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利用区块链和物联网的农业供应链管理
1. 区块链技术简介
农业在经济中扮演着至关重要的角色，在印度，农业占国内生产总值的 18%，并为 50% 的劳动力提供了就业机会。印度是世界上最大的豆类、大米、小麦、香料及香料制品的生产国。然而，从生产者（农民）到消费者的农业供应链中，存在着低效的中间商问题。价格、供应和库存等信息在中间商、农民和消费者之间分布不对称。尽管诸如物料需求计划、企业资源规划以及高级供应链规划与优化等规划和管理技术已被用于解决此问题，但仍然存在透明度、信任和集中权威不足的问题。
为解决上述问题，提出了一个名为 FARMAR（FARMer And Rely）的农业供应链管理项目，该项目嵌入了区块链技术（BCT）。区块链是一种去中心化的分布式账本技术（DLT），用于存储供应链数据，且数据不可篡改。每个区块都有一个哈希值和前哈希签名值将它们连接在一起，交易在分布式系统的完全去中心化服务器中进行管理。一旦数据被录入区块，就无法更改，所有数据都具有加密安全性。
区块链结合了密码学以保证数据的完整性和永久性、避免中心化中间人的点对点架构以及集体治理原则，每个参与者都可以访问交易并确保其合法性。因此，区块链有望提高多利益相关者系统内的信任、透明度和交易流畅性。
区块链技术的特点
BigchainDB 是在区块链技术基础上构建的，它从大数据分布式数据库开始，增加了区块链的特性，如去中心化控制、不可变性和数字资产转移。其特点如下：
-
去中心化
：意味着没有单一的控制点和故障点。由投票节点组成的联盟构成一个 P2P 网络，并通过去中心化控制运行。
-
不可变性
：数据一旦存储就不能被删除或更改，不仅仅是防篡改。
-
查询
：可以编写和运行任何 MongoDB 查询来搜索所有存储的交易、资产、元数据和区块的内容，由 MongoDB 提供支持。
-
可定制
：可以使用四个节点（实际上任何人都可以充当服务器和数据库以实现真正的去中心化）设计具有自定义资产、交易、权限和透明度的公共网络。
2. BigchainDB 的去中心化方式
去中心化意味着控制或所有权不在单个节点或实体手中，没有单一的故障点。所有节点的所有权和控制权由不同的人和组织掌握。即使是同一组织的不同人员或部门控制不同的节点也是更可取的。负责管理 BigchainDB 网络节点的人员和/或组织集合称为 BigchainDB 联盟。为了决定成员资格，需要某种形式的管理和治理。每个联盟可以通过增加其管辖权多样性和地理多样性来提高去中心化程度。
在 BigchainDB 网络中，节点的位置不是固定的，所有节点在状态和职责履行方面都是平等的。获得节点的管理访问权限可能会导致对该节点的数据进行篡改，但这些更改仅限于该特定节点。只有当超过三分之一的节点被破坏时，网络才会被攻破。资产转移的权力甚至不在节点的管理员或超级用户手中，要创建有效的转移交易，必须满足资产上的当前加密条件，而管理员/超级用户由于不具备所需信息（如私钥）而无法完成。
BigchainDB 通过以下方式确保去中心化和数据安全：
-
无修改或删除数据的 API
：BigchainDB 没有可用于修改或删除区块链中数据的 API，这是一种防御机制。
-
数据复制
：所有数据会被复制到许多其他地方，复制因子的增加意味着修改或删除所有副本更加困难。
-
内部监督机制
：所有节点都会监控所有更改，如果发生不允许的更改，将采取适当的行动。
-
外部监督机制
：联盟可以将数据的监控和审计委托给可信的第三方，若联盟的数据是公开可读的，公众也可以充当审计员。
-
经济激励
：在某些区块链系统中，修改旧存储数据可能成本很高，但 BigchainDB 不使用此类明确的激励措施。可以使用更好的技术（如纠错码）存储数据，以便更容易撤销某些更改。
-
加密签名
：用于监控消息（如交易）是否被篡改，并验证签名者的身份，每个交易必须由一方或多方签名。
-
备份
：可以及时在磁带存储、其他区块链、打印输出等上记录完整或部分备份。
-
强大的安全策略
：节点所有者可以采用并执行严格的安全策略。
-
节点多样性
：由于节点的多样性，单一事件（如自然灾害或操作系统错误）不会破坏所有或足够多的节点。
-
结合优势
：BigchainDB 将企业级分布式数据库（MongoDB）与生产就绪的共识引擎（Tendermint）相结合，以提供两者的优势。
3. 传统数据库与区块链数据库的区别
数据库类型对比
| 数据库类型 | 操作特点 | 中心化程度 | 安全性 |
|---|---|---|---|
| 传统数据库（如 MySQL、MongoDB、Postgre） | 可以进行 CRUD 操作，任何人都可以编辑、复制、删除或更新文档，安全容易被破坏。 | 集中在中央服务器。 | 较低，数据易被篡改。 |
