CN114581111A - 一种基于区块链和物联网的中草药追溯系统 - Google Patents

Abstract

一种基于区块链和物联网的中草药追溯系统，包括注册模块、中草药信息收集模块、云服务模块、区块链网络模块、IOT中心模块以及追溯区块链平台模块。本发明使用物联网的技术，收集中草药的生长过程中环境信息，再和中草药加工、生产、运输等信息，然后利用区块链供应链溯源技术将从生产到销售再到客户手中所产生的一系列溯源信息达成共识，同时将这些信息进行分布式存储，将信息上传到链上。将区块链和物联网技术同时应用于中草药可信追溯系统，使中草药供应链中的关键信息可追溯，去向可查询。同时保障了系统中数据透明、不可篡改、安全可信的特点，为可追溯的中草药系统提供优良的技术支持和安全保障。

Description

一种基于区块链和物联网的中草药追溯系统

技术领域

本发明属于区块链技术领域，具体涉及一种基于区块链和物联网的中草药追溯系统。

背景技术

中药在治疗和预防新冠疫情中发挥了重要作用，因此，国内对于中草药的需求和重视程度越来越大，然而中草药由于其种植周期长，不同的地区只能种植特定的中草药，而且还需要特定的温度湿度等才能中种植出合格的中草药，而且在加工、运输、销售环节均可能会有造假的情况发生。在中草药供应链中，有着生命周期长、链接复杂、各种危害和信息源异构。目前，尚没有针对影响中草药安全的危害的完整生命周期跟踪和监控系统。在整个中草药生命周期中，多维异构信息的动态，实时跟踪更为重要。

区块链技术最初用于数字货币领域以保证交易。从那时起，区块链吸引了许多行业的兴趣，并已应用于金融，医学，政府管理和财产管理等。最近，在食品安全领域引入了区块链技术来追踪食品信息。区块链是一种分布式计算范例，其特点是分散，全网记录，低成本，高效率，安全性和可靠性。这样，它可以降低管理成本，降低交易风险，提高信息可信度，提高监管透明度并实施可信赖的流程。因此，在食品供应链信息管理中使用区块链可以潜在地消除信息不对称，实现所有节点之间信息的同步更新，消除由利益相关者引起的产品质量问题，并增强信息可信度。鉴于其分散的性质和防止数据篡改的能力，可以将区块链视为克服传统系统缺点的一种方式。

发明内容

本发明目的在于构建基于物联网和区块链的中草药追溯系统解决方案，以实现整个中草药供应链中的信息安全管理，实现不同角色的管理和隐私保护。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种基于区块链和物联网的中草药追溯系统，包括注册模块、中草药信息收集模块、云服务模块、区块链网络模块、IOT中心模块以及追溯区块链平台模块；其中，

注册模块，用于农户、消费者、运输者、质检人员和销售人员进行用户注册；

区块链网络模块，以中草药供应链中的企业、监管部门和第三方研究机构为区块链的节点构建所述区块链网络，并部署和实施智能合约；

云服务模块，由节点数据库和信息数据库组成，所述节点数据库是区块链网络中每个节点的独立数据库，负责存储整个中草药供应链的数据和区块链网络的数据，所述信息数据库负责存储系统不需要达成共识的数据；

IOT中心模块，负责中草药在生长过程中的信息采集；

中草药信息收集模块，包括通过插入EPC编码系统读取EPC标签收集中草药生产链接、中草药存储链接、中草药加工链接、中草药物联网链接和中草药营销链的数据；

溯源区块链平台模块，由业务系统和应用程序服务系统组成，所述业务系统是基于区块链平台开发的，用于获取和管理中草药供应链中的信息，所述应用服务系统用于查询和监督供应链中所有角色的供应链信息；所述溯源区块链平台模块接收所述中草药供应链数据并转化为所述节点数据库和所述信息数据库，并在所述区块链网络层的监督下进行部署运作，通过所述溯源区块链平台模块进行所述中草药溯源信息查询。

