CN115860759A - 一种基于区块链的农产品可信溯源系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农产品溯源技术领域，公开了一种基于区块链的农产品可信溯源系统及方法，包括：数据上传模块用于在有农产品信息录入时，对产品信息通过生成器封装并进行加密后，执行智能合约，触发共识机制，当各个节点通过共识时，进行数据上链并在本地数据库备份，同时产生溯源码；信息查询模块，用于在接受到用于农产品信息查询的某溯源码时，在数据缓存中查找对应的农产品信息；若数据缓存中未找到该溯源码信息，则基于溯源码在本地数据库或区块链上，获取该溯源码对应的农产品信息；实现了农产品的准确、快速溯源，并通过设置区块链保存的内容，有效防止了信息被篡改。

Description

一种基于区块链的农产品可信溯源系统及方法

技术领域

本发明涉及农产品溯源技术领域，具体的说，是涉及一种基于区块链的农产品可信溯源系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

农产品溯源系统能够标识食品来源，提供其从生产到餐桌全过程中信息流和产品，农产品溯源系统作为一种对农产品质量进行监督与控制的有效方法，已成为农产品质量安全监管的有效手段。

区块链是一种共享账本技术，具有去中心化、公开透明、分布式存储、不可篡改、安全可靠等技术特点，被认为是一种与生俱来的信任机器，能够通过共识算法、时间戳、数据加密等手段,在节点无需互相信任的分布式系统中实现基于去中心化信用的点对点交易,从而为解决中心化机构普遍存在的数据存储不安全、效率低等问题提供了解决的方案。

利用区块链共识算法等关键技术，将区块链技术恰当植入农产品溯源体系，设计出基于区块链的农产品可信溯源方案，在农产品溯源领域中创建出一个由算法组成的信任世界，有利于提高消费者对农产品安全溯源的信心。

但是，传统农产品溯源系统中存在的数据中心化严重、信息不透明、信息易被篡改等问题，利用区块链去中心化、公开透明、不可篡改等特点。

发明内容

本发明为了解决上述问题，本发明提供一种基于区块链的农产品可信溯源系统及方法，将区块链技术与农产品溯源相结合，实现了农产品的准确、快速溯源，并通过设置区块链保存的内容，有效防止了信息被篡改。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种基于区块链的农产品可信溯源系统，其包括若干个相互连接的节点，不同节点对应不同农产品业务环节，且每个节点都包括数据上传模块和信息查询模块；

所述数据上传模块，用于在有农产品信息录入时，进行身份认证，当认证通过时，对产品信息通过生成器封装并进行加密后，执行智能合约，触发共识机制，当各个节点通过共识时，进行数据上链并在本地数据库备份，同时产生溯源码；

所述信息查询模块，用于在接受到用于农产品信息查询的某溯源码时，在数据缓存中查找对应的农产品信息；若数据缓存中未找到该溯源码信息，则基于溯源码在本地数据库或区块链上，获取该溯源码对应的农产品信息，通过数据同步将获取到的农产品信息同步到数据缓存中；

其中，区块链中的每个区块内容包括区块头和区块体；每个区块头中保存有前一区块内容的Hash值；每个区块体中保存Hash二叉树，Hash二叉树的叶子结点保存农产品信息，分支节点保存子节点Hash值。

进一步地，所述溯源码的产业链环节代码包括环节数标记位、校验位和若干个环节产业链分支位。

进一步地，每个节点还包括登录注册模块；

所述登录注册模块，用于进行新用户的注册操作和用户的身份验证。

进一步地，每个节点还包括用户审核模块；

所述用户审核模块用于基于用户信息，通过区块链上所有节点的审核和共识后，生成用户的区块链地址，同时将用户信息和区块链地址会备份到本地数据库中。

进一步地，所述生成器为JSON生成器，用于将产品信息封装成JSON格式。

进一步地，所述加密使用哈希加密算法。

进一步地，所述共识机制采用PBFT算法建立。

进一步地，所述Hash二叉树为Merk l e树。

进一步地，所述区块头中还保存有Hash二叉树的树根。

本发明的第二个方面提供一种基于区块链的农产品可信溯源方法，应用于若干个相互连接的节点，不同节点对应不同农产品业务环节，其包括如下步骤：

数据上传模块在有农产品信息录入时，进行身份认证，当认证通过时，对产品信息通过生成器封装并进行加密后，执行智能合约，触发共识机制，当各个节点通过共识时，进行数据上链并在本地数据库备份，同时产生溯源码；

信息查询模块在接受到用于农产品信息查询的某溯源码时，在数据缓存中查找对应的农产品信息；若数据缓存中未找到该溯源码信息，则基于溯源码在本地数据库或区块链上，获取该溯源码对应的农产品信息，通过数据同步将获取到的农产品信息同步到数据缓存中；

其中，区块链中的每个区块内容包括区块头和区块体；每个区块头中保存有前一区块内容的Hash值；每个区块体中保存Hash二叉树，Hash二叉树的叶子结点保存农产品信息，分支节点保存子节点Hash值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种基于区块链的农产品可信溯源系统，其针对传统农产品溯源系统中存在的数据中心化严重、信息不透明、信息易被篡改等问题，利用区块链去中心化、公开透明、不可篡改等特点，将区块链技术与农产品溯源相结合，能够很好的消除传统农产品溯源系统存在的部分弊端。

附图说明

构成本发明的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。

图1为本发明的实施例一的一种基于区块链的农产品可信溯源系统的结构图；

图2为本发明的实施例一的区块链结构图；

图3为本发明的实施例一的农产品交易流程图；

图4为本发明的实施例一的农产品信息查询流程图；

图5为本发明的实施例一的产品溯源编码的结构图；

图6为本发明的实施例一的基于区块链的农产品溯源模型图；

图7为本发明的实施例一的区块链农产品溯源系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

本实施例一的目的是提供一种基于区块链的农产品可信溯源系统。

本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统，面向的用户要包括消费者、企业和监管部门，不同用户对于农产品溯源系统的功能需求不同。

消费者用户的需求主要是通过二维码扫描或溯源码查询，能够查看农产品生产流程的关键信息，查看产品检测报告，实现农产品信息公开透明，提升消费者对于农产品的信任程度。

企业用户的需求主要是实现农产品溯源系统的全产业链覆盖，并可以实现农产品全产业链信息的正向和反向追溯。需要在种植、加工、仓储、物流、销售等业务环节设置管理员，所述管理员经审核通过后作为区块链节点，负责环节业务信息的采集和存储，实现农产品全产业链流程的规范衔接。

监管部门负责对农产品的质量安全进行监督管理，需要配置区块链产品可信溯源系统的最高权限，能够实时查看区块链上各个节点的关键信息，进行产品质量抽检，监督产业链全过程操作规范，并且在农产品出现安全问题时可以进行快速根源追踪。

本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统，包括若干个相互连接的节点，基于消费者、企业和监管部门等用户对农产品溯源的不同功能需求，每个节点的功能模块包括登录注册模块、用户审核模块、数据上传模块、信息查询模块。

登录注册模块表示用户在登录系统时需要输入用户名和密码，该用户名此时需要进行身份验证，验证通过后显示登录成功可进行用户操作，新用户使用需要进行注册操作。

用户审核模块需要在用户第一次使用区块链溯源系统时，需要输入用户信息(用户名、密码、用户姓名、身份证号、手机号等信息)，通过区块链上所有节点的审核和共识后，系统可以生成用户的区块链地址，同时用户的个人信息和区块链地址也会备份到本地数据库中。

数据上传模块在有新的农产品信息需要录入时，首先进行身份认证，当认证通过时，进行产品信息的提交，对产品信息通过JSON生成器封装成JSON格式并进行加密后，执行智能合约，触发共识机制，当各个节点通过共识时，进行数据上链并在本地数据库备份。

信息查询模块在消费者用户输入溯源码进行信息查询时，先在数据缓存中查找，若数据缓存中未找到该溯源码信息(该溯源码对应的产品信息)，则调用后台AP I，基于溯源码在本地数据库或区块链上，获取该产品信息的JSON文件(优先从区块链上进行查询)，通过数据同步将该信息同步到数据缓存中，最后通过数据解析进行数据的展示。

其中，JSON文件是通过JSON生成器进行生成的，通过区块链后台接口的调用，查询相应的溯源信息，调用JSON生成器，将溯源信息通过JSON生成器封装成JSON格式。程序本身就存储区块链系统后台中。通过溯源编码标识符进行查询。

其中，通过JSON解析程序进行数据解析，将数据从JSON格式转换为所需的集合类型。

如图1和图6所示，本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统，基于农产品产业链运行流程，将系统业务环节划分为种植管理模块、加工管理模块、仓储管理模块、物流管理模块、销售管理模块；不同节点对应不同农产品业务环节，即，一个节点对应种植管理模块、加工管理模块、仓储管理模块、物流管理模块或销售管理模块中的一种。

