王桂超

（山東信息職業(yè)技術學院，山東 濰坊 261041）

隨著生活水平的提高，人們對食品，尤其是農產品的追求，已經從原來的如何吃飽到現(xiàn)在的如何吃好、吃得健康。越來越多的人開始重視農產品的質量安全問題。同時伴隨著科學技術的發(fā)展，物聯(lián)網[1]、大數(shù)據(jù)[2]、區(qū)塊鏈[3]等技術也越來越多地應用到新型的智慧農業(yè)方面，涌現(xiàn)出了一大批各具特色的智慧農業(yè)信息溯源系統(tǒng)，方便了大眾查詢跟蹤農產品從種植到上市的全過程信息。另一方面，全程的數(shù)據(jù)溯源既可以為農產品的改良選育提供數(shù)據(jù)支撐，又方便了管理部門的監(jiān)督管理。

基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網的農產品信息溯源系統(tǒng)，可以方便地采集農作物從種子、種植、管理、農藥化肥到采摘上市的全過程數(shù)據(jù)，方便快捷。在此過程中，數(shù)據(jù)的安全性就顯得尤為重要，必須要保障所有環(huán)節(jié)采集到的數(shù)據(jù)是準確無誤且未經改動的，只有這樣才能真正做到全流程的信息溯源，才能保證最終的消費者能夠準確獲取農產品的相關信息。那么如何利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)保護技術，來保護信息溯源過程中的數(shù)據(jù)安全，正是本文研究的重點。

1 關鍵技術簡介

1.1 大數(shù)據(jù)技術

顧名思義，大數(shù)據(jù)（big data）就是大量的數(shù)據(jù)聚集，而大數(shù)據(jù)的產生離不開物聯(lián)網技術的飛速發(fā)展。同時，農業(yè)數(shù)據(jù)的多樣性、低密度性、低價值性等特點也決定了其最適合大數(shù)據(jù)來處理，在智慧農業(yè)領域大數(shù)據(jù)具體可以應用在以下幾個方面：

1.1.1 農作物直接關聯(lián)性數(shù)據(jù)

智慧農業(yè)的根基，涉及到農作物的育種信息、種植過程中的種植時間、地點、種植管理人員、化肥農藥使用詳情、病蟲害詳情、采摘時間等詳細信息。而這些信息的準確性也決定了該農產品所有的屬性溯源的準確性。

1.1.2 農作物管理相關性數(shù)據(jù)

在農作物管理方面，如何做到數(shù)據(jù)的可靠真實、科學合理的規(guī)劃，是農作物能夠健康生長、生態(tài)發(fā)展的一個關鍵領域。

1.1.3 農作物環(huán)境相關性數(shù)據(jù)

農作物生長的環(huán)境如溫度、濕度、土壤所含微量元素等等決定了其品質的好壞，如何提高農作物生長的環(huán)境指數(shù)，科學規(guī)范調控其所處的環(huán)境數(shù)據(jù)，是智慧農業(yè)重要的研究方向。

大數(shù)據(jù)技術所采用的處理平臺一般采用比較成熟的Hadoop平臺，在智慧農業(yè)相關研究領域也多數(shù)采用該平臺。該平臺是Apache開源基金會旗下的一項基于java開發(fā)的處理大數(shù)據(jù)的開源平臺。它具有成熟穩(wěn)定，分布式管理，部署方便快捷，系統(tǒng)成本低廉等特點，特別適合智慧農業(yè)大數(shù)據(jù)處理的應用。

1.2 物聯(lián)網技術

物聯(lián)網技術本質是萬物互聯(lián)，是采集底層基本數(shù)據(jù)的一項技術，其是大數(shù)據(jù)能夠得到迅猛發(fā)展的基石，同時也是智慧農業(yè)數(shù)據(jù)來源的根本。物聯(lián)網技術通俗講就是利用多種信息采集手段如射頻設備、紅外線設備、傳感器設備等獲取所要研究對象的相關數(shù)據(jù)的一種方法。在智慧農業(yè)方面我們通常會用到以下幾種方案來實時采集農作物的相關數(shù)據(jù)：

1.2.1 傳感器技術

在智慧農業(yè)領域，尤其是農作物環(huán)境數(shù)據(jù)采集方案主要采用各種傳感器技術，如溫濕度傳感器、風力傳感器、土壤濕度傳感器、土壤營養(yǎng)分析傳感器、光照傳感器等。通過各種微型物聯(lián)網傳感器可以方便快捷實時地采集農作物所需要的各類數(shù)據(jù)。

1.2.2 射頻識別技術（RFID）

該技術也稱電子標簽，其是一種近距離非接觸通信技術[4]。RFID技術在智慧農業(yè)領域主要應用在采集與農作物相關的外界信息，如種植者農戶信息、采摘信息、加工信息、運輸信息、出售信息等。通過RFID技術可以快速非接觸地獲取農產品的一系列相關數(shù)據(jù)，極大方便了后期對農產品的追蹤溯源，可以最大程度保證農產品的質量追蹤。

