基于区块链的智慧农业应用分析与设计.pdf

2020年第32卷第3期 基于区块链的智慧农业应用分析与设计 苏 震 赵文彦 南京财经大学信息工程学院 南京 21000 摘 要 目的 意义 随着新技术的应用 智慧农业是实现农业快速发展的必然选择 但是技术基础薄弱 食品质量安全 信息不对称等问题依然没有得到解决 为了更好地促进和完善智慧农业的发展 笔者将区块 链技术引入到智慧农业中 方法 过程 通过对区块链特征和内涵的分析 论证了区块链能够对智慧农业的 关键技术进行补充和提升 形成安全 透明 高效 对等的智慧农业发展模式 从而分析了区块链与智慧农 业融合发展的必然性 结果 结论 根据区块链基础框架 并结合智慧农业的自身特点 笔者设计了智慧农 业的区块链框架 并对区块链在农业具体应用场景的应用进行了分析 从而论证了区块链与智慧农业发展的 可行性 关键词 区块链 智慧农业 体系框架 应用场景 中图分类号 G353 文献标识码 A 文章编号 1002 1248 2020 03 0044 10 引用本文 苏震 赵文彦 基于区块链的智慧农业应用分析与设计 J 农业图书情报学报 2020 32 3 44 53 The Analysis and Design of Smart Agriculture Applications Based on Blockchain SU Zhen ZHAO Wenyan NanjingUniversityofFinanceandEconomics CollegeofInformationEngineering Nanjing21000 Abstract Purpose Significance With the application of new technology smart agriculture is the inevitable choice which can promote the development of agriculture But there are some questions which cannot be solved such as weak technology foundation food quality and safety and information asymmetry In order to prompt and improve the development of intellectual agriculture we combine blockchain with smart agriculture Method Process Through the analysis of the characteristics and content of blockchain the paper first demonstrates that blockchain can complement and improve the key technologies of smart agriculture and help to establish the safe transparent efficient and reciprocity development model Then this paper analyzes the necessity of the integrated development of blockchain and smart agriculture Results Conclusions Based on the framework of blockchain and combined 收稿日期 2020 01 13 基金项目 江苏省社科基金项目 基于大数据的智慧农业云服务关键技术研究 项目编号 15TQB007 作者简介 苏震 1977 男 博士研究生 副教授 研究方向 智慧农业 大数据 赵文彦 1972 男 硕士研究生 讲师 研究方 向 数据挖掘 研究论文 DOI 10 13998 ki issn1002 1248 2020 01 13 0012 44 2020年第32卷第3期 中国历来是一个农业大国 农业始终是国民经济 的命脉 关乎整个国家的国计民生 三农 问题是 历年中央一号文件聚焦和关注的重点领域 农业如何 快速 高效 健康的发展始终是国家和老百姓关心的 热点 改革开放以来 