袁鑫

（湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410006）

0 引言

金銀花具有清熱解毒與消炎退腫等功效，主要在飲料、花茶、中成花、中藥飲片等產(chǎn)品中使用。受疫情影響，作為中藥防疫用藥的金銀花的社會消費(fèi)量激增，根據(jù)天地云圖中藥產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺估算的數(shù)據(jù)，2021 年國內(nèi)金銀花產(chǎn)量達(dá)到1.61 萬t，與2020年相比增長7.33%；按照2021 年金銀花的年度均價計算，國內(nèi)金銀花市場規(guī)模約為18.75 億元，預(yù)計未來市場規(guī)模會有所縮小，但作為飲料與花茶的市場規(guī)模將持續(xù)增長。然而，市場近年來出現(xiàn)了以次充好、硫黃熏制的劣質(zhì)金銀花，主要是部分企業(yè)或農(nóng)戶貼牌、以次充好等行為擾亂了市場秩序［1］。因銷售渠道復(fù)雜，導(dǎo)致相關(guān)部門很難做到全面監(jiān)控與管理，嚴(yán)重影響了特色農(nóng)產(chǎn)品金銀花的市場競爭力與產(chǎn)品信譽(yù)度［2］。

隆回縣是湖南省典型的農(nóng)業(yè)大縣，位于北緯27°，具有四季分明、雨水充足、含硒量高等優(yōu)越的地理條件，是種植金銀花的適宜地區(qū)之一。在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，“一縣一特”金銀花產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步建成，隆回縣成為中國生產(chǎn)規(guī)模最大的原生態(tài)種植區(qū)，金銀花產(chǎn)業(yè)也形成以政府、企業(yè)、基地、合作社與用戶共同種植經(jīng)營的良好局面，正在逐步推行一些新的農(nóng)業(yè)合作模式，如“公司+農(nóng)戶”“基地+農(nóng)戶”“合作社+農(nóng)戶”［3］。這些模式推動了不同的農(nóng)業(yè)主體與農(nóng)戶進(jìn)行合作，共同發(fā)展農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，通過這些合作模式，農(nóng)戶可以獲得更多的支持和資源，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。同時，有助于促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。將優(yōu)質(zhì)金銀花產(chǎn)業(yè)鏈做大做強(qiáng)，需要更穩(wěn)定的消費(fèi)信譽(yù)，因此開發(fā)一套適合隆回縣金銀花的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)就顯得尤為重要。通過對前人的文獻(xiàn)資料進(jìn)行整理與分析，本文發(fā)現(xiàn)目前對于區(qū)塊鏈技術(shù)如何具體應(yīng)用到特色農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈及其關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)的研究較少，缺乏區(qū)塊鏈環(huán)境下特色農(nóng)產(chǎn)品電子追溯系統(tǒng)開發(fā)的深入研究，特別是針對金銀花的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)研究還是空白。本文研究應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)對金銀花的種植、加工、運(yùn)輸、倉儲到銷售的全過程進(jìn)行監(jiān)管，使產(chǎn)品信息全過程透明化，提高消費(fèi)者對所購買產(chǎn)品質(zhì)量安全的信任度，促進(jìn)市場的良性發(fā)展。

