基于5G-IoT和区块链的农产品供应链溯源平台研究

来源：核心期刊咨询网时间：12

摘要：摘 要：可追溯性在农产品质量和安全管理中起着至关重要的作用，基于物联网(IoT)的农产品溯源系统为农产品的质量监控和信息追溯提供了可行的解决方案。但是，目前IoT下的农产品溯源系统信息传输效率低、实时性差，而且大多数依赖于集中式服务器-客户端的模式

　　摘 要：可追溯性在农产品质量和安全管理中起着至关重要的作用，基于物联网(IoT)的农产品溯源系统为农产品的质量监控和信息追溯提供了可行的解决方案。但是，目前IoT下的农产品溯源系统信息传输效率低、实时性差，而且大多数依赖于集中式服务器-客户端的模式，使得消费者很难获取准确的交易信息并跟踪农产品的来源。因此，文章设计了基于区块链的5G-IoT农产品溯源平台。将5G技术应用于IoT农产品溯源，可以有效地解决IoT系统产生的海量数据实时传输慢的问题;区块链可以保证信息不可篡改，其中联盟区块链具有较强的可控性，非常适用于多种责任主体的农产品溯源系统。文章首先介绍了当前农产品供应链溯源的环节和存在的问题，然后基于5G-IoT对农产品溯源系统，设计了基于联盟链的5G-IoT农产品溯源平台。研究结果证明了该平台能够提高农产品信息溯源的效率，为从业人员、管理人员和消费者提供真实、可靠的农产品信息，并对改善农产品的可持续质量管理具有积极作用。

　　关键词：农产品溯源;IoT系统;5G;区块链

　　1 引言

　　对农产品信息进行溯源有助于农产品供应链的可持续性管理[1]，同時可以提高农产品链的安全性和可靠性，增加消费者对农产品的信任度和购买意愿。厂家、商家、消费者和监管部门都需要全面了解农产品的生命周期，以确保农产品的安全、可持续和高质量[2]。农产品供应链中，数据的实时传输和信息防篡改问题对于农产品溯源至关重要，也已成为农业领域需要紧迫解决的问题。5G具有系统容量大、数据传输速率高、延迟少的优势;另外，还允许大规模的设备连接，为大量传感数据的实时传输提供了可能。区块链技术被认为是一种有前景的技术，可以帮助建立安全和共享的信任机制，农产品供应链中没有任何一方可以更改现有信息，为农产品信息溯源和防篡改提供了保障[3]。

　　本文首先介绍了农产品供应链及其在信息溯源方面存在的问题，然后利用5G的技术设计了基于5G-IoT的农产品溯源系统，接着介绍了区块链在农产品溯源中的优势，并通过对区块链技术进行选型，设计了基于联盟链的5G-IoT农产品溯源平台，帮助消费者和管理人员快速和实时查询供应链上的农产品信息，提高溯源效率，更好地提高农产品信息的真实性和共享性，保证农产品的质量与安全。

　　2 农产品供应链溯源概述

　　农产品供应链的分布广泛，涉及许多不同的主体，例如原料供应商、生产加工者、运输公司、批发商和零售商等，终端是消费者，中间还会涉及到政府等监管部门。农产品供应的主要阶段如图1所示，分为五个阶段，分别是生产、加工、分销、零售和消费。

　　(1)生产：是指农户进行种植养殖作业，为农产品加工商提供粮食、蔬菜和肉类等原料。

　　(2)加工：将一种或几种主、副农产品制成各种食品或其他用品，随后进入包装阶段，每个包装都通过一个生产批处理码进行唯一标识，包含生产日期和所用原材料清单等信息。

　　(3)分销：包装并贴有标签的农产品在分销阶段发布。不同农产品交货时间范围不同，并且会有不同的存储步骤。

　　(4)零售：在分销结束时，将农产品交付给执行农产品销售的零售商。

　　(5)消费：链的最终用户是消费者，他们购买产品，并对产品质量提出要求，如生产日期、生产方法、原材料等可追溯信息。

　　目前，农产品供应链溯源系统通过物联网(IoT)应用于农产品供应链体系，可以实现对农产品的位置跟踪、来源追溯、实现信息共享，还可以对农产品整个流通过程进行状态监控。但是，受传统IoT技术的限制，目前基于IoT的农产品溯源系统存在明显不足。