种植管理模块的节点为农场或园区管理员，该节点需要录入的信息包括园区地块信息、种苗来源信息、农事操作信息、环境感知信息和种植管理员信息，将信息上传到区块链中，创建初始区块，此过程需要调用智能合约实现节点认证和信息上链，通过数据分片进行分布式存储；同时，采用非对称数据加密算法，在进行创建时生成溯源码，实现一批次一溯源码，实现区块链防伪溯源。当进入下一个业务流程加工管理模块时，当前节点向下一节点发送交易请求，双方节点通过密钥进行验证，根据智能合约进行交易，通过共识机制全员审核通过后完成交易，下一节点成为新的授权角色。

加工管理模块的节点为加工车间管理员，该节点需要录入的信息包括产品加工信息、产品检测信息、产品包装信息，环境感知信息和加工人员信息，其中业务流程，同时产品检测是监管部门重点关注的流程，需要监管部门参与，产品检测信息包括需要监管部门通过数字签名的方式进行认证。在产品包装过程中，需要生成分支溯源码，便于消费者用户进行溯源查询。

仓储管理模块的节点为仓储管理员，在接受了加工环节的农产品后，获得产品信息的维护权限，将该环节需要上传的仓储状态信息、卫生清洁信息、出入库记录信息、环境感知信息和仓储管理员信息写入区块中，调用智能合约进行溯源码更新，通过共识算法进行区块广播和数据同步，使链上其他节点也实现信息更新。

物流管理模块的节点为物流管理员，需要录入的信息包括收发货信息、订单管理信息、物流公司信息和物流管理员信息，通过加密算法将信息进行加密，调用共识机制进行信息审核，当通过共识，调用智能合约进行信息上链，并进行本地存储备份。同时，需要生成分支溯源码，便于消费者用户进行溯源查询。

销售管理模块的节点为销售管理人员，该节点需要录入的信息包括销售记账信息、商品状态信息、销售人员信息，其他操作与上述物流管理模块一致。

需要注意的是，初始溯源码在第一个环节(种植管理模块)建立时自动生成，溯源码中存在环节标志位，每个环节会生成相应的分支溯源码。

本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统使用哈希加密算法进行数据加密，依据产业链实际需求编写智能合约，采用PBFT算法建立共识机制，最后通过Hyper l edger Fabr i c框架实现了基于区块链的农产品可信溯源系统。

其中，Hyper l edger Fabr i c框架使用超级账本Fabr i c搭建区块链网络环境，Fabr i c环境是区块链系统运行得到前提和基础，节点的共识和智能合约的运行离不开一个良好稳定的Fabr i c环境，区块链系统部署的第一步就是要进行Docker的安装和Fabr i c源码的下载，Docker容器和Fabr i c源码安装成功后进行Fabr i c网络的启动，网络启动成功后，再进行智能合约和共识算法的部署。

区块链的结构如图2所示，区块是构成区块链的基本单元，每条区块链都存在于各自所属的通道x中。每个区块内容包括区块头与区块体。区块头包含版本号、前一区块Hash、Merk l e树根、时间戳、工作量证明参数、难度目标等本区块元信息。前一区块Hash字段中保存前一区块内容的Hash值，若前一区块中任何内容被篡改，则对其内容再次进行Hash运算后的结果就与此字段完全不同，由此可定位发生篡改的区块位置。区块体中用于存储Merk l e树。Merk l e树是一种Hash二叉树，其叶子结点保存溯源数据(农产品信息)，分支节点保存子节点Hash值，底层节点数据发生变化后会逐级向上传递到父节点直到Merk l e树根，从而可定位发生篡改的节点位置。

本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统中智能合约主要包括环节间农产品交易和农产品信息查询两种操作，通过两种智能合约的执行，使产业链各环节间的产品信息能够进行加密交易和无缝连接，其执行流程分别如图3和图4所示。

图3为农产品交易流程：输入身份信息，得到交易结果，首先进行用户注册并生成私钥，然后进行产品信息的录入和区块的生成，节点之间进行验证，验证通过后进行区块广播及验证。

图4为农产品信息查询流程：输入产品溯源码，得到产品溯源信息，首先进行节点验证，然后对区块进行遍历，最后遍历查询并输出。

本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统采用的共识算法为PBFT算法，PBFT算法通过一致性协议中的预准备、准备和确认三个阶段来保证全网节点保存数据的一致性，通过视图更换协议更换出现故障的主节点，通过检查点协议将系统中的服务器同步到某一个相同的状态。在某个节点进行信息的存储后，会对全网发送一个广播，链上所有节点确认广播后，使产品信息分布式存储于各节点的分布式数据库中。