中国逐步走上农业现代化的发 展道路 发展模式发生重大变革 新技术 新理念不 断与农业生产相结合 2015 年 国务院印发 国务院 关于积极推进 互联网 行动的指导意见 其中将 互联网 现代农业作为是 11 大重点任务之一 1 2018 年中央一号文件大力发展数字农业 实施智慧农 业 通过大数据 云计算 物联网 人工智能等新技 术的使用 智慧农业在大数据服务平台建设 自动化 农植物保护 智能化农机操作以及精准养殖等方面取 得了长足的进步与发展 但是诸如农产品溯源 食品 安全 生态保护 农药化肥合理使用等问题依然没有 得到根本的解决 2 随着技术的发展 区块链作为电子代币的关键底 层技术得到了世界各国的广泛重视 欧 美 俄 日 等国分别制定了本国的区块链技术发展路线 3 区块链 的对等网络 共识机制 密码学等要素 确保了信息 的真实 可靠与对称 网络的安全 可信与对等 数 据挖掘的有效 公开与共识 这些都是智慧农业健康 发展的重要保证 也是智慧农业发展过程中亟待解决 的问题 笔者对中国智慧农业发展和区块链基本概念 进行了阐述 在此基础之上 从大数据 云计算 物 联网和人工智能等方面 着重分析了区块链技术对上 述技术在智慧农业发展过重中的提升和完善作用 论 证了区块链技术与智慧农业融合发展的必然性 其次 以区块链基础框架为基础 并结合智慧农业的自身特 征 设计了智慧农业的区块链框架 将智慧农业的特 征与区块链各层结构做了较好的结合 既发挥了区块 链技术的特征 又兼顾智慧农业发展的个性特征 证 明了区块链技术应用在智慧农业的可行性 最后 文 章以农产品溯源技术 农村金融 农业保险为例 具 体阐述了区块链技术在智慧农业的应用场景 1 中国智慧农业发展面临的机遇和挑战 1 1 智慧农业提升了中国农业的发展格局 智慧农业指的是将大数据 云计算 物联网 人 工智能等新兴技术应用到农业生产的全过程 实现生 产数据的全收集 生产场景的全观察 生产管理的智 能化 实时诊断的在线化 并提高病虫害和自然灾害 的预警能力 目前 中国农业发展中使用到的新技术 主要包括大数据 云计算 人工智能 物联网 智慧 农业的发展改变了农业生产经营者的传统观念 由过 分依赖经验和自然条件转为更多依靠新技术的使用和 推广 提高了农业生产经营的科技含量 智慧农业在 一定程度上解决了中国农业先天性分散落后的局面 通过新技术的使用 提升了农业生产的规模化程度 体现出集约化和工厂化的特点 实现了降低生产成本 提高市场竞争力的目标 大数据的技术使得人们能够 获取更多类型和更多数量的数据 并且处理和分析数 据的速度和准确率也大大提高 实现数据的实时采集 和分析 从而更好进行农业生产预测和决策支持 人 工智能技术的使用可以更好的替代人力资源 利用少 数几个人实现农业耕种管收全过程操作 从而解决农 村劳动力日益短缺的问题 同时可以进行更加精准和 合理的生产规划 实施 物联网通过传感器等设备 实现了农作物的物物相连 对农作物生长情况的实时 观察 畜牧生活环境的即时检测 从而能够准确预防 病虫害 自然灾害 并对产量进行精准的预测 with the characteristics of smart agriculture the paper designs the blockchain framework of smart agriculture and the application fields based on blockchain are discussed As a result the feasibility of the integrated development of blockchain and smart agriculture is demonstrated Keywords blockchain smart agriculture framework application scenario 苏 震 赵文彦 基于区块链的智慧农业应用分析与设计 45 2020年第32卷第3期 1 2 农业发展过程中的某些顽疾依然存在 虽然智慧农业对中国农业发展带来了巨大的推动 改变了发展的观念 提升了生产的效率 新技术也广 泛应用于农业生产经营的各个环节 但是智慧农业尚 未完全解决中国农业发展的全部问题 一些顽疾依然 存在 主要包括 中国农业体系依然是小生产大市场 技术基础相对薄弱 农民素质相对较低 这使得农业 高新技术难以走进家家户户 阻碍农业现代化的普及 