基于5G-IoT和区块链的农产品供应链溯源平台研究
摘 要：可追溯性在农产品质量和安全管理中起着至关重要的作用，基于物联网(IoT)的农产品溯源系统为农产品的质量监控和信息追溯提供了可行的解决方案。但是，目前IoT下的农产品溯源系统信息传输效率低、实时性差，而且大多数依赖于集中式服务器-客户端的模式，使得消费者很难获取准确的交易信息并跟踪农产品的来源。因此，文章设计了基于区块链的5G-IoT农产品溯源平台。将5G技术应用于IoT农产品溯源，可以有效地解决IoT系统产生的海量数据实时传输慢的问题;区块链可以保证信息不可篡改，其中联盟区块链具有较强的可控性，非常适用于多种责任主体的农产品溯源系统。文章首先介绍了当前农产品供应链溯源的环节和存在的问题，然后基于5G-IoT对农产品溯源系统，设计了基于联盟链的5G-IoT农产品溯源平台。研究结果证明了该平台能够提高农产品信息溯源的效率，为从业人员、管理人员和消费者提供真实、可靠的农产品信息，并对改善农产品的可持续质量管理具有积极作用。
本文源自网络空间安全 2020年11期《网络空间安全》(国际统一刊号：ISSN 2096-2282;国内统一刊号：CN 10-1421/TP)期刊创刊于2010 年，由中华人民共和国工业和信息化部主管，中国电子信息产业发展研究院、赛迪工业和信息化研究院主办，是集学术性、技术性、专业性和权威性为一体的国家级学术期刊。
关键词：农产品溯源;IoT系统;5G;区块链
1 引言
对农产品信息进行溯源有助于农产品供应链的可持续性管理[1]，同時可以提高农产品链的安全性和可靠性，增加消费者对农产品的信任度和购买意愿。厂家、商家、消费者和监管部门都需要全面了解农产品的生命周期，以确保农产品的安全、可持续和高质量[2]。农产品供应链中，数据的实时传输和信息防篡改问题对于农产品溯源至关重要，也已成为农业领域需要紧迫解决的问题。5G具有系统容量大、数据传输速率高、延迟少的优势;另外，还允许大规模的设备连接，为大量传感数据的实时传输提供了可能。区块链技术被认为是一种有前景的技术，可以帮助建立安全和共享的信任机制，农产品供应链中没有任何一方可以更改现有信息，为农产品信息溯源和防篡改提供了保障[3]。
本文首先介绍了农产品供应链及其在信息溯源方面存在的问题，然后利用5G的技术设计了基于5G-IoT的农产品溯源系统，接着介绍了区块链在农产品溯源中的优势，并通过对区块链技术进行选型，设计了基于联盟链的5G-IoT农产品溯源平台，帮助消费者和管理人员快速和实时查询供应链上的农产品信息，提高溯源效率，更好地提高农产品信息的真实性和共享性，保证农产品的质量与安全。
2 农产品供应链溯源概述
农产品供应链的分布广泛，涉及许多不同的主体，例如原料供应商、生产加工者、运输公司、批发商和零售商等，终端是消费者，中间还会涉及到政府等监管部门。农产品供应的主要阶段如图1所示，分为五个阶段，分别是生产、加工、分销、零售和消费。
(1)生产：是指农户进行种植养殖作业，为农产品加工商提供粮食、蔬菜和肉类等原料。
(2)加工：将一种或几种主、副农产品制成各种食品或其他用品，随后进入包装阶段，每个包装都通过一个生产批处理码进行唯一标识，包含生产日期和所用原材料清单等信息。
(3)分销：包装并贴有标签的农产品在分销阶段发布。不同农产品交货时间范围不同，并且会有不同的存储步骤。
(4)零售：在分销结束时，将农产品交付给执行农产品销售的零售商。
(5)消费：链的最终用户是消费者，他们购买产品，并对产品质量提出要求，如生产日期、生产方法、原材料等可追溯信息。
目前，农产品供应链溯源系统通过物联网(IoT)应用于农产品供应链体系，可以实现对农产品的位置跟踪、来源追溯、实现信息共享，还可以对农产品整个流通过程进行状态监控。但是，受传统IoT技术的限制，目前基于IoT的农产品溯源系统存在明显不足。
(1)数据存储容量不足。随着农产品供应链中的数字化程度越来越高，IoT系统中上传和下载的数据量越来越大，海量数据使IoT系统的存储容量受到限制，系统容易出现卡顿问题，网络的稳定性也受到影响。
(2)数据传输效率低。农产品信息要想通过网络实时准确传递出去，需要稳定高效的网络传输支持，当供应链中间环节较多或数据量过大时，受通信技术的限制，必然造成数据传输效率低的问题。
(3)中心化系统数据安全性低。IoT系统管理农产品供应链信息，普遍采用的是中心化管理方式，数据库中存储的数据能够人为进行篡改，数据的可靠性和安全性无法保证，而且存在信息不对称的现象，导致责任主体难以确定。
(4)多主体信息共享难实现。农产品供应链中多个企业在各环节之间的信息对接过程十分冗杂，信息流动不畅导致供应链上的各节点难以第一时间掌握相关情况，影响供应链信息传递效率。传统统溯源系统难以建立多方共同信任体系和隐私保护体系，物流信息在共享过程中容易被泄露，信息孤岛现象严重，同时多方的供应链溯源系统也存在被攻击、侵入、信息篡改的风险。
以上问题使企业无法对市场需求进行实时、准确地预测，消费者难以查询到购买的农产品的真实源头信息，同时监管部门也无法实现对农产品市场的实时监控。因此，实现农产品溯源要保证系统存储量大，数据传输效率高，还要确保数据在传输过程中的真实性和不可篡改，并实现供应链多主体间的信息共享。
3 基于5G-IoT的农产品溯源
3.1 5G技术应用于IoT系统
5G作为新一代移动通信技术，是一个多业务技术融合的网络，能够实现随时、随地、万物互联，以其特有的优势助力各个行业发展。5G通信技术具有三大特点。
(1)超大容量。与4G通信技术相比较，5G的数据信息承载量高出1，000倍，即便在网络拥堵的环境下，也可以满足大量IoT系统设备的需求。
(2)超高传输速率。5G数据流量传输速度极快，峰值速率的下行可以达到20Gbit/s，上行速率可以达到10Gbit/，是4G速率的20倍，能够保障信息长时间传送在一个高速率的状态下。
(3)超低时延。5G网络技术提出了全光网来降低空中传输时延，利用新型多址技术节省调度开销，通过网络切片来减少转发节点，实现超低时延通信。
将5G技术作为大体量传感器数据的传输媒介应用于IoT系统，可以有效解决系统存储容量不足和数据传输效率低的问题，信息交换更加迅速高效，实时、精准地将需求数据反馈到系统中。基于5G的IoT系统分为感知层、网络层和应用层三个层次，如图2所示。
感知层可以用来识别物体，采集物体信息，感知设备包括各种传感器、RFID以及图像视频采集设备等[4]，根据工作环境的不同，可以利用不同的感知设备搭建相应的传感器网。
网络层主要由局域网、互联网、有线无线通讯网组成，负责感知层采集的信息的传递。5G-IoT是将网络层替换为5G通讯网络，让传感器于终端服务器间的信息交流更加迅速高效。
应用层面向的是平台用户，主要指的是网络层与用户之间的接口，可以应用于各个行业，如农业、交通、医疗等。
3.2 基于5G-IoT的农产品溯源系统
农产品供应链上各个环节的原始数据及相关交易数据均通过IoT系统中的感知设备进行获取。生产商需要提供原料信息，如果订单较多，信息在由服务器传输到应用端就会产生超体量数据和较大时延;加工阶段信息量大，农产品的状态信息需要稳定高效传输，随着市场扩大必定要留有技术空间以应对服务提升裕量;物流信息在整个链中都要进行及时传递，当供应链中间环节较多时必然造成数据量膨胀。