1 金銀花溯源系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

金銀花質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)包括正向追蹤與逆向溯源，正向追蹤是消費(fèi)者可以對金銀花從種植、加工、運(yùn)輸倉儲到銷售過程中的信息進(jìn)行正向的追蹤；逆向溯源是消費(fèi)者通過采購到的產(chǎn)品相關(guān)信息，查詢金銀花從供應(yīng)鏈的下游到上游的全過程中的所有質(zhì)量安全信息。目前，在金銀花質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)中，常用的關(guān)鍵技術(shù)有物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感、區(qū)塊鏈等。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是一種集成無線射頻識別、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備的系統(tǒng)。按照某種特定的需求與流程，實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸、存儲、交換和共享。視頻監(jiān)控技術(shù)和無線射頻識別技術(shù)（RFID）是物聯(lián)網(wǎng)中至關(guān)重要的技術(shù)，視頻監(jiān)控技術(shù)可以通過攝像頭和傳感器實(shí)時監(jiān)測和記錄環(huán)境中的動態(tài)信息，可用于安全監(jiān)控、行為分析和智能決策等，無線射頻識別技術(shù)利用無線電波實(shí)現(xiàn)對物體的識別和追蹤，可以用于物品的管理、追蹤和定位等。這兩種技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中扮演著重要角色，為實(shí)現(xiàn)智能化、自動化和精細(xì)化管理提供了基礎(chǔ)。金銀花從種植到銷售的各個環(huán)節(jié)，在每一個重要的節(jié)點(diǎn)設(shè)置視頻監(jiān)控，記錄各環(huán)節(jié)的重要信息，如消費(fèi)者最關(guān)心的加工過程，視頻實(shí)時記錄加工環(huán)境、人員、技術(shù)工藝等信息，讓監(jiān)管部門、企業(yè)和消費(fèi)者能夠隨時跟蹤到相關(guān)信息，最大限度地保障了金銀花加工的質(zhì)量安全。

1.2 無線傳感技術(shù)

雖然金銀花的種植對土壤質(zhì)量要求不高，但pH值在5.50～7.80 范圍內(nèi)的土壤更有利于金銀花的健康生長，所以可以通過無線土壤pH 傳感器實(shí)時檢測土壤pH 值的變化，通過無線土壤水分傳感器檢測土壤濕度的變化。通常，加工金銀花有曬干和烘干2 種主要方式。其中，烤房烘干的方式，要經(jīng)歷多次調(diào)溫，初烘時溫度控制在30～35 ℃，烘2 h 后溫度升至40 ℃左右，烘5～10 h，溫度要達(dá)到45～50 ℃，最后將溫度升至55～60 ℃，使金銀花迅速干透。因此，在金銀花加工車間安裝無線溫度傳感器實(shí)時探測烤房的溫度，能確保加工過程的有序進(jìn)行，使金銀花達(dá)到干燥標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 區(qū)塊鏈技術(shù)

相對使用傳統(tǒng)的標(biāo)簽技術(shù)、無線傳感器、RFID等方式記錄溯源信息，采用區(qū)塊鏈技術(shù)的金銀花溯源系統(tǒng)透明性和安全性更高，主要利用區(qū)塊鏈的去中心化、不可篡改、開放性、信任機(jī)制、可追溯等技術(shù)特性，讓各環(huán)節(jié)真正透明、安全與可追溯。依據(jù)不同的應(yīng)用場景與工作方式，區(qū)塊鏈一般分為公共鏈、私有鏈與聯(lián)盟鏈。公共鏈?zhǔn)峭耆行幕?，任何人都可以隨時進(jìn)入系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，因?yàn)樵L問量大，所以數(shù)據(jù)處理速度不高；私有鏈由某個企業(yè)或者機(jī)構(gòu)進(jìn)行管理，不對外開放，雖然運(yùn)行速度高，但是不適合溯源系統(tǒng)開放的需求；聯(lián)盟鏈介于公共鏈與私有鏈之間，多個有權(quán)限的機(jī)構(gòu)可以進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行管理，具有多中心化的特點(diǎn)。

2 基于區(qū)塊鏈的多鏈溯源系統(tǒng)設(shè)計

2.1 金銀花供應(yīng)鏈業(yè)務(wù)流程分析

金銀花供應(yīng)鏈包括種植、加工、運(yùn)輸、倉儲、銷售等環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的金銀花追溯系統(tǒng)通過掃描商品包裝外的二維碼，可以顯示產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品位置、產(chǎn)品規(guī)格等部分信息，但無法追溯供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的動態(tài)信息，如生產(chǎn)車間、運(yùn)輸環(huán)境的溫度、濕度等?；趨^(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的溯源系統(tǒng)可以有效改善這一問題。