程度 农产品生产和销售过于分散 生产者和消费者 在地域上 交易链上 都距离过大 导致流通环节杂 乱 流通成本增加 4 食品安全问题依然存在 苏丹 红 三聚氰胺 地沟油 瘦肉精 塑化剂超标等事 件 5 依然历历在目 这说明农产品质量监督依然不能 覆盖生产 流通和销售的所有环节 食品溯源机制尚 未完全建立 农业信息不对称 生产者和消费者之间 的信息孤岛 信息鸿沟依然存在 无法实现农产品供 求信息的透明化 导致农业采购价格偏低 消费价格 偏高的不对称 6 1 3 区块链助推智慧农业的发展 2016年10月 中国工业和信息化部印发了 中国 区块链技术和应用发展白皮书 7 为中国的区块链发 展正式拉开了帷幕 并指明了发展的依据和方向 在 该书中 明确的指出了区块链与农业融合发展的领域 和线路 相关学者也对区块链与智慧农业的发展进行 了研究 梁昊等 8 在分析了目前中国农业所遇到的机遇 与挑战基础上 设计了七层的农产品信息区块链结构 Lin 等 9 把区块链作为基础设施应用到农业评价体系 Lan等 10 以南非葡萄园为研究对象 构建了基于区块链 的农产品溯源机制 据 中国智慧农业行业市场深度调研及 2017 2021投资商机研究报告 中国智慧农业的产业规模于 2013 年已经达到 4 000 亿元 仅以应用为基础的智慧 农业市场有望在 2022 年达到 184 5 亿美元的规模 年 均复合增长率 13 8 因此 加快推进农业信息化进 程 促进信息化和现代化融合发展已成必然趋势 11 智慧农业是农业生产的高级阶段 依托部署在农 业生产场所的各种传感器和通信网络实现农业生产环 境的智能感知 预警 分析 为农业生产提供精准化 可视化 智能化的管理与决策 区块技术的蓬勃发展 能够很好的解决行业痛点 区块链中的块链式数据结 构 分布式节点共识算法 密码学的数据传输方式 智能合约能够很好为智慧农业建立信任机制 保障数 据安全 实现数据和价值传递的共同传递 构建智慧 农业发展的新路径 因此 区块链能够实现农民增收 和农业发展 成为振兴智慧发展的有力支撑 综上所述 智慧农业既是发展思路和方向 也是 各种技术综合应用的结果 在大数据 云计算 物联 网和人工智能等核心技术的支撑下 实现农业的智慧 控制 智慧生产 智慧决策 随着智慧农业的规模化 发展 诸如数据获取 挖掘 安全 可靠性 网络安 全和诚信等问题也会随之产生 这些既是影响智慧农 业健康快速发展的重要因素 又是区块链的用武之地 和优势所在 区块链在智慧农业发展过程中将起到两 方面的作用 首先 他将和大数据 云计算 物联网 人工智能等技术一样 成为智慧农业发展的核心支撑 技术 其次 区块链还可以起到信息安全 价值传递 建立安全机制等作用 不仅可以保障智慧农业的健康 快速发展 还可以构建智慧农业发展的新机制 因此 充分开发区块链的核心功能和应用 是智慧农业发展 的一项重要内容 也是智慧农业未来发展的必然方向 2 区块链的基本概念 2 1 区块链的起源 区块链技术最早起源于上世纪的七八十年代 其 技术原型在 2008 年由化名 中本聪 的学者在 Bitcoin A Peer to Peer Electronic Cash System 比特 币 一种点对点的电子货币系统 12 中提出的 中本 聪创造性地把分布式存储和加密技术结合发明了比特 币 因为比特币价格的一路攀升 区块链才逐渐为人 们所重视和熟知 文中提出一种完全通过点对点技术 研究论文 DOI 10 13998 ki issn1002 1248 2020 01 13 0012 46 2020年第32卷第3期 实现的电子现金系统 通过随机散列 Hashing 对全 部交易加上时间戳 Time Stamps 将它们合并入一个 不断延伸的基于随机散列的工作量证明 Proof of Proof 的链条作为交易记录 这里所说的电子现金是 比特币 链条则是区块链 比特币是区块链技术的第 一个应用 区块链是分布式数据存储 点对点传输 共识机 制 加密算法等计算机技术的新型应用模式 13 这里 所说的共识机制是指区块链系统中实现不同节点之间 建立信任 获取权益的数学算法 笔者认为 区块链 本质上是一个去中心化的数据库 并作为比特币的支 撑技术 区块链是一串使用密码学方法相关联产生的 数据块 每个数据块中包含了一次比特币网络交易的 信息 用于验证其信息的有效性和生成下一个区块 14 2 2 区块链的形式 特点及现状 