物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在防控電子封條設(shè)計中的應(yīng)用

韓笑，孔文樂

（1.廣東理工學(xué)院；2.廣東理工學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，廣東 肇慶 526100）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步催生了各類新型智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，為提升生產(chǎn)、物流、供應(yīng)鏈等環(huán)節(jié)的信息化和智能化管理提供了有力支撐。防控電子封條作為一種新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，通過融合多種核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)對物品的精確定位跟蹤和環(huán)境監(jiān)測，大幅提高了過程控制和管理的精細(xì)化水平。研究防控電子封條的應(yīng)用和發(fā)展，對推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際場景中的應(yīng)用落地具有重要意義。本文首先介紹防控電子封條的相關(guān)技術(shù)構(gòu)成，然后分析典型的應(yīng)用實(shí)例，最后從現(xiàn)狀和趨勢兩個維度探討該技術(shù)的發(fā)展，以期為行業(yè)提供可參考的知識框架和洞見。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在防控電子封條設(shè)計中的應(yīng)用

1.1 RFID 技術(shù)（如圖1）

圖1 RFID 技術(shù)

RFID（射頻識別）技術(shù)在防控電子封條中起著重要作用。它通過無線電波實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動識別與跟蹤，提供遠(yuǎn)程識別和防偽溯源能力。在系統(tǒng)設(shè)計中，選擇的RFID頻段影響標(biāo)簽的識讀距離。LF 頻段（125 ～134kHz）識讀距離短，抗金屬干擾能力強(qiáng)；HF 頻段（13.56MHz）閱讀距離可達(dá)1m 左右，抗金屬干擾能力強(qiáng)，成本低；UHF頻段（860 ～960MHz）的識讀距離可達(dá)10m 以上，但抗金屬干擾能力較差。根據(jù)需求選擇合適的頻段，如物流監(jiān)控用UHF 標(biāo)簽，對抗金屬干擾需LF/HF 標(biāo)簽。天線形狀、尺寸和布置影響讀取距離和可靠性，與封條材料相容性也需考慮。RFID 標(biāo)簽需要安全可靠的芯片，支持密碼驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密等防偽機(jī)制，提高系統(tǒng)安全性。通過合理選型與匹配設(shè)計，系統(tǒng)能滿足不同需求，具有抗干擾、長距離識讀和安全防偽能力。

1.2 傳感器技術(shù)

防控電子封條集成多種傳感器，實(shí)時監(jiān)測運(yùn)輸與存儲環(huán)境，提供歷史數(shù)據(jù)。常見傳感器有溫濕度、震動、光照和氣體傳感器。溫濕度傳感器監(jiān)測重要，如食品運(yùn)輸。TTL 接口溫濕度傳感器適合封條集成，體積小、成本低。集成震動傳感器采用微機(jī)電技術(shù)，檢測震動沖擊，尺寸小，可直接封條內(nèi)。光照傳感器監(jiān)測存放環(huán)境亮度。氣體傳感器用于監(jiān)測特殊物品運(yùn)輸，如電池中的氫氣。傳感器通過數(shù)字或模擬接口與封條電子標(biāo)簽連接，實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)。接口設(shè)計需考慮抗干擾性、易用性，數(shù)字接口如I2C、SPI 適合封條設(shè)計，成本低且易擴(kuò)展。各類傳感器技術(shù)使防控電子封條能持續(xù)監(jiān)測環(huán)境，實(shí)現(xiàn)過程控制，提供重要環(huán)境參數(shù)信息。

1.3 數(shù)字通信技術(shù)

防控電子封條需采用數(shù)字無線通信技術(shù)進(jìn)行標(biāo)簽數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。在選擇通信技術(shù)時，要考慮傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和功耗等因素，以滿足應(yīng)用需求。NB-IoT 是一種低功耗LPWAN 技術(shù)，其最大特點(diǎn)是低功耗，可達(dá)20uA 的待機(jī)電流，適用于防控電子封條的低功耗要求。此外，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)部署簡單，覆蓋范圍廣，基站成本低，已得到運(yùn)營商支持?；谶@些特點(diǎn)，NB-IoT 非常適用于電池供電和大規(guī)模連接的防控電子封條應(yīng)用。LoRa 也是一種具備長距離和低功耗特點(diǎn)的LPWAN 技術(shù)，但網(wǎng)絡(luò)部署復(fù)雜，需大量網(wǎng)關(guān)支持覆蓋，成本較高，不如NB-IoT適合商用。短距離無線技術(shù)ZigBee 具有超低功耗、網(wǎng)絡(luò)靈活、成本低等優(yōu)勢，但傳輸距離有限。綜合考慮傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、成本等因素，NB-IoT 是防控電子封條數(shù)字無線通信的最佳選擇，具有長距離低功耗傳輸能力，廣泛網(wǎng)絡(luò)覆蓋，中等成本，標(biāo)準(zhǔn)化模塊，能為防控電子封條提供穩(wěn)定可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸支持。

1.4 云計算技術(shù)

云計算技術(shù)在防控電子封條解決方案中起著極為重要的作用，主要提供強(qiáng)大的后臺數(shù)據(jù)存儲、處理和分析功能。云平臺架構(gòu)采用虛擬化技術(shù)，利用多臺服務(wù)器集群組建云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)高性能、高可用。平臺具有橫向可擴(kuò)展的優(yōu)勢，可以隨時擴(kuò)充服務(wù)器提升處理能力，應(yīng)對海量數(shù)據(jù)的存儲和計算需求。云平臺提供了標(biāo)準(zhǔn)化的Web API 接口，用于標(biāo)簽數(shù)據(jù)的采集。標(biāo)簽數(shù)據(jù)包括RFID 信息、GPS 定位、溫濕度、震動等多種傳感器參數(shù)，可以通過數(shù)字通信模塊以較高頻率定時推送到云服務(wù)器。接口采用RESTful 架構(gòu)，基于HTTPS 通信，確保接口數(shù)據(jù)安全性。在存儲大規(guī)模標(biāo)簽數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，云平臺可以利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)開發(fā)數(shù)據(jù)應(yīng)用。比如，通過挖掘標(biāo)簽定位記錄，可以精確繪制物流路徑軌跡，進(jìn)行運(yùn)輸監(jiān)控；通過統(tǒng)計分析環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，溫濕度異常情況，及時預(yù)警。大數(shù)據(jù)分析為防控電子封條的應(yīng)用提供了有力支撐。此外，云平臺也采用了權(quán)限控制、數(shù)據(jù)隔離、加密等手段確保數(shù)據(jù)安全性。用戶只能訪問自己的數(shù)據(jù)，對服務(wù)器數(shù)據(jù)訪問實(shí)行細(xì)粒度權(quán)限控制并隔離，防止非法訪問。標(biāo)簽與云平臺之間的通信使用SSL/TLS 等加密機(jī)制，防止數(shù)據(jù)泄露。為了防止數(shù)據(jù)丟失，云平臺還需要關(guān)注數(shù)據(jù)備份與災(zāi)備措施，設(shè)置多地數(shù)據(jù)副本，制定災(zāi)備預(yù)案與演練。綜上所述，云計算技術(shù)為防控電子封條提供可靠、安全、可擴(kuò)展的后臺支撐，大數(shù)據(jù)分析也開啟了應(yīng)用創(chuàng)新空間，是電子封條解決方案中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

2 設(shè)計案例分析

2.1 某快遞企業(yè)的防控電子封條設(shè)計

某快遞企業(yè)采用防控電子封條進(jìn)行快件監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)精確定位跟蹤和環(huán)境監(jiān)測。該方案中，電子封條采用全球通用的UHF RFID 標(biāo)簽，并內(nèi)置NB-IoT 通信模塊、溫濕度及震動傳感器，其公式為：

標(biāo)簽數(shù)據(jù)通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺。云平臺實(shí)現(xiàn)海量標(biāo)簽數(shù)據(jù)的處理和溯源分析。使用860 ～960MHz 頻段的UHF RFID 標(biāo)簽，配置Impinj Monza4芯片，最大讀取距離可達(dá)10m，滿足快件跟蹤需要。標(biāo)簽采用樹脂材質(zhì)包裹，屏蔽金屬干擾。標(biāo)簽數(shù)據(jù)包含唯一標(biāo)識碼。集成Sensirion 公司的SHT30 數(shù)字溫濕度傳感器，測量范圍為-40 ～125℃，誤差±0.3℃；集成STM LIS2DW12 MEMS 數(shù)字震動傳感器，3 軸檢測，±2g/±4g/±8g 量程。采用中國移動的NB-IoT 通信模塊，性價比高，覆蓋范圍廣，單片機(jī)通過UART 接口控制NB 模塊工作，其公式為：

自主研發(fā)物聯(lián)網(wǎng)云平臺，提供HTTP RESTful 接口用于NB-IoT 標(biāo)簽數(shù)據(jù)接收，并進(jìn)行存儲、可視化顯示。利用大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行快件軌跡分析。該防控電子封條解決方案實(shí)現(xiàn)了對快件全程的精確定位跟蹤，parseError率≤0.5%?？梢詫?shí)時監(jiān)測快件在運(yùn)輸過程中的溫濕度變化，有效防范快件損壞。大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化了配送路線，提高了快件派送效率15%。

2.2 某醫(yī)藥企業(yè)的防偽溯源電子封條設(shè)計

某醫(yī)藥企業(yè)在藥品包裝上應(yīng)用防偽溯源電子封條，通過RFID 標(biāo)簽、傳感器模塊采集數(shù)據(jù)，使用NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時上傳到企業(yè)自主開發(fā)的區(qū)塊鏈云平臺，實(shí)現(xiàn)藥品從出廠到銷售的整個供應(yīng)鏈可追溯，提高防偽溯源能力。該技術(shù)方案采用了13.56MHz HF 頻段RFID 標(biāo)簽，配置NXP UCODE 7 系列芯片，讀取距離可達(dá)10cm，具備防碰撞優(yōu)勢，可以應(yīng)對高密度標(biāo)簽的識讀。標(biāo)簽與包裝全面貼合，防止被非法剝離。同時，集成了光敏傳感器，可以監(jiān)測包裝是否被非法開啟，并實(shí)時上報光照變化情況，實(shí)現(xiàn)對非法打開的監(jiān)測。為確保標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸，選用NB-IoT 通信模塊，其低功耗設(shè)計實(shí)現(xiàn)了10 年以上超長電池壽命，覆蓋廣泛，滿足標(biāo)簽全程工作需要。在后臺方面，企業(yè)自主研發(fā)區(qū)塊鏈云平臺，采用去中心化賬本，確保標(biāo)簽數(shù)據(jù)透明不可篡改，實(shí)現(xiàn)端到端的溯源與防偽。該平臺同時也具備存儲、處理海量標(biāo)簽數(shù)據(jù)的高性能計算能力。平臺還向消費(fèi)者提供了網(wǎng)頁和App 的查詢接口，可以掃碼查看藥品詳細(xì)的生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售信息，溯源解析度達(dá)100%。通過防偽標(biāo)簽、實(shí)時監(jiān)控和區(qū)塊鏈溯源技術(shù)的結(jié)合，該方案可以有效防止藥品包裝被非法開啟，并實(shí)現(xiàn)全供應(yīng)鏈的可追溯，大幅提升防偽性。

3 存在的問題和發(fā)展趨勢

3.1 存在的問題

當(dāng)前，防控電子封條的制造成本還比較高，這主要是由于封條中所集成的射頻識別技術(shù)、各類傳感器技術(shù)以及數(shù)字無線通信技術(shù)等核心器件的成本較高所導(dǎo)致。其中尤以一些性能指標(biāo)較高的技術(shù)模塊和先進(jìn)的傳感器，由于制造工藝復(fù)雜，單價居高不下。這導(dǎo)致整個防控電子封條系統(tǒng)的成本居高，阻礙了該技術(shù)在各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的廣泛推廣。要實(shí)現(xiàn)防控電子封條的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，降低其成本是關(guān)鍵所在。目前，防控電子封條在技術(shù)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)上，主要依賴射頻識別、傳感器采集以及無線數(shù)字通信等幾種核心技術(shù)的集成應(yīng)用。但這些不同技術(shù)之間存在相對孤立，整體融合不夠深入。系統(tǒng)并沒有進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，無法實(shí)現(xiàn)技術(shù)單元間的深度協(xié)同。如果能在系統(tǒng)層面進(jìn)行跨技術(shù)的融合創(chuàng)新，以及與封條應(yīng)用場景的深度匹配，可以進(jìn)一步提升技術(shù)的綜合性能和性價比。目前，防控電子封條技術(shù)融合仍有很大的提升空間。目前，業(yè)內(nèi)在防控電子封條技術(shù)的各類接口標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)格式規(guī)范、信息系統(tǒng)對接協(xié)議等方面還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。不同廠家的產(chǎn)品和解決方案存在差異，使得終端用戶在選擇和應(yīng)用時缺乏標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，帶來一定的選擇困擾。這也不利于防控電子封條產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展。因此，亟需業(yè)內(nèi)主要企業(yè)和行業(yè)組織共同推動標(biāo)準(zhǔn)的制定，形成技術(shù)規(guī)范體系，以利行業(yè)技術(shù)的統(tǒng)一。

3.2 發(fā)展趨勢

隨著射頻識別、傳感器、無線通信等物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與進(jìn)步，關(guān)鍵器件的技術(shù)水平不斷提高，產(chǎn)能規(guī)模效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，器件的單價也在快速下降。因此，防控電子封條的成本還具有較大的下降空間，未來隨著核心技術(shù)的成熟，其成本優(yōu)勢將更加明顯，商業(yè)競爭力也會大幅提升。通過對封條系統(tǒng)的深度優(yōu)化，使封條中集成的射頻識別芯片、各類傳感器、微處理器和數(shù)字通信模組等能夠?qū)崿F(xiàn)深度匹配與融合創(chuàng)新，將是防控電子封條技術(shù)發(fā)展的必然方向。深入挖掘不同技術(shù)間的協(xié)同效應(yīng)，可以顯著提高系統(tǒng)的性能和增值性。隨著防控電子封條技術(shù)的應(yīng)用不斷拓展，相關(guān)行業(yè)企業(yè)和組織機(jī)構(gòu)將積極推動行業(yè)規(guī)范的制定。通過行業(yè)共識和技術(shù)積累，未來可能會形成統(tǒng)一的防控電子封條技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，推動產(chǎn)業(yè)更快發(fā)展。

4 結(jié)語

防控電子封條技術(shù)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的新型智能化標(biāo)簽技術(shù)，其應(yīng)用為提高物流、供應(yīng)鏈等領(lǐng)域的過程式監(jiān)控提供了重要支撐。當(dāng)前，該技術(shù)主要通過RFID、各類傳感器、數(shù)字無線通信和云計算技術(shù)的有機(jī)融合實(shí)現(xiàn)。其應(yīng)用案例表明，防控電子封條能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時精確定位跟蹤和環(huán)境監(jiān)測，大幅提高防偽溯源和過程監(jiān)控的效率。但是，該技術(shù)也存在成本較高、技術(shù)融合不足以及標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題亟待解決。展望未來，隨著核心器件技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)出現(xiàn)，防控電子封條成本將大幅下降；通過深度的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，不同技術(shù)之間將實(shí)現(xiàn)更好的融合創(chuàng)新；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立也將有助于應(yīng)用推廣。