金銀花供應(yīng)鏈從金銀花種植開始，種植企業(yè)在該環(huán)節(jié)中利用無線土壤pH 傳感器與無線土壤水分傳感器選擇并實(shí)時監(jiān)測土壤的pH 值與濕度值，然后選擇肥沃的土壤對金銀花進(jìn)行合理密植，在此環(huán)節(jié)中要記錄肥料批次、種植產(chǎn)品批次、種植日志及檢驗(yàn)信息等。

金銀花采收后進(jìn)入加工環(huán)節(jié)，這是保證金銀花質(zhì)量安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此環(huán)節(jié)要記錄加工產(chǎn)品批次、加工日志及檢驗(yàn)信息等，加工過程操作是否規(guī)范、加工工藝和包裝工藝等都會影響產(chǎn)品的質(zhì)量安全。不同規(guī)格的產(chǎn)品要根據(jù)劃分的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工處理，一般采用曬干和烘干兩種方式加工，通過“三無”檢測環(huán)節(jié)，完成無硫黃、無硝酸鹽、無重金屬殘留等符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品生產(chǎn)，使用符合標(biāo)準(zhǔn)的包裝材料將其包裝成商品，并附上溯源防偽二維碼。

金銀花在運(yùn)輸、倉儲與銷售環(huán)節(jié)中要注意環(huán)境的溫度、濕度等，以及是否具有通風(fēng)、除塵、消防、防蟲與防鼠害等設(shè)施，并應(yīng)利用無線溫度傳感器對溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。在金銀花溯源系統(tǒng)中，要對運(yùn)輸企業(yè)、運(yùn)輸時間、運(yùn)輸車輛等信息進(jìn)行采集。

顧客購買金銀花產(chǎn)品后，可以通過掃描產(chǎn)品包裝上的溯源防偽二維碼追溯產(chǎn)品的來源和真?zhèn)?。若銷售中出現(xiàn)質(zhì)量安全問題，銷售企業(yè)與消費(fèi)者可以雙向追溯，及時召回問題產(chǎn)品，并將問題提交至上層環(huán)節(jié)。

2.2 多鏈溯源系統(tǒng)信息與存儲設(shè)計

金銀花溯源系統(tǒng)采用Hyperledger Fabric 聯(lián)盟鏈進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)［4］。通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動采集每個環(huán)節(jié)上的數(shù)據(jù)信息，通過區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行存儲并加密。Hyperledger Fabric 是一個具備創(chuàng)建多通道能力的區(qū)塊鏈框架，它允許用戶在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建多個獨(dú)立的通道，并為每個通道創(chuàng)建獨(dú)立的交易賬本，這意味著不同的參與方可以在不同的通道上進(jìn)行交易，而這些交易將被記錄在各自的賬本中。這種設(shè)計使得Hyperledger Fabric更加靈活，因?yàn)椴煌臉I(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立地管理和維護(hù)自己的交易數(shù)據(jù)，不會相互干擾。同時，每個通道的參與方也可以更加精確地控制訪問和參與該通道的交易活動的權(quán)限，這為企業(yè)和組織提供更高的隱私和安全性?？傊?，Hyperledger Fabric 的多通道功能為區(qū)塊鏈應(yīng)用的部署和管理提供了更高的靈活性和定制性，并且為不同的溯源主體設(shè)置不同的權(quán)限，利用跨鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)各條主條鏈之間的數(shù)據(jù)共享，有效地滿足網(wǎng)絡(luò)速率、隱私保護(hù)、權(quán)限共享、可信溯源等功能需求。

