CN111178903A - 基于区块链的温室产品溯源系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于区块链的温室产品溯源系统与方法，溯源系统包括数据采集单元，用于采集植物生长数据、生产者信息、物流数据和检疫数据，并将数据发送给数据预处理单元；数据预处理单元对数据采集单元采集到的数据进行预处理生成交易信息；数据处理单元定时集中处理交易信息生成区块，向区块链上添加新区块，并提供区块链管理接口；数据应用单元与数据处理单元的区块链管理接口进行交互，提供区块链的WEB管理网站，用户可以通过微信公众号扫描二维码对温室产品溯源。本发明解决了传统的温室测控技术无法为温室产品数据提供安全保障的问题。

Description

基于区块链的温室产品溯源系统与方法

技术领域

本发明属于农产品溯源领域，涉及区块链技术应用，特别涉及一种基于区块链的温室产品溯源系统与方法。

背景技术

伴随着经济的高速发展，人们的餐桌上的选择不再局限于时令的瓜果蔬菜，这归功于温室大棚的日益普及。虽然现在的温室大棚的普及度很高，但是无法进行大面积推广，形成较大规模；管理方式复杂，运营成本对于温室管理者来说过高；数据采集后直接存放到中心服务器磁盘中，数据可篡改，无法确保数据来源的安全可靠；数据来源单一，无法对产品从生产到出售整个过程进行跟踪；数据查询缓慢，大量用户短时间内集中查询会明显降低查询速度。现有技术能够实时获取大棚环境参数并保存，进而监控温室大棚产品的生长阶段，却无法收集到温室产品的生长、物流和检疫过程中产生的数据，因而无法建立完备的数据溯源的信用体系。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于区块链的温室产品溯源系统与方法，使得温室产品生长、物流和检疫过程的信息公开透明、不可篡改，且用户通过微信公众号扫描产品二维码获取温室产品溯源信息。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。

基于区块链的温室产品溯源系统，包括数据采集单元、数据预处理单元、数据处理单元以及数据应用单元，所述数据采集单元采集温室植物产品数据，并发送给数据预处理单元，数据预处理单元将采集的数据生成交易信息，并保存交易信息和采集的数据，数据处理单元生成区块链，并保存到redis数据库中；数据应用单元与数据处理单元通信，进行产品溯源。

优选地，所述交易信息的生成过程为：数据预处理单元判断温室产品是否生成公私钥，若没有生成，则利用非对称性加密算法生成产品唯一的公钥和私钥；然后通过Hash算法计算交易信息和采集数据储存路径的hash编码，利用ECDSA算法将私钥和hash编码生成数字签名，形成交易信息，并保存在关系型数据库中。

优选地，所述数据处理单元包括区块链生成模块和区块链管理模块，区块链生成模块对所有交易信息进行定时集中处理，向区块链上添加新区块，保存到redis数据库中；区块链管理模块调用Redis数据库，提供区块链的管理和验证接口。

优选地，所述区块链的生成过程具体为：选择记账节点a，记账节点a生成区块，区块上链生成记账节点区块链；记账节点a向将最新的区块传递给与a存在通信连接的其它节点A，并保存到对应的Redis数据库中；节点A接收到记账节点a传过来最新的区块，将最新区块的前置区块hash值H1，与节点A最后一个区块的当前hash值H2比较；当H1＝H2时，计算当前节点最后一个区块的默克根M1，并与保存在最新区块中的默克根M2比较，若M1＝M2时，最新区块有效，节点A区块上链，并向对象节点A'发送最新区块，若M1≠M2时，区块在传播的过程中被篡改，节点A等下次区块传过来；当H1≠H2时，将最新区块的索引index1与节点A最后一个区块的index2比较，如果index1<index2，节点A向节点a请求获得整个区块链，通过对获得的区块链每个区块重新计算当前hash值H3，与区块里的当前hash值H4比较，当每个区块里的H3＝H4，请求回来的区块链替换掉节点A的区块链，并向对象节点A'发送最新区块，否则节点A重新向节点a请求区块链；如果index1＝index2，节点A的区块链有效；如果index1>index2，节点A的区块链长，节点A向节点a发送区块链，重新计算当前hash值H3，与区块里的当前hash值H4比较，当每个区块里的H3＝H4，节点A的区块链替换掉节点a的区块链，否则节点a向节点A重新请求区块链。

