基于物联网的农产品质量监管与溯源系统设计

2023-02-05陈光晓问静波范营营李志刚

计算机技术与发展 2023年1期

陈光晓，陈辉，问静波，宫杰，陶怡，范营营，李志刚

(1.西北工业大学计算机学院，陕西西安 710114；2.西安航天自动化股份有限公司，陕西西安 710065)

0 引言

据《2021全球农业生产力生产报告》，在未来的30年里，世界人口将不断扩大和增长，对农产品的需求将会飙升[1]。与此同时，现阶段农业生产水平和检测、监管能力与人民群众的安全要求仍有一定距离，农产品质量安全风险隐患和突发问题时有发生。因此，为保护消费者利益、为政府产品质量监管提供有效手段，有必要设计一个健康、可持续和包容的农产品溯源监管安全系统，一旦出现农产品质量安全问题，可通过产品标识代码进行追溯，快速缩小发生安全问题的产品范围，准确定位至问题产品的环节所在，直至追溯到生产的源头，从而确保问题农产品高效而准确的召回，在实现农产品安全监管的同时，也可以提升企业自身产品竞争力。

但是，由于农产品全产业链生产的复杂性——在种植、采摘、仓储、物流及销售过程中涉及主体众多、环节繁杂，在溯源数据收集、数据安全存储及主体间信任存在积重难返的问题，使得农产品溯源建设发展缓慢。周洁红等人[2]指出，受到信息不对称和政府监管不足的影响，农产品生产企业容易采取机会主义行为，致使国内农产品质量安全溯源一直未能得到很好的发展。陈海等人[3]提到，产品的追溯数据采集录入目前已建成的追溯体系都是由各参与方自己负责完成，这就不同程度地存在“信息孤岛”问题，而且也面临着数据造假、人为篡改的风险。在农产品溯源平台建设方面，根据Hu Y等人[4]对国内外农产品可追溯性平台的研究调查，目前尚在运行的可追溯系统或平台的服务领域和服务目标相当狭窄，可持续服务能力薄弱，商业运行能力明显落后，无论工业化水平如何，农产品建设尚未议程。

为解决当前农产品溯源系统数据获取困难、数据安全性低、服务目标单一等问题，该文将物联网、大数据和区块链等新兴计算机技术应用到农产品溯源中，为溯源应用赋能，以设计一个全产业链农产品数据采集的、安全可靠的、提供多元化服务的质量安全溯源系统。

(1)基于物联网的全产业溯源。

在本溯源系统中，采用ZigBee、LoRa、RFID、二维码和传感技术等物联网技术，并通过部署不同的IoT设备，构建农产品全产业链数据采集方案，解决了由于全产业链各参与主体之间的资源和技术差异，使得农产品源头数据获取困难[5]的问题，为实现可靠的溯源服务提供了坚实的底层技术支撑。

(2)基于区块链的数据安全存储。

通过在溯源中引入区块链技术手段，解决了传统的溯源技术中标准不一致、可信区块链推进计划无法体系化，各参与方难以互信的难题。同时区块链去中心化的特性保障了数据的安全性和可追溯性，打造多中心、价值共享、利益公平分配的生态场景，使得用户对产品流通各环节溯源校验的信任度大大提升，优化了公众监督的条件，提升了用户感知。

(3)基于云平台的溯源服务。

大数据云平台实现对溯源数据的安全存储、分析和计算，一方面保存了溯源数据的全部历史，另一方面对数据进行精炼抽象，在提供农产品信息查询的同时，还提供了溯源数据分析、接入设备管理等多元化的溯源服务。

1 系统总体设计

随着农产品生产越来越复杂，流通渠道日益精细化，产业链上的任何一个环节都有可能引发产品质量安全问题。因此，要为消费者提供一个安全和可信的农产品溯源平台，首先溯源数据的采集和查询需要覆盖农产品从种植、采摘、仓储、物流、销售整个生命周期。而传统的溯源系统，由于源头数据获取困难，无法完成农产品全产业链的数据采集，溯源环节连接松散，溯源数据较为单薄，导致消费者对产品情况不知就里。

其次，农户作为全产业链上源头个体，其种植管理、生产能力和效率直接影响到农产品质量。而传统的溯源系统仅提供数据的存储及查询，缺乏对数据的挖掘和深入分析，使得农户及相关专家无法洞悉作物生长状态。所以，需要在云平台开发数据分析和可视化功能，并建立信息多重反馈机制，利用种植、采摘及仓储环节的信息为作物生长提供数据和技术支持，以提高质量和产量，为农户生产发展注入源头活水。

