基于電子標(biāo)簽技術(shù)的可循環(huán)追蹤防盜紙快遞包裝盒的設(shè)計

楊洪蘇，孫彬青，劉 碩

（1. 天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300222；2. 天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，中國輕工業(yè)食品包裝材料與技術(shù)重點實驗室，天津300457）

2019 年，全國快遞業(yè)務(wù)量和業(yè)務(wù)收入分別完成635.2 億件和7 497.8 億元， 同比分別增長25.3%和24.2%[1]。 如此龐大的業(yè)務(wù)總量導(dǎo)致產(chǎn)生了大量包裝垃圾，2017 年我國快遞包裝約產(chǎn)生800 萬噸垃圾，2018 年約產(chǎn)生1 000 萬噸垃圾。 同時，我國快遞包裝垃圾的回收率和無害化處理水平較低，不僅浪費(fèi)資源，還對大氣、水、土地等資源造成嚴(yán)重污染[2]。 可見，對快遞包裝的可循環(huán)使用研究具有重要意義[3]。隨著快遞業(yè)務(wù)量劇增而來的還有越發(fā)頻繁的丟件、延誤、錯領(lǐng)冒領(lǐng)現(xiàn)象；同時，快遞包裝上的個人信息也成為不法分子竊取的目標(biāo)。 在信息化程度越來越高的今天，人們對于快遞便捷快速精準(zhǔn)的要求越來越高，對個人隱私信息的安全也越來越重視。

近年來， 電子標(biāo)簽技術(shù)中的NFC 技術(shù)和RFID技術(shù)已被廣泛運(yùn)用于物流、安保、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域[4-5]。 例如，張明宇等[6]研制的基于NFC 的無源電子鎖被運(yùn)用于配電網(wǎng)；鄭永燦等[7]研發(fā)的基于NFC 技術(shù)可循環(huán)使用攜帶“電子墨水”的信息安全防撞快遞盒對快遞包裝的監(jiān)管保護(hù)提出了新的思路； 此外，RFID 技術(shù)也被應(yīng)用于資產(chǎn)和重要物品管理[8-9]。

基于當(dāng)前研究現(xiàn)狀和快遞行業(yè)面臨的實際問題，本文設(shè)計一種基于低功耗電子標(biāo)簽技術(shù)、可循環(huán)使用、可追蹤且保密性高的快遞盒。

1 紙快遞包裝盒的功能簡述

首先， 使用基于近場通信技術(shù)的無源智能鎖取代膠帶封口，在快遞盒封裝口加裝鎖具，客戶可以使用手機(jī)的NFC 通信功能進(jìn)行近距離解鎖。 其次，在快遞盒內(nèi)加裝RFID 電子標(biāo)簽， 在快遞投遞過程中加密記錄客戶的地址、身份等信息，只有使用快遞公司內(nèi)部手機(jī)的NFC 功能才可以直接讀取這些信息，而在快遞盒的表面不會有任何私人信息存在， 便于對客戶信息的保密。最后，根據(jù)需要可以加裝防水膜及封口穩(wěn)固結(jié)構(gòu)， 以提高紙箱對運(yùn)輸環(huán)境的適應(yīng)能力。同時，利用RFID 電子標(biāo)簽結(jié)合GPRS，可以對于每個運(yùn)輸階段進(jìn)行底層監(jiān)管， 加強(qiáng)對暴力運(yùn)輸行為的監(jiān)管，提高快遞盒的回收率。

2 紙快遞包裝盒的整體設(shè)計

2.1 NFC 無源智能鎖設(shè)計

智能鎖的電路組成如圖1 所示，其由微控制器、儲存器、NFC 標(biāo)簽電路、 開關(guān)鎖電路和電源電路組成，安裝在快遞箱蓋板內(nèi)部，用于固定紙箱，起到封口作用。 用智能鎖代替膠帶封口， 避免了由于膠帶與快遞箱相連而使之回收處理不便， 也消除了膠帶帶來的環(huán)境污染問題。 NFC 技術(shù)可以在兩臺設(shè)備彼此靠近的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 NFC 的工作模式分為被動模式和主動模式。被動模式中NFC 的發(fā)起設(shè)備稱為主設(shè)備，是需要電源的，接受設(shè)備(也稱從設(shè)備)不需要產(chǎn)生射頻場，可以利用主設(shè)備產(chǎn)生的射頻場產(chǎn)生電能為設(shè)備電路供電， 因此智能鎖本身可以做到無源。 工作時將用戶的手機(jī)作為主設(shè)備產(chǎn)生射頻場與NFC 標(biāo)簽電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如果手機(jī)端的數(shù)據(jù)與儲存器中的數(shù)據(jù)匹配，開關(guān)鎖電路解鎖，反之則不會解鎖并返回錯誤信息。 在解鎖后智能鎖將清除內(nèi)部的信息，待下次出廠時重新寫入數(shù)據(jù)。

