曾 倩，陳章永

（中鈔實業(yè)有限公司，北京 100088）

0 引 言

隨著電商時代的來臨，我國快遞物流業(yè)務量迅猛發(fā)展，同時也帶來了快遞包裝物料的極大消耗，數(shù)以百億計算的快遞包裝垃圾造成了環(huán)境的污染和資源的浪費。大家常見的包裝材料如紙箱、塑料袋、快遞運單、膠帶等，這些材料雖然來源廣泛，成本低廉，但是大多數(shù)人在使用后會將包裝廢棄物遺棄在自然界中，從而造成污染。北京、上海、廣州、深圳等城市中心電商包裝廢棄物現(xiàn)已成為城市生活垃圾的主要組成部分，部分大型城市電商包裝廢棄物占生活垃圾的85%～90%，部分二線城市占75%以上，這造成了極大的環(huán)境污染與資源浪費。有關(guān)研究表明，目前我國包裝造成的生態(tài)環(huán)境污染僅次于水污染、海洋湖泊污染和空氣污染，也成為我國的第四大污染源[1-4]。這種現(xiàn)狀與國家提倡的低碳環(huán)保、節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的政策相違背[5-6]，所以眾多專家學者與物流行業(yè)人員認為，發(fā)展綠色包裝及綠色物流已經(jīng)成為了物流業(yè)發(fā)展的趨勢和方向[7-10]。因此，物流包裝箱的循環(huán)利用更符合綠色環(huán)保和循環(huán)經(jīng)濟理論，它有利于節(jié)約社會消耗品資源、減少環(huán)境污染、緩解環(huán)境壓力，具有較高的社會價值。

目前在電商的物流中轉(zhuǎn)與用戶配送過程中，已有部分企業(yè)開始投入應用可多次循環(huán)的塑料包裝箱以解決電商物流大量使用紙箱及過度包裝的問題[11]，但這些循環(huán)使用的塑料包裝箱一般存在如下問題[12-14]：一是通常采用一次性的物理簽封進行包裝箱封箱，無法有效防范周轉(zhuǎn)途中包裝箱被非授權(quán)用戶開箱，安全性不高；二是包裝箱內(nèi)置物品記錄與盤點多為手工完成，配送途中易出現(xiàn)偏差、錯誤和及時性不夠等問題；三是訂單信息多用紙質(zhì)標簽貼于包裝上，也無法授權(quán)由指定用戶開箱，帶來用戶隱私信息泄露的擔憂。

針對上述現(xiàn)狀與問題，本文設計了一種帶電子簽封的循環(huán)物流包裝箱，它使用可降解回收的環(huán)保塑料為原材料，采用無線射頻電子鎖及電子墨水屏技術(shù)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一次性快遞包裝用于物流中轉(zhuǎn)及用戶配送中，總體技術(shù)涉及循環(huán)包裝箱的結(jié)構(gòu)設計、電子簽封設計及與循環(huán)包裝箱的應用管理系統(tǒng)設計。實踐表明，它實現(xiàn)了快遞物流包裝箱的安全，可循環(huán)使用，商品信息的自動化識別與記錄，以及用戶信息的有效隱私保護。

1 循環(huán)包裝箱的設計

循環(huán)包裝箱采用聚碳酸酯作為箱體原料，以珍珠棉作為內(nèi)襯，所有材料可以100%回收再利用。在包裝箱內(nèi)嵌入電子簽封，通過無線射頻識別技術(shù)可實現(xiàn)自動識別商品信息和電子化開閉鎖；在箱體外則嵌入設計了電子墨水屏，通過電子墨水屏實現(xiàn)包裝箱狀態(tài)及商品訂單信息的多次讀/寫與顯示；結(jié)合包裝箱應用管理系統(tǒng)，還能實現(xiàn)授權(quán)指定用戶掃描開箱，保證循環(huán)包裝箱在物流中轉(zhuǎn)及用戶配送過程中不被非法開啟。因此，該包裝箱可現(xiàn)場回收，再次循環(huán)使用，減少資源浪費，降低經(jīng)濟成本，同時有效提高物流配送的安全與監(jiān)管效率。

1.1 包裝箱整體結(jié)構(gòu)設計

帶電子簽封的循環(huán)包裝箱整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 循環(huán)包裝箱整體結(jié)構(gòu)示意圖

循環(huán)包裝箱包括箱體、箱蓋，以及嵌設在箱蓋內(nèi)部的電子簽封，箱蓋內(nèi)設有電子簽封安裝卡扣，用于電子簽封的安裝固定。其中，在箱體和箱蓋上設置有對應的鎖扣結(jié)構(gòu)，電子簽封中設置有無源電子鎖。鎖扣結(jié)構(gòu)包括設置在箱體側(cè)壁上的成對鎖舌槽，還包括可以從電子簽封的兩側(cè)伸出的鎖舌。在電子簽封中設置有鎖止旋鈕，通過旋轉(zhuǎn)鎖止旋鈕驅(qū)動鎖舌伸入或退出鎖舌槽。而無源電子鎖可對鎖止旋鈕進行鎖定。當控制無源電子鎖閉鎖后，鎖止旋鈕無法旋轉(zhuǎn)，鎖舌無法縮回退出鎖舌槽，鎖舌伸出起到保障包裝箱箱蓋鎖死不滑出，從而實現(xiàn)箱體和箱蓋的扣合鎖止；當控制無源電子鎖開鎖后，鎖止旋鈕可以自由旋轉(zhuǎn)，即解除箱體和箱蓋的鎖止。

基于包裝箱安裝電子鎖后必須滿足抗撞擊、抗跌落等指標要求，在箱體結(jié)構(gòu)設計中采用了斜扣式結(jié)構(gòu)設計工藝，即在箱蓋內(nèi)側(cè)設置有斜扣，而在箱體上對應位置設有與其配合的斜扣槽，箱體側(cè)邊緣處設有防撞緣。該設計使循環(huán)包裝箱合蓋簡單且結(jié)合牢固，即使在不鎖死電子簽封時亦能保持止退箱蓋。采用斜扣式結(jié)構(gòu)設計的循環(huán)包裝箱在箱體與箱蓋結(jié)合時沒有方向性，既能滿足裝箱閉鎖的自動化流水作業(yè)的需求，又能滿足用戶開箱便捷性需求。同時，它還能夠減少撞擊與跌落時的沖擊力，在撞擊摔落等情況下，不論哪個方向都可使沖擊力直接導向箱體，而不通過鎖舌受力來避免箱蓋非正常開啟，因次減少了對箱蓋內(nèi)電子簽封的沖擊力，從而更有效保護了箱蓋內(nèi)的電子簽封和箱內(nèi)物品的安全。循環(huán)包裝箱還可實現(xiàn)堆垛碼放，還能無箱蓋空箱套合碼放，大大節(jié)省了存儲與物流運輸空間。

循環(huán)包裝箱在流水線上封箱操作時，只需用機械手拿起箱蓋定位放置在與箱體上方，稍用力向下壓箱蓋即可把箱蓋四周與斜扣扣緊在箱體上，結(jié)合緊密，不易脫出；然后旋轉(zhuǎn)箱蓋中間孔內(nèi)的鎖止旋鈕，使電子簽封的兩個鎖舌向外伸出插入箱體鎖舌槽內(nèi)；再使用終端設備給出操作指令，控制鎖舌鎖死，實現(xiàn)包裝箱封箱閉鎖。開啟時，用手機等終端設備控制電子鎖開鎖，然后手動旋轉(zhuǎn)鎖止旋鈕使兩個鎖舌收回，再向上方拉動箱蓋，即可將箱蓋與箱體分離，實現(xiàn)開箱取物。

