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        基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的溯源系統(tǒng)研究

        2023-12-31 00:00:00馮明卿袁帥易焱華
        電腦迷 2023年16期

        【摘" 要】 該研究將物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)用于農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng),以提升系統(tǒng)的效率可信度。通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集,結(jié)合區(qū)塊鏈的不可篡改和去中心化特性,使用DAG和Fabric-CA技術(shù)提高區(qū)塊鏈的效率,應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)養(yǎng)殖管理、商品包裝管理、運(yùn)輸倉儲(chǔ)管理、批發(fā)零售管理等業(yè)務(wù)中。本研究有效解決了傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)中的信息錄入錯(cuò)誤、不及時(shí)和人工錄入隱瞞信息等問題,提高了溯源系統(tǒng)的效率,并節(jié)省了成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品信息的可信度和透明度,提高食品安全水平,并為消費(fèi)者提供更加可靠的選擇依據(jù)。

        【關(guān)鍵詞】 農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng);區(qū)塊鏈

        農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題是當(dāng)前備受關(guān)注的社會(huì)難題。目前,我國大部分蔬菜供應(yīng)鏈仍依賴人工作業(yè),導(dǎo)致信息反饋不暢、難以掌控和窩工現(xiàn)象的頻繁發(fā)生。同時(shí),財(cái)務(wù)和車輛等方面的管理也存在大量的人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)問題,建立農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)尤為重要。溯源系統(tǒng)能夠記錄農(nóng)產(chǎn)品的相關(guān)信息,讓消費(fèi)者放心食用,并追溯生產(chǎn)地點(diǎn)和加工環(huán)節(jié),有助于質(zhì)量控制和食品安全。通過優(yōu)化供應(yīng)鏈和引入自動(dòng)化管理,可以提高效率和質(zhì)量。此外,溯源系統(tǒng)提供更多透明度和可追溯性,幫助消費(fèi)者選擇安全健康的產(chǎn)品。因而,建立農(nóng)產(chǎn)品溯源操作系統(tǒng)是處理質(zhì)量安全問題重要舉措,促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展并維護(hù)人類身心健康。

        一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溯源系統(tǒng)中的運(yùn)用

        物聯(lián)網(wǎng)是根據(jù)物品編碼、RFID技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng),將某一總體目標(biāo)物件與互聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)相連接,它是一個(gè)信息交換、通信系統(tǒng)處理信息系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和追蹤。

        實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過在農(nóng)田、溫室或養(yǎng)殖場等地部署傳感器和設(shè)備,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤濕度、溫度、光照等環(huán)境參數(shù)以及農(nóng)作物或畜禽的生長情況。這些信息能通過物聯(lián)網(wǎng)傳送到云平臺(tái),供農(nóng)民和有關(guān)管理人員隨時(shí)查看與分析,及時(shí)解決問題并采取相應(yīng)措施。

        實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集和追蹤。通過在運(yùn)輸車輛、倉庫和銷售點(diǎn)等地部署傳感器和標(biāo)簽,可以實(shí)時(shí)采集農(nóng)產(chǎn)品的溫度、濕度、位置等信息。這些數(shù)據(jù)可通過物聯(lián)網(wǎng)連接到云平臺(tái),形成完整的農(nóng)產(chǎn)品流通數(shù)據(jù)鏈條,方便追溯產(chǎn)品的來源和流通情況。

        實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和安全的監(jiān)控。通過在農(nóng)產(chǎn)品包裝或標(biāo)簽上嵌入傳感器和標(biāo)識(shí)碼,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測產(chǎn)品的溫度、濕度、震動(dòng)等參數(shù),以及產(chǎn)品的防偽和溯源信息。用戶可以根據(jù)掃描儀標(biāo)識(shí)碼或使用手機(jī)應(yīng)用程序,獲得產(chǎn)品的詳細(xì)信息,包含生產(chǎn)制造地址、生產(chǎn)過程、質(zhì)量檢測等,保證產(chǎn)品質(zhì)量以及安全系數(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和追蹤的解決方案。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)連接和信息共享,能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)與流通環(huán)節(jié)信息化智能化,提升產(chǎn)品質(zhì)量和安全性,達(dá)到消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的要求。