区块链目前主要分为公有链 私有链 联盟链 3 种形式 每种形式各有侧重点 应用场景和实现功能 以及基于此构成的不同经济生态模式 表 1 对不同形 式区块链的特点进行了对比 私有链中各个节点的写入权限收归内部控制 而 读取权限可根据需求有选择地对外开放 适用于特定 机构的内部数据管理与审计 联盟链由某个群体内部 指定多个预选的节点为记账人 每个块的生成由所有 预选节点共同决定 其他接入节点可以参与交易 公 有链是指全世界任何人都可以读取 发送交易且交易 能够得到有效确认的 也可以参与其中共识过程的区 块链 比特币是公有链 1 0 的典型应用 比特币基于 P2P网络 所有节点对等 且都运行相同的节点程序 以太坊是公有链 2 0 模式的主要代表 以支持智能合 约 去中心化为主要特征 目前以太坊的系统完整性 和生态建设相对较好 聚集全球最多的开发者群体 可以基于以太坊开发一些应用型的 DAPP Decentral ization Application 去中心化应用 EOS Enterprise Operation System 是商用分布式应用设计的一款区块 链操作系统 引入了一种新的区块链架构 实现分布 式应用的性能扩展 它并不像比特币和以太坊那样是 货币 而是基于 EOS软件项目上开发的代币 是公有 链3 0的应用代表 超级账本 Hyperledger 项目是全 球最大的开源企业级分布式账本平台 它首次将区块 链技术引入到联盟链的应用场景 引入权限控制和安 全保证 为基于区块链技术的未来全球网络打下了坚 实的基础 2 3 区块链的应用领域 区块链技术表面上是技术性问题 但究其本质而 言 是解决了信任的问题 这种信任的建立需要基于 以下几个要素 一是算法和代码 通过算法和代码构 建出一个公正 公平 公开的系统 二是密码学的应 用 通过不对称密钥和数字签名的使用 保证数据在 传输过程中不可篡改 三是广播式的传输机制 广而 告之的传播方式解决了信息不对称的问题 消除了网 络中的信息孤岛和鸿沟 保障了网络的数据传递和价 值传递 自从进入移动互联时代以后 过去两年产生的数 据量超过了人类有史以来数据总量的 90 以上 各种 经济活动 社会行为都以数据形式保存在网络服务器 上 当一切都被数据化 网络化以后 数据所有权 收益权 使用权的划分和保护 将会变得尤为重要 区块链以一种技术的形式 重新构建了商业行为和产 业关系的信任体系 因此 凡是需要更加公平 公正 公开的产业领域 都有可能与区块链技术进行融合发展 G1 G2G3G4G1 G5G6G4G1 G7G3G4G8G9GAG1 G7G3G4GBG9GAG1 G7G3G4GCG9GAG1 GDGEGFG1 G10G11G12G13G14G15G16G1 G5G6G15G16G17G18G1 G19G1AG1BG1CG1DG17G18G1 G19G1AG1BG1CG1DG17G18G1 G19G1AG1BG1CG1DG17G18G1 G1EG1FG13G20G1 G1 G11 G1 G1 G1 G1 45G1 G1D45 G1 345 G1 A45 B345 G1 A45 G1 345 G1 G1 表 1 3种形式区块链的特点对比 苏 震 赵文彦 基于区块链的智慧农业应用分析与设计 47 2020年第32卷第3期 3 区块链与智慧农业融合发展的必然性 随着新技术在农业生产全过程的广泛使用 农业 生产的数据化 智能化和自动化程度大大提升 改变 了传统农业的发展模式 进入智慧农业的发展轨道 但是在此发展过程中 大数据 云计算 物联网和人 工智能等技术也存在亟待解决的问题 15 比如数据安 全 中心负载过重 信任机制等等 16 因此 笔者将 从区块链技术与上述技术相互促进和完善的角度 阐 述区块链和智慧农业融合发展的必然性 3 1 区块链与农业大数据 随着移动互联网的飞速发展 以及数据采集设备 的大量部署 数据的数量急剧增加 类型大量丰富 对数据处理速度的要求大大提高 同时数据所能够带 来的价值也逐步提升 这些势必给农业大数据的获取 存储 分析和管理等方面带来新的挑战 区块链的应 用正好可以应对上述的挑战和问题 首先区块链采用 点对点的网络模式和分布式的存储机制 实现了去中 心化 弱化了传统的大数据中心和平台 分散了数据 获取 存储和分析的压力 降低了成本 并且不会因 为网络中某一个节点而影响到整个网络 从而保障了 网络内的数据安全 其次区块链中的每一个区块包含 了一定时间内产生的数据 并将数据输入到哈希函数 得到该数据的 Hash 值 将这些数据的 Hash 值按照对 称二叉树排列组成形成 Merkle树 并且为每个区块加 盖时间戳 这就保证了数据不被篡改 为农产品溯源 提供了数据支撑 再次 在数据传输时 每一个区块 数据通过哈希函数形成数据摘要 并根据密码学原理 给数据和数据摘要附上非对称密钥和数字签名 保证 了数据的不可否认 也为数据价值的归属提供了界定 依据 3 2 区块链与云计算 云计算在智慧农业已经得以应用 在过去的应用 过程中 云计算中心化特征比较明显 首先所有的数 据 资源和服务均集中于 云 端 带来较大的数据 处理和存储压力 同时 云 端的瘫痪会给数据带来 不可挽回的损失 给数据安全带来隐患 其次 农业 数据呈现分散化和碎片化的特征 不易于集中到云中 心 这样会导致云端数据不完整 从而影响云服务的 质量 再次 在传统云计算中 数据消费者 数据提 供者 数据服务者的角色相对固定 易造成不同角色 之间的信息不对称 通过区块链与云计算的融合 可 以改变传统云计算的运作模式 区块链的去中心化特 征可以形成若干个子云端 通过点对点的方式连接子 云端 在子云端采用分布式计算方式 从而可以减轻 对中心云端的依赖 区块链模式下 网络中的各个节 点以点对点的方式连接 节点之间的地位平等 角色 灵活不固定 通过挖矿进行记账权的争夺 每个节点 都可能获得记账权 从而成为数据服务者 并广而告 之 实现网络各节点之间的信息对称 与此同时 各 个节点既可以成为数据的消费者 也可以成为数据的 提供者 这样易于将分散 零碎的数据集中和收集 通过点对点的传输方式 让这些数据在各个节点之间 共享 并上传至各个子云端 提高云端数据的完整性 3 3 区块链与物联网 目前 中国农业物联网存在的主要问题包括 农 业物联网设备的组网模式依然是以中心化为主要特征 各个设备之间的互动互连不足 物联网的传输速度相 对较慢 并且运行维护成本比较高 因此较慢的速 度和高昂的成本成为物联网设备大规模推广使用的障 碍 17 物联网实现了物物相连 人物相连 但是物联 网的信任机制尚未完全建立 更多实现的是数据传递 而非价值传递 笔者认为 区块链技术能够解决农业 物联网上述的存在问题 首先区块链的去中心化模式 能够减少物联网服务器的运行压力 并且通过设备自 我管理方式的见地运营成本 其次区块链的共享式账 本能够记录农产品生长流通销售全过程的数据 保证 了网内数据的公开 不可篡改和不可否认 再次 区 块链是建立在算法和代码之上 也是区连块共识机制 的核心和基础 因此 在这个基础上建立的共识机制 研究论文 DOI 10 13998 ki issn1002 1248 2020 01 13 0012 48 2020年第32卷第3期 图 1 区块链体系结构 更易成为网内用户共同信任和遵守的准则 最后 通 过区块链的条链式结构 可以建立比较健全的农产品 溯源机制 保证溯源数据的完整 准确和可信 18 3 4 区块链与人工智能 随着人工智能技术的不断发展以及应用领域的全 面拓展 农业生产各个环节的智能化水平将会大大提 高 诸如农用智能遥感技术 智能果蔬分拣设备 智 能植保机械 智能施药机 智能除草机器人 果实采 摘机器人等人工智能技术和人工智能设备将会更多的 取代人力资源 农业资源的配置 规划和使用也将更 加合理和高效 位土地面积的产出率和优产率将会大 大提高 人工智能技术主要依靠大量的数据和算法 经过一定时间的机器学习和深度学习实现 数据越安 全可信 时间序列越长 人工智能技术就越成熟 同 时人工智能使用也非常依赖于机器与人之间的信任机 制 区块链上的数据安全 透明 不可篡改和否认 为人工智能的学习和训练提供了可靠的数据来源 同 时区块链基于算法和技术的信任和共识机制 也为智 能设备的互信提供了依据和保障 4 智慧农业区块链的框架设计 区块链作为现代信息产业研究和应用的热点 正 在成为一种现象 开始逐渐融入人们的生活 物联 网 区块链 数字金融区块链 大数据 区块 链 等一系列技术概念被相继提出并应用 19 笔者将 根本中国智慧农业的应用特征 对智慧农业区块链框 架进行探讨 4 1 区块链的体系结构 区块链基本的体系结构如图 1 所示 区块链体系 结构一共分为 6 层 数据层 网络层 共识层 激励 层 合约层和应用层 数据层包括了区块体和区块头 两个部分 区块体涉及的内容主要有数据区块 哈希 值以及非对称加密 