较佳地，所述IOT中心模块由设备模块、数据收集模块、数据发送模块组成；设备模块包括温度传感器、湿度传感器，数据收集模块将设备模块感知到的信息采集并由数据发送模块发送至云服务模块中的信息数据库中储存；

所述数据收集模块用于收集种植田间的环境信息和土壤信息，所述数据收集模块包括环境温湿度传感器、二氧化碳传感器、土壤肥力传感器、光照传感器以及重金属检测仪；

所述环境温湿度传感器、所述二氧化碳传感器以及所述光照传感器设置在种植田间上方，所述土壤肥力传感器以及所述重金属检测仪均设置在种植田间土地里。

较佳地，所述业务系统包括编码模块、区块链交互模块、数据处理模块、监视模块；所述编码模块为所述中草药供应链的信息分配代码；所述区块链交互模块为支持数据交互和智能合约部署；所述数据处理模块为所述中草药供应链中数据生产者的数据交互渠道；所述监视模块为监视所述中草药供应链的整个系统运行。

较佳地，所述应用程序服务系统包括业务交互模块和隐私保护模块；所述业务交互模块通过界面与所述业务系统进行信息交互，并以可视方式处理所述中草药供应链中的信息；所述隐私保护模块执行对系统用户的权限控制，私有信息的加密和解密以及密钥的生成。

较佳地，区块链使用RSA非对称加密算法来保证数据的安全，其中加密的过程如下：

coded＝text^Emod N (1)

其中coded为加密后的内容，text为原内容，E和N为RSA加密的密钥，N为两个质数p和q的乘积，即

N＝p*q (2)

同时再求出L，L为中间数，是(p-1)和(q-1)的最小公倍数，可用如下表达式表示

L＝lcm(p-1，q-1) (3)

E必须满足两个条件：E是一个比1大比L小的数，E和L的最大公约数为1，用gcd(X，Y)来表示X，Y的最大公约数，则E条件如下：

gcd(E，L)＝1 (4)

将E和N组合起来就成为了公钥，用(E，N)来表示公钥为：

Pkey＝(E，N) (5)

解密过程如下：

textcoded＝coded^Dmod N (6)

D是由数E计算出来的，D是一个比1大比L小的数，D、E和L之间必须满足以下关系：

E*D mod L＝1 (7)

对密文进行D次方后除以N的余数就是明文，将D和N组合成私钥为：

Skey＝(D，N) (8)

较佳地，所述云服务模块记录中草药的有效成分信息，即每一种中草药其主要成分是什么，次要成分是什么，以及根据不同成分将中草药进行等级区分，并将等级区分的信息进行记录，方便查找和追溯。

较佳地，将区块链和物联网技术同时应用于中草药可信追溯系统，物联网网关设备作为区块链中的参与节点，每个网关节点的GPS信息和IP地址固定且被写入区块链以增强中草药原产地的防篡改属性。

本发明将区块链和物联网技术同时应用于中草药可信追溯系统，提出将物联网网关设备作为区块链中的参与节点，每个网关节点的GPS信息和IP地址固定且被写入区块链以增强中草药原产地的防篡改属性。开发支持需求的去中心化溯源系统，使中草药供应链中的关键信息可追溯，去向可查询，同时数据透明、不可篡改、智能可信的特点，为可追溯的中草药系统提供优良的技术支持和安全保障。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为基于区块链和物联网的中草药追溯系统整体架构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

为使发明的上述目的、特点和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不用于在此描述的其它方式实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例影响。

本发明为一种基于物联网和区块链的中草药追溯系统，如图1所示，该系统包括有注册模块、中草药信息收集模块、云服务模块、区块链网络模块、IOT 中心模块，追溯区块链平台模块；其中：

