29、物联网与区块链：现代农业的智慧转型

物联网与区块链：现代农业的智慧转型

1. 物联网在农业中的应用

随着全球人口的增长，对粮食生产的需求促使农业走向自动化和智能化。物联网（IoT）技术在农业领域的应用，为实现这一目标提供了有力支持。

在农业生产中，智能设备发挥着重要作用。例如，使用摄像头捕捉图像，然后通过深度学习算法处理图像，以检测杂草和非杂草。同时，还配备其他传感器来获取大气参数，如湿度、温度和湿度等。这些传感器可以收集广阔农田中的即时大气条件。

在农业机器人系统中，从机器人的传感器也具备上述功能，并通过NRF协议将信息发送给主机器人，主机器人再通过WIFI将数据与服务器通信。

此外，无人机（UAV）在智慧农业中也扮演着重要角色，主要有两种类型：
- 固定翼无人机 ：体积较大，类似飞机，用于精准农业中的农药喷洒、监测和植物保护。
- 旋翼无人机 ：重量较轻，用于作物种子喷洒和航拍。

为了控制这些无人机，需要典型的控制技术，包括控制高度和姿态、障碍物检测和避障、决策导航等。目前主要有三种控制方法：
|控制方法|应用场景|
| ---- | ---- |
|线性控制|用于无人机的稳定飞行|
|非线性控制|常用于四旋翼无人机的滑动电机控制、反步控制和反馈线性化|
|基于学习的控制|使用模糊逻辑、模型预测和神经网络控制器等策略，为无人机提供强大而智能的控制|

下面是一个简单的流程图，展示了物联网在农业中的数据收集和传输过程：

graph LR
    A[摄像头及传感器] --> B[数据收集]
    B --> C[深度学习算法处理]
    C --> D[检测杂草和非杂草等信息]
    D --> E[从机器人传感器]
    E --> F[NRF协议发送信息]
    F --> G[主机器人]
    G --> H[WIFI通信]
    H --> I[服务器]

2. 区块链技术概述

区块链技术最初由身份不明的中本聪提出，早期与加密货币一同为人所知，后来凭借其特性在不同领域开创了便捷的解决方案。

从技术角度来看，区块链可以定义为去中心化共识方法、加密算法和分布式、透明且不可变数据库的组合。其优点如下：
- 分布式结构 ：利益相关者无需依赖中央权威或第三方应用。
- 透明度 ：网络中的节点可以查看其他节点的操作。
- 自主运行 ：区块链网络没有所有者，即使某个节点出现故障，网络仍可继续运行。
- 抗攻击能力 ：攻击诸如工作量证明（PoW）等机制需要大量的计算能力。
- 错误可追溯性 ：可以检测到区块链中的错误点。
- 历史数据不可变性 ：区块链中的数据无法更改或删除。

区块链的一个重要服务是智能合约。智能合约是一种在区块链上执行一系列事件发生条件的交易协议，由透明、不可变的软件代码组成，存储在区块链网络中，触发时自动运行。其特点包括：
- 替代传统合约 ：凭借分布式和安全的结构，独立于中央权威，有望取代传统合约。
- 透明且不可变 ：是机器可读的软件代码，在区块链网络上运行。
- 自动运行 ：创建后无需监控即可自动运行。

现有的区块链系统分为三类：
|区块链类型|特点|
| ---- | ---- |
|公有区块链|提供开放平台，任何人或机构都可参与、添加记录和挖矿，无限制，也称为无授权区块链|
|私有区块链|由一个或多个团体管理，允许参与者之间进行数据共享和交换，利益相关者的参与和访问根据管理团体设定的规则进行|
|联盟区块链|部分私有且授权的区块链，由预定的利益相关者团体作为决策制定者参与区块验证和联盟过程，管理谁可以参与网络和挖矿|

区块链由相互连接的区块组成，一个区块包含前一个区块的值、时间戳、区块版本和交易计数器等信息。下面是区块链结构的简单示意：

graph LR
    A[区块1] --> B[区块2]
    B --> C[区块3]
    C --> D[区块4]

3. 区块链在农业食品供应链中的应用

物联网设备在农业活动中的引入，为种植、灌溉、数据收集、监测、运输等方面带来了诸多便利，也为智慧农业铺平了道路。然而，在农业食品供应链中，传统的数据存储方式存在诸多问题，如数据可能被操纵、单点故障导致供应链瘫痪、易受黑客攻击以及数据验证和监测成本高等。区块链技术的出现为解决这些问题提供了新的思路。