循環(huán)包裝箱的箱蓋、箱體及箱蓋箱體結(jié)合的實物圖如圖2～圖4所示。

圖2 循環(huán)包裝箱箱蓋

圖3 循環(huán)包裝箱箱體

圖4 循環(huán)包裝箱箱體與箱體的結(jié)合

1.2 電子簽封設計

電子簽封通過包裝箱箱蓋內(nèi)的安裝卡扣安裝固定在箱蓋內(nèi)，它內(nèi)部包括射頻模塊、天線、儲能模塊、無源電子鎖以及電子墨水屏模塊。循環(huán)包裝箱電子簽封及其內(nèi)部各模塊的連接示意圖如圖5、圖6所示。

圖5 電子簽封示意圖

圖6 電子簽封內(nèi)各模塊的連接示意圖

射頻模塊可以與具有NFC通信功能的手機等終端設備進行數(shù)據(jù)交互。射頻模塊包括存儲單元、驗證單元及控制單元，其中存儲單元存儲有射頻模塊的唯一標識號，并用于存儲解鎖識別號和解鎖密碼；驗證單元用于對開鎖時輸入的解鎖密碼進行驗證；控制單元則用于向無源電子鎖發(fā)送指令。

通過對射頻模塊的天線進行改進，使其與儲能模塊連接，從而在射頻模塊被掃描時，儲能模塊能從天線獲取能量并存儲，用于給無源電子鎖供電。無源電子鎖內(nèi)又包括電機控制與驅(qū)動單元、鎖具單元，其中的電機控制與驅(qū)動單元用于根據(jù)指令驅(qū)動鎖具單元鎖止或解鎖鎖扣結(jié)構(gòu)。使用無源電子鎖的優(yōu)勢在于無需給其配備額外電源，因此相對于使用電池或外掛電源供電的方式，無源電子鎖徹底消除了循環(huán)包裝箱在倉儲及物流運輸過程中的安全隱患，提高了物品存儲與運輸?shù)陌踩浴?/p>

電子墨水屏是設置在電子簽封中的另一獨立模塊，它包括驅(qū)動組件與顯示屏，用于實現(xiàn)物流信息的可視化。電子墨水屏采用NFC動態(tài)標簽模組作為可擦寫標簽，NFC動態(tài)標簽模組支持ISO14443A通信與無線供電，通過掃描電子墨水屏，NFC動態(tài)標簽模組可以獲得電能進行擦寫。電子墨水屏可直接與NFC手機等終端設備進行數(shù)據(jù)交互，并對外顯示循環(huán)包裝箱狀態(tài)信息和訂單物流信息等，提高循環(huán)包裝箱配送及監(jiān)管的效率。電子墨水屏在通電的情況下可進行信息擦寫，而在物流過程中幾乎不再需要額外電能即可保持持續(xù)的信息顯示。另外，用電子墨水屏來取代紙質(zhì)標簽，配送物品時通過對電子墨水屏中的信息進行同步擦寫，使得循環(huán)包裝箱可多次循環(huán)使用，有效減少了物流配送一次性包裝及一次性標簽的使用，達到環(huán)保節(jié)能目的，并且電子墨水屏在配送完成取件后即擦除屏上顯示信息，因此相比傳統(tǒng)紙質(zhì)標簽，能夠更好地保護用戶隱私。

2 循環(huán)包裝箱的應用管理系統(tǒng)設計

循環(huán)包裝箱應用管理系統(tǒng)包括安裝在NFC手機等終端設備上前端應用程序和部署在物流管理中心的后端服務平臺，主要用于包裝箱數(shù)據(jù)的采集、傳輸、管理及開閉鎖控制。