本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统采用的数据存储方式为本地数据库与区块链相结合，便于用户管理，产业链各个节点之间的数据关联通过可分支溯源码和各个节点的接口进行实现，有信息上传到区块链时，系统会调用对应的智能合约生成产品在该环节唯一的溯源编码；当进行产品的溯源时，系统首先会通过最终的溯源码找到对应的环节，并根据可分支溯源码的规则回推到上一环节，接着通过该环节的接口实现信息的查询，以此类推，直到所有环节的信息都被查询出来，从而实现信息的关联和无缝连接。溯源的过程就是通过智能合约中的农产品信息查询接口进行查询，通过产品溯源码的输入，查询相应的产品信息。

本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统中的溯源码由监管部门进行统一规范和管理，企业产业链源头向监管部门申请溯源码，监管机构审核通过后向溯源系统中激活溯源，从而使农产品参与链各环节进行溯源码的内容更新。

本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统中的溯源码以GS1-128编码为基础来进行产品溯源编码的设计，根据全球贸易项目代码GT I N-14的结构，设计适合农产品的可分支溯源码，溯源码共38位，其编码结构如图5所示，包括全球贸易项目代码、变量产品代码、GS1区域编码组织、生产者代码、产品种类代码、校验码、生产日期应用标识符、采摘日期、系列号标识符、地块代码及个体代码、产业链环节代码。

其中，溯源编码的最后7位(产业链环节代码)标识符用Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7表示，用于实现产业链出现分支时产品的溯源，其产业链环节编码格式如表1所示。

表1、产业链环节编码格式

本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统的总体架构如图7所示，整体分为物理层、数据传输层、智能合约层、数据存储层、系统层、用户层，其中区块链技术主要用于数据存储层和智能合约层。

物理层中主要包含物联网感知、传输和控制模块等，承担数据自动采集与物联网远程控制等功能，用于将环境感知信息、产品信息等通过协议上传到区块中。

数据传输层提供网络数据传输服务，实现区块链网络节点之间的信息交互，区块链的本质是一个点对点网络，每一个节点既能够接受信息，也能够发布信息，节点之间通过维护一个共同的区块链来保持通信

智能合约层则根据企业间的商业合同编写，定义了一系列的事务处理流程，主要包括数据操作模块、企业交易模块和安全预警模块。数据操作模块包括对数据的添加、查询等操作；企业交易模块主要包括企业间或企业不同部门间的业务衔接；安全预警模块主要指在区块链系统存在异常时进行报警。

数据存储层中主要指对分布式数据库的操作，系统将数据记录到区块主体的Merkl e树中后，会对其进行Hash求值，形成链式结构，在对其进行时间戳的加盖后，区块便开始生效，上传到区块链中的数据经过完整性验证后都可以供任何链中的节点用户进行访问。数据存储层中的存储介质分为两部分：普通数据库和区块链系统。非溯源数据存入区块链会占用不必要的系统资源，所以此类数据会被存入各企业自己的数据库中，而关键的溯源数据会上传至区块链系统中安全保存。

系统层和用户层主要是面向用户，而用户分为政府、企业和公众，不同用户所拥有的职能和权限也不同，同时增加数据可视化的方式，提高溯源系统的实用性。

本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统采用的开发平台为基于联盟链架构的超级账本平台，通过多个开发平台的比较，超级账本不仅在发展上较为成熟，且由于具有更高的吞吐量和扩展性，在性能方面有显著的优势。

本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统在Ubuntu操作系统环境下，采用Hyper l edger Fabr i c1.0底层架构和Docker、G it等工具，利用Go语言通过GoLand编译器进行区块链后台环境的部署，然后进行智能合约部署和PBFT共识算法的部署。

本实施例提供的一种基于区块链的农产品可信溯源系统针对传统农产品溯源系统中存在的数据中心化严重、信息不透明、信息易被篡改等问题，利用区块链去中心化、公开透明、不可篡改等特点，将区块链技术与农产品溯源相结合，能够很好的消除传统农产品溯源系统存在的部分弊端。基于消费者、企业和监管部门等用户对农产品溯源的不同功能需求，将系统功能模块划分为登录注册模块、用户审核模块、数据上传模块、信息查询模块；基于农产品产业链运行流程，将系统业务环节划分为种植管理模块、加工管理模块、仓储管理模块、物流管理模块、销售管理模块；将各个业务环节分别设为区块链的节点，使用哈希加密算法进行数据加密，依据产业链实际需求编写智能合约，采用PBFT算法建立共识机制，最后通过Hyper l edger Fabr i c框架实现了基于区块链的农产品可信溯源系统，经验证该系统进一步提升了农产品溯源的安全性和可靠性。