　　(1)数据存储容量不足。随着农产品供应链中的数字化程度越来越高，IoT系统中上传和下载的数据量越来越大，海量数据使IoT系统的存储容量受到限制，系统容易出现卡顿问题，网络的稳定性也受到影响。

　　(2)数据传输效率低。农产品信息要想通过网络实时准确传递出去，需要稳定高效的网络传输支持，当供应链中间环节较多或数据量过大时，受通信技术的限制，必然造成数据传输效率低的问题。

　　(3)中心化系统数据安全性低。IoT系统管理农产品供应链信息，普遍采用的是中心化管理方式，数据库中存储的数据能够人为进行篡改，数据的可靠性和安全性无法保证，而且存在信息不对称的现象，导致责任主体难以确定。

　　(4)多主体信息共享难实现。农产品供应链中多个企业在各环节之间的信息对接过程十分冗杂，信息流动不畅导致供应链上的各节点难以第一时间掌握相关情况，影响供应链信息传递效率。传统统溯源系统难以建立多方共同信任体系和隐私保护体系，物流信息在共享过程中容易被泄露，信息孤岛现象严重，同时多方的供应链溯源系统也存在被攻击、侵入、信息篡改的风险。

　　以上问题使企业无法对市场需求进行实时、准确地预测，消费者难以查询到购买的农产品的真实源头信息，同时监管部门也无法实现对农产品市场的实时监控。因此，实现农产品溯源要保证系统存储量大，数据传输效率高，还要确保数据在传输过程中的真实性和不可篡改，并实现供应链多主体间的信息共享。

　　3 基于5G-IoT的农产品溯源

　　3.1 5G技术应用于IoT系统

　　5G作为新一代移动通信技术，是一个多业务技术融合的网络，能够实现随时、随地、万物互联，以其特有的优势助力各个行业发展。5G通信技术具有三大特点。

　　(1)超大容量。与4G通信技术相比较，5G的数据信息承载量高出1，000倍，即便在网络拥堵的环境下，也可以满足大量IoT系统设备的需求。

　　(2)超高传输速率。5G数据流量传输速度极快，峰值速率的下行可以达到20Gbit/s，上行速率可以达到10Gbit/，是4G速率的20倍，能够保障信息长时间传送在一个高速率的状态下。

　　(3)超低时延。5G网络技术提出了全光网来降低空中传输时延，利用新型多址技术节省调度开销，通过网络切片来减少转发节点，实现超低时延通信。

　　将5G技术作为大体量传感器数据的传输媒介应用于IoT系统，可以有效解决系统存储容量不足和数据传输效率低的问题，信息交换更加迅速高效，实时、精准地将需求数据反馈到系统中。基于5G的IoT系统分为感知层、网络层和应用层三个层次，如图2所示。

　　感知层可以用来识别物体，采集物体信息，感知设备包括各种传感器、RFID以及图像视频采集设备等[4]，根据工作环境的不同，可以利用不同的感知设备搭建相应的传感器网。

　　网络层主要由局域网、互联网、有线无线通讯网组成，负责感知层采集的信息的传递。5G-IoT是将网络层替换为5G通讯网络，让传感器于终端服务器间的信息交流更加迅速高效。

　　应用层面向的是平台用户，主要指的是网络层与用户之间的接口，可以应用于各个行业，如农业、交通、医疗等。

　　3.2 基于5G-IoT的农产品溯源系统

　　农产品供应链上各个环节的原始数据及相关交易数据均通过IoT系统中的感知设备进行获取。生产商需要提供原料信息，如果订单较多，信息在由服务器传输到应用端就会产生超体量数据和较大时延;加工阶段信息量大，农产品的状态信息需要稳定高效传输，随着市场扩大必定要留有技术空间以应对服务提升裕量;物流信息在整个链中都要进行及时传递，当供应链中间环节较多时必然造成数据量膨胀。

　　基于5G-IoT的農产品溯源系统涉及了农产品供应的全部环节，在各个环节上的原始数据及其相关交易数据均通过传感器进行获取，组成实时数据采集网，从而实现数据的迅速采集及供应链信息的实时监控，基于5G-IoT的农产品溯源系统结构如图3所示。

　　5G超大容量、超高传输速率及超低时延的特性，使IoT系统中海量数据的处理与实时传输成为了可能，系统建设成本大大降低，各责任主体可以根据信息迅速做出相应的对策，最终得到更加精准、科学的管理，消费者和监管部门可以及时获知农产品供应链上的全信息，便于对农产品进行信息追溯和对企业实时监督。

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