为保证农产品全产业链生产的透明度与可信度，还需要对农地管理、农产品生产、储藏运输和市场销售等过程进行指标量化和全程监管，实现农产品品质检测多维数据分析，进一步开发市场准入管理、产品质量安全预警等应用功能。监管工作的完成需要安全性的支持，而传统的溯源平台由于多采用集中式数据库来存储供应链信息，无法保证存入数据的安全性和可靠性[6]，如何建立去中心化、安全可信的溯源系统也是一个亟待解决的问题。

本研究通过分别引入物联网、云平台和区块链存证技术，完成农产品全产业链数据收集、溯源数据分析与查询、溯源数据可信存储。使农户及生产环节工作人员可以通过客户端接收种植、储藏等生产建议，管理部门可通过电脑对农产品质量安全进行监管，用户通过手机扫描二维码可实现所购商品溯源，实现政府监督、企业管理、用户溯源的快速介入服务，农产品质量安全监管与溯源系统功能形态图如图1所示。

(1)基于物联网的全产业链数据收集。

将物联网技术贯穿于农产品全产业链，从种植、采摘、仓储、物流到销售全部环节。利用ZigBee和LoRa组网技术，构建起农产品种植环境数据采集传感器网络，实现农田土壤温湿度、光照等数据的获取；基于RFID、二维码等技术，设计农产品流通数据记录系统，对农产品采摘、仓储、物流、销售等流通过程数据进行记录。

图1 农产品质量安全监管和溯源系统功能形态图

(2)基于云平台的溯源数据分析与查询。

收集到的农产品全产业链质量安全数据，以直接和通过边缘网关间接方式上报到云平台。云平台对数据进行处理、存储并通过API接口对外提供服务，形成了集农产品信息采集、处理、分析及查询为基础的溯源服务体系。

(3)基于区块链存证的溯源数据可信存储。

提出一种数据共享模型，对农产品溯源过程中产生的关键质量安全数据，通过计算hash值生成数字指纹并存储至农资区块链，为企业与消费者之间建立可验证信任机制，完成对全产业链农产品数据的可信溯源。

2 农产品全产业链数据收集

国际标准化组织(ISO)在ISO 22005:2007中给出的可追溯性的定义是“跟踪饲料或食品经过生产、加工和分销的特定阶段的能力”[7]。在实际农业应用当中，农产品质量安全追溯系统是一种记录和查询系统，它记录了特定农产品从生产到流通再到消费的整个活动过程。

一方面，为缓解对大面积农田信息采集的布线难度大、功耗高等问题，有必要根据环境特点和信息采集类型，通过布集异构传感器网络来构建农田信息采集系统，完成对不同农田环境、不同生产信息的采集。但由于异构网络间无统一的通信协议标准和数据格式，加上设备和传感器种类繁多，且大部分设备没有IP通信能力，对数据的收集和融合有一定挑战。为此，该研究通过引入边缘网关，完成对不同场景不同协议所产生数据的解析、预处理及缓存等工作，同时解决云计算模型对数据采取统一上传的集中式处理产生的延迟和功耗问题。

另一方面，要得到一个可靠的可追溯性结果，还必须要求供应链上的所有参与者都参与到产品的追溯过程并相互协调。而在整个生产和销售农产品的过程中，参与方很少与下游企业进行信息交流[8]，这就会加大溯源信息的采集难度，降低农产品可追溯性。该研究将二维码和RFID标签作为农产品在流通过程中信息记录的载体，避过参与者直接询问供应链发起方，提高了生产效率。与此同时，将农事信息、质检信息等关键数据存储至区块链，提高了相关数据的可靠性，各环节人员可以放心地参与到溯源过程。

2.1 生产环境信息的收集

产地的生态环境是影响农产品质量的主要因素之一，对生产环境的管理主要是对农产品位置、土壤肥力、水和空气等信息进行有效管理，为生产环境建立产前、产中、产后生产数据库。ZigBee作为一种典型无线通信技术，凭借其多跳、自组织、低功耗的特性，很适合在应用中小区域农田数据采集与控制当中，若要对大面积的农田进行网络覆盖，则需要向网络中加入更多节点完成更多跳的路由，不免会给网络传输性能造成影响；LoRa作为一种新型网络，在传输距离及传输方式上有了很大突破，通过应用扩频调制技术与编解码方案，在降低通信费用的同时，增加了链路的抗干扰性[9]，从而与农业物联网表现出了较高的契合性。该溯源系统在农产品产地分别构建了以LoRa和ZigBee为核心的农业种植信息采集网络，通过全面采集农产品种植和生产过程土壤温湿度和空气温湿度等信息，实现了农产品生产环境质量安全数据采集需求。