從以往的研究文獻(xiàn)中可知，單鏈結(jié)構(gòu)的溯源系統(tǒng)存在存儲負(fù)荷重、并行能力弱等缺點(diǎn)，于是在金銀花溯源系統(tǒng)中引入多鏈結(jié)構(gòu)。在金銀花供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)中，需要提供4 個不同溯源服務(wù)的主體，分別為生產(chǎn)企業(yè)、上下游企業(yè)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)與消費(fèi)者，結(jié)合供應(yīng)鏈中的種植、加工、運(yùn)輸、倉儲、銷售5個環(huán)節(jié)，共同構(gòu)成溯源系統(tǒng)的存儲數(shù)據(jù)庫。針對不同溯源主體的溯源需求，設(shè)計多鏈溯源存儲架構(gòu)模型（如圖1 所示），其中隱私鏈只對生產(chǎn)企業(yè)開放，主要記錄具有企業(yè)核心且不能公開的數(shù)據(jù)信息；共享鏈對上下游企業(yè)開放，主要實(shí)現(xiàn)與上下游企業(yè)的信息對接與共享；監(jiān)管鏈對企業(yè)監(jiān)管部門或監(jiān)管機(jī)構(gòu)開放，主要向企業(yè)提供各環(huán)節(jié)的資質(zhì)與檢測報告，一旦遇到風(fēng)險或者不合格的指標(biāo)參數(shù)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)會第一時間反饋給企業(yè)，督促企業(yè)整改，為企業(yè)的規(guī)范性操作嚴(yán)格把關(guān)；溯源鏈面向消費(fèi)者和上下游企業(yè)開放，消費(fèi)者通過掃描二維碼可以直接查看購買的產(chǎn)品各環(huán)節(jié)的相關(guān)信息，解決了消費(fèi)者與產(chǎn)品生產(chǎn)者之間信息不對稱的難題［5］。

圖1 多鏈溯源存儲架構(gòu)模型

不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)由不同主體采集與管理。表1為金銀花溯源系統(tǒng)多鏈信息表。在種植、加工、倉儲、運(yùn)輸與銷售等環(huán)節(jié)，由金銀花供應(yīng)鏈上各主體提交數(shù)據(jù)。每個環(huán)節(jié)有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)表，根據(jù)溯源主體設(shè)置數(shù)據(jù)表的訪問與管理權(quán)限。金銀花溯源系統(tǒng)采用Mysql 數(shù)據(jù)庫與RocksDB 數(shù)據(jù)庫，Mysql 數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，RocksDB數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，它們在處理大量數(shù)據(jù)時，性能出色且安全可靠。結(jié)合系統(tǒng)需求，主要的數(shù)據(jù)表有企業(yè)信息表（編號、企業(yè)名稱、企業(yè)類型、企業(yè)簡介、企業(yè)資質(zhì)等），其中企業(yè)類型包括種植企業(yè)、加工企業(yè)、倉儲企業(yè)、運(yùn)輸企業(yè)與銷售企業(yè)5 種；管理員信息表（管理員編號、管理員類型、管理員姓名等），其中管理員類型包括超級系統(tǒng)管理員、本企業(yè)管理員及上下游企業(yè)管理員、監(jiān)管機(jī)構(gòu)管理員4種；產(chǎn)品信息表（產(chǎn)品編號、產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品品種等）；種植信息表（種植企業(yè)、種植品種、種植數(shù)量、種植環(huán)境等）；加工信息表（加工企業(yè)、加工規(guī)格、加工數(shù)量、加工環(huán)境等）；倉儲信息表（加工企業(yè)、倉儲位置、產(chǎn)品數(shù)量、入庫時間等）；運(yùn)輸信息表（運(yùn)輸企業(yè)、運(yùn)輸時間、運(yùn)輸工具、運(yùn)輸環(huán)境等）；銷售信息表（銷售企業(yè)、銷售時間、銷售數(shù)量、銷售環(huán)境等），以上信息表保存了金銀花的基礎(chǔ)信息，通過設(shè)置不同數(shù)據(jù)表中的主鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各表之間的關(guān)聯(lián)，隨時實(shí)現(xiàn)多鏈不同環(huán)節(jié)的信息采集、共享、交換與管理。