优选地，所述记账节点a为hash值的前十位字符串为0的节点。

优选地，所述默克根是利用Hash算法对交易列表进行计算得到的，具体为：

MerkleTree＝Hash(transactions(n)+MerkleTree(n-1))

其中：transaction(n)表示第n条交易信息，且n≥1。

优选地，所述区块链保存到redis数据库，具体为：把当前区块的索引和hash值，以“blockchain_index_hash”形式为键、区块为值，作为一个键值对储存在Redis数据库中，每个键值对对应一个区块；把每个区块的索引和hash值以“index_hash”形式组成集合，按区块链的先后顺序储存在Redis数据库。

优选地，所述交易信息和采集的数据保存在使用Archive模板引擎的关系型数据库中。

优选地，该溯源系统的部署环境为Rancher1.6+Docker。

基于区块链的温室产品溯源方法，包括如下步骤：

步骤(1)，数据采集单元包括生产用户信息采集模块，生产者在微信公众号里录入个人信息、地址、植物品种等，为产品生成公钥和私钥，并生成公钥二维码图片，二维码图片张贴到打包好的温室产品上；

步骤(2)，传感器采集植物生长数据，并发送给数据预处理单元，物流公司和检疫公司向数据预处理单元上传物流和检疫数据，数据预处理单元生成交易信息，并保存采集数据和交易信息；

步骤(3)，数据处理单元定时对这个时间段里生成的所有的交易信息进行集中处理，向区块链上添加新区块，保存在Redis数据库中；

步骤(4)，用户使用微信公众号扫描产品二维码图片，通过区块链管理模块获得从最后一个区块开始一直到第一个区块结束查询对应公钥的产品交易信息，并通过交易信息查询到产品实际数据，实现温室产品溯源。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明使用非对称加密ECDSA椭圆曲线加密算法配合Hash算法，计算出交易信息的数字签名、交易列表的MerkleTree和区块的hash值，区块链在节点间传播的过程中通过对上述值进行计算来验证数据是否被篡改，被篡改的数据就认为无效，并丢弃掉。Web网站上可以查到完整的区块链，数据公开透明、防止欺骗，且用户通过微信公众号扫描二维码获取温室产品溯源信息，并验证溯源信息的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明基于区块链的温室产品溯源系统的结构示意图；

图2为本发明交易信息生成流程图；

图3为本发明交易信息组成示意图；

图4为本发明数据处理流程图；

图5为本发明区块组成示意图；

图6为本发明数据溯源验证流程图；

图7为本发明基于区块链的温室产品溯源方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明的技术方案进行说明。此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，基于区块链的温室产品溯源系统(部署环境为Rancher1.6+Docker，一台服务器作为Rancher的服务端，一台或多台服务器作为Rancher的客户端，部署多个区块链应用和微信公众号接口程序)，包括数据采集单元、数据预处理单元、数据处理单元以及数据应用单元。数据采集单元采集温室植物产品的生长、物流和检疫过程中产生的数据，并通过HTTP接口发送给数据预处理单元，数据预处理单元将采集到的数据生成交易信息，并保存交易信息和采集的数据。数据处理单元包括区块链生成模块和区块链管理模块，区块链生成模块定时(设定时时间为h)查询时间段h里数据预处理单元产生的所有交易信息，形成一个交易列表，对交易列表进行处理生成最新区块，然后进行区块上链，保存到Redis数据库中，并向对象节点传播最新区块；区块链管理模块可调用Redis数据库，提供区块链的管理和验证接口；数据应用单元通过HTTP接口与数据处理单元的区块链管理模块通信，进行数据管理。

所述数据采集单元包括温室植物生长环境采集模块、生产用户信息采集模块、物流检疫信息采集模块，温室植物生长环境采集模块包括采集温室温度、空气湿度、二氧化碳和土壤湿度的传感器，传感器用于采集温室温度、空气湿度、二氧化碳和土壤湿度；生产用户信息采集模块是由生产者通过微信公众号录入生产用户的生产者的个人信息、地址、植物品种等，生产者通过微信公众号接口程序为产品申请唯一公钥和私钥(生产者通过微信公众号客户端向服务器接口程序发送HTTP请求进行申请)；物流检疫信息采集模块由物流公司和检疫部门通过微信公众号录入物流信息和检疫植物的农药含量等。

