基于区块链的存储扩展果蔬溯源系统

基于区块链的存储扩展果蔬溯源系统

周乐灵  唐庆琳

西南民族大 四川 成都 610041

摘 要：鲜食果蔬供应链对产品质量有着更高要求，种植、运输和销售过程可能对鲜食果蔬的品质和新鲜程度造成损害。随着消费者食品安全意识的提高，鲜食果蔬产品的溯源越来越受广大消费者重视，基于区块链技术搭建的鲜食果蔬供应链网络提供了更多的可追溯性和透明度，但越来越多的鲜食果蔬数据势必增加系统储存压力和交互时长，降低消费者的使用感受。因此本文探索并构建一个存储扩展型区块链鲜食果蔬溯源平台，通过结合中心化存储和区块链技术各自的优势，扩充平台的存储能力，优化消费者的使用感受。

关键词：区块链技术；鲜食果蔬；存储扩展型区块链溯源平台；果蔬供应链网络；Hyperledger Fabric

1 区块链在鲜食果蔬追溯的应用和挑战

区块链可以用于记录鲜食果蔬的溯源信息，包括种植、收获、加工、运输等环节的数据。每个环节的信息都可以被记录在区块链上，例如品种、产地、生产日期、农药使用情况、施肥方式、加工方式、运输方式、检测报告等信息。由于区块链中数据的不可篡改性和透明性[1-2]，消费者可以追溯每一件手中鲜食果蔬的全生命周期过程和验证，从而提高信任度和购买体验[3-5]。当有食品安全问题发生时，可以通过区块链快速确定问题的来源，并采取相应的召回措施，减少更大的损失和影响[6]。这也有助于生产企业减少粗制滥造、假冒伪劣产品等问题，增强整个鲜食果蔬供应链的可信度。

需要注意的是，区块链技术并非解决所有问题的答案，它在鲜食果蔬追溯中的应用还面临一些挑战和限制。鲜食果蔬的生产到销售过程涉及到多个环节，每个环节都涉及多个企业的参与。在整个供应链中，包括农场、加工厂、分销商、零售商等多个参与者，为了确保鲜食果蔬的质量和可追溯性，需要收集和管理大量的溯源信息。而区块链作为一种分布式的系统，区块中存储的数据都将在所有节点中进行备份，当随着数据的不断增加势必会造成大量内存的占用，激增溯源系统的维护成本、降低系统的反应速度。

2 基于存储扩展型区块链的鲜食果蔬溯源平台的构建

2.1 节点类型设计

鲜食果蔬供应链中主要包括溯源信息的全流程提供者，例如种植企业、分销商、物流、经销商等，也包括消费者、监管者以及第三方检测机构等。节点的类型按照鲜食果蔬供应链中不同的角色进行划分，并分别设计不同的智能合约供其进行数据的查询和上传。在整个鲜食果蔬供应链平台中，所有的数据都是公开透明且不可篡改的，所有的参与主体既是追溯信息的提供者也是使用者和监管者。

2.2 存储设计

如图1所示，鲜食果蔬供应链各个环节的企业将明文对象存储在本地数据库当中，并将明文进行哈希运算后的哈希值和对哈希值的签名通过不同的智能合约接口存入鲜食果蔬溯源中。针对上链数据的不可篡改性和安全性问题，本文采用SHA-256哈希算法对溯源数据进行哈希运算并得到对应的哈希值，利用哈希算法的单向性，保证链下数据的不可篡改。在生成哈希值的同时，企业方将使用 RSA 加密算法产生的私钥对明文数据产生的哈希值进行签名并得到签名值保证来上传数据的身份是合法的。这种存储方式不仅可以极大地缓解区块链存储压力，提高整个区块链系统的吞吐量，还能保证数据的不可篡改性性和有效性。

