王宏偉　王華　喬志偉

摘要 ? ?針對現(xiàn)有的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源實驗室定性分析、溯源系統(tǒng)中地域數(shù)據(jù)特征不明顯、數(shù)據(jù)易被替代從而引起公信力不足的問題，本文突出采集數(shù)據(jù)的地理特性及產(chǎn)品品質(zhì)的區(qū)域特性，提出一種采用定性分析與在線識別相結(jié)合的農(nóng)產(chǎn)品溯源方法及體系，實現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)與農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地、品質(zhì)溯源的內(nèi)在契合。通過賦予每個農(nóng)產(chǎn)品唯一的帶有國密算法的RFID標簽并結(jié)合手機專用的電商App，可以獲取農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、品質(zhì)檢測、倉儲、運輸、銷售等全流程數(shù)據(jù)，為消費者提供高效、真實、可信的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地追溯平臺，有助提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的公信力。

關(guān)鍵詞 ? ?農(nóng)產(chǎn)品;地理定性分析;品質(zhì)分析;區(qū)塊鏈;RFID;產(chǎn)地溯源

中圖分類號 ? ?TS207.7 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）19-0223-05

來自瑞士聯(lián)邦公共衛(wèi)生組織的評估表明，食物產(chǎn)地是決定消費者購買食品的主要因素的比例占到82%，而其中71%的消費者選購畜肉產(chǎn)品的標準即是產(chǎn)品來源[1]。由于我國農(nóng)產(chǎn)品市場準入制度和溯源體系的不完善，導(dǎo)致原產(chǎn)地保護產(chǎn)品和名優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品以假亂真、以次充好現(xiàn)象嚴重[2]。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源技術(shù)是建立于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、貯運、銷售和消費過程的信息記錄和信息追溯體系，即從“農(nóng)田到餐桌”的過程跟蹤或從“餐桌到農(nóng)田”的源頭追溯技術(shù)[3]，有利于保護農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地，保護地方特色產(chǎn)品，打擊假冒產(chǎn)品，確保公平競爭，提高生產(chǎn)者積極性，保護消費者合法權(quán)益，并在農(nóng)產(chǎn)品安全出現(xiàn)問題時能有效召回產(chǎn)品，防止食源性病原菌的擴散[4]。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)加快建設(shè)追溯體系，實現(xiàn)產(chǎn)品來源可查、去向可追、責(zé)任可究，初步建成全國上下一體、物聯(lián)網(wǎng)運作的重要產(chǎn)品追溯管理體制以及統(tǒng)一協(xié)調(diào)的追溯標準體系和追溯信息服務(wù)體系，部門、地區(qū)和行業(yè)企業(yè)追溯信息初步實現(xiàn)互通共享和通查通識，是國家對產(chǎn)品溯源的技術(shù)目標[5]。

目前，基于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)模式下的常規(guī)防偽溯源方式，包括：通過識別產(chǎn)品盒上的二維碼或者條形碼[6]，消費者在購買之前可以進行一些基礎(chǔ)認證，或產(chǎn)品包裝上的二維碼表面加涂層，刮開之后才能掃碼識別;穩(wěn)定性同位素分析、礦物元素含量分析以及化學(xué)成分分析法[7]被認為是進行食品產(chǎn)地溯源的有效技術(shù)手段，具有很好的發(fā)展前景;目前區(qū)塊鏈被業(yè)內(nèi)認為是最適合溯源的技術(shù)之一，因為區(qū)塊鏈的分布式記賬、密碼學(xué)以及智能合約這些技術(shù)具有去中心化、公開透明、不可篡改及可追溯等特點，恰恰契合了傳統(tǒng)商品溯源防偽的需求[8]。