基于5G-IoT的農产品溯源系统涉及了农产品供应的全部环节，在各个环节上的原始数据及其相关交易数据均通过传感器进行获取，组成实时数据采集网，从而实现数据的迅速采集及供应链信息的实时监控，基于5G-IoT的农产品溯源系统结构如图3所示。
5G超大容量、超高传输速率及超低时延的特性，使IoT系统中海量数据的处理与实时传输成为了可能，系统建设成本大大降低，各责任主体可以根据信息迅速做出相应的对策，最终得到更加精准、科学的管理，消费者和监管部门可以及时获知农产品供应链上的全信息，便于对农产品进行信息追溯和对企业实时监督。
4 基于区块链的5G-IoT农产品溯源平台
4.1 区块链在农产品溯源中的优势
由于5G只是通信技术，其本质并不能保证数据的真实性与共享性。区块链是分布式数据存储、对等传输、共识机制、加密算法和其他信息技术的创新应用[5]，能够解决农产品在生产、分销、物流、监管中存在的信息不对称问题，提高整个产业链上信息的共享性。区块链在农产品溯源中的优势具体体现在四个方面。
(1)确保记录信息不可篡改。通过在生产厂商、经销商、物流商、零售商、政府监管机构等责任主体建立网络节点将产品的原料、生产加工、存储、物流、销售等信息存储在区块链网络中，信息上链后会自动同步到各方节点，无法单方面篡改，保障源头信息的真实性。
(2)实现全程信息共享。全链条的信息通过分布式账本进行维护，共同监督;各环节之间信息共享，上下游企业之间及时了解整体状态，便于快速做出决策;将全流程的信息以可视化的方式传递给消费者，提升消费者对农产品品质的信任。
(3)联通各个主体提升效率。通过商品统一的身份标识，将全流程信息进行记录、传递、核验、分析，保证了数据的联通性、一致性、完整性和价值度，解决各企业之间信息孤岛的问题，提升农产品整体的流转效率。
(4)助力政府部门实现有效监管。通过区块链网络的信息同步，监管部门可以作为其中一个节点加入到整个网络当中，快速实现信息监管。在发现问题时，快速定位问题来源，实现来源可查，去向可追，责任可究。
综上所述，利用区块链技术的去中心化、共识机制、不可篡改、信息可追溯等特点，可以有效地解决农产品溯源中信息真实性与共享性的问题，为消费者提供及时的农产品质量安全追溯查询服务，为农业部门提供有效的农产品质量安全监督管理机制和手段。
4.2 区块链的技术选型
联盟链是部分去中心化的区块链，由某个机构或组织管理，只有盟内成员达成共识，才可对数据进行修改。与公有链相比，联盟链具有较强的可控性，交易时具有固定的节点数量，因此处理速度更快，数据安全性高，适用于对动态数据的存储、管理和监控。农产品的供应链较长，对其进行全流程溯源，会涉及到多种类型的利益相关方，这些参与主体上链时均需要进行身份认证，同时方便政府主管部门进行监管，因此需要中心节点[6]。联盟链的特点使其完全可以满足以上需求，因此本文采用联盟链技术架构进行农产品溯源。
Hyperledger Fabric是专门为提高企业之间、企业与政府之间信息流通效率而创建的，它服务于联盟团体，属于联盟链的一种。Hyperledger Fabric可以在原有框架的基础上增加功能模块，从而减少模块修改、升级带来的影响，方便实现区块链应用系统的开发和部署，这种高度模块化架构非常适用于多个机构或组织的部署，充分满足农产品溯源平台的多角色业务需求。因此，选择Hyperledger Fabric作为区块链技术平台对本系统方案进行设计，其基本架构如图4所示。