2.2 生产管理信息的收集

生产管理直接影响农产品的质量安全，因此收集正确而详细的生产管理信息非常重要。需要对每个田间地块分配科学合理的编号，记录农产品品种、品级及种植地块等信息，以及浇水、施肥、喷药等农事操作信息，还包括流通和质检等信息，从而构建起详细而完整的生产管理数据库，为农产品可追溯性提供基本数据。

(1)农事信息采集。

采用手机APP这一移动端管理平台，为农户提供便携式实时农事操作记录，特别是图片信息的录入，农户通过自助申请注册并通过管理员审核后即可使用。

(2)质检信息采集。

使用API接口为农产品质量监管人员开放质检信息录入服务，监管人员通过PC端或者手机端，调用该API接口即可实现质检数据的记录与更新。

(3)流通信息采集。

采用RFID作为仓储及物流信息的数据载体，企业人员或物流专员通过RFID读写器，对农产品入库时的时间、位置及参与方等信息进行详细记录，同时对农产品的实效性进行更新，确保该产品可以在整个供应链中被自动和一致读取。

(4)销售数据采集。

考虑到销售数据上报较为繁琐，并且可能会牵扯到用户隐私问题，该研究参考北京大学黄罡教授等人关于Android数据挖掘的研究[10-12]，完成“销售数据采集及接入”功能的开发，在实现数据开放的同时，降低时空及人力成本。

2.3 云-边系统接入连接设计

物联网应用场景的典型特征是设备和传感器种类繁多，节点之间无统一的通信协议标准和数据格式，且大部分设备没有IP通信能力，无法直接进行云接入。虽然可以通过引入类似GPRS的远程通信技术对其进行改造，赋予其IP通信的功能，将数据上传至云，但这样又会增加布线的时间和人力成本。同时，采用这种对数据统一上传的集中式处理方式，面对设备和数据的爆发式增长时，系统会面临如低延迟、高带宽、实时分析、能耗、安全和隐私等方面的挑战[13-15]。

该文将边缘计算能力引入农业物联网系统，其数据处理在靠近移动设备或传感器一端进行，通过在本地终端设备上提供数据处理和存储能力[16]，一方面解决了物联网设备的接入问题，同时也避免了数据集中式上传到云平台所引发的延迟和能耗等方面的问题。该边缘网关可以完成对不同场景不同协议所产生数据的解析、预处理及缓存等工作，在无网络或网络状况不佳时，在一定程度上仍旧能够对农业物联网数据的计算做出自主判断、决策与执行操作。

图2为云-边系统的总体结构，其功能的实现包括边缘网关的设计与实现和云端接入模块的设计两部分。边缘网关可以完成多种不同类型的传感设备的接入，此外该边缘网关还具有数据预处理、设备控制、数据缓存及崩溃自启动等功能。

图2 云-边系统的总体结构

2.3.1 边缘网关的设计与实现

从物联网网关接入来看，当前研究者只基于某一种特定的应用领域考虑，网关系统往往设计成单一的感知通讯接入方式[17]，不能满足各种异构通信协议设备接入网络的需要。而物联网是一种复杂的异构网络，特别是农业物联网，需要运用各种不同种类的传感器、采集设备、传感网络，广泛地采集农田种植、设施园艺、农产品物流、水产养殖等场景的现场信息[18]，不可避免地要面临异构设备组网、多源异构数据处理、决策支持等问题。

从现阶段关于物联网网关的研究及农业物联网特点出发，该文基于计算机板卡进行边缘网关的设计与实现，旨在能够支持多种不同无线通信协议的接入，实现不同种类的农业设备、传感器突破数据共享屏障，其EdgeX架构设计如图3所示。

图3 边缘网关EdgeX架构设计

2.3.2 云端系统接入模块的设计

该文采用MQTT通信协议制定边缘网关和云数据中心的并发接入方案。MQTT是针对物联网开发设计的新型轻量级基于TCP/IP协议之上的消息发布/订阅传输协议，通过消息中间件(MQTT服务器)实现主题的订阅和发布，对于低带宽、低计算能力的设备，MQTT 进行了特殊的优化升级，能够适应各式各样的物联网应用场景[19-20]。