然而，傳統(tǒng)防偽技術(shù)其實就是如何把二維碼更好地“藏起來”，這類防偽技術(shù)都無法從根本上解決通過復(fù)制和轉(zhuǎn)移防偽標識進行造假的問題[9];穩(wěn)定性同位素分析、礦物元素含量分析以及化學(xué)成分分析法，只能以實驗室離線分析并出具報告的形式存在[10];基于區(qū)塊鏈技術(shù)的防偽溯源同樣有個疑點，即鏈上某個廠商（節(jié)點）故意輸入錯誤數(shù)據(jù)，用假貨替換正版商品，從而導(dǎo)致溯源效果失效[11];另外，通過二維碼掃描只能得到產(chǎn)品的通用屬性，例如名稱、價格、重量以及產(chǎn)品的產(chǎn)地、生產(chǎn)、流通等環(huán)節(jié)上的信息，但是對于掃描二維碼得到的這些信息是否真實卻存在公信力缺失的問題[12]。

目前還缺乏一種可在線、無損、準確度高的產(chǎn)地溯源檢測技術(shù)。如何將區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)品溯源系統(tǒng)有機結(jié)合，有待于進一步改進和發(fā)展。本文從消費者角度出發(fā)，針對農(nóng)產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)提出一種全程在線識別的產(chǎn)地溯源方法，有機結(jié)合產(chǎn)地溯源與區(qū)塊鏈溯源技術(shù)優(yōu)勢，引入無損、在線佐證產(chǎn)地溯源方法，補充區(qū)塊空間地理信息，強化溯源接口的防偽性能，彌補目前技術(shù)的不足之處，做到溯源數(shù)據(jù)的真實可信，降低農(nóng)產(chǎn)品信任成本。

1 ? ?農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源方法及系統(tǒng)架構(gòu)

一般而言，農(nóng)產(chǎn)品主要從4個方面辨識產(chǎn)地：外形特點、產(chǎn)地地理特點、口感及營養(yǎng)特點。對于消費者而言，除了通過外形特點上“第一眼”識別市場上的商品外，產(chǎn)地地理特點、口感及營養(yǎng)特點較難第一時間獲取[13]。

以五常大米為例，真正的五常大米種植環(huán)境主要有以下特點[14]：種植于黑龍江省南部，氣溫屬于大陸氣候，平均年降水量608 mm，年日照2 629 h，充沛的日照，天然河水灌溉。這樣得天獨厚的環(huán)境造就了五常大米異于別的大米：在沒有碾米前一側(cè)的稻殼有微小的裂縫，長粒米，顏色清白，胚芽會有一點白點，呈半透明狀居多;煮熟后，香味清淡，口感略甜，飯粒表面油光艷麗，微軟筋道;營養(yǎng)豐富，含有多種有益人體健康的礦物質(zhì)、微量元素和維生素，并且支鏈淀粉含量高。

消費者可以通過外包裝及包裝內(nèi)可視的大米外形，判斷是否符合五常大米的外形特點，然而獲取其他特性則需要通過技術(shù)手段先驗獲取。

1.1 ? ?產(chǎn)地地理特性定性分析

農(nóng)產(chǎn)品生長的地理特性，可以通過前端部署有地理信息的傳感器自動獲取。如圖1所示，光照度傳感單元、水質(zhì)傳感單元、雨量傳感單元、溫濕度傳感單元、GNSS分別實時感知農(nóng)作物生長環(huán)境的光照度、澆灌用水水質(zhì)（pH值、TOC、SiO2、總磷、總氮、重金屬等）、降雨量、生長環(huán)境溫濕度、地理位置坐標等信息，控制單元獲取各傳感單元數(shù)據(jù)后經(jīng)處理后，可無線傳輸給后端平臺。后端平臺統(tǒng)計地理相關(guān)數(shù)據(jù)（譬如地理位置坐標、年日照量、年均溫、降水量等），與當?shù)氐乩硇畔ⅲ庀?、測繪公共數(shù)據(jù)）對照，并通過后端平臺展示給消費者，從而可確定農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的地理特性。農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地地理特性判定流程如圖2所示。

1.2 ? ?產(chǎn)地品質(zhì)特性定性分析

某特定的農(nóng)產(chǎn)品由于產(chǎn)地不同，生長地域的經(jīng)度、緯度、海拔和降雨等因素，引起同類農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)定性同位素、礦物元素、有機成分等具有獨特的地域特性。然而，穩(wěn)定同位素組成分析的儀器設(shè)備昂貴，分析成本較高[15];礦物元素指紋分析在食品產(chǎn)地溯源方面的應(yīng)用日益增大，但試驗過程仍然需要粉碎樣品，且由于元素間的相互關(guān)聯(lián)，需要同時檢測多種元素[16];紅外光譜檢測方式對樣品無損，主要反映的是食品中有機成分的組成、含量、結(jié)構(gòu)和功能團等特征，食品在貯藏、加工過程中由于有機成分的組成、含量等變化而使紅外光譜特征發(fā)生變化，致使與食品產(chǎn)地溯源的光譜指紋特征不穩(wěn)定[17]。目前急需一種無損、可以快速判定農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地品質(zhì)特性的技術(shù)手段。

基于雷達的農(nóng)產(chǎn)品定性分析是指利用電磁波在一定頻段（例如X波段）對一定厚度的農(nóng)產(chǎn)品以一定的強度進行“照射”，不同產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品所含有機物質(zhì)的不同，而造成電磁波的透射損耗與相移量的變化較大，因而可確定未知樣品的歸屬[18]。

以五常大米為例，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其支鏈淀粉含量要高于普通產(chǎn)地大米，而支鏈淀粉含幾千個葡萄糖單元，顯著影響農(nóng)產(chǎn)品的介電參數(shù)。對于該類農(nóng)產(chǎn)品，可以采用基于雷達的定性分析方式。

其主要的分析過程如圖3所示，一是采集已知樣品的電磁波透射及相位變化圖譜;二是處理采集到的已知樣品的電磁圖譜，生成定性判據(jù);三是用該定性判據(jù)判斷未知樣品同已知樣品同屬地的概率;四是若概率大于既定值1（如70%），則可判斷該未知樣品與已知樣品來源地一致;若小于既定值2（如30%），則判斷該未知樣品與已知樣品不是一個來源地;若介于兩者之間（如>30%，但<70%），則無法判斷。

針對“電磁圖譜”的獲取和分析，通過訓(xùn)練集建立數(shù)學(xué)模型，用經(jīng)過訓(xùn)練的數(shù)學(xué)模型來識別未知樣本，具體分析可參考神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[19]。

1.3 ? ?全程數(shù)據(jù)在線獲取

農(nóng)產(chǎn)品可追溯體系要求在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸以及銷售的每個環(huán)節(jié)都要做到準確記錄，任何環(huán)節(jié)的錯誤都將導(dǎo)致整體可追溯性的失敗?；趨^(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源系統(tǒng)，主要包括終端數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)控單元、事件生成單元、云端管控平臺等幾部分組成。

終端數(shù)據(jù)采集單元涉及圖1所示的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地地理特性獲取終端、產(chǎn)品包裝過程單品識別終端、產(chǎn)品加工過程單品識別終端、運輸過程車載識別終端及最終成品識別終端。終端數(shù)據(jù)采集單元均需包括GNSS定位模塊、無線傳輸模塊，其中GNSS定位模塊實時或定時對目標的位置進行采集，并通過無線傳輸模塊將定位數(shù)據(jù)發(fā)送到云端管控平臺，如圖4所示。以蘋果為例，蘋果生產(chǎn)過程中涉及的終端數(shù)據(jù)采集單元包括：蘋果基地田間地頭所安裝的產(chǎn)地地理特性獲取終端（如小型氣象站）、用筐/簍等容器所裝蘋果所產(chǎn)地塊標識的單品識別終端（如識別各地塊送往加工車間的筐/簍的掃描設(shè)備）、加工完成蘋果裝箱并以箱為單元的單品識別終端、與成箱蘋果關(guān)聯(lián)的運輸/倉儲裝置識別終端（如運輸車輛車載設(shè)備終端）及最終成品待售的可面向消費群體的識別終端。