Hyperledger里主要有应用客户端、排序服务、Peer节点三种服务器角色。应用客户端是将终端用户的交易请求发送到区块链网络。排序服务是接受交易信息，将其排序后打包生成区块，放入区块链，最后將结果返回。Peer负责维护区块链账本，主要是背书和记账服务，背书是对客户端提交的每笔交易进行验证并签名，记账则是将排序节点打包好的区块记录下来。会员服务主要负责其他节点的授权认证，联盟链由加盟企业的服务器进行区块打包与存储，这些服务器必须经过授权认证才能被接纳到联盟链网络中。
4.3 基于联盟链的5G-IoT农产品溯源平台
通过采用5G-IoT和联盟链技术来实现农产品信息追溯和品质保障，可以有效地解决农产品溯源的痛点问题。IoT系统中的传感器采集整个农产品供应链中的信息，保证数据的实时和准确;5G网络“大连接”“广覆盖”和“低功耗”的特点有助于实现数据的实时与精准传输;联盟链技术建立的溯源平台确保信息的不可篡改和可控性。
本文提出了基于联盟链的5G-IoT农产品溯源平台，如图5所示。该平台在保证数据实时、完整传输的同时，能够提高整个农产品溯源过程中交易数据的真实性与安全性。
基于联盟链的5G-IoT农产品溯源平台包括五部分。
(1)Hyperledger Fabric底层平台：负责农产品溯源的具体实现。其中包括：1)在区块链上进行注册、身份验证、签发数据证书，使用到Fabric的成员管理;2)编写链码(智能合约)运行Ddockor中，供客户端通过SDK调用发起交易确认;3)平台底层是P2P网络，将为各接入第三方建立Peer节点形成分布式账本;4)区块链形成后存储了包含各节点的农产品来源信息，当前端发起查询后，区块链溯源平台通过API或SDK方式返回查询结果。
(2)农产品溯源服务平台：提供整个平台的后台管理和前台展示功能。后台功能包括接入平台各成员管理、农产品其它流通数据接入与存储、系统管理等，前台展示包括第三方会员注册在内的各类页面、查询页面等。
(3)农产品溯源信息可视化平台：可以对系统内的所有信息进行查看，包括联盟链中各节点的运行情况、农产品溯源结果等。
(4)第三方系统接入：通过5G网络接口对接生产者、加工商、分销商、零售商各方系统，接受各方在溯源平台的注册、上传数据信息。各节点的信息主要包括：1)生产信息：记录农作物种植过程，包括种子、农药、肥料使用情况以及所采用的耕作方式、土壤水分等，可能会添加季节天气、耕作和收获时间等信息;2)加工信息：记录有关工厂及使用设备、原料加工方法、厂商信息、批号等信息，记录与供应商、分销商和配送方之间的交易数据;3)配送与分销信息：运输的详细信息，包括运输轨迹、存储条件(例如温度、湿度)、运输方法、配送日期等。分销商之间的所有交易以及最终收件人(即零售商)都记录在区块链上;4)零售信息：有关零售商及每种售卖产品的详细信息，如当前质量和数量、有效期、存储条件和在货架上花费的时间均存储在链上。
(5)监管平台：监管部门对平台中部署的容器、各类服务、消息传递进行监控和维护。
农产品经过以上阶段后，最终到达消费者手中，消费者可以使用手机端APP或小程序扫描农产品的二维码，详细了解与农产品相关联的信息，并且可以从生产供应商那里购买，对发生的产品质量问题能够及时并有效追溯其发生原因并反馈监管部门处理结果，有利于对农产品质量的监管。
5 结束语
通过5G-IoT技术可以实现对农产品从产地到消费使用全过程的信息追踪、动态监测、风险预警、应急处理和直销直采等多方位的管理服务。联盟链技术打通了农产品从产地到消费者的各环节信息采集，让全链路信息实现了防篡改、标准统一和高效率交换。本文设计的基于联盟链的5G-IoT农产品溯源平台可以全程追溯产品信息，实现农产品的真伪立辨，同时方便监管部门对农产品流程中不合规的信息进行监测，确保了农产品流通过程中的质量安全。
参考文献
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