区块链在智慧农业的应用

Posted 2021-04-26 DeFin

区块链技术具有去中心化、建立信任关系、集体维护、交易公平和透明、不可篡改、可溯源等特征。世界人口持续增长，随之而来的是粮食需求的继续增长。而农业目前面对的不仅仅是复杂的生态系统、季节性的融资结构，还需要非常谨慎的时机以及诸多不确定性。

1  引言

半个世纪以来，世界人口总量增幅巨大。1960年，全球人口总数为30亿左右，但截至不到三十年后的1987年，这一数字已超过50亿。从World Population实时数据看到，截止2020年3月初，世界人口进一步增加至77亿人。世界银行预测在2050年世界人口将达近百亿；联合国估计，虽然世界人口增速减缓，但在2100年仍将增加到110亿。

图1 来源: 健康、营养与人口统计局人口估算与预测数据库 (SP.POP.TOTL)

人口增长趋势意味着市场对粮食的需求预计将继续增长。农业是终结极度贫困、促进共享繁荣并养活预计到2050年将达97亿的全球人口的最有力武器之一。农业领域发展在提高最贫困人口收入方面的效果2-4倍于其它领域。另一方面，根深蒂固的贫穷、不平等现象 和失业限制了粮食获取，妨碍实现粮食安全和营养资源目标；土地和水资源稀缺加剧及质量下降制约了农业生产的增长；不断恶化的气候变化正日益影响着产量和农村生计，而粮食和农业系统以及整体经济仍在不断排放温室气体（GHG）。

世界农业亟需加快与新兴技术融合的进程，改善目前存在的这些问题。如果把农业看成一个有机联系的整体系统，那么这就是智慧农业，在智慧农业中，需要全面综合的应用信息技术，能实时监测的感知技术，将田地到餐桌互联互通的通信技术，和深入的智能化技术将使农业系统运转更加有效、更加智慧、更加安全，从而实现农业可持续发展，改善目前存在的种种问题。而物联网是智慧农业的主要技术支撑，区块链将通过智能合约，在农产品智能化上起到关键性作用，其天然的可溯源特性，也让食品安全得到了保障。

2 农业发展存在的问题

在全球农业高速发展的同时，也出现了一些新问题，面临着诸多挑战。在农业物联网方面，目前制约农业物联网大面积推广的主要因素就是应用成本和维护成本高、性能差，而且物联网是中心化管理，随着物联网设备的暴增，数据中心的基础设施投入与维护成本难 以估量；在物联网的带动下，农业大数据的采集需要一个规模化的方式来解决数据的真实性和有效性；消费者无从了解农业生产从产地、运输、加工等过程中是否使用添加剂，导致了信任度降低，而提高信任度的成本是很高的；不仅如此，在农业保险方面，也经常出现骗保事件；另外，庞大的农业供应链，可能涉及到数百个环节，几十个地点，给供应链的追踪带来很大的困难。

虽然农业已经在使用物联网、大数据、云计算为支撑发展出了智慧农业这样一个新形态，但面对以上问题，依然显得难以应付。而区块链有着天然的可追溯、去信任化、去中心化等特性，可以帮助智慧农业解决现有的不足。

3 区块链

区块链技术诞生于2008年，经过了十多年的时间，已经到了一个较为成熟的阶段。区块链技术也被人们称为分布式总账技术，指的是一个以去中心化和去信任的方式来集体维护一个可靠数据库的技术操作方案。所有的交易都会记录在公共账本中，通过利用点对点网络和分布式时间戳服务器，区块链数据库能够进行自主管理，无需第三方机构的接入。

3.1 技术基础

3.1.1哈希算法

哈希算法也被人们称作是散列函数，主要是将任意一组长度的值映射形成一组固定长度的值，这些值被命名为哈希值。它的特点主要有：单向性，经过哈希算法得出的字符串不能反向恢复原来的；定时性，不同长度的字符串输入后会得到同长度但不一样的哈希值，不过时间大致相同；随机性，就算输入时，字符串只改变了一个字符，得出的哈希值也会有所不同。

3.1.2 P2P网络

在由服务器和客户端共同组成的网络结构中，P2P平台上各个节点拥有平等的地位，各客户端之间能够进行有效的沟通交流 。

3.1.3 非对称加密和数字签名

非对称加密会使用一对公钥和私钥来对信息进行加密处理，用公钥加密的内容只有通过对应的私钥才能解密。同时，应用数字签名能够保证各类信息的操作安全。在发送信息时，信息发送者会对信息进行处理，通过数字签名来保证信息的安全。信息接收者在接收到信息之后能够应用相应的公钥解密。