        二、區(qū)塊鏈技術(shù)在溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用

        區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N數(shù)據(jù)分布式賬本,根據(jù)加密算法和存儲(chǔ)技術(shù)等搭建,確保所記錄的買賣交易的完整性和真實(shí)性。區(qū)塊鏈技術(shù)中數(shù)據(jù)要以去中心化的分布式存儲(chǔ)方法保存,區(qū)塊鏈技術(shù)具備防篡改性、交易可追溯性、交易私密性等優(yōu)點(diǎn)。區(qū)塊鏈應(yīng)用能夠確保鏈上數(shù)據(jù)的防篡改和可追溯性,因而在商品從研發(fā)到商品流通的過程中可以實(shí)現(xiàn)詳細(xì)信息記錄,為監(jiān)督機(jī)構(gòu)提供產(chǎn)品全方位數(shù)據(jù)信息,使之能夠更有效地進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)及數(shù)據(jù)互連互享。區(qū)塊鏈技術(shù)在溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用,可以提高其安全性、透明性和可信度,如在農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中應(yīng)用。

        確保農(nóng)產(chǎn)品信息的安全性。每一筆交易和信息都被記錄在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中,由多個(gè)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證和存儲(chǔ),使得數(shù)據(jù)不易被篡改或刪除。這種安全性保障可以有效防止信息的偽造、篡改或丟失,確保溯源信息的準(zhǔn)確性和可靠性。

        提供農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的透明性。全部參與者都可以在區(qū)塊鏈上查詢和測試相關(guān)信息,包含生產(chǎn)制造地址、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)等。由于區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)共享和透明,消費(fèi)者可以追溯農(nóng)產(chǎn)品的整個(gè)流通過程,確保產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。

        增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的可信度。由于區(qū)塊鏈的去中心化特性,沒有單一的機(jī)構(gòu)或個(gè)人能夠操縱數(shù)據(jù)或控制信息流。所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過多個(gè)節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證和共識(shí),提高了信息的可信度和合法性。這種體制能夠減少信息造假和欺詐個(gè)人行為,提升消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的信任度。

        區(qū)塊鏈技術(shù)為農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)軟件帶來了安全性、透明和可信的解決方案。根據(jù)利用區(qū)塊鏈技術(shù)的特性,保證農(nóng)產(chǎn)品信息的真實(shí)性和完整性,為消費(fèi)者挑選安全系數(shù)高、健康的生活農(nóng)業(yè)產(chǎn)品,推動(dòng)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

        三、物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈

        物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的海量接入,建設(shè)高性能可擴(kuò)展性的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),并使用物聯(lián)網(wǎng)的各類傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的數(shù)據(jù)采集。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總數(shù)快速增加,對(duì)服務(wù)的需求也在不斷增加,傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)方式面臨著很大的挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈技術(shù)的核心是分布式計(jì)算,及其分布式計(jì)算條件下的群體可信協(xié)作體制。區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式計(jì)算和人群可靠協(xié)作體制,為了解決物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所面臨的可擴(kuò)展性、協(xié)作能力、信任感與安全防護(hù)等方面考驗(yàn)帶來了全新的思路和解決方法。