实施例二

本实施例二的目的是提供一种基于区块链的农产品可信溯源方法，应用于若干个相互连接的节点，不同节点对应不同农产品业务环节，包括如下步骤：

数据上传模块在有农产品信息录入时，进行身份认证，当认证通过时，对产品信息通过生成器封装并进行加密后，执行智能合约，触发共识机制，当各个节点通过共识时，进行数据上链并在本地数据库备份，同时产生溯源码；

信息查询模块在接受到用于农产品信息查询的某溯源码时，在数据缓存中查找对应的农产品信息；若数据缓存中未找到该溯源码信息，则基于溯源码在本地数据库或区块链上，获取该溯源码对应的农产品信息，通过数据同步将获取到的农产品信息同步到数据缓存中；

其中，区块链中的每个区块内容包括区块头和区块体；每个区块头中保存有前一区块内容的Hash值；每个区块体中保存Hash二叉树，Hash二叉树的叶子结点保存农产品信息，分支节点保存子节点Hash值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于区块链的农产品可信溯源系统，其特征在于：包括若干个相互连接的节点，不同节点对应不同农产品业务环节，且每个节点都包括数据上传模块和信息查询模块；

所述数据上传模块，用于在有农产品信息录入时，进行身份认证，当认证通过时，对产品信息通过生成器封装并进行加密后，执行智能合约，触发共识机制，当各个节点通过共识时，进行数据上链并在本地数据库备份，同时产生溯源码；

所述信息查询模块，用于在接受到用于农产品信息查询的某溯源码时，在数据缓存中查找对应的农产品信息；若数据缓存中未找到该溯源码信息，则基于溯源码在本地数据库或区块链上，获取该溯源码对应的农产品信息，通过数据同步将获取到的农产品信息同步到数据缓存中；

其中，区块链中的每个区块内容包括区块头和区块体；每个区块头中保存有前一区块内容的Hash值；每个区块体中保存Hash二叉树，Hash二叉树的叶子结点保存农产品信息，分支节点保存子节点Hash值。

2.如权利要求1所述的一种基于区块链的农产品可信溯源系统，其特征在于：所述溯源码的产业链环节代码包括环节数标记位、校验位和若干个环节产业链分支位。

3.如权利要求1所述的一种基于区块链的农产品可信溯源系统，其特征在于：每个节点还包括登录注册模块；

所述登录注册模块，用于进行新用户的注册操作和用户的身份验证。

4.如权利要求1所述的一种基于区块链的农产品可信溯源系统，其特征在于：每个节点还包括用户审核模块；

所述用户审核模块用于基于用户信息，通过区块链上所有节点的审核和共识后，生成用户的区块链地址，同时将用户信息和区块链地址会备份到本地数据库中。

5.如权利要求1所述的一种基于区块链的农产品可信溯源系统，其特征在于：所述生成器为JSON生成器，用于将产品信息封装成JSON格式。

6.如权利要求1所述的一种基于区块链的农产品可信溯源系统，其特征在于：所述加密使用哈希加密算法。

7.如权利要求1所述的一种基于区块链的农产品可信溯源系统，其特征在于：所述共识机制采用PBFT算法建立。

8.如权利要求1所述的一种基于区块链的农产品可信溯源系统，其特征在于：所述Hash二叉树为Merkle树。

9.如权利要求1所述的一种基于区块链的农产品可信溯源系统，其特征在于：所述区块头中还保存有Hash二叉树的树根。

10.一种基于区块链的农产品可信溯源方法，应用于若干个相互连接的节点，不同节点对应不同农产品业务环节，其特征在于：包括如下步骤：

数据上传模块在有农产品信息录入时，进行身份认证，当认证通过时，对产品信息通过生成器封装并进行加密后，执行智能合约，触发共识机制，当各个节点通过共识时，进行数据上链并在本地数据库备份，同时产生溯源码；

信息查询模块在接受到用于农产品信息查询的某溯源码时，在数据缓存中查找对应的农产品信息；若数据缓存中未找到该溯源码信息，则基于溯源码在本地数据库或区块链上，获取该溯源码对应的农产品信息，通过数据同步将获取到的农产品信息同步到数据缓存中；

其中，区块链中的每个区块内容包括区块头和区块体；每个区块头中保存有前一区块内容的Hash值；每个区块体中保存Hash二叉树，Hash二叉树的叶子结点保存农产品信息，分支节点保存子节点Hash值。

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