當需要進行配送物品時，配送物品的裝箱信息等將由物流管理中心服務平臺下載到終端設備的應用程序中；然后在循環(huán)包裝箱中裝好物品后旋轉(zhuǎn)電子簽封上的鎖止旋鈕執(zhí)行手動落鎖操作，鎖舌伸出即完成機械上鎖，再在終端應用程序中點擊“閉鎖”按鈕，同時將終端設備靠近包裝箱NFC感應區(qū)掃描，通過儲能模塊提供能量，驅(qū)動無源電子鎖閉鎖，同時將裝箱信息、訂單信息及包裝箱閉鎖狀態(tài)等信息寫入電子墨水屏。在物流配送過程中，利用電子墨水屏實現(xiàn)物流信息可視化，對外顯示訂單信息及電子鎖狀態(tài)。當配送完成、需要開箱取物時，物流管理中心服務平臺會將電子鎖開鎖密碼分發(fā)給授權(quán)用戶，授權(quán)用戶在終端應用程序中點擊“開鎖”按鈕，即可在云端獲取解鎖密碼，掃描電子簽封，通過儲能模塊提供能量，驅(qū)動無源電子鎖開鎖，再旋轉(zhuǎn)電子簽封鎖止旋鈕實現(xiàn)開箱取物，同時擦除電子墨水屏的顯示信息。

利用應用管理系統(tǒng)控制循環(huán)包裝箱閉鎖和開鎖的具體步驟如圖7和圖8所示。

圖7 循環(huán)包裝箱閉鎖步驟

圖8 循環(huán)包裝箱開鎖步驟

循環(huán)包裝箱閉鎖包括如下具體步驟：

（1）終端設備掃描包裝箱電子簽封射頻模塊，發(fā)送獲取射頻模塊標識號請求；

（2）電子簽封向終端設備返回唯一標識號；

（3）終端設備生成隨機解鎖密碼；

（4）終端設備對隨機解鎖密碼進行加密處理；

（5）終端設備向后端服務平臺發(fā)送加密后的隨機解鎖密碼存儲；

（6）后端服務平臺為該包裝箱分配一個解鎖識別號返回給終端設備；

（7）終端設備將解鎖識別號和隨機解鎖密碼發(fā)送給包裝箱電子簽封中的射頻模塊存儲；

（8）射頻模塊向無源電子鎖發(fā)送閉鎖指令，無源電子鎖根據(jù)射頻標簽的指令執(zhí)行閉鎖動作；

（9）電子簽封向終端設備返回閉鎖后的電子鎖狀態(tài)；

（10）終端設備將無源電子鎖狀態(tài)及訂單信息寫入包裝箱電子簽封中的電子墨水屏顯示。

循環(huán)包裝箱開鎖時包括如下具體步驟：

（1）終端設備掃描包裝箱電子簽封射頻模塊，發(fā)送獲取解鎖識別號請求；

（2）電子簽封向終端設備返回解鎖識別號；

（3）終端設備將解鎖識別號發(fā)送到后端服務平臺；

（4）服務平臺向終端設備返回與解鎖識別號相對應的加密隨機解鎖密碼；

（5）終端設備對接收到的加密隨機解鎖密碼進行解密；

（6）終端設備將解密后的隨機解鎖密碼發(fā)送到電子簽封；

（7）電子簽封中的射頻模塊將隨機解鎖密碼與其內(nèi)部已存儲的隨機解鎖密碼進行對比驗證；

（8）若對比結(jié)果相同則驗證成功，射頻模塊向無源電子鎖發(fā)送開鎖指令（若對比結(jié)果不同則驗證失敗，無法開鎖），無源電子鎖執(zhí)行開鎖動作；

（9）電子簽封向終端設備返回開鎖后的電子鎖狀態(tài)；

（10）終端設備擦除電子墨水屏原有顯示信息，并更新無源電子鎖狀態(tài)。

為加強循環(huán)包裝箱的安全性，在閉鎖時，終端設備是對生成的解鎖密碼進行加密后再發(fā)送至物流管理中心的后端服務平臺數(shù)據(jù)庫保存，即后臺數(shù)據(jù)庫中存儲的是經(jīng)加密后的解鎖密碼。而在開鎖時，終端設備同樣需要對從后臺數(shù)據(jù)庫獲取的加密解鎖密碼進行解密，再發(fā)送到電子簽封的射頻模塊進行驗證。因此，如果非授權(quán)用戶若獲得包裝箱解鎖識別號后向后端服務平臺發(fā)送獲取解鎖密碼的請求，他收到的將是加密后的解鎖密碼。由于其無法對加密后的解鎖密碼進行解密，將無法與射頻模塊中存儲的解鎖密碼進行匹配開鎖，從而進一步保證了授權(quán)用戶的權(quán)益，防止循環(huán)包裝箱的非法開鎖。