1.3 區(qū)塊鏈技術

區(qū)塊鏈技術作為數(shù)據(jù)安全領域的一項新技術，近幾年得到了飛速的發(fā)展，應用的場合也越來越廣泛。區(qū)塊鏈技術通過去中心化的核心算法來保證數(shù)據(jù)流通的各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的共享和安全。同時，在整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，每個節(jié)點都可以作為中心節(jié)點，且每個計算節(jié)點都是相互獨立的，這樣即使某個節(jié)點出現(xiàn)故障也能保證整個數(shù)據(jù)的安全性和完整性。同時，區(qū)塊鏈技術具有不可更改、可追蹤、可溯源、公開透明的特點[5]，而其共識機制的應用，弱化了中心化監(jiān)管機制的功能，可以從根本上解決加密系統(tǒng)內部導致的數(shù)據(jù)篡改問題，因此其非常適合智慧農業(yè)中數(shù)據(jù)加密處理。

2 現(xiàn)有數(shù)據(jù)加密技術存在的問題

基于智慧農業(yè)背景下的信息溯源系統(tǒng)[6]，可以方便地為農產品提供各個環(huán)節(jié)的所需信息。尤其在食品安全問題越來越突出的今天，消費者能夠及時準確地掌握農產品的相關信息直接關系到農產品的銷售問題，甚至影響整個產業(yè)的發(fā)展。為了更好地保護信息溯源系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的信息安全問題，各國學者提供了很多不同的解決方案，大體可分為以下幾類：

2.1 基于對稱加密技術（如DES）的信息保護方案

該方案對基礎數(shù)據(jù)可以很好地進行加密保護，并且硬件需求低，加密速度快。但是由于其無法防止加密之前進行數(shù)據(jù)篡改，且無法防止信息溯源系統(tǒng)內部合法人員對數(shù)據(jù)進行非法篡改，因此不適合智慧農業(yè)背景下的信息溯源管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的加密處理。

2.2 基于非對稱加密技術（如RSA[7]）的信息保護方案

該方案雖然加密功能強大，但是加密硬件要求高，加密速度慢，同時也無法防止信息溯源系統(tǒng)內部合法人員對數(shù)據(jù)進行非法篡改，因此也不適合信息溯源管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的加密處理。

2.3 基于分級安全策略（如RBAC）的信息保護方案[8]

該方案可以根據(jù)不同人員屬性不同分配信息處理權限，但是對高級別屬性人員同樣無法完全杜絕其非法篡改相關農產品數(shù)據(jù)，因此也不適合信息溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密處理。

雖然以上數(shù)據(jù)保護方案在一定程度上保護了智慧農業(yè)信息溯源系統(tǒng)中信息的安全性，卻都存在一定的問題。

3 基于區(qū)塊鏈的信息安全保護技術設計

為了更好地保護農產品信息溯源系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的信息安全，防止系統(tǒng)內合法人員對數(shù)據(jù)進行非授權的篡改，本文提出了一種基于區(qū)塊鏈技術的數(shù)據(jù)加密方案。具體加密流程如下：

（1）信息溯源系統(tǒng)中涉及農作物環(huán)境數(shù)據(jù)，經各種物聯(lián)網傳感器技術采集完成后，首先采用DES技術進行首輪加密，然后經無線傳輸途徑傳送到數(shù)據(jù)處理中心，此過程全程自動化運行，確保其從采集到傳輸過程中無篡改。

（2）涉及農戶數(shù)據(jù)、采集、加工、流通等數(shù)據(jù)，采用RFID技術采集相關數(shù)據(jù)，由于此類信息屬于一經采集，不能再修改信息，因此，采集完成后直接經過區(qū)塊鏈加密系統(tǒng)對相關數(shù)據(jù)進行加密處理，防止非法篡改數(shù)據(jù)。

（3）對農作物本身數(shù)據(jù)，其涉及到大量持續(xù)性數(shù)據(jù)，通過傳感器采集后先經過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行初步加工，然后經區(qū)塊鏈加密處理系統(tǒng)對該類信息進行加密處理后上傳至其他系統(tǒng)。整個加密處理系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 基于區(qū)塊鏈的智慧農業(yè)信息溯源系統(tǒng)

4 結束語

本文通過對智慧農業(yè)背景下的信息溯源系統(tǒng)中數(shù)據(jù)保護模式的分析，提出了一種在大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網技術背景下的基于區(qū)塊鏈技術的數(shù)據(jù)保護方案。通過引入物聯(lián)網技術可以方便快捷地采集農作物相關的數(shù)據(jù)；通過大數(shù)據(jù)技術對農產品信息溯源系統(tǒng)海量的數(shù)據(jù)進行快速加工處理；通過引入?yún)^(qū)塊鏈技術，對農產品信息溯源系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的相關數(shù)據(jù)進行加密處理，同時結合傳統(tǒng)經典加密技術，以此來更好地保護整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的安全及完整性，保護了信息溯源系統(tǒng)的本質。