所述数据预处理单元对数据采集单元采集的每条数据生成对应交易信息，并将交易信息和采集的数据储存在使用Archive(一种文件存储模板引擎，只支持插入和查询数据，不可修改数据，并且压缩数据，减少磁盘I/0)模板引擎的关系型数据库中。如图2所示，交易信息的生成，具体为：数据预处理单元判断温室产品是否生成公私钥，若没有生成，则利用非对称性加密算法(本实施例采用ECDSA椭圆曲线加密算法)生成产品唯一的公钥和私钥；

通过Hash算法计算交易信息和采集数据储存路径的hash编码：

HASH(path+data+timestamp)＝hash (1)

式中：path表示数据储存路径，data表示实际采集数据，timestamp表示时间戳。

利用私钥将hash编码生成数字签名，形成交易信息，并保存在关系型数据库中：

ECDSASignature (privateKey ,hash)＝signature (2)

式中：privatekey表示私钥，hash值表示交易信息和采集数据储存路径计算得到的hash编码，signature表示数字签名信息。

如图3所示，交易信息包括产品公钥、数字签名、时间戳、hash编码以及数据储存的路径。

所述数据处理单元分为区块链生成模块和区块链管理模块，该单元将部署多个应用节点，节点间通过WebSocket进行通信形成p2p网络。区块链生成模块负责对数据预处理单元产生的所有交易信息进行定时(设定时时间为h)集中处理，生成区块链。如图4所示，数据处理单元由区块索引、前置区块的hash值、时间戳和难度系数，利用Hash算法计算当前区块hash值：

HASH(index+previoushash+nonce+timestamp+transactions)＝hash (3)

式中：index代表第几个区块，从0开始每有一个新的区块产生加1；previoushash表示前置hash值，nonce表示难度系数，timestamp表示时间戳，transactions表示交易信息；

当hash值的前十位字符串为0时，则当前区块hash值有效，该节点为记账节点a；在时间h内，交易信息形成交易列表，利用Hash算法对交易列表进行计算，得到MerkleTree。

MerkleTree＝Hash(transactions(n)+MerkleTree(n-1)) (4)

式中transaction(n)表示第n条交易信息，n≥1，通过递归计算出第n个交易信息的MerkleTree。

记账节点a将难度系数、时间戳、前置区块hash值、当前区块hash值、MerkleTree以及交易列表生成一个区块，如图5所示，区块上链生成记账节点区块链，记账节点a通过WebSocket网络(Websocket技术是一个协议规范，约定了一个通信规范，通过一个握手机制实现CS(客户端与服务器)之间的网络连接)将最新的区块传递给与a存在通信连接的其它节点A，并保存到对应的Redis数据库中；具体为：把当前区块的索引index和hash值，以“blockchain_index_hash”形式为键，区块为值，作为一个键值对储存在Redis数据库中，每个键值对对应一个区块；把每个区块的索引和hash值以“index_hash”形式组成集合，按区块链的先后顺序储存在Redis数据库；当需要找到某个区块时，直接以索引值查询，此时的时间复杂度为O(1)，大大加快查询的速度，以满足大量用户的需求。

节点A接收到记账节点a传过来最新的区块，将最新区块的前置区块hash值(记为H1)，与节点A最后一个区块的当前hash值(记为H2)比较，当H1＝H2时，计算当前节点最后一个区块的MerkleTree(默克根，M1)，并与保存在最新区块中的MerkleTree(默克根，M2)比较，当M1＝M2时，最新区块有效，节点A区块上链，并向对象节点A'发送最新区块，节点A'进入上链验证过程。当M1≠M2时，区块在传播的过程中被篡改，节点A等下次区块传过来。