时间戳 Merkle 树 链式结构以 及前一区块则包含在区块头部分 笔者认为 在数据 区块中应该更多的包含农业生产 销售 流通等方面 的数据 从而体现智慧农业的特色 网络层主要规定 了区块链网络模式 数据的传输模式 以及安全验证 机制 在区块中网络模式采用 P2P 模式 实现了去中 心化和节点之间的平等 数据以点对点的模式进行传 输 保证了数据的公开和透明 消除了节点之间的信 息不对称 采用非对称加密和数字签名对数据进行验 证 从而保证了数据的不可篡改和不可否认 农业信 息的主要特征是规模化小 且较为分散 因此在网络 层设计的时候 笔者认为应该根据这一特征 既不能 依赖唯一一个中心 也不能完全的去中心 采用亚中 心结构比较符合农业数据的特征 共识层是区块链实 现信任机制的主要保障 封装了POW Proof of Work 工作量证明 POS Proof of Stake 权益证明 DPOS Delegated Proof of Stake 授权股份证明 等共 识机制 POW成本比较高 POS比较费时 因此在智 苏 震 赵文彦 基于区块链的智慧农业应用分析与设计 49 2020年第32卷第3期 图 2 智慧农业区块链数据层 慧农业的共识层采用 DPOS 比较合适 激励层从经济 角度对区块链进行设计和保障 具体的激励机制有发 行机制和分配机制 在智慧农业领域 主要的激励来 自于较低的成本和较快的确认速度 合约层主要包含 了脚本代码 算法机制和智能合约 20 通过该层 区 块链实现了可编程 农业关乎到国际民生 因此笔者 认为在合约层中必须加入国家以及地方的相关法律法 规 应用层的主要内容则是区块链在各个领域的具体 应用和案例 如数字货币 区块链 金融 以及可 编程社会等 根据农业生产特征 农产品质量安全溯 源 农村金融 农业保险势必是区块链的重要应用领 域 基于此笔者将以区块链基本体系结构为基础 结 合智慧农业的特点 构建贯穿农业生产全过程的智慧 农业区块链框架 4 2 数据层 在设计智慧农业区块链数据层的时候 主要需要 解决的问题包括 一是该数据层要符合区块链的基础 结构 具有共性特征 因此智慧农业的区块链数据层 也应该包括数据区块头部信息和区块体 在头部信息 部分 涉及的主要内容包括版本号 上一区块 Hash 值 本区块数据信息 时间和地点戳 共识信息及其 数字签名和Hash值 区块体主要按照对称二叉树排列 后构成的 Merkle 树 并生成 Merkle 树的 Hash 值 保 证了数据不可篡改和可追溯 二是该数据层一定要实 现智慧农业的要求 具有个性特征 概括地说 农产 品生产 加工 运输 销售直到消费者手中是农业过 程的全部环节 19 因此 数据层采集的数据主要包括 扩农作物生产的基础数据 物流数据和交易数据 基 础数据主要包括农作物生产信息 化肥农药使用信息 气候与环境信息 通过物联网传感器节点进行自动采 集 物流信息和交易信息则通过自动或手工的方式进 行录入 具体构架如图2所示 4 3 网络层与共识层 区块链的网络层采用的是 P2P 的网络模式 实现 了去中心化 节点与节点之间采用点对点的数据传播 机制 并且采用非对称加密技术 对所有的数据实施 公钥加密 私钥解密的验证过程 保证数据传输的安 全性 同时配以数字签名的使用 保证传输过程中数 据的完整性和不可否认性 结合智慧农业的数据分散 规模化程度低的特点 笔者在智慧农业区块链网络层 采用弱中心化网络结构 既不完全依赖于一个绝对中 心 也不是绝对的去中心化 而是采用多个子中心的 模式 子中心点对点相连 实行分布式计算和存储 每个子中心连接相应的终端 如图 3 所示 这种结构 的好处是 首先减轻了传统网络中心的负载压力 其 次保证了数据的安全 不会因为某一个子中心的瘫痪 而影响到数据收集 分析和存储 最后 每个子中心 分别连接着相应的终端 有利于对分散的信息进行整 合 提高农业数据信息的规模化 图 3 弱中心化网络结构 研究论文 DOI 10 13998 ki issn1002 1248 2020 01 13 0012 50 2020年第32卷第3期 区块链基本体系结构的共识层包括了POW POS DPOS 等多个共识机制 21 POW共识机制的主要缺陷 是算力强大而造成资源的极大浪费 并且长达 10 分钟 的交易确认时间也不适合农产品交易 POS 共识不需 要消耗外部算力和资源 但是需要参与认证和记账的 节点比较多 不能够实现快速认证 