圖1 智能鎖電路組成框圖

2.2 RFID 電子標(biāo)簽設(shè)計

RFID 技術(shù)是自動識別技術(shù)中的一種，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信， 利用無線射頻方式對記錄媒體（電子標(biāo)簽或射頻卡）進(jìn)行讀寫，從而達(dá)到識別目標(biāo)和數(shù)據(jù)交換的目的，其被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g(shù)之一。 本快遞盒采用無源型RFID 電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽系統(tǒng)由閱讀器、電子標(biāo)簽和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。 本設(shè)計中將RFID 的電子標(biāo)簽設(shè)計在快遞箱側(cè)板的內(nèi)壁上， 并在紙箱的印刷面標(biāo)記出具體位置， 方便快遞員快速掃描。 閱讀器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)分別以手機(jī)的NFC 功能和云端的數(shù)據(jù)庫代替。 用電子標(biāo)簽儲存用戶的信息，信息采用加密處理， 只有快遞員可以讀取。 在確認(rèn)收貨之后，快遞員通過掃碼識別電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，并從云端讀取快遞中的客戶信息進(jìn)行配件， 同時清除電子標(biāo)簽中的用戶個人信息， 確保客戶的信息不會被泄露[7]。 清除信息的電子標(biāo)簽可以被回收入廠，用于繼續(xù)錄入下一批信息使用。 在快遞中轉(zhuǎn)時， 快遞員也可以通過掃描電子標(biāo)簽同步各個階段的快遞信息到云端， 客戶可以隨時在手機(jī)上查看。 如果有特殊需求，電子標(biāo)簽還可以集成GPRS 芯片，再配合力學(xué)傳感器， 可以通過底層通信在快遞運(yùn)輸過程中檢測快遞盒的碰撞程度，確保運(yùn)送快件的完好與安全。

2.3 紙快遞包裝盒的防水加固設(shè)計

該設(shè)計采用單搖蓋側(cè)邊鎖合的紙結(jié)構(gòu)， 結(jié)合雙層箱壁結(jié)構(gòu)的多種優(yōu)勢， 延長前側(cè)板并折疊形成雙層側(cè)板結(jié)構(gòu)，并在兩側(cè)板中間設(shè)計鎖合結(jié)構(gòu)，以保證包裝箱封合簡便快捷，如圖2 所示。 有需要時，可以通過在快遞盒外部覆蓋防水膜形式進(jìn)行防水處理，防止內(nèi)部物品受潮。 在快遞盒出現(xiàn)局部破損時無需全部丟棄，其中的聚氯乙烯（PVC）塑料和智能鎖可以方便地拆卸下來繼續(xù)使用。

圖2 紙快遞包裝盒結(jié)構(gòu)圖

2.4 紙快遞包裝盒的生產(chǎn)制造

快遞盒的生產(chǎn)原料為原紙(即箱紙板和瓦楞原紙)，可用木漿、 草漿制作， 并且可以方便的進(jìn)行回收再利用。根據(jù)不同的產(chǎn)品以及物流環(huán)境的需求，箱紙板的材質(zhì)、質(zhì)量以及瓦楞原紙的楞型等都可以改變，以滿足不同技術(shù)指標(biāo)。 快遞盒的生產(chǎn)流程如圖3 所示。

圖3 紙快遞包裝盒的生產(chǎn)流程

2.5 紙快遞包裝盒的使用流程設(shè)計

首先， 客戶在寄件時被詢問是否使用該類型快遞盒、是否需要防水處理等特殊處理；然后，工廠根據(jù)客戶需求將快遞盒消毒出廠， 快遞員將寄送物品裝入快遞盒中， 在RFID 電子標(biāo)簽和智能鎖中分別錄入客戶的地址信息和開鎖秘鑰；隨后，封上快遞盒并寄送， 每過一個中轉(zhuǎn)站快遞盒的電子標(biāo)簽都會被掃描，其線路信息、包裝狀況都會被上傳到云端供客戶查看； 快遞到達(dá)目的地的快遞點之后短信會發(fā)送到客戶手機(jī)上， 快遞員送達(dá)后通過掃描電子標(biāo)簽確定客戶身份并將快件出庫， 在快件出庫同時清除快遞內(nèi)包含的客戶信息；最后，客戶通過手機(jī)的NFC功能解鎖智能鎖后取出物品， 同時快遞員將快遞盒回收。

對于不方便現(xiàn)場取出快遞物品的客戶， 在小區(qū)或者社區(qū)設(shè)置回收點， 客戶送還快遞盒后通過微信小程序給予一定獎勵。 在快遞盒回收后檢查其有無破損， 對于部分破損的快遞盒進(jìn)行拆解， 更換新紙盒， 沒有破損的快遞盒經(jīng)消毒后投入下次使用。 快遞盒的使用流程圖如圖4 所示。

圖4 紙快遞包裝盒的使用流程

3 結(jié)束語

本文結(jié)合當(dāng)前快遞行業(yè)的常見問題設(shè)計了基于電子標(biāo)簽技術(shù)的可循環(huán)追蹤防盜紙快遞包裝盒，著力于解決當(dāng)前快遞行業(yè)面臨的環(huán)保、 保密問題。 隨著電子及半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展， 芯片價格大幅降低，使得本文設(shè)計的快遞盒成為可能。 并且，隨著消費(fèi)者素質(zhì)和快遞行業(yè)從業(yè)者素質(zhì)的提高， 該設(shè)計也能為快遞行業(yè)帶來一定的便利。

當(dāng)然，由于采用芯片增加了生產(chǎn)成本，還有增加的后期處理環(huán)節(jié)等方面均限制了基于電子標(biāo)簽技術(shù)的快遞盒的推廣使用。相信隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，芯片價格會進(jìn)一步下降， 當(dāng)便利性和經(jīng)濟(jì)效益足以彌補(bǔ)增加的成本時， 具有各種特殊功能的基于電子標(biāo)簽技術(shù)的快遞包裝盒一定會得到更多應(yīng)用。