        使用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái),可“去中心化”地將各類物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、能力系統(tǒng)、應(yīng)用及服務(wù)等有效連接融合,促進(jìn)其相互協(xié)作,降低成本的同時(shí),最大限度地滿足信任建立、交易加速、海量連接等需求。使用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺(tái),被稱為物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈(BoT),它支持物聯(lián)網(wǎng)實(shí)體在“去中心化”的模式下相互協(xié)作。區(qū)塊鏈技術(shù)在算法和共識(shí)機(jī)制上合理解決了各連接點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)效性與真實(shí)性,規(guī)范了傳統(tǒng)式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)追溯的缺點(diǎn),確保上線信息的真實(shí)性和完好性。在以太網(wǎng)覆蓋下,通過識(shí)別RFID標(biāo)簽,將農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、流通、零售全程數(shù)據(jù)發(fā)送至追溯中心進(jìn)行上鏈,完成農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈多方數(shù)據(jù)協(xié)同記錄,實(shí)現(xiàn)原產(chǎn)地追溯與跨境追溯。采用RFID標(biāo)簽,將產(chǎn)品從生產(chǎn)到銷售各環(huán)節(jié)的每筆交易信息以區(qū)塊鏈賬本形式完整儲(chǔ)存于各區(qū)塊中,區(qū)塊之間通過散列值鏈接,實(shí)現(xiàn)多主體的多點(diǎn)同時(shí)記賬。

        區(qū)塊鏈因其“不可篡改”“共識(shí)機(jī)制”和“去中心化”等特點(diǎn),對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生了重要的影響。這種危害包含減少去中心化架構(gòu)高額運(yùn)維成本費(fèi)、維護(hù)客戶數(shù)據(jù)和個(gè)人隱私、保證系統(tǒng)安全性、完成數(shù)據(jù)追本溯源及其推動(dòng)網(wǎng)間協(xié)作。根據(jù)真實(shí)身份權(quán)限管理和多方面共識(shí),可以檢測并阻攔違法節(jié)點(diǎn)接入,避免惡意節(jié)點(diǎn)的作惡。與此同時(shí),區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式架構(gòu)和行為主體對(duì)等的特征有利于擺脫信息荒島,以成本低創(chuàng)建互信,推動(dòng)信息的縱向移動(dòng)和網(wǎng)間合作。

        四、溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        (一)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用,使用Hyperledger Fabric聯(lián)盟鏈技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)技術(shù)與MQTT物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議,構(gòu)建平臺(tái)總體技術(shù)架構(gòu),通過Hyperledger Fabric構(gòu)建基礎(chǔ)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),并對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)時(shí)監(jiān)控物資存儲(chǔ),確保物資出入庫的安全。加強(qiáng)物資監(jiān)管,減少和杜絕非法流出。使用標(biāo)簽識(shí)別技術(shù),提高物資識(shí)別的準(zhǔn)確性,減少人為錯(cuò)誤,提高庫存準(zhǔn)確率,完成合理庫存管理和控制,快速、高效地流轉(zhuǎn)物資,提供物資歷史和現(xiàn)階段事務(wù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表,為決策者提供精確信息,記錄物資管理員的工作時(shí)間,把握他的工作效率,增強(qiáng)對(duì)他們的管理方法,將物資單據(jù)的紙質(zhì)信息轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù),簡化查詢步驟,提高查詢速度。

        區(qū)塊鏈技術(shù)能夠支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的拓展,構(gòu)建高效率、安全分布式物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng),并構(gòu)建數(shù)據(jù)信息密集型運(yùn)用。它帶來了信任機(jī)制,確保所有權(quán)、交易等記載的可信性、可靠性和透明性,與此同時(shí),維護(hù)用戶隱私。這種改進(jìn)有助于推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)向更為靈活化、智能化最高級(jí)的形狀演進(jìn)。

        (二)系統(tǒng)架構(gòu)

        系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù),構(gòu)建了一個(gè)結(jié)合感應(yīng)器收集、無線傳輸、Web運(yùn)用和二維碼等新技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為四個(gè)層次:

        物理層:利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),根據(jù)感應(yīng)器收集農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)信息,包含生長發(fā)育環(huán)境、生產(chǎn)制造環(huán)境運(yùn)輸環(huán)境的信息。生長自然環(huán)境數(shù)據(jù)包括溫度、環(huán)境濕度、光照和生長日期等,工作環(huán)境數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)過程生產(chǎn)日期等,運(yùn)輸自然環(huán)境數(shù)據(jù)包括運(yùn)輸?shù)刂?、方式等?/p>