而 DPOS 机制不 需要高消耗的复杂计算 节约资源 并且大幅减少参 与认证和记账的节点 缩短了交易确认时间 因此 笔者选取 DPOS 作为智慧农业区块链共识层的共识机 制 22 首先由农产品生产 加工 销售 物流的合法 企业和个人 农业生产监管部门 银行等组成委托人 所有委托人验证数据的正确性 数据通过验证以后 区块信息得以正式形成 并加入到区块链的末端 为 了保证委托人身份不可否认和共识机制的不可篡改 需要所有委托人将个人身份信息写入到区块链的共识 层形成共识信息 其次将个人身份信息输入哈希函数 得到信息摘要 并进行私钥加密 形成委托人的数字 签名 最后将共识信息输入哈希函数 得到其 Hash 值 4 4 激励层 合约层与应用层 由于在共识层采用了 DPOS 共识机制 基于此机 制 笔者认为智慧农业区块链的激励主要来自于 首 先避免了高消耗的复杂数学计算 节约了资源 降低 了成本 其次大量减少了参与认证和记账的节点 缩 短了交易确认时间 节约了时间成本 提高了交易效 率 再次 在共识层中 需要所有人委托人确认数据 信息的正确性 才能形成新的数据区块 并加入区块 链 这样就保证了链中数据的可信性 从而形成更加 高效可靠的农产品质量安全认证机制 笔者认为农产 品和食品质量安全是农业头等重要的问题 因此在合 约层中 首先加入的是 中华人民共和国农产品质量 安全法 并根据各个省份的不同要求 配以相关的地 方法规规定和智能合约 智能合约在不需要第三方背 书 可以根据预设的条件 时间和时间 自动执行数 字资产交易 并将交易信息加入区块链 20 应用层主 要为了针对农业生产者 销售者 消费者的不同要求 提供相应的应用服务 主要包括 高效快捷的交易过 程 低廉快速的物流体系 透明公开的价格机制 可 靠可信的溯源路径 以及公正公平的监督制度 5 智慧农业区块链的应用场景 根据区块链的体系结构 区块链具有去中心化 分布式存储 数据的时间序列性且不可篡改和否认 智能合约的自动执行 安全和隐私保护等特点 23 这 使得区块链成功应用在数字货币 金融 医药 能源 等领域 通过前文关于区块链和智慧农业融合发展必 然性的分析 可以得知 区块链数据层可以保证数据 的完整 真实 不可篡改和不可否认 这为区块链在 溯源机制中的应用提供了保障 基于区块链的云计算 能够降低运算成本 提高运算效率 从而保证验证的 真实和高效 区块链的共识机制能够解决物联网的信 任问题 因此 可以将共识机制引用到其他需要信任 机制的其他领域 区块链与人工智能的结合 可以使 人工智能获得更多真实 可靠和完整的训练数据和算 法 提高智能化水平 这与智能合约的技术原理类似 换言之 可以认为智能合约是区块链与人工智能的一 个具体应用 因此下文将从区块链的数据层 共识层 和合约层探讨区块链在智慧农业中的应用场景 5 1 基于区块链的农产品溯源机制 为了保证农产品质量安全 建立农产品溯源机制 势在必行 而农产品溯源机制的关键在于溯源数据的 完整性 真实性和不可篡改 上文设计的智慧农业区 块链数据层可以满足农产品溯源机制的上述要求 首 先数据层的时间戳能够保证数据的完整 每一个区块 都加盖时间戳 并按照时间顺序将区块连接形成区块 链 因此 区块链可以包含农产品生产 加工 储藏 和销售等过程的全部数据 其次 区块链数据层通过 将数据输入到哈希函数得到每个数据的哈希值 由于 哈希函数具有不可逆性和输入输出一一对应的特性 这样就可以保证溯源机制相关数据的不可篡改性 最 后 在区块数据的传输过程中 采用了数字签名和非 苏 震 赵文彦 基于区块链的智慧农业应用分析与设计 51 2020年第32卷第3期 对称密钥 保证了溯源机制数据的不可否认性 综上 所述 笔者所设计的区块链数据层能够很好保证数据 的真实 完整 不可篡改和不可否认 而这些特征是 构成农产品溯源机制的关键因素 因此 基于区块链 的农产品溯源机制是区块链在智慧农业领域应用的典 型领域之一 5 2 基于区块链的农村金融 目前 贷款难是农村金融面临的一个大问题 抵 押认证是造成上述局面的主要原因 区块链的共识机 制能够很好的解决上述问题 智慧农业区块链采用了 DPOS 共识机制 该机制的主要特点是每个节点能够 自主决定其信任的授权节点且由这些节点轮流记账生 成新区块 通过该机制 对所有委托人的信息都进行 了记录 确保了相关数据的完整 公开 透明和不可 篡改 申请贷款时不再依赖金融的信用证明 而是通 过调取区块链中的相关数据就可实现抵押认证 减少 认证流程 提高认证效率 因此 通过区块链共识层 中的 DPOS 机制 可以解决农村金融中的身份认证和 抵押认证等问题 从而解决贷款难的问题 5 3 基于区块链的农业保险 中国是农业自然灾害多发国家 主要包括病虫灾 害和自然灾害 这些灾害主要特征是频率高 范围广 损失大 24 为了减少农业生产经营者的损失和抗灾害 能力 农业保险的发展势在必行 但目前中国农业保 险业的主要问题是定损难 履约难等 区块链数据层 可以记录农产品生产全过程数据 确保数据的真实 可靠 便于形成对灾情的正确评估和判断 实现保险 定损 认证 理赔的客观 公正和透明 区块链合约 层的智能合约能够在不需要第三方担保的情况 根据 设定的条件 时间和地点 自动执行数字货币交易 从而为保险履约提供了保障 6 结语 随着数字技术与农业产业的融合发展 提供了农 业发展新的路径和模式 促进了传统产业的转型升级 提升了农业产业的数字化 智慧化程度 笔者从区块 链的网络模式 传输方式 信任机制和安全体系等角 度 阐述了区块链技术对智慧农业相关技术的促进和 服务作用 论证了在智慧农业领域引入区块链技术的 必要性 并根据区块链架构 结合智慧农业的自身特 点 提出了智慧农业区块链体系架构和发展场景 区块链作为一项基本技术和底层平台 能够降低 设备成本 消除信息不对称 建立安全可信的信息溯 源机制 但是目前区块链在智慧农业领域的研究大多 还处于初探阶段 尚未形成完善的理论框架和成熟的 应用案例 因此 基于区块链的智慧农业的理论体系 区块链对智慧农业的贡献率 以及基于智慧农业的区 块链技术评价标准将是未来的研究重点 参考文献 1 国务院 国务院关于积极推进 互联网 行动的指导意见 EB OL 2019 12 20 10002 htm 2 倪瑜 中美农业发展概况对比分析 J 新产经 2018 12 88 95 3 龚鸣 区块链社会 解码区块链全球应用与投资案例 M 北京 中信 出版集团 2016 240 280 4 Feng T An agri food supply chain traceability system for China based on RFID blockchain technology C International Conference On Service Systems And Service Management 2016 1 6 5 吴林海 2017 年中国食品安全状况研究报告 N 中国社会科学报 2018 12 27 010 6 梁瑞华 在不对称信息下对我国农产品批发市场的交易影响硏究 J 全国流通经济 2018 30 3 5 7 周平平 杜平宇 李平斌等 中国区块链技术和应用发展白皮书 EB OL 2019 12 19 20 580866e374069 pdf 8 梁昊 刘思辰 张一诺 吕科 农产品信息区块链技术架构设计及应用 展望 J 智慧农业 2019 1 67 75 9 Lin Y P Petway J R Anthony J Blockchain The evolutionary next step for ICT E Agriculture J Environments 2017 4 3 50 10 Lan G Christopher B Jacco S et al Blockchain for agriculture and 研究论文 DOI 10 13998 ki issn1002 1248 2020 01 13 0012 52 2020年第32卷第3期 food Findings from the pilot study M Wageningen Wageningen E conomic Research 2017 1 40 11 区块链专委会 区块链在智慧农业中的应用展望 EB OL 2020 01 03 12 Satoshi N Bitcoin A peer to peer electronic cash system EB OL 2019 11 25 https bitcoin org bitcoin pdf 13 Swan M Blockchain thinking the brain as a decentralized autonomous Corporation J IEEE Technology and Societ Magazine 2