一種帶電子簽封的可循環(huán)物流包裝箱設(shè)計(jì)

曾 倩，陳章永

（中鈔實(shí)業(yè)有限公司，北京 100088）

0 引 言

隨著電商時(shí)代的來臨，我國快遞物流業(yè)務(wù)量迅猛發(fā)展，同時(shí)也帶來了快遞包裝物料的極大消耗，數(shù)以百億計(jì)算的快遞包裝垃圾造成了環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)。大家常見的包裝材料如紙箱、塑料袋、快遞運(yùn)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(huì)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(fèi)。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(xