楊洪蘇，孫彬青，劉 碩

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

2019 年，全國快遞業(yè)務量和業(yè)務收入分別完成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)務總量導致產生了大量包裝垃圾，2017 年我國快遞包裝約產生800 萬噸垃圾，2018 年約產生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，不僅浪費資源，還對大氣、水、土地等資源造成嚴重污染[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)務量劇增而來的還有越發(fā)頻繁的丟件、延誤、錯領冒領現象；同時，快遞包裝上的個人信息也成為不法分子竊取的目標。 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， 電子標簽技術中的NFC 技術和RFID技術已被廣泛運用于物流、安保、物聯網領域[4-5]。 例如，張明宇等[6]研制的基于NFC 的無源電子鎖被運用于配電網；鄭永燦等[7]研發(fā)的基于NFC 技術可循環(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)管保護提出了新的思路； 此外，RFID 技術也被應用于資產和重要物品管理[8-9]。

基于當前研究現狀和快遞行業(yè)面臨的實際問題，本文設計一種基于低功耗電子標簽技術、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，客戶可以使用手機的NFC 通信功能進行近距離解鎖。 其次，在快遞盒內加裝RFID 電子標簽， 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部手機的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，根據需要可以加裝防水膜及封口穩(wěn)固結構， 以提高紙箱對運輸環(huán)境的適應能力。同時，利用RFID 電子標簽結合GPRS，可以對于每個運輸階段進行底層監(jiān)管， 加強對暴力運輸行為的監(jiān)管，提高快遞盒的回收率。

2 紙快遞包裝盒的整體設計

2.1 NFC 無源智能鎖設計

智能鎖的電路組成如圖1 所示，其由微控制器、儲存器、NFC 標簽電路、 開關鎖電路和電源電路組成，安裝在快遞箱蓋板內部，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 技術可以在兩臺設備彼此靠近的情況下進行數據交換。 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)起設備稱為主設備，是需要電源的，接受設備(也稱從設備)不需要產生射頻場，可以利用主設備產生的射頻場產生電能為設備電路供電， 因此智能鎖本身可以做到無源。 工作時將用戶的手機作為主設備產生射頻場與NFC 標簽電路進行數據交換，如果手機端的數據與儲存器中的數據匹配，開關鎖電路解鎖，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部的信息，待下次出廠時重新寫入數據。

圖1 智能鎖電路組成框圖

2.2 RFID 電子標簽設計

RFID 技術是自動識別技術中的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信， 利用無線射頻方式對記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行讀寫，從而達到識別目標和數據交換的目的，其被認為是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g之一。 本快遞盒采用無源型RFID 電子標簽，電子標簽系統(tǒng)由閱讀器、電子標簽和數據管理系統(tǒng)組成。 本設計中將RFID 的電子標簽設計在快遞箱側板的內壁上， 并在紙箱的印刷面標記出具體位置， 方便快遞員快速掃描。 閱讀器和數據管理系統(tǒng)分別以手機的NFC 功能和云端的數據庫代替。 用電子標簽儲存用戶的信息，信息采用加密處理， 只有快遞員可以讀取。 在確認收貨之后，快遞員通過掃碼識別電子標簽的數據，并從云端讀取快遞中的客戶信息進行配件， 同時清除電子標簽中的用戶個人信息， 確?？蛻舻男畔⒉粫恍孤禰7]。 清除信息的電子標簽可以被回收入廠，用于繼續(xù)錄入下一批信息使用。 在快遞中轉時， 快遞員也可以通過掃描電子標簽同步各個階段的快遞信息到云端， 客戶可以隨時在手機上查看。 如果有特殊需求，電子標簽還可以集成GPRS 芯片，再配合力學傳感器， 可以通過底層通信在快遞運輸過程中檢測快遞盒的碰撞程度，確保運送快件的完好與安全。

2.3 紙快遞包裝盒的防水加固設計

該設計采用單搖蓋側邊鎖合的紙結構， 結合雙層箱壁結構的多種優(yōu)勢， 延長前側板并折疊形成雙層側板結構，并在兩側板中間設計鎖合結構，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行防水處理，防止內部物品受潮。 在快遞盒出現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 紙快遞包裝盒結構圖

2.4 紙快遞包裝盒的生產制造

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

圖3 紙快遞包裝盒的生產流程

2.5 紙快遞包裝盒的使用流程設計

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， 每過一個中轉站快遞盒的電子標簽都會被掃描，其線路信息、包裝狀況都會被上傳到云端供客戶查看； 快遞到達目的地的快遞點之后短信會發(fā)送到客戶手機上， 快遞員送達后通過掃描電子標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包含的客戶信息；最后，客戶通過手機的NFC功能解鎖智能鎖后取出物品， 同時快遞員將快遞盒回收。

對于不方便現場取出快遞物品的客戶， 在小區(qū)或者社區(qū)設置回收點， 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行拆解， 更換新紙盒， 沒有破損的快遞盒經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 結束語

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

當然，由于采用芯片增加了生產成本，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簽技術的快遞盒的推廣使用。相信隨著技術的進一步發(fā)展，芯片價格會進一步下降， 當便利性和經濟效益足以彌補增加的成本時， 具有各種特殊功能的基于電子標簽技術的快遞包裝盒一定會得到更多應用。