基于电子标签技术的可循环追踪防盗纸快递包装盒的设计

2020-04-23杨洪苏孙彬青

天津造纸 2020年3期

杨洪苏，孙彬青，刘硕

（1. 天津科技大学电子信息与自动化学院，天津300222；2. 天津科技大学轻工科学与工程学院，中国轻工业食品包装材料与技术重点实验室，天津300457）

2019 年，全国快递业务量和业务收入分别完成635.2 亿件和7 497.8 亿元，同比分别增长25.3%和24.2%[1]。如此庞大的业务总量导致产生了大量包装垃圾，2017 年我国快递包装约产生800 万吨垃圾，2018 年约产生1 000 万吨垃圾。同时，我国快递包装垃圾的回收率和无害化处理水平较低，不仅浪费资源，还对大气、水、土地等资源造成严重污染[2]。可见，对快递包装的可循环使用研究具有重要意义[3]。随着快递业务量剧增而来的还有越发频繁的丢件、延误、错领冒领现象；同时，快递包装上的个人信息也成为不法分子窃取的目标。在信息化程度越来越高的今天，人们对于快递便捷快速精准的要求越来越高，对个人隐私信息的安全也越来越重视。

近年来，电子标签技术中的NFC 技术和RFID技术已被广泛运用于物流、安保、物联网领域[4-5]。例如，张明宇等[6]研制的基于NFC 的无源电子锁被运用于配电网；郑永灿等[7]研发的基于NFC 技术可循环使用携带“电子墨水”的信息安全防撞快递盒对快递包装的监管保护提出了新的思路；此外，RFID 技术也被应用于资产和重要物品管理[8-9]。

基于当前研究现状和快递行业面临的实际问题，本文设计一种基于低功耗电子标签技术、可循环使用、可追踪且保密性高的快递盒。

1 纸快递包装盒的功能简述

首先，使用基于近场通信技术的无源智能锁取代胶带封口，在快递盒封装口加装锁具，客户可以使用手机的NFC 通信功能进行近距离解锁。其次，在快递盒内加装RFID 电子标签，在快递投递过程中加密记录客户的地址、身份等信息，只有使用快递公司内部手机的NFC 功能才可以直接读取这些信息，而在快递盒的表面不会有任何私人信息存在，便于对客户信息的保密。最后，根据需要可以加装防水膜及封口稳固结构，以提高纸箱对运输环境的适应能力。同时，利用RFID 电子标签结合GPRS，可以对于每个运输阶段进行底层监管，加强对暴力运输行为的监管，提高快递盒的回收率。

2 纸快递包装盒的整体设计

2.1 NFC 无源智能锁设计

智能锁的电路组成如图1 所示，其由微控制器、储存器、NFC 标签电路、开关锁电路和电源电路组成，安装在快递箱盖板内部，用于固定纸箱，起到封口作用。用智能锁代替胶带封口，避免了由于胶带与快递箱相连而使之回收处理不便，也消除了胶带带来的环境污染问题。 NFC 技术可以在两台设备彼此靠近的情况下进行数据交换。 NFC 的工作模式分为被动模式和主动模式。被动模式中NFC 的发起设备称为主设备，是需要电源的，接受设备(也称从设备)不需要产生射频场，可以利用主设备产生的射频场产生电能为设备电路供电，因此智能锁本身可以做到无源。工作时将用户的手机作为主设备产生射频场与NFC 标签电路进行数据交换，如果手机端的数据与储存器中的数据匹配，开关锁电路解锁，反之则不会解锁并返回错误信息。在解锁后智能锁将清除内部的信息，待下次出厂时重新写入数据。

图1 智能锁电路组成框图

2.2 RFID 电子标签设计

RFID 技术是自动识别技术中的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，其被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一。本快递盒采用无源型RFID 电子标签，电子标签系统由阅读器、电子标签和数据管理系统组成。本设计中将RFID 的电子标签设计在快递箱侧板的内壁上，并在纸箱的印刷面标记出具体位置，方便快递员快速扫描。阅读器和数据管理系统分别以手机的NFC 功能和云端的数据库代替。用电子标签储存用户的信息，信息采用加密处理，只有快递员可以读取。在确认收货之后，快递员通过扫码识别电子标签的数据，并从云端读取快递中的客户信息进行配件，同时清除电子标签中的用户个人信息，确保客户的信息不会被泄露[7]。清除信息的电子标签可以被回收入厂，用于继续录入下一批信息使用。在快递中转时，快递员也可以通过扫描电子标签同步各个阶段的快递信息到云端，客户可以随时在手机上查看。如果有特殊需求，电子标签还可以集成GPRS 芯片，再配合力学传感器，可以通过底层通信在快递运输过程中检测快递盒的碰撞程度，确保运送快件的完好与安全。

2.3 纸快递包装盒的防水加固设计

该设计采用单摇盖侧边锁合的纸结构，结合双层箱壁结构的多种优势，延长前侧板并折叠形成双层侧板结构，并在两侧板中间设计锁合结构，以保证包装箱封合简便快捷，如图2 所示。有需要时，可以通过在快递盒外部覆盖防水膜形式进行防水处理，防止内部物品受潮。在快递盒出现局部破损时无需全部丢弃，其中的聚氯乙烯（PVC）塑料和智能锁可以方便地拆卸下来继续使用。

图2 纸快递包装盒结构图

2.4 纸快递包装盒的生产制造

快递盒的生产原料为原纸(即箱纸板和瓦楞原纸)，可用木浆、草浆制作，并且可以方便的进行回收再利用。根据不同的产品以及物流环境的需求，箱纸板的材质、质量以及瓦楞原纸的楞型等都可以改变，以满足不同技术指标。快递盒的生产流程如图3 所示。

图3 纸快递包装盒的生产流程

2.5 纸快递包装盒的使用流程设计

首先，客户在寄件时被询问是否使用该类型快递盒、是否需要防水处理等特殊处理；然后，工厂根据客户需求将快递盒消毒出厂，快递员将寄送物品装入快递盒中，在RFID 电子标签和智能锁中分别录入客户的地址信息和开锁秘钥；随后，封上快递盒并寄送，每过一个中转站快递盒的电子标签都会被扫描，其线路信息、包装状况都会被上传到云端供客户查看；快递到达目的地的快递点之后短信会发送到客户手机上，快递员送达后通过扫描电子标签确定客户身份并将快件出库，在快件出库同时清除快递内包含的客户信息；最后，客户通过手机的NFC功能解锁智能锁后取出物品，同时快递员将快递盒回收。

对于不方便现场取出快递物品的客户，在小区或者社区设置回收点，客户送还快递盒后通过微信小程序给予一定奖励。在快递盒回收后检查其有无破损，对于部分破损的快递盒进行拆解，更换新纸盒，没有破损的快递盒经消毒后投入下次使用。快递盒的使用流程图如图4 所示。