| 区块链数据库 | 不能进行 CRUD 操作，数据不可编辑、删除或篡改，交易安全。 | 分散在多个服务器。 | 较高，数据具有加密安全性。 |
资产数据库
资产是将以数字形式存储在区块链数据库中的商品，每个资产都有一个带有公钥和私钥的数字孪生体，这些数字存储的资产是安全的。所有资产都可以使用公钥进行跟踪，资产可以是任何东西，如西红柿、芒果、奶制品等。
资产将存储在区块链数据库的资产集合中，并维护该资产的完整链以及相关交易。当消费者使用移动应用扫描二维码时，可以从区块链数据库的资产集合中检索该资产的所有交易，并获得关于该资产的完整数据分析。通过使用区块链技术，资产的安全性得到保证。在整个农业供应链的每个步骤中，都会记录股东之间的交易，这确保了资产在供应链中传输时的质量维护，从而可以发现任何不当行为或不诚实的资产处理。
区块链在农业供应链系统中的应用
供应链管理（SCM）是经济各领域的重要业务流程，它通过特定流程将生产者与消费者的需求连接起来。农业供应链中存在的问题包括：
- 中间商腐败猖獗。
- 货物在整个供应链中运输时缺乏透明度。
- 所有相关利益方缺乏问责制。
为了解决这些问题，设想开发一个基于区块链的系统，该系统可以管理整个农业供应链，同时确保高标准的安全性和透明度。在供应链中，区块链作为去中心化的分布式账本技术，用于存储供应链数据，数据不可篡改，交易在分布式系统中完全去中心化管理。
区块链在农业供应链中有重要作用，首先可以跟踪和追溯食品的来源。此外，还可以使用物联网设备（如运行在 Raspbian OS 上的 Raspberry Pi）来更新产品的实时质量和运输地的当前温度，以提高供应链中产品的可追溯性和可用性。FARMAR 项目旨在通过开发一个 Web 应用程序，利用区块链技术（如 BigchainDB、Tendermint、MongoDB、智能合约、MONIT、Python、NodeJS、Docker Daemon）和物联网，创建一个从农场到餐桌的完整价值链。
4. 区块链技术的用例和应用
农业供应链对我们的日常生活至关重要。农民将产品卖给经销商，经销商将产品存放在各个仓库，并供应给零售商。分销网络通过供应链连接农民和零售商，具有地理覆盖范围和应对供需波动的能力。为了消除供应链管理中的中间商，区块链技术可以发挥作用，该过程包括一系列步骤，在实际的供应链管理中，每个点都放置一个物联网设备进行跟踪，所有数据通过共享账本添加到区块链网络中。
工作目标
- 设计一个去中心化和安全的供应链管理系统。
- 减少系统中的中间环节。
- 提高成本效率。
- 提升商品质量。
- 促进印度国内生产总值的长期可持续发展。
- 实现产品的快速透明交付。
现有方法的问题
在传统的供应链方法中，存在缺乏可追溯性和问责制的问题。中间商可以随意抬高商品价格，损害农民和消费者的利益。现有供应链中存在大量的不诚实和腐败行为，消费者无法确定所购买商品的质量，农民也无法获得应有的份额，中间商剥削农民并获取大部分利润。
FARMAR - 提议的方法
FARMAR 项目旨在利用区块链技术消除供应链管理中的中间商。该过程包括一系列步骤，在实际的供应链管理中，每个点都放置一个物联网设备进行跟踪，所有数据通过共享账本添加到区块链网络中。
实验设置和使用的工具
- BigchainDB ：将使用 BigchainDB 作为具有区块链特性的数据库来实现应用程序。它具有高吞吐量、低延迟、强大的查询功能、去中心化控制、不可变数据存储和内置资产支持。使用 pip 和 docker 安装 BigchainDB 版本 2.0b9。启动 BigchainDB 服务器需要从 GitHub 仓库下载 Python 包/库，并执行 docker 操作，或者通过 Python pip 进行正常安装。在 BigchainDB 中，数据以资产的形式进行结构化，任何数字或物理对象都可以被视为资产。
- Linux（UBUNTU） ：在开发阶段使用 Linux（Ubuntu 16.04 及以上）操作系统，因为它是开源的，易于安装和设置，任何人都可以轻松修复问题，并且有良好的社区支持。它还支持多个操作系统，Ubuntu 便于处理，对于去中心化网络是安全的，Linux 终端在生产中起着至关重要的作用。
- Python 3.6 ：在开发和测试阶段使用新版本的 PYTHON 和 PIP，未来还计划使用 Node.js 进行开发。
- Monit ：使用 Monit 作为系统监控和错误修复工具。由于无法确保所有服务器始终正常运行，有时 Tendermint 运行良好但 MongoDB 可能出现问题，或者 MongoDB 正常但 BigchainDB 出现错误，无法在每个终端上手动管理所有服务器。Monit 可以确保一次性启动所有服务器，并显示系统状态，还可以根据设置的时间检查系统状态、进程、文件系统、主机等。