图1：数据存储模式

Fig.1  data storage mode

2.4 总体框架设计

本研究基于区块链构建存储优化的鲜食果蔬溯源架构，通过设计区块链与存储数据库融合存储的方案，增强平台的存储能力，增加平台的吞吐量；通过数据的哈希算法和RSA加密保证了数据的不可篡改性和可靠验证。本研究提出的追溯模型架构见图2所示，由上至下共分为用户层、应用层、智能合约层、存储层、物理层5个层次。

用户层由鲜食果蔬供应链参与者、消费者、监管机构和检测机构组成，所有的参与主体既是追溯信息的提供者也是使用者和监管者。

应用层包含用户应用、企业应用和机构应用，针对消费者、企业和监管机构等主体类型的不同，提供相应的查询和数据上传功能。这包括数据查询、数据上传、数据共享、数据验证等，以满足不同主体在鲜食果蔬追溯过程中的需求。

智能合约层将与鲜食果蔬相关的标准、用户注册信息、数据上链格式、追溯信息查询条件等以代码的形式嵌入区块链中。通过智能合约的自动化和智能化功能，实现鲜食果蔬追溯过程的自动执行和智能判断，提高追溯效率和准确性。

存储层中的本地数据库主要用于存储溯源数据的明文信息，以减轻区块链网络的负载，区块链数据库存储传统数据库中对应明文的哈希值和上传者的签名,利用利用区块链系统的防篡改特性，保护哈希值和签名的原始性。

物理层通过相关物联网设备收集鲜食果蔬供应链环节中产生的生产、销售等数据，数据处理技术用于对多模态的物联网数据进行清洗、分类和整理，最终整理成统一标准的数据格式并将其存储本地数据库和区块链数据库。此外，利用条码标签为产品生成唯一的溯源二维码，方便对产品进行追踪和识别。

图2：鲜食果蔬区块链模型结构

Fig.2  Structure of Fresh Fruit and Vegetable Blockchain Model

4 总结与展望

本文结合区块链技术与传统数据库的优势，构建了一个适用于鲜食果蔬供应链的溯源体系，并建立了一个具备存储扩展能力的区块链鲜食果蔬溯源平台。该平台在确保鲜食果蔬信息的真实性和透明性的基础上，扩展了区块链的存储能力，提高了溯源效率，满足消费者对鲜食果蔬溯源查询的性能需求。同时也解决了责任主体追溯困难和追溯准确性等问题，满足消费者对鲜食果蔬可信溯源的需求，也加强了监管部门对风险追溯数据的监管能力。希望通过该平台的应用，可以推动鲜食果蔬行业的规范化发展，提升消费者对食品质量和安全的信心，并加强监管部门对风险数据的监管能力，促进整个行业的可持续发展。

参考文献：

[1]宁丹丹.基于区块链的鲜食果蔬农产品供应链质量管理体系构建研究[J].物流工程与管理,2022,44(12):70-73.

[2]Marchese Angelo,Tomarchio Orazio. A Blockchain-Based System for Agri-Food Supply Chain Traceability Management[J]. SN Computer Science,2022,3(4).

[3]Gao Zhenghao,Li Dan. Blockchain-Based Neural Network Model for Agricultural Product Cold Chain Coordination.[J]. Computational intelligence and neuroscience,2022,2022.

[4]兰毅鹏,刘彤,赵祥琦,黄哲.基于区块链技术的道地药材质量监管体系构建研究[J].沈阳药科大学学报,2023,40(04):486-493.DOI:10.14066/j.cnki.cn21-1349/r.2021.0541.

[5]景旭,蒋炎.集群式农产品供应链区块链密文策略可验多部门监管方案[J].农业工程学报,2023,39(03):227-236.

[6]王琳,刘伊.基于区块链的粮食收储监管体系构建研究[J].河南工业大学学报(社会科学版),2023,39(01):29-38.DOI:10.16433/j.cnki.cn41-1379.2023.01.009.

姓名：周乐灵（1999.04--）；性别：男，民族：汉族 籍贯：四川省德阳人，学历：硕士研究生在读，就读于西南民族大学；研究方向：区块链、信息化建设。

基金项目：西南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金资助编号（项目编号：2023NYXXS049)；