性，使IoT系統中海量數據的處理與實時傳輸成為了可能，系統建設成本大大降低，各責任主體可以根據信息迅速做出相應的對策，最終得到更加精準、科學的管理，消費者和監管部門可以及時獲知農產品供應鏈上的全信息，便于對農產品進行信息追溯和對企業實時監督。

　　4 基于區塊鏈的5G-IoT農產品溯源平臺

　　4.1 區塊鏈在農產品溯源中的優勢

　　由于5G只是通信技術，其本質并不能保證數據的真實性與共享性。區塊鏈是分布式數據存儲、對等傳輸、共識機制、加密算法和其他信息技術的創新應用[5]，能夠解決農產品在生產、分銷、物流、監管中存在的信息不對稱問題，提高整個產業鏈上信息的共享性。區塊鏈在農產品溯源中的優勢具體體現在四個方面。

　　(1)確保記錄信息不可篡改。通過在生產廠商、經銷商、物流商、零售商、政府監管機構等責任主體建立網絡節點將產品的原料、生產加工、存儲、物流、銷售等信息存儲在區塊鏈網絡中，信息上鏈后會自動同步到各方節點，無法單方面篡改，保障源頭信息的真實性。

　　(2)實現全程信息共享。全鏈條的信息通過分布式賬本進行維護，共同監督;各環節之間信息共享，上下游企業之間及時了解整體狀態，便于快速做出決策;將全流程的信息以可視化的方式傳遞給消費者，提升消費者對農產品品質的信任。

　　(3)聯通各個主體提升效率。通過商品統一的身份標識，將全流程信息進行記錄、傳遞、核驗、分析，保證了數據的聯通性、一致性、完整性和價值度，解決各企業之間信息孤島的問題，提升農產品整體的流轉效率。

　　(4)助力政府部門實現有效監管。通過區塊鏈網絡的信息同步，監管部門可以作為其中一個節點加入到整個網絡當中，快速實現信息監管。在發現問題時，快速定位問題來源，實現來源可查，去向可追，責任可究。

　　綜上所述，利用區塊鏈技術的去中心化、共識機制、不可篡改、信息可追溯等特點，可以有效地解決農產品溯源中信息真實性與共享性的問題，為消費者提供及時的農產品質量安全追溯查詢服務，為農業部門提供有效的農產品質量安全監督管理機制和手段。

　　4.2 區塊鏈的技術選型

　　聯盟鏈是部分去中心化的區塊鏈，由某個機構或組織管理，只有盟內成員達成共識，才可對數據進行修改。與公有鏈相比，聯盟鏈具有較強的可控性，交易時具有固定的節點數量，因此處理速度更快，數據安全性高，適用于對動態數據的存儲、管理和監控。農產品的供應鏈較長，對其進行全流程溯源，會涉及到多種類型的利益相關方，這些參與主體上鏈時均需要進行身份認證，同時方便政府主管部門進行監管，因此需要中心節點[6]。聯盟鏈的特點使其完全可以滿足以上需求，因此本文采用聯盟鏈技術架構進行農產品溯源。

　　Hyperledger Fabric是專門為提高企業之間、企業與政府之間信息流通效率而創建的，它服務于聯盟團體，屬于聯盟鏈的一種。Hyperledger Fabric可以在原有框架的基礎上增加功能模塊，從而減少模塊修改、升級帶來的影響，方便實現區塊鏈應用系統的開發和部署，這種高度模塊化架構非常適用于多個機構或組織的部署，充分滿足農產品溯源平臺的多角色業務需求。因此，選擇Hyperledger Fabric作為區塊鏈技術平臺對本系統方案進行設計，其基本架構如圖4所示。

　　Hyperledger里主要有應用客戶端、排序服務、Peer節點三種服務器角色。應用客戶端是將終端用戶的交易請求發送到區塊鏈網絡。排序服務是接受交易信息，將其排序后打包生成區塊，放入區塊鏈，最后將結果返回。Peer負責維護區塊鏈賬本，主要是背書和記賬服務，背書是對客戶端提交的每筆交易進行驗證并簽名，記賬則是將排序節點打包好的區塊記錄下來。會員服務主要負責其他節點的授權認證，聯盟鏈由加盟企業的服務器進行區塊打包與存儲，這些服務器必須經過授權認證才能被接納到聯盟鏈網絡中。