目前，虽然在智能农业应用中基于区块链的研究相对较少，但在农业食品供应链领域，区块链的应用逐渐增多。以下是一些当前基于区块链的农业食品供应链解决方案：
- AgriBlockIoT系统 ：由Caro等人提出，该系统基于物联网设备在农业食品生产、运输等所有过程中对其进行监测，并将数据传输到区块链。物联网设备可用于种子追踪（如通过二维码）、农业区域监测（如使用摄像头）、产品发育追踪（如通过照片）、土壤水分和化学物质数据收集（如使用传感器）以及运输和包装数据记录（如使用GPS传感器）。数据收集和共享通过智能合约完成，若出现不一致情况（如种子数量与收获产品数量不符）可及时发出警告。该系统在以太坊和Hyperledger环境下开发，并对这两个环境的性能进行了比较。
- 果蔬区块链安全追溯系统 ：Yang等人提出，将农产品追溯分为生产、加工、运输和销售四个阶段。生产阶段包括种植、灌溉和施肥；加工阶段包括称重、包装、生产环境信息记录、产品信息插入、条形码和关键信息添加；运输和销售阶段通过物联网设备追踪产品。该系统确保相关数据数字化管理，使供应链中的数据来源成为区块链的参与者，为客户提供可查询的可信环境。为解决区块链数据量和查询时间问题，提出“数据库 + 区块链”解决方案，即将产品数据添加到本地数据库，其加密形式和哈希码存储在区块链中，通过智能合约进行数据验证。该系统选择Hyperledger fabric作为区块链系统，Go作为智能合约语言，Linux和Docker支持区块链环境，CouchDB作为本地数据库，C # ASP.NET MVC和Java Script用于应用开发。通过该应用可追溯果蔬从生产到销售的所有过程，并使用Hyperledger Caliper工具评估其性能。
- 农业食品完整供应链系统 ：Shahid等人提出，该系统通过智能合约透明、自动地管理从制造到客户的所有跟踪、分发和支付任务。同时，记录参与者（如农民、物流商和零售商）的评论和评分信息，并计算评估分数，为客户后续购买提供重要参考。为减轻区块链数据负载，将传感器信息和生产图片等数据文件存储在中央文件服务器，其加密密钥信息存储在区块链中，通过智能合约进行文件加密密钥创建和验证。该系统在以太坊环境下进行模拟，提供了模拟环境中使用的技术信息以及操作持续时间和所需“gas”量等模拟结果。

此外，Wang等人、Salah等人以及Vanany等人也分别提出了基于智能合约的农业食品安全透明监测和管理解决方案，以及针对清真食品追踪难题的区块链供应链解决方案。

这些基于区块链的解决方案通常具有以下操作步骤：
1. 数据收集 ：利用物联网设备（如传感器、摄像头、GPS等）收集农业生产、加工、运输等各个环节的数据。
2. 数据上传 ：将收集到的数据上传到区块链网络，部分数据可选择存储在本地数据库，同时将其加密形式和哈希码存储在区块链中。
3. 智能合约执行 ：通过智能合约实现数据验证、交易自动执行、警告触发等功能。例如，当种子数量与收获产品数量不符时，智能合约自动发出警告；当满足交易条件时，自动完成支付等操作。
4. 数据查询与追溯 ：供应链中的参与者（如农民、物流商、零售商、客户等）可以通过区块链网络查询产品的相关信息，实现产品从生产到销售的全程追溯。

4. 总结

物联网和区块链技术为现代农业带来了巨大的变革。物联网技术通过各种传感器和设备实现了农业生产过程中的数据收集、监测和自动化控制，提高了农业生产效率和质量。而区块链技术则为农业食品供应链提供了安全、透明、可追溯的解决方案，解决了传统供应链中数据管理和信任的问题。

在未来，随着这两项技术的不断发展和融合，农业将朝着更加智能化、可持续化的方向发展。例如，物联网设备收集的大量数据可以通过区块链技术进行安全存储和共享，为农业决策提供更准确的依据；智能合约可以进一步优化农业供应链的流程，降低成本，提高效率。同时，随着消费者对食品安全和质量的关注度不断提高，基于区块链的追溯系统将成为农业企业提升竞争力的重要手段。

然而，要实现这些目标，还需要克服一些挑战。例如，物联网设备的成本和稳定性、区块链技术的可扩展性和性能、以及相关法律法规的完善等。但总体而言，物联网和区块链技术为现代农业的发展带来了前所未有的机遇，将推动农业产业实现智慧转型。

下面是一个简单的表格，总结物联网和区块链在农业中的应用特点：
|技术|应用特点|
| ---- | ---- |
|物联网|实现农业生产过程的数据收集、监测和自动化控制，提高生产效率和质量|
|区块链|为农业食品供应链提供安全、透明、可追溯的解决方案，解决数据管理和信任问题|

同时，我们可以用一个流程图来展示物联网和区块链在农业中的整体应用流程：

graph LR
    A[物联网设备数据收集] --> B[数据上传至区块链]
    B --> C[智能合约处理数据]
    C --> D[数据存储与共享]
    D --> E[供应链参与者查询与追溯]
    E --> F[农业决策与优化]

通过以上的介绍，我们可以看到物联网和区块链技术在现代农业中的重要作用，它们的结合将为农业的未来发展带来无限可能。