注册模块，用于农户、消费者、运输者、质检人员、销售人员进行用户注册；

中草药信息收集模块，包括通过插入EPC编码系统读取EPC标签收集中草药生产链接、中草药存储链接、中草药加工链接、中草药物联网链接和中草药营销链的数据。

其中，中草药供应链以中草药及其加工产品为主要载体，它包括中草药的种植和生产，初级中草药加工，中草药产品流通，深度中草药加工，以及最后的运输和销售给消费者。供应链以中草药加工企业为核心节点，将种植者，中草药种植企业，中草药分销企业，物流企业和分销商整合在一起。这些与政府，研究机构和金融机构相结合，形成了一个整合物流，业务流，信息流和资金流的网络。随着许多企业参与供应链，节点之间的信息是不对称的。此外，不同的标准和存储格式会导致难以顺利传输信息，信息需求是可变的且与时间有关。中草药供应链节点是独立的利益相关者，他们只关注各自领域的数据和业务处理。鉴于缺乏相应的接口标准和规范，它们之间没有信息共享或业务集成，因此形成了“信息孤岛”。这个信息孤岛问题不仅影响整个供应链中的企业信息建设和信息共享，而且还影响信息的监督和可追溯性。数据主要包括中草药的基本属性，中草药质量信息，各环节的环境信息，中草药加工的过程和操作参数以及各环节的管理信息。为了实现信息安全管理系统，可以使用物联网技术为供应链中的每个链接收集数据。数据收集层主要通过电子标签，各种传感器，条码扫描枪，照相机和数据终端等来完成。

其中识别EPC标签尤为关键，中草药及其加工产品在储存和运输过程中会混合在一起。传统供应链中使用的编码方法无法满足中草药供应链的独特需求；因此，本发明在设计编码系统时遵循“一条链路，一条编码”的原则；当中草药供应链中的产品所有权发生变化时，系统会根据当前产品的供应链链接生成新的产品代码，以标记谷物产品的当前供应链链接和组织。EP是基于统一的全局标识系统的新一代编码系统，可以唯一地标识中草药供应链中的对象；通过读取 EPC标签，可以获得标识的中草药产品信息。EPC-64III编码包括四个部分：版本号，域名管理，对象分类和序列号。域名管理用于标识供应链节点企业和谷物所处企业的类型。对象分类用于记录谷物类别，包括原材料，初级加工产品和深加工产品。序列号用于记录当前信息的特定时间和用于记录当前信息的顺序号。为了确保每个链接中的产品数据相互关联，在编码方案中引入了源代码和目标代码的概念；源代码表示当前链接的前一个链接，目标代码表示当前链接的产品代码；同时，目标代码充当下一个链接的源代码。在编码方案中介绍了源代码和目标代码的概念，源代码表示当前链接的前一个链接，目标代码表示当前链接的产品代码；同时，目标代码充当下一个链接的源代码。在编码方案中介绍了源代码和目标代码的概念；源代码表示当前链接的前一个链接，目标代码表示当前链接的产品代码；同时，目标代码充当下一个链接的源代码。

云服务模块，由节点数据库和信息数据库组成，所述节点数据库是区块链网络中每个节点的独立数据库，负责存储整个中草药供应链的数据和区块链网络的数据，所述信息数据库负责存储系统不需要达成共识的一些数据；中草药供应链信息管理的数据库架构是由云服务器构建的。云数据库的优点是部署方便，安全机制完善，可以实现数据库快速部署，降低运营成本，提高资源利用率。

区块链网络模块，以中草药供应链中的企业、监管部门和第三方研究机构为区块链的节点构建所述区块链网络，并部署和实施智能合约；其中，智能合约是中草药供应链中区块链驱动的信息管理系统的关键部分。整个系统需要通过智能合约来实现业务逻辑。智能合约是一种分散，自检，自执行的绑定数字协议。通过设置一些可以自动触发的执行条件，它可以为区块链网络中的用户提供信息交互，价值转移和其他功能。

基于区块链的运营模式，通过智能合约实现了中草药供应链的信息管理机制。如上所述，生产公司创建智能合约，然后使用它们来收集信息，描述了中草药企业的产品的数据上载过程。数据输入是通过应用平台实现的；统一格式化后，将调用数据收集合同；然后，合同调用相关的分包合同，根据输入的信息和生产指标信息获取当前的企业信息和原材料来源信息。如果原料参数满足生产指标要求，合同将创建与当前上载数据相对应的目的地代码，然后检查上载的数据是否符合生产过程的要求；如果符合要求，合同将对信息进行分类并将其上传到程序包中；最后，它将返回“上传成功”消息，合同通话结束。如果不满足要求，则会出现“数据异常警告”，并返回异常数据；如果原材料不符合生产指标要求，则会发出“原材料异常”通知，返回异常数据，合同终止。