3.2 数据结构

3.2.1 区块

比特币的底层是区块链技术，区块链可以形象的理解为去中心化的分布式账本，该账本由很多区块组成。区块由两部分组成，分别是区块头（Block header）和区块体(Block body)，而区块头又包括了父哈希（Hash Used）、时间戳（Timestamp）、难度(Difficulty)、目标数(The Target)、随机数(Nonce)、默克尔树（Merkle Root），区块体则包含了具体的交易数据和交易数量，其决定了区块头中的Merkle根。每个区块中，上一区块哈希值，是由上一区块头，经过随机散列运算后得到。

图2 区块链结构示意图

3.2.2 时间戳服务器

在进行比特币交易时，需要防止双重支付，通常的解决方案，就是引入信得过的第三方权威机构，或者类似于造币厂(mint)的机构，来对每一笔交易进行检验，从而防止双重支付。而如果想要在电子货币系统中排除第三方中介机构，那么交易信息就应当被公开宣布（publicly announced），我们需要整个系统内的所有参与者，都有唯一公认的历史交易序列。收款人需要确保在交易期间绝大多数的节点都认同该交易是首次出现。时间戳服务器通过对以区块(block)形式存在的一组数据实施随机散列而加上时间戳，并将该随机散列进行广播，就像在新闻或世界性新闻组网络（Usenet）的发帖一样。显然，该时间戳能够证实特定数据必然于某特定时间是的确存在的，因为只有在该时刻存在了才能获取相应的随机散列值。每个时间戳应当将前一个时间戳纳入其随机散列值中，每一个随后的时间戳都对之前的一个时间戳进行增强(reinforcing)，这样就形成了一个链条（Chain），如图2所示。

图3 时间戳服务器

3.3 区块链未来展望

2019年10月24日，习近平在中央政治局第十八次集体学习时强调把区块链作为核心技术自主创新重要突破口，加快推动区块链技术和产业创新发展。不仅如此，美国，日本，德国以及其他很多国家也从国家层面出台区块链发展的政策，现在战略上重视成为各个国家政策的方向。根据IDC统计，2018年我国区块链总支出。为1.6亿美元。2019年，随着中共中央总书记习近平在中央政治局第十八次集体学习时强调“把区块链作为核心技术自主创新重要突破口，加快推动区块链技术和产业创新发展”以来，中国区块链市场将迎来新的机遇。预计2019年将达到2.93亿美元，并且未来四年将持续增长，到2023年有望突破20亿美元。更多类型的法定数字货币落地；高校学科、课程、教材数量与质量并增；全球标准也进入了百花齐放阶段；在未来，区块链将与其他前沿技术更紧密地融合，一方面，区块链可以为其他前沿信息技术赋能，另一方面，其他前沿信息技术也可以让区块链可信环境发挥更大的效用。 

4 农业区块链

在农业领域，自动执行的智能合约和自动付款将成为游戏规则的改变者。智能合约尤其是在农业保险、绿色债券和可追溯性中的作用会非常有效。

4.1 提高供应链透明度

据ReportLinker称，2018年食品供应链和农业中的区块链估计为6080万美元，预计到2023年将达到4.297亿美元。荷兰农业部，自然与食品质量部资助了第一个研究项目 “食品农业区块链”，旨在探索区块链对农业食品的意义。初步研究表明，通过区块链，仅需几秒钟，就可以做到食品从农场到杂货店的全程追踪溯源。

图4 农业供应链（来源：CoBank）

区块链技术可以在不同分类账上记录下产品在供应链过程中涉及到的所有信息，包括涉及到的负责企业，价格，日期，地址，质量，以及产品状态等，就会被永久性、去中心化地记录，这降低了时间延误、成本和人工错误。如此一来，区块链可以做到产品从产地到零售店的全程可溯源。因此，消费者会对他们所购买的产品更加的信任，同时，这也是对那些用心种植农作物的农民的一种回馈，一种奖励。这最终将导致可持续的耕作方式和负责任的消费。

2020年1月6日，在拉斯维加斯举行的消费电子展上，IBM和Farmer Connect（致力于提高农业供应链的透明度和可持续性的组织）演示了一个基于区块链的应用程序Thank My Farmer，该应用程序使消费者可以了解所购买的咖啡豆供应链。在用Thank My Farmer扫描QR码后，消费者将直接进入产品页面，该页面会提供有关其购买的咖啡的详细信息。在该说明下方是一张交互式地图，显示了咖啡从源头开始的完整供应链。Thank My Farmer由IBM的区块链提供技术支持，此技术创建了不可篡改的永久性数字化交易链—跟踪咖啡豆到成品的每一步。  

4.2 区块链促进粮食作物生产

在基于物联网的智慧农业中，可以借助传感器获取农作物的重要信息，如土壤温度、湿度、水位、肥料、光照等详细信息，监视田地中的作物，并将实时数据发送到区块链网络上。区块链具有不可伪造、不可篡改的特性，解决了传统中心化数据库无法规模化解决数据真实性和有效性的问题。基于保存在区块链中的数据，智能合约可以根据预先设置好的特定条件，自动触发并执行特定的操作。这将有助于显著提高耕作过程的效率以及农作物的质量。