3 关键数据的可信存储

传统的农产品溯源系统多采用集中式数据库来存储和管理供应链数据，系统中心化严重，导致数据在记录过程中出现易被人为篡改、信息易丢失等问题，系统在数据安全存储方面面临着巨大挑战，因此，保证这类敏感数据能够安全存储，实现数据的公开透明化，提高数据的可信任性非常重要。

该文利用区块链的去中心化、防篡改和时序性的特性，保证产品在流转过程中的数据安全性问题，将农事信息、质检信息等关键生产管理数据存储至区块链，通过在源头设置权限，提高可信终端上链可信性，在过程中对关键数据哈希存证，获取数据时从区块链上获取数字指纹对数据进行验证[21]。

为进一步提高农产品质量溯源的安全性和准确性，完成关键数据的可信存储，提出并设计了基于区块链的数据共享模型，如图4所示。

图4 基于区块链的数据共享模型

存储数据时，数据通过云平台存储到数据库中，部分关键数据如农事信息、质检信息等，通过计算hash值生成数字指纹存储至区块链，关键数据存储过程如图5所示。

首先，普通节点如客户端应用或物联网设备需要从证书颁发机构(Certificate Authority，CA)获取身份证书，通过区块链网络的逻辑决策，访问修改区块链账本的权限开启后，普通节点成为可信终端[22-23]。可信终端使用hash散列算法对关键数据计算数字摘要，生成与其对应的数字指纹。然后，使用私钥对该数字指纹进行数字签名，再根据时间戳标记加密数据的生成时间。最后，区块链网络节点验证提案发起者身份合法并判断提案发起者是否拥有相应权限，验证通过后，将待上链数据写入账本，节点完成共识，数据同步到区块链节点的其他账本中。

图5 关键数据上链存储示意图

在进行溯源查询时，首先，根据前端页面传来的溯源码，从数据库中检索出部分关键数据原文信息；然后，从区块链中获取相应数字指纹加密后的数据；最后，将hash处理后的原文与数字指纹进行比对验证，根据一致性判断来检验数据是否被篡改，保证溯源数据的安全性。

4 云平台设计与实现

基于区块链的Web系统架构如图6所示。平台在保证上层应用性能需求的同时，对接口进行抽象和封装，支持用户更灵活地构建应用，提供更多元化的溯源服务。系统将区块链技术应用到农产品溯源服务中，将云平台收集到的农事信息、质检信息等关键数据上链，实现基于区块链的农产品可信溯源。

4.1 功能描述

服务器平台搭建在一个安装有MongoDB与MySQL数据库的阿里云服务器上，并集成到由Spring Boot+MyBatis+Thymeleaf构建的开发框架中，实现服务器、应用、数据库之间彼此交互，前端Web界面则是采用HTML5、CSS3和JavaScript等技术进行设计。该服务器平台除完成农产品生产信息、农产品管理信息等数据的保存以外，还具有用户管理、边缘网关管理、终端设备管理、历史数据展示及数据实时查询等功能。

4.2 部分功能实现

4.2.1 农事信息采集

农户可以通过登录网址或者采用便携式手机APP这两种操作方式，完成对农田或果园的信息管理及农事操作的记录，利用区块链不可篡改、可追溯的特性，后台将该环节的具体信息进行上链，记录在区块链的共享账本中。图7展示了农田(果园)信息查看前端界面。

图6 Web端平台功能示意图

图7 PC端农田信息查看(左)、手机 APP农事信息录入(右)

4.2.2 数据分析和可视化

通过对作物生长环境信息进行数据分析和可视化，使农户及相关专家更好地洞悉作物生长状态。图8分别展示了云平台的实时监控查看(左上)、历史数据查看和下载(右上)、实时数据查询(左下)和历史数据可视化(右下)等功能。以此为基础，目前正在进行作物生长模型的构建工作，即根据环境特点、土壤条件以及农作物栽培管理措施，定量描述作物生长、发育、成熟及产量等动态过程，为作物的种植和生产提供精准指导。

4.2.3 农产品溯源

该系统采用Zxing实现溯源二维码的编解码，通过对粮食、蔬菜及水果等不同门类的农产品进行溯源编码，对每个产品单元赋予唯一标识，实现了与农产品与数字身份的一一对应。用户通过微信或浏览器“扫一扫”该二维码，即可查看该农产品的区块链证书，从而获取相应的农事信息、质检信息等溯源信息，实现对农产品的一物一码追溯。图9展示了对周至猕猴桃这一农产品进行扫码追溯得到的溯源信息。