表1 金銀花溯源系統(tǒng)多鏈信息表

2.3 多鏈溯源系統(tǒng)總體框架設(shè)計

在區(qū)塊鏈的6層架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合金銀花供應(yīng)鏈過程設(shè)計金銀花溯源系統(tǒng)總體框架（如圖2所示）。根據(jù)功能的不同劃分為數(shù)據(jù)采集層、存儲層、網(wǎng)絡(luò)層、合約層、接口層與應(yīng)用層。

圖2 金銀花溯源系統(tǒng)總體框架

數(shù)據(jù)采集層通過視頻設(shè)備、傳感設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)采集設(shè)備采集鏈下供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的靜態(tài)和動態(tài)信息，確保上鏈數(shù)據(jù)的真實(shí)性，通過數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析等一系列操作完成數(shù)據(jù)處理。

存儲層由數(shù)據(jù)庫、IPFS 文件系統(tǒng)協(xié)議和區(qū)塊鏈共同組成，其中本地數(shù)據(jù)庫用來存儲共享數(shù)據(jù)，企業(yè)被保護(hù)的隱私數(shù)據(jù)就存儲在本地數(shù)據(jù)庫；IPFS 文件系統(tǒng)中存儲通過Merkle（哈希樹）驗(yàn)證數(shù)據(jù)內(nèi)容的有效性與安全性，保障區(qū)塊數(shù)據(jù)的完整性；分布式賬本中每個節(jié)點(diǎn)都有與中心賬本相同的賬本副本，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)的去中心化與透明化，以確保數(shù)據(jù)在每個環(huán)節(jié)不被篡改。

網(wǎng)絡(luò)層主要包括P2P（對等網(wǎng)絡(luò)）、POS（以太坊的權(quán)益證明）等共識機(jī)制與智能合約［7］。在共識機(jī)制下，每個節(jié)點(diǎn)在交易集達(dá)成共識后，按照順序驗(yàn)證使用交易集中的每一筆交易，最終得到一個狀態(tài)樹根哈希，并結(jié)合區(qū)塊號與時間戳等構(gòu)建區(qū)塊頭信息，根據(jù)每個節(jié)點(diǎn)對新區(qū)塊的投票結(jié)果判斷是否驗(yàn)證通過［8］。

合約層中智能合約建立數(shù)字身份和進(jìn)行身份驗(yàn)證，在分布式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理時，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備之間的自動交互；在供應(yīng)鏈管理時，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的自動化與透明化，確保信息的公正度、有效性與可追溯。

接口層提供多種協(xié)議的RPC（遠(yuǎn)程過程調(diào)用）接口、SDK（軟件開發(fā)工具包）和交互式控制臺，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈鏈上、鏈下數(shù)據(jù)的查詢、上傳、共享、驗(yàn)證、加密等功能。

應(yīng)用層為實(shí)際使用的消費(fèi)者、企業(yè)或機(jī)構(gòu)提供服務(wù)，主要包括監(jiān)管機(jī)構(gòu)、消費(fèi)者與供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)企業(yè)等，用戶借助電腦或移動終端可以查詢自身權(quán)限范圍內(nèi)的功能和服務(wù)。

3 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)單鏈溯源系統(tǒng)存儲負(fù)荷重、并行能力弱等問題，提出了多鏈溯源信息與存儲設(shè)計，基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時采集與區(qū)塊鏈技術(shù)的金銀花溯源系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)安全可靠且不可被篡改，接口層具有可拓展性，在金銀花供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)中采集并存儲數(shù)據(jù)信息，能追溯到相應(yīng)環(huán)節(jié)的企業(yè)，及時召回有問題的產(chǎn)品。在設(shè)計完成后，下一步將進(jìn)入系統(tǒng)應(yīng)用階段，主要包括施工和運(yùn)維的二次開發(fā)，確保金銀花產(chǎn)品在產(chǎn)業(yè)鏈全過程的質(zhì)量安全。