監(jiān)控單元涉及農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、運輸、倉儲及銷售環(huán)節(jié)的視頻采集終端，該視頻采集終端均需包括GNSS定位模塊、無線傳輸模塊，其中GNSS定位模塊實時或定時對目標位置進行監(jiān)控，并通過無線傳輸模塊將定位數(shù)據(jù)發(fā)送到云端管控平臺，如圖5所示。以蘋果為例，蘋果生產(chǎn)過程中涉及的監(jiān)控單元包括：蘋果基地田間地頭所安裝的生長環(huán)境視頻采集終端（監(jiān)控農(nóng)事行為，包括施肥、施藥、除草、套袋、采收等）、蘋果加工車間視頻采集終端、蘋果倉儲環(huán)境視頻采集終端、蘋果運輸環(huán)境視頻采集終端等。

事件生成單元涉及農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地品質(zhì)特性定性分析及樣品檢驗過程，可包含品質(zhì)特性分析過程視頻采集終端（包含但不限于上述基于雷達的農(nóng)產(chǎn)品定性分析方式）及樣品檢驗結(jié)果公示數(shù)據(jù)（檢驗報告、證書或相關(guān)研究成果），該過程需要有資質(zhì)的機構(gòu)提供，譬如有影響力的研究機構(gòu)、檢驗機構(gòu)，以提高公信力度，具體如圖6所示。以蘋果為例，事件生成單元涉及采樣過程視頻采集終端（證實采樣樣品確為所需檢測地塊所出）、品質(zhì)特性定性分析過程（例如蘋果產(chǎn)地礦物元素含量分析以及與之匹配的土壤礦物元素分布特征等）、SGS等機構(gòu)所提供的農(nóng)藥殘留檢測報告等。其中采樣過程視頻采集終端及品質(zhì)特性定性分析過程包括GNSS定位模塊、無線傳輸模塊，其中GNSS定位模塊實時或定時對目標位置進行監(jiān)控，并通過無線傳輸模塊將定位數(shù)據(jù)發(fā)送到云端管控平臺。

以上所述各單元組成的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源系統(tǒng)，生成數(shù)據(jù)及視頻（圖片）等數(shù)據(jù)存儲到云端管控平臺，并得到與數(shù)據(jù)采集時間相對應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈接，如表1所示。

生成時間、生成地點、數(shù)據(jù)鏈接分別對應(yīng)相應(yīng)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對應(yīng)的產(chǎn)生時間、地理信息及生成的圖片/視頻等數(shù)據(jù)。如表1所示，此表按照時間序列，可生成（n+w+m+p+r+t）個區(qū)塊。每個區(qū)塊的結(jié)構(gòu)如圖7所示，區(qū)塊頭至少包含當前區(qū)塊的哈希值、父哈希值及時間戳;區(qū)塊主體包括各對應(yīng)環(huán)節(jié)的具體名稱、時間段、地點、數(shù)據(jù)鏈接等加密數(shù)據(jù)。

1.4 ? ?基于區(qū)塊鏈的產(chǎn)地溯源

通過前端帶有地理標識的傳感設(shè)備累積獲取農(nóng)產(chǎn)品生長的地理特性，并采用基于雷達等技術(shù)在線獲取農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)特性，關(guān)聯(lián)生產(chǎn)、加工、檢測、倉儲、運輸、銷售等數(shù)據(jù)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的可追溯性、不可篡改、去中心化、智能合約等特點解決農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源無法回避的信任問題。如圖8所示，通過將定性分析與在線識別相結(jié)合，運用區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建新型農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源體系，做到溯源數(shù)據(jù)的真實可信，降低農(nóng)產(chǎn)品信任成本。

2 ? ?消費端驗證過程

本文所述防偽溯源系統(tǒng)按照統(tǒng)一的編碼機制，為每件農(nóng)產(chǎn)品的最小包裝賦予唯一的身份標識，實現(xiàn)消費者線上驗真?zhèn)巍?/p>