        數(shù)據(jù)存放層:選用區(qū)塊鏈技術(shù),將數(shù)據(jù)以鏈?zhǔn)酱娣诺男问竭M(jìn)行存放,對(duì)溯源數(shù)據(jù)開展高效管理,保證數(shù)據(jù)的安全性。如下圖1所顯示,該系統(tǒng)區(qū)塊鏈區(qū)塊信息包括區(qū)塊頭部和區(qū)塊體,區(qū)塊頭由區(qū)塊hash值、時(shí)間格式、Merkle樹桿、難度系數(shù)總體目標(biāo)等信息,區(qū)塊行為主體包含數(shù)據(jù)交易的信息類型、哈希函數(shù)、密匙等信息和溯源系統(tǒng)的信息,根據(jù)無線傳感器收集到的農(nóng)產(chǎn)品田地、溫室大棚或養(yǎng)殖場農(nóng)產(chǎn)品生長發(fā)育信息、制造廠包裝加工信息、貨運(yùn)物流中運(yùn)送存儲(chǔ)等信息。

        數(shù)據(jù)傳輸層:數(shù)據(jù)傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信,通過使用RFID掃描儀或NFC讀卡器將產(chǎn)品編號(hào)等溯源信息廣播在DAG(Directed Acyclic Graph)中。DAG即有向無環(huán)圖,DAG的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)單元的寫入操作是異步的,大量的客戶端可以獨(dú)立、異步地將交易數(shù)據(jù)寫入DAG,DAG結(jié)構(gòu)下區(qū)塊的區(qū)塊頭可以包含多個(gè)區(qū)塊的哈希值,指向不同的前代區(qū)塊,單位時(shí)間內(nèi)打包的交易變多。根據(jù)使用DAG作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ),解決了傳統(tǒng)區(qū)塊鏈的高并發(fā)難題,并提高了容量的速度和。以最低的成本開展擴(kuò)展,應(yīng)用好幾條DAG作為存放,維護(hù)真正交易信息和敏感數(shù)據(jù)。單條聯(lián)盟鏈作為核心,給予公布溯源數(shù)據(jù)信息上弦,及其智能合約高效運(yùn)行Fabric-CA申請注冊組員作用。Fabric-CA技術(shù)性提供了可插拔的架構(gòu)設(shè)計(jì),適用的共識(shí)、權(quán)限設(shè)置、加解密和賬簿體制控制模塊,同時(shí)具有多通道特性完成數(shù)據(jù)隔離,還提供身份證件書管理服務(wù),提高了可靠性和可擴(kuò)展性。

        數(shù)據(jù)展示層:利用二維碼技術(shù)向客戶展示有序、合理的溯源信息。二維碼具備多種多樣編號(hào)種類和大容量信息特征,能夠展現(xiàn)產(chǎn)品名稱、產(chǎn)地、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、生存環(huán)境等信息。此外,二維碼還可以編碼圖片、文字鏈接等相關(guān)信息,提升溯源系統(tǒng)的多樣性。結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)和加密手段,進(jìn)一步保障農(nóng)產(chǎn)品的安全性。

        五、結(jié)語

        物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈技術(shù)有助于處理與農(nóng)業(yè)農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)的痛點(diǎn)。一方面,主要是通過物聯(lián)網(wǎng)提高農(nóng)牧業(yè)效率,連接孤立產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié),造就增量使用價(jià)值。另一方面,依托區(qū)塊鏈技術(shù)連接農(nóng)牧業(yè)數(shù)據(jù)創(chuàng)新要素,創(chuàng)建全程信用監(jiān)管管理體系,引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食品市場領(lǐng)域內(nèi)的革命性更新。這項(xiàng)技術(shù)融合發(fā)揮了物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的優(yōu)勢,完成了物件信息的全面掌握和信息可信。

        在二維碼和RFID技術(shù)基礎(chǔ)上引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù),用于產(chǎn)品溯源系統(tǒng),確保產(chǎn)品任何環(huán)節(jié)的問題都可追溯,并提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。它通過物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測、采集、儲(chǔ)存區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù),提高溯源效率,節(jié)省了人工記錄和監(jiān)管成本。

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