　　4.3 基于聯盟鏈的5G-IoT農產品溯源平臺

　　通過采用5G-IoT和聯盟鏈技術來實現農產品信息追溯和品質保障，可以有效地解決農產品溯源的痛點問題。IoT系統中的傳感器采集整個農產品供應鏈中的信息，保證數據的實時和準確;5G網絡“大連接”“廣覆蓋”和“低功耗”的特點有助于實現數據的實時與精準傳輸;聯盟鏈技術建立的溯源平臺確保信息的不可篡改和可控性。

　　本文提出了基于聯盟鏈的5G-IoT農產品溯源平臺，如圖5所示。該平臺在保證數據實時、完整傳輸的同時，能夠提高整個農產品溯源過程中交易數據的真實性與安全性。

　　基于聯盟鏈的5G-IoT農產品溯源平臺包括五部分。

　　(1)Hyperledger Fabric底層平臺：負責農產品溯源的具體實現。其中包括：1)在區塊鏈上進行注冊、身份驗證、簽發數據證書，使用到Fabric的成員管理;2)編寫鏈碼(智能合約)運行Ddockor中，供客戶端通過SDK調用發起交易確認;3)平臺底層是P2P網絡，將為各接入第三方建立Peer節點形成分布式賬本;4)區塊鏈形成后存儲了包含各節點的農產品來源信息，當前端發起查詢后，區塊鏈溯源平臺通過API或SDK方式返回查詢結果。

　　(2)農產品溯源服務平臺：提供整個平臺的后臺管理和前臺展示功能。后臺功能包括接入平臺各成員管理、農產品其它流通數據接入與存儲、系統管理等，前臺展示包括第三方會員注冊在內的各類頁面、查詢頁面等。

　　(3)農產品溯源信息可視化平臺：可以對系統內的所有信息進行查看，包括聯盟鏈中各節點的運行情況、農產品溯源結果等。

　　(4)第三方系統接入：通過5G網絡接口對接生產者、加工商、分銷商、零售商各方系統，接受各方在溯源平臺的注冊、上傳數據信息。各節點的信息主要包括：1)生產信息：記錄農作物種植過程，包括種子、農藥、肥料使用情況以及所采用的耕作方式、土壤水分等，可能會添加季節天氣、耕作和收獲時間等信息;2)加工信息：記錄有關工廠及使用設備、原料加工方法、廠商信息、批號等信息，記錄與供應商、分銷商和配送方之間的交易數據;3)配送與分銷信息：運輸的詳細信息，包括運輸軌跡、存儲條件(例如溫度、濕度)、運輸方法、配送日期等。分銷商之間的所有交易以及最終收件人(即零售商)都記錄在區塊鏈上;4)零售信息：有關零售商及每種售賣產品的詳細信息，如當前質量和數量、有效期、存儲條件和在貨架上花費的時間均存儲在鏈上。

　　(5)監管平臺：監管部門對平臺中部署的容器、各類服務、消息傳遞進行監控和維護。

　　農產品經過以上階段后，最終到達消費者手中，消費者可以使用手機端APP或小程序掃描農產品的二維碼，詳細了解與農產品相關聯的信息，并且可以從生產供應商那里購買，對發生的產品質量問題能夠及時并有效追溯其發生原因并反饋監管部門處理結果，有利于對農產品質量的監管。

　　5 結束語

　　通過5G-IoT技術可以實現對農產品從產地到消費使用全過程的信息追蹤、動態監測、風險預警、應急處理和直銷直采等多方位的管理服務。聯盟鏈技術打通了農產品從產地到消費者的各環節信息采集，讓全鏈路信息實現了防篡改、標準統一和高效率交換。本文設計的基于聯盟鏈的5G-IoT農產品溯源平臺可以全程追溯產品信息，實現農產品的真偽立辨，同時方便監管部門對農產品流程中不合規的信息進行監測，確保了農產品流通過程中的質量安全。

　　參考文獻

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