连接到 MongoDB
在查询 MongoDB 数据库之前，需要知道其主机名和端口。如果 BigchainDB 节点在本地机器上运行（例如用于开发和测试），主机名应为 localhost，端口应为 27017，除非进行了更改。如果在远程机器上运行 BigchainDB 节点，并且可以通过 SSH 访问该机器，情况也是如此。如果远程机器上的 BigchainDB 节点的 MongoDB 配置为使用身份验证并对授权人员公开访问，则需要确定其端口和主机名。
查询 BigchainDB
节点操作员可以使用 MongoDB 查询引擎的全部功能来搜索和查询存储的数据（交易、资产和元数据），节点操作员可以决定向其他外部用户公开多少查询权限。
BigchainDB 节点的操作员可以完全访问其本地 MongoDB 实例，因此可以使用任何 MongoDB API 来运行查询，如 Mongo Shell、MongoDB Compass、MongoDB 驱动程序（如 PyMongo）或第三方 MongoDB 查询工具。Bigchain 数据库中的一些集合包括：
- 交易
- 资产
- 元数据
- 区块
- 当 BigchainDB 服务器在后台运行时，检查 MongoDB 数据库还会得到其他集合。
交易示例文档
- CREATE 交易 ：是交易集合中的一种交易，包含一个额外的 “_id” 字段（由 MongoDB 添加），并且缺少 “资产” 和 “元数据” 字段，因为这些数据已被移除并存储在资产和元数据集合中。
- TRANSFER 交易 ：是交易集合中的另一种交易，保留其 “资产” 字段。
资产示例文档
资产集合中的文档由三个顶级字段组成：一个由 MongoDB 添加的 “_id” 字段、CREATE 交易中的资产数据以及该资产来自的 CREATE 交易的 “id”。
元数据示例文档
元数据集合中的文档有三个顶级字段：一个由 MongoDB 添加的 “_id” 字段、交易中的元数据以及该元数据来自的交易的 “id”。
区块示例文档
文档结构暂未详细给出，但在实际应用中，区块文档也有其特定的格式和字段用于存储相关信息。
通过上述介绍，可以看出区块链和物联网技术在农业供应链管理中具有巨大的潜力，可以解决传统供应链中存在的诸多问题，提高供应链的效率和透明度。
下面是 BigchainDB 去中心化特点的 mermaid 流程图：
graph LR
classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px
A([BigchainDB 去中心化]):::startend --> B(无单一控制点):::process
A --> C(节点联盟构成 P2P 网络):::process
A --> D(数据不可篡改):::process
B --> E(多节点共同控制):::process
C --> F(节点平等):::process
D --> G(数据加密存储):::process
E --> H(降低单点故障风险):::process
F --> I(提高系统稳定性):::process
G --> J(保障数据安全):::process
农业供应链管理流程的 mermaid 流程图：
graph LR
classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px
A([农业供应链管理]):::startend --> B(农民生产):::process
B --> C(经销商存储):::process
C --> D(零售商销售):::process
B --> E(物联网设备跟踪):::process
C --> E
D --> E
E --> F(数据上传区块链):::process
F --> G(消费者查询):::process
5. 具体操作步骤与流程分析
区块链在农业供应链的操作流程
以下是区块链技术在农业供应链中具体的操作步骤：
1.
数据录入
：
- 农民在生产阶段，使用物联网设备（如传感器）收集农产品的相关数据，包括种植环境（温度、湿度、光照等）、施肥和灌溉记录等。这些数据通过设备自动上传到区块链网络的共享账本中。
- 当农产品进入流通环节，经销商和零售商在每次交易时，将交易信息（如交易时间、数量、价格、运输条件等）录入区块链。
2.
资产追踪
：
- 每个资产（农产品）都有唯一的公钥，通过公钥可以在区块链上实时追踪资产的位置和状态。例如，在运输过程中，物联网设备可以实时更新农产品的位置和运输环境数据，消费者和监管部门可以随时查询。
3.
智能合约执行
：
- 使用智能合约来自动执行交易和付款。例如，当农产品到达指定地点并满足预设的质量标准时，智能合约自动触发付款流程，确保农民及时获得款项。
4.