当H1≠H2时，将最新区块的索引index(记为index1)，与节点A最后一个区块的index值(记为index2)比较，如果index1<index2，节点A向节点a请求获得整个区块链，通过对获得的区块链每个区块重新计算当前hash值(记为H3)，与区块里的当前hash值(记为H4)比较，当每个区块里的H3＝H4，请求回来的区块链替换掉节点A的区块链，并向对象节点A'发送最新区块，否则节点A重新向节点a请求区块链；如果index1＝index2，节点A的区块链有效；如果index1>index2，节点A的区块链长，节点A向节点a发送区块链。节点a接收到节点A的区块链，重新计算当前hash(记为H3)，与区块里的当前hash值(记为H4)比较，当每个区块里的H3＝H4，节点A区块链替换掉节点a的区块链，否则节点a向节点A重新请求区块链。节点a重新进行生成区块的过程，保证最长链有效。区块链管理模块主要提供管理和验证区块链数据的接口，供数据应用单元使用。

所述数据应用单元通过HTTP接口与数据处理单元通信，通过温室产品的公钥查询数据预处理单元保存在关系型数据库中的产品数据，数据应用单元包括用户客户端和Web管理网站，用户客户端通过微信公众号接口程序与区块链管理模块通信，用户通过微信公众号扫描二维码从最后一个区块开始一直到第一个区块结束查询对应公钥的产品交易信息。每获得一个交易信息需要进行消息验证，具体过程如图6所示，通过对交易信息的产品公钥和数字签名使用ECDSA算法进行数字签名验证：

verifyECDSASignature(publicKey,hash,signature)＝true (5)

式中：publicKey表示公钥，hash值表示交易信息和采集数据储存路径计算得到的hash编码，signature表示数字签名信息。签名验证结果为true表示验证成功，交易信息有效。

数据处理单元的区块链管理模块通过储存路径、公钥和时间戳向数据预处理单元的数据库中查询对应的数据data，通过式(1)重新计算hash值(记为H5)，与交易信息里的hash值(记为H6)比较，当H5＝H6时，查询的数据有效，否则数据被篡改，不可靠。

Web管理网站用于展示和查询区块链，公开透明的展示区块链；管理系统节点，并添加新的节点，当一个新节点与区块链中某个节点进行连接，新节点就获得所连接的节点的区块链数据。

如图7所示，基于区块链的温室产品溯源方法，包括以下步骤：

步骤(1)，生产者在微信公众号里录入个人信息、地址、植物品种等，为产品生成账号(初始化的公钥和私钥)，并生成公钥二维码图片；

步骤(2)，生产者在温室大棚里安装传感器设备，定时采集植物生长数据；

步骤(3)，传感器依次通过嵌入式网关、HTTP接口把采集到的植物生长数据上传给数据预处理单元；

步骤(4)，数据预处理单元将接收到植物生长数据生成交易信息，并保存采集数据和交易信息；

步骤(5)，生产者采摘成熟的温室产品，打包产品，并把二维码图片张贴到产品上；

步骤(6)，物流公司和检疫公司使用微信公众号向数据预处理单元上传物流和检疫数据；

步骤(7)，数据预处理单元接收到物流和检疫数据生成交易信息，并保存采集数据和交易信息；

步骤(8)，数据处理单元定时对所有的交易信息进行集中处理，生成区块链，保存在Redis数据库中；

步骤(9)，用户使用微信公众号扫描产品二维码图片，通过区块链管理模块获得从最后一个区块开始一直到第一个区块结束查询对应公钥的产品交易信息，并通过交易信息查询到产品实际数据，验证产品实际数据的是否被篡改，从而实现温室产品可靠溯源。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于区块链的温室产品溯源系统，其特征在于：包括数据采集单元、数据预处理单元、数据处理单元以及数据应用单元，所述数据采集单元采集温室植物产品数据，并发送给数据预处理单元，数据预处理单元将采集的数据生成交易信息，并保存交易信息和采集的数据，数据处理单元生成区块链，并保存到redis数据库中；数据应用单元与数据处理单元的区块链管理模块通信，进行产品溯源。

2.根据权利要求1所述的基于区块链的温室产品溯源系统，其特征在于：所述交易信息的生成过程为：数据预处理单元判断温室产品是否生成公私钥，若没有生成，则利用非对称性加密算法生成产品唯一的公钥和私钥；然后通过Hash算法计算交易信息和采集数据储存路径的hash编码，利用ECDSA算法将私钥和hash编码生成数字签名，由产品公钥、数字签名、时间戳、hash编码以及数据储存的路径形成交易信息，并保存在关系型数据库中。

3.根据权利要求1所述的基于区块链的温室产品溯源系统，其特征在于：所述数据处理单元包括区块链生成模块和区块链管理模块，区块链生成模块对所有交易信息进行定时集中处理，向区块链上添加新区块，保存到redis数据库中；区块链管理模块调用Redis数据库，提供区块链的管理和验证接口。

4.根据权利要求3所述的基于区块链的温室产品溯源系统，其特征在于：所述区块链的生成过程具体为：选择记账节点a，记账节点a生成区块，区块上链生成记账节点区块链；记账节点a向将最新的区块传递给与a存在通信连接的其它节点A，并保存到对应的Redis数据库中；节点A接收到记账节点a传过来最新的区块，将最新区块的前置区块hash值H1，与节点A最后一个区块的当前hash值H2比较；当H1＝H2时，计算当前节点最后一个区块的默克根M1，并与保存在最新区块中的默克根M2比较，若M1＝M2时，最新区块有效，节点A区块上链，并向对象节点A'发送最新区块，若M1≠M2时，区块在传播的过程中被篡改，节点A等下次区块传过来；当H1≠H2时，将最新区块的索引index1与节点A最后一个区块的index2比较，如果index1<index2，节点A向节点a请求获得整个区块链，通过对获得的区块链每个区块重新计算当前hash值H3，与区块里的当前hash值H4比较，当每个区块里的H3＝H4，请求回来的区块链替换掉节点A的区块链，并向对象节点A'发送最新区块，否则节点A重新向节点a请求区块链；如果index1＝index2，节点A的区块链有效；如果index1>index2，节点A的区块链长，节点A向节点a发送区块链，重新计算当前hash值H3，与区块里的当前hash值H4比较，当每个区块里的H3＝H4，节点A的区块链替换掉节点a的区块链，否则节点a向节点A重新请求区块链。

5.根据权利要求4所述的基于区块链的温室产品溯源系统，其特征在于：所述记账节点a为hash值的前十位字符串为0的节点。

6.根据权利要求4所述的基于区块链的温室产品溯源系统，其特征在于：所述默克根是利用Hash算法对交易列表进行计算得到的，具体为：

MerkleTree＝Hash(transactions(n)+MerkleTree(n-1))

其中：transaction(n)表示第n条交易信息，且n≥1。

7.根据权利要求1所述的基于区块链的温室产品溯源系统，其特征在于：所述区块链保存到redis数据库，具体为：把当前区块的索引和hash值，以“blockchain_index_hash”形式为键、区块为值，作为一个键值对储存在Redis数据库中，每个键值对对应一个区块；把每个区块的索引和hash值以“index_hash”形式组成集合，按区块链的先后顺序储存在Redis数据库。

8.根据权利要求1所述的基于区块链的温室产品溯源系统，其特征在于：所述交易信息和采集的数据保存在使用Archive模板引擎的关系型数据库中。

9.根据权利要求1所述的基于区块链的温室产品溯源系统，其特征在于：该溯源系统的部署环境为Rancher1.6+Docker。

10.基于区块链的温室产品溯源方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)，数据采集单元包括生产用户信息采集模块，生产者在微信公众号里录入个人信息、地址、植物品种等，为产品生成公钥和私钥，并生成公钥二维码图片，二维码图片张贴到打包好的温室产品上；

步骤(2)，传感器采集植物生长数据，并发送给数据预处理单元，物流公司和检疫公司向数据预处理单元上传物流和检疫数据，数据预处理单元生成交易信息，并保存采集数据和交易信息；

步骤(3)，数据处理单元定时对这个时间段里生成的所有的交易信息进行集中处理，向区块链上添加新区块，保存在Redis数据库中；

步骤(4)，用户使用微信公众号扫描产品二维码图片，通过区块链管理模块获得从最后一个区块开始一直到第一个区块结束查询对应公钥的产品交易信息，并通过交易信息查询到产品实际数据，实现温室产品溯源。

Images