算法1数据采集合同(生产)

企业ID，原材料ID，源代码，生产时间，生产过程，生产过程索引，测试数据，产品类型

合同通话：查询企业信息

合同调用：查询原材料信息

合同呼叫请求：产品指标信息

合同通话请求：Sid代码对应的信息

如果原料参数＝目标值然后

创建目标代码

如果测试数据＝成功，则

打包并上传

返回消息“成功”

结束

其他

打包和上传数据

返回信息“数据中止”并完成

结束

结束

其他

创建目标代码

返回消息“原料异常”并完成

异常数据

结束

IOT中心模块，主要负责中草药在生长过程中的信息采集；

溯源区块链平台模块，平台由业务系统和应用程序服务系统组成，所述业务系统是基于区块链平台开发的，主要用于获取和管理中草药供应链中的关键信息，所述应用服务系统用于查询和监督供应链中所有角色的供应链信息；其中，所述溯源区块链平台模块接收所述中草药供应链数据并转化为所述节点数据库和所述信息数据库，并在所述区块链网络层的监督下进行部署运作，通过所述溯源区块链平台模块进行所述中草药溯源信息查询。

具体地，IOT中心模块由设备模块、数据收集模块、数据发送模块组成，设备模块包括温度传感器、适度传感器等；数据收集模块将设备模块感知到的信息采集并由数据发送模块发送至云服务模块中的信息数据库中储存。

业务系统包括编码模块、区块链交互模块、数据处理模块、监视模块。编码模块为所述中草药供应链的信息分配代码；所述区块链交互模块为支持数据交互和智能合约部署；所述数据处理模块为所述中草药供应链中数据生产者的数据交互渠道；所述监视模块为监视所述中草药供应链的整个系统运行。

区块链交互模块为支持数据交互和智能合约部署，数据交互包括构建合适的区块链平台以查询供应链中的关键信息。智能合同部署可通过验证供应链中所有角色的合同来确保数据的真实性并扩展供应链信息管理系统；

数据处理模块为中草药供应链中数据生产者的数据交互渠道以便所有参与者可以执行数据同步，数据链功能和数据查看功能等。

监视模块为监视中草药供应链的整个系统运行，通过分析存储在数据库中的中草药供应链数据，可以实现跟踪，风险评估，预测和预警。

具体地，应用程序服务系统包括业务交互模块、隐私保护模块。业务交互模块为通过界面与所述业务系统进行信息交互，并以可视方式处理所述中草药供应链中的信息；所述隐私保护模块为执行对系统用户的权限控制，私有信息的加密和解密以及密钥的生成。隐私保护模块为执行对系统用户的权限控制，私有信息的加密和解密以及密钥的生成。

本发明中，区块链使用RSA非对称加密算法来保证数据的安全，其中加密的过程如下：

coded＝text^Emod N (1)

其中coded为加密后的内容，text为原内容，E和N为RSA加密的密钥，N为两个质数p和q的乘积，即

N＝p*q (2)

同时再求出L，L为中间数，是(p-1)和(q-1)的最小公倍数，可用如下表达式表示

L＝lcm(p-1，q-1) (3)

E必须满足两个条件：E是一个比1大比L小的数，E和L的最大公约数为1，用gcd(X，Y)来表示X，Y的最大公约数，则E条件如下：

gcd(E，L)＝1 (4)

将E和N组合起来就成为了公钥，用(E，N)来表示公钥为：

Pkey＝(E，N) (5)

解密过程如下：

textcoded＝coded^Dmod N (6)

D是由数E计算出来的。D是一个比1大比L小的数，D、E和L之间必须满足以下关系：

E*D mod L＝1 (7)