系統(tǒng)采用高頻安全電子標簽芯片，每顆芯片擁有唯一的UID，具有較好的射頻性能和兼容性，保證了更遠的操作距離和更可靠的讀寫功能;存儲器劃分為64個Block，總?cè)萘窟_2 Kbits;內(nèi)置國家商用密碼算法SM7的單向認證和雙向認證功能，支持基于流加密方式的安全通信;具有物理不可克隆功能（PUF），并與SM7算法相結(jié)合，升級算法的安全性。圖9為某農(nóng)產(chǎn)品所選用RFID標簽Inlay及標簽成品樣例。圖10和圖11分別為防偽標簽加密、發(fā)行流程及與京東App端的交互流程，從而保證標簽的防偽能力，提升通信過程的安全性。

采用的雙向驗證芯片具備如下優(yōu)勢：讀寫器端，采用哈希算法，確保數(shù)據(jù)完整、不可篡改;簽名算法，確保某一授權(quán)讀寫器對芯片進行了操作，避免冒充、篡改和否認讀寫情況;簽名數(shù)據(jù)包括時間戳及當前讀寫器的ID信息，保證每一芯片的獨立操作具有唯一性;兼容通訊協(xié)議ISO/IEC15693，利用手持NFC模塊可遠距離（5～10 cm）讀取。

不同于常見的NFC讀取應(yīng)用，僅支持專屬App（譬如京東主站App端）“NFC掃”功能，方可獲取農(nóng)產(chǎn)品防偽溯源信息。圖12為通過專屬App獲取的完整追溯信息，而圖13則為其他App讀取到的內(nèi)容。

顯然，此種實現(xiàn)方式凸顯了防偽溯源系統(tǒng)的防偽性能，即難以復(fù)制性。

3 ? ?后續(xù)研究方向

如圖14所示，為了實現(xiàn)標簽的防轉(zhuǎn)移性，可采取把標簽嵌入到包裝袋的方式：將上述RFID標簽Inlay經(jīng)包裝生產(chǎn)工藝調(diào)整后，嵌入到包裝袋中;在外包裝表面，嵌入Inlay區(qū)域作為標示，提示用戶可在此區(qū)域手機操作，獲取商品的溯源數(shù)據(jù)。此種包裝方式可有效防止標簽轉(zhuǎn)移，結(jié)合標簽的難以復(fù)制性，可有效解決現(xiàn)有技術(shù)的防偽標識造假的問題。

4 ? ?結(jié)論

本文針對當前農(nóng)產(chǎn)品溯源技術(shù)各自分離、信任成本較高的問題，從消費者角度提出一種可信度較高的農(nóng)產(chǎn)品溯源方法，采用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源融合區(qū)塊鏈技術(shù)，定性分析與在線識別相結(jié)合，全面降低農(nóng)產(chǎn)品信任成本。通過傳感設(shè)備的地理位置信息、統(tǒng)計傳感設(shè)備年度氣候數(shù)據(jù)并與當年氣候數(shù)據(jù)對比，從而確定農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地;基于雷達技術(shù)的產(chǎn)地品質(zhì)特性定性分析方法，根據(jù)產(chǎn)地及農(nóng)產(chǎn)品特色，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的無損、快速判斷;強調(diào)獲取全程數(shù)據(jù)的地理位置信息重要性，截取帶有時間戳的數(shù)據(jù)鏈接作為區(qū)塊單元，利用區(qū)塊鏈實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的有效溯源;基于射頻識別技術(shù)的面向消費者的溯源數(shù)據(jù)獲取入口方式，提高溯源入口的防復(fù)制能力，并結(jié)合新型包裝形式，有效防轉(zhuǎn)移，從而提升溯源標簽的防偽水平。

5 ? ?參考文獻

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基金項目 ? 國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFD1101103）。

作者簡介 ? 王宏偉（1980—），男，河北故城人，博士，高級工程師。研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、農(nóng)業(yè)信息化。

收稿日期 ? 2020-05-21