4.3 气候危机控制

一年四季，天气总是变幻莫测，而农民与天气之间的较量从未停止过。监测和预测这些因素，对于提高农作物存活率来说至关重要。过度的降雨和干旱，都会导致作物的种植。消费者永远不知道农作物何时遭受过恶劣的天气的影响以及市场为什么面临高昂的价格上涨。

使用了区块链智能合约的农业风险管理方案，投保人只需要选择需要投保的农田区域，模拟在这片区域未来可能出现破坏农业生产的恶劣天气，再综合各方面数据因素计算，最后自动生成符合投保人需求的农险产品。投保人假如由于意外天气而遭受损失，将会在经过大数据分析的验证后自动获得赔偿。

The Climate Corporation是美国的意外天气保险公司，致力于提供农业领域的风险管理方案，帮助全球农民更安全、合理地进行耕作。客户可以登录Climate网站，先输入农田所在地的邮编选择代理人，再选择农业耕作时需要投保的气温、降雨量范围、特殊天气等要素，接着自动生成订单。Climate一旦收到订单，则会自动在100毫秒内综合分析天气预报数据、30多年来的国家气象局（National Weather Service）数据，以及投保人所在地的地质调查数据，进而得到分析结果，给投保人开出保费。

4.4 区块链促进食品安全

美国疾病控制和预防中心（Center for Disease Control and prevention，CDC）预计，每年有4800万人因食品传染而患病，其中12.8万人住院治疗，3000人死亡。

随着全球化的发展，不同国家食品来来往往。食品安全问题会带来许多严重后果。因此，有必要制定国际标准，以确保食品安全和食品链有序。ISO 22000食品安全认证通过制定食品安全标准，并保证所有食品都要经过此认证，以此来保证食品安全。但近几年来能够真正有效解决食品链的现存问题并严格遵守ISO 22000等认证的有效举措寥寥无几。

为了实现整个食品生态系统的透明，我们现在把其中所有实体都连接起来。如此一来，我们需要深入研究食品链的参与者，了解他们的活动以及每个环节的规则，这些参与者包括：农民、食品生产商、仓库和配送中心、食品运输商、商场和超市、消费者、监管者、认证机构及遵守的准则等。

从技术角度来看，物联网是解决方案核心。目前，有许多资产跟踪传感器可以通过蓝牙、超宽带（Ultra-Wide Band，UWB）、Wi-Fi、LPWA、LTE、NB-物联网、5G、卫星、红外、超声波、NFC和RFID来连接和传输数据。这种组合允许提供资产即时信息跟踪。利用物联网访问数据时，可考虑将这些数据存储在区块链网络中。

而区块链为我们保证了信息的可靠性以及成员之间的信任，而这种信任以前是不存在的；现在有了区块链技术，我们能够在许多生态系统中共享多种类型的信息。

食品生产商在整个链条中扮演着重要角色，是整个过程的核心。因为他们参与了动物生命开始到结束的每一件事，包括肉类的加工和包装等。和农业上的举措很相似，通过物联网与区块链技术的结合才可以保证信息的透明、可追溯，快速解决问题，并达成共识。而对于监管者来讲，采用物联网和区块链技术，可以使得提供的数据更加透明、数据分析能够更快速响应，此外还能在许多方面进行改进，如食品原产地认证等。

整个食品链的其他参与者也是如此，区块链可以为参与者提供共享信息，物联网可以通过传感器实时监测食品安全信息，工程师则可以随时随地通过APP访问这些数据，实现更方便的管理。物联网与区块链的结合不仅可以解决许多问题，甚至可以带来食品行业的变革。

5 未来展望

区块链的应用，目前还处于起步阶段，任何新的思想、理念以及技术产生之初，总要有相当长的时间让大家去学习、去探索、去实践，然后才有可能出现突破性的成果以及成熟的应用。近年来智慧农业正处于快速发展期，但也因为农业系统复杂、分布广、众多参与、交易链条长、信息不够透明等，更需要加以监管治理和加强构建诚信。这说明了区块链农业应用的市场广泛需求性，但同时也带来了极大的挑战性，必须加强研究。区块链与农业的结合，弥补了基于物联网的智慧农业在食品安全溯源、数据真实性的信任问题、农业保险骗保等诸多不足。区块链的非对称加密，数字签名，哈希算法，P2P网络，以及自动执行的智能合约，也为解决目前智慧农业中存在的问题创造了条件。但从实际应用情况来看，区块链技术在现代农业领域的应用，还处于起步阶段，无论是应用效果，还是领域范围，都还有待提高。展望未来，智慧农业正在推动新一轮农业科技革命的浪潮，农业正在朝现代化方向升级转型。而区块链作为智慧农业中的又一个关键技术，将赋能智慧农业朝更好的方向发展。相信不远的奖来，区块链+智慧农业会成为主流，食品安全已经成为常态，我们也不必再为世界人口的快速增加而担忧。

参考

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