对密文进行D次方后除以N的余数就是明文，将D和N组合成私钥为：

Skey＝(D，N) (8)

区块链网络和节点数据库为粮食供应链构建了一个多模式的存储机制，为信息管理提供了强大的数据保护。区块链保证了信息的可追溯性和不可篡改性，节点数据库解决了区块链存储容量不足的问题。非相邻节点的冗余备份机制可以减少由于相邻节点的利益而造成的信息篡改，并通过设置数据库权限来提高数据的可信度。同时，将数据存储到云数据库中，不仅减少了本地资源消耗，而且实现了数据库的快速部署、数据库部署的远程备份和数据库信息的远程备份。

本发明提供的一种基于物联网和区块链的中草药追溯系统，如图2所示，其基于Hyperledger Fabric平台的区块链网络，并使用网站作为信息交互平台来管理谷物供应链中的信息。中草药供应链所有环节的企业都将在网站上注册。通过该网站，我们提供经过认证和控制的基于Web的API和应用程序编程接口，以访问区块链。供应链中的所有公司都必须使用该网站来管理供应链信息。其中设备管理管理IOT中心，负责对IOT中心中的设备进行管理和分配统一身份认证；用户管理对平台所有用户进行管理，包括用户ID等信息；园区管理负责管理收集园区中各种中草药作物的生长环境等信息；信息传输主要负责平台与用户、设备和网络之间的信息传输。农户，运输者、质检中心通过统一ID和登录密码通过WEB管理进入应用平台，然后记录信息每个信息都会统一ID绑定，消费者可以通过应用平台查询到中草药成品的生产地等信息。

优选的，云服务模块特别记录中草药有效成分信息，即每一种中草药其主要成分是什么，次要成分是什么，以及根据不同成分将中草药进行等级区分，并将等级区分的信息进行记录，方便查找和追溯。

本发明首次提出将区块链和物联网技术同时应用于中草药可信追溯系统，提出将物联网网关设备作为区块链中的参与节点，每个网关节点的GPS信息、IP地址和MAC地址固定且被写入区块链以增强中草药原产地的防篡改属性， MAC地址、IP地址、GPS信息组成网关节点唯一身份信息。用户查询时，只需知道三个信息之中两个就可得到剩余的一个信息。物联网通过硬件设备收集信息，软件层面处理信息，网络发送信息，区块链有些不可篡改和可追溯的特点，将二者结合可以实现对中草药及其产品的准确快速的溯源，同时也能达到对隐私信息的保护。中草药主要成分应为其化学含量最高的成分，为了追求其针对的伤病，对于中草药的等级区分，应按照其针对伤病成分的多少进行分类。

中草药供应链的特点是节点众多，供应链较长，覆盖面广，因此，需要用上述系统打破各环节之间的信息孤岛问题，促进信息的联系，实现数据交换；农产供应链中的每个企业都有一些敏感信息，无法完全披露(例如，交易记录和成本信息)，因此，有必要对上传到区块链的信息进行分类，对信息进行分级，区分其敏感性，并确保在不公开私人信息的情况下信息保持开放；中草药供应链中有大量各种类型的数据，区块链信息存储在由模块组成的链结构中，数据内容存储在模块的主体中；本发明完善及解决了模块的大小是固定的、难以存储大量数据并且容易发生数据爆炸的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (7)

1.一种基于区块链和物联网的中草药追溯系统，其特征在于，包括注册模块、中草药信息收集模块、云服务模块、区块链网络模块、IOT中心模块以及追溯区块链平台模块；其中，

注册模块，用于农户、消费者、运输者、质检人员和销售人员进行用户注册；

区块链网络模块，以中草药供应链中的企业、监管部门和第三方研究机构为区块链的节点构建所述区块链网络，并部署和实施智能合约；

云服务模块，由节点数据库和信息数据库组成，所述节点数据库是区块链网络中每个节点的独立数据库，负责存储整个中草药供应链的数据和区块链网络的数据，所述信息数据库负责存储系统不需要达成共识的数据；