数据查询与验证
：
- 消费者可以使用移动应用扫描农产品上的二维码，从区块链数据库中获取该产品的详细信息，包括生产过程、运输记录、质量检测报告等。
- 监管部门可以通过区块链网络对整个供应链进行监管，验证数据的真实性和完整性，确保产品质量和合规性。
BigchainDB 的操作流程
-
安装与启动
：
- 使用 pip 和 docker 安装 BigchainDB 版本 2.0b9。
- 从 GitHub 仓库下载 Python 包/库，并执行 docker 操作，或者通过 Python pip 进行正常安装。
- 启动 BigchainDB 服务器，确保其正常运行。
-
数据存储与查询
：
- 将农产品的相关数据以资产的形式存储在 BigchainDB 中。
- 节点操作员可以使用 MongoDB 查询引擎的全部功能来搜索和查询存储的数据（交易、资产和元数据）。可以使用任何 MongoDB API 来运行查询，如 Mongo Shell、MongoDB Compass、MongoDB 驱动程序（如 PyMongo）或第三方 MongoDB 查询工具。
Monit 的操作流程
-
配置与启动
：
- 对 Monit 进行配置，设置需要监控的服务器和服务，如 BigchainDB、MongoDB、Tendermint 等。
- 启动 Monit 服务，使其开始监控系统状态。
-
监控与错误处理
：
- Monit 会定期检查服务器的运行状态，当发现异常时，会自动采取相应的措施，如重启服务、发送警报等。
- 可以通过 Monit 的界面查看系统状态、进程、文件系统、主机等信息，及时发现和解决问题。
6. 优势与挑战分析
优势
- 提高透明度 ：区块链的分布式账本特性使得供应链中的所有交易和数据都公开透明，消费者和监管部门可以随时查询，减少了信息不对称和腐败现象。
- 增强信任 ：数据不可篡改和加密安全的特点，保证了数据的真实性和完整性，提高了各参与方之间的信任度。
- 降低成本 ：减少了中间环节，降低了交易成本和管理成本，提高了供应链的效率。
- 提升质量 ：通过实时监控和追溯功能，可以及时发现和解决质量问题，保证农产品的质量。
- 促进可持续发展 ：有助于优化供应链管理，提高资源利用效率，促进农业的可持续发展。
挑战
- 技术复杂性 ：区块链和物联网技术相对复杂，需要专业的技术人员进行开发和维护，对企业和农民的技术能力要求较高。
- 成本投入 ：实施区块链和物联网系统需要购买设备、开发软件和培训人员，前期成本投入较大。
- 法律和监管问题 ：目前相关的法律和监管框架还不完善，可能会面临一些法律和合规性问题。
- 数据隐私问题 ：虽然区块链保证了数据的安全性，但在数据共享和使用过程中，可能会涉及到数据隐私问题，需要采取相应的措施进行保护。
7. 未来发展趋势
- 技术融合 ：区块链将与物联网、人工智能、大数据等技术进一步融合，实现更智能、高效的供应链管理。例如，利用人工智能进行数据分析和预测，提前发现潜在的问题和风险。
- 行业应用拓展 ：除了农业供应链，区块链技术还将在其他行业得到广泛应用，如食品、药品、物流等，推动整个供应链行业的变革。
- 标准和规范制定 ：随着区块链技术的发展，相关的标准和规范将逐渐完善，促进区块链技术的健康发展和广泛应用。
- 全球合作 ：区块链的去中心化特点使得全球范围内的供应链合作更加便捷和高效，未来将加强国际间的合作，实现全球供应链的协同发展。
8. 总结
区块链和物联网技术为农业供应链管理带来了新的机遇和解决方案。通过构建去中心化、透明、安全的供应链管理系统，可以解决传统供应链中存在的诸多问题，提高供应链的效率和质量，促进农业的可持续发展。虽然在实施过程中面临一些挑战，但随着技术的不断发展和完善，区块链和物联网技术在农业供应链中的应用前景十分广阔。
以下是区块链在农业供应链应用优势与挑战的对比表格：
| 类别 | 具体内容 |
| — | — |
| 优势 | 提高透明度、增强信任、降低成本、提升质量、促进可持续发展 |
| 挑战 | 技术复杂性、成本投入、法律和监管问题、数据隐私问题 |
下面是区块链与其他技术融合发展趋势的 mermaid 流程图：
graph LR
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classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px
A([区块链技术]):::startend --> B(物联网):::process
A --> C(人工智能):::process
A --> D(大数据):::process
B --> E(智能供应链管理):::process
C --> E
D --> E
E --> F(行业变革与发展):::process
通过以上对区块链和物联网在农业供应链管理中的详细分析，我们可以看到其巨大的潜力和价值。未来，随着技术的不断进步和应用的深入，相信这一解决方案将为农业和整个供应链行业带来深刻的变革。
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