整個開鎖過程中隨機密碼實時傳送，保障物流流通安全，并且電子墨水屏上的可視化信息在開鎖取件后即被擦除，開箱取物全程無須配送人員干預，避免了用戶信息泄露風險，有效保護用戶隱私安全。此外，電子簽封在操作中的一切行為均會被自動記錄在應用管理系統(tǒng)中，如果電子簽封無源電子鎖狀態(tài)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動報警并予以提示。

3 循環(huán)包裝箱的主要技術(shù)指標測試

為驗證循環(huán)包裝箱的技術(shù)性能指標，搭建了相關(guān)測試環(huán)境，表1所列為循環(huán)包裝箱及其電子簽封的主要技術(shù)性能指標的測試方法與測試結(jié)果。測試結(jié)果表明本文設計的循環(huán)包裝箱達到了預期指標。

表1 循環(huán)包裝箱的技術(shù)指標測試

4 結(jié) 語

本文設計了一種帶電子簽封的可循環(huán)包裝箱及其應用管理系統(tǒng)，在循環(huán)包裝箱的電子簽封中包括有無線射頻模塊、無源電子鎖及電子墨水屏等模塊，實現(xiàn)了如下目標：

（1）循環(huán)使用，減少資源浪費，經(jīng)濟環(huán)保。包裝箱采用環(huán)保可回收材料，可循環(huán)使用，解決一次性包裝箱的資源消耗問題，降低了單次使用的經(jīng)濟成本。包裝箱內(nèi)的無線射頻電子標簽、電子墨水屏等配件也均可多次擦寫、重復使用，以電子標簽替代傳統(tǒng)一次性紙質(zhì)標簽，不再需要使用膠帶封裝，更加節(jié)能環(huán)保，而信息的讀取和重置也更簡單便捷。另外，可回收循環(huán)使用的包裝采用可堆垛設計，減少了存儲和運輸空間以及相關(guān)經(jīng)濟成本。

（2）安全、可靠性高，操作簡單快捷。采用斜扣式結(jié)構(gòu)設計的可循環(huán)使用塑料包裝箱合蓋簡單、結(jié)合牢固，有效保護了箱內(nèi)電子簽封及內(nèi)容物安全。采用電子簽封，開鎖時只需使用手機等終端設備掃描，整個過程隨機密碼實時傳送，保障信息安全，合法身份即可開鎖，操作安全可靠且簡單快捷，且每次開啟均記錄在案，出現(xiàn)問題可追溯到相關(guān)責任人，安全可靠。無源電子鎖的使用，更是消除了循環(huán)包裝箱中使用電源的安全隱患，進一步增強了安全性。

（3）用戶隱私信息的有效保護。循環(huán)使用包裝箱支持NFC通信功能，因此用戶收到物品后，可使用自己的NFC手機執(zhí)行開箱取物操作，無須配送人員干預，實現(xiàn)了用戶隱私的有效保護。另外，循環(huán)使用包裝箱采用電子墨水屏顯示訂單信息，開封取物后屏上信息即清零，無需再為隱私泄漏擔憂。

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于物流包裝箱，使傳統(tǒng)的一次性紙質(zhì)或塑料包裝箱向電子化的可循環(huán)包裝箱發(fā)展，促進了綠色物流發(fā)展，同時帶給用戶更安全便捷的使用體驗。下一步，循環(huán)包裝箱還將不斷完善功能，如實現(xiàn)庫房全面監(jiān)管、貨物跟蹤定位等，實現(xiàn)對倉儲及物流全方位、高效率的管理，使整個物流供應鏈更加透明化、數(shù)字化與智能化。