IOT中心模块，负责中草药在生长过程中的信息采集；

中草药信息收集模块，包括通过插入EPC编码系统读取EPC标签收集中草药生产链接、中草药存储链接、中草药加工链接、中草药物联网链接和中草药营销链的数据；

溯源区块链平台模块，由业务系统和应用程序服务系统组成，所述业务系统是基于区块链平台开发的，用于获取和管理中草药供应链中的信息，所述应用服务系统用于查询和监督供应链中所有角色的供应链信息；所述溯源区块链平台模块接收所述中草药供应链数据并转化为所述节点数据库和所述信息数据库，并在所述区块链网络层的监督下进行部署运作，通过所述溯源区块链平台模块进行所述中草药溯源信息查询。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链和物联网的中草药追溯系统，其特征在于，所述IOT中心模块由设备模块、数据收集模块、数据发送模块组成；设备模块包括温度传感器、湿度传感器，数据收集模块将设备模块感知到的信息采集并由数据发送模块发送至云服务模块中的信息数据库中储存；

所述数据收集模块用于收集种植田间的环境信息和土壤信息，所述数据收集模块包括环境温湿度传感器、二氧化碳传感器、土壤肥力传感器、光照传感器以及重金属检测仪；

所述环境温湿度传感器、所述二氧化碳传感器以及所述光照传感器设置在种植田间上方，所述土壤肥力传感器以及所述重金属检测仪均设置在种植田间土地里。

3.根据权利要求1所述的一种基于区块链和物联网的中草药追溯系统，其特征在于，所述业务系统包括编码模块、区块链交互模块、数据处理模块、监视模块；所述编码模块为所述中草药供应链的信息分配代码；所述区块链交互模块为支持数据交互和智能合约部署；所述数据处理模块为所述中草药供应链中数据生产者的数据交互渠道；所述监视模块为监视所述中草药供应链的整个系统运行。

4.根据权利要求1所述的一种基于区块链和物联网的中草药追溯系统，其特征在于，所述应用程序服务系统包括业务交互模块和隐私保护模块；所述业务交互模块通过界面与所述业务系统进行信息交互，并以可视方式处理所述中草药供应链中的信息；所述隐私保护模块执行对系统用户的权限控制，私有信息的加密和解密以及密钥的生成。

5.根据权利要求1所述的一种基于区块链和物联网的中草药追溯系统，其特征在于，区块链使用RSA非对称加密算法来保证数据的安全，其中加密的过程如下：

coded＝text^Emod N (1)

其中coded为加密后的内容，text为原内容，E和N为RSA加密的密钥，N为两个质数p和q的乘积，即

N＝p*q (2)

同时再求出L，L为中间数，是(p-1)和(q-1)的最小公倍数，可用如下表达式表示

L＝lcm(p-1，q-1) (3)

E必须满足两个条件：E是一个比1大比L小的数，E和L的最大公约数为1，用gcd(X，Y)来表示X，Y的最大公约数，则E条件如下：

gcd(E，L)＝1 (4)

将E和N组合起来就成为了公钥，用(E，N)来表示公钥为：

Pkey＝(E，N) (5)

解密过程如下：

textcoded＝coded^D mod N (6)

D是由数E计算出来的，D是一个比1大比L小的数，D、E和L之间必须满足以下关系：

E*D mod L＝1 (7)

对密文进行D次方后除以N的余数就是明文，将D和N组合成私钥为：

Skey＝(D，N) (8)

6.根据权利要求1所述的一种基于区块链和物联网的中草药追溯系统，其特征在于，所述云服务模块记录中草药的有效成分信息，即每一种中草药其主要成分是什么，次要成分是什么，以及根据不同成分将中草药进行等级区分，并将等级区分的信息进行记录，方便查找和追溯。

7.根据权利要求1所述的一种基于区块链和物联网的中草药追溯系统，其特征在于，将区块链和物联网技术同时应用于中草药可信追溯系统，物联网网关设备作为区块链中的参与节点，每个网关节点的GPS信息和IP地址固定且被写入区块链以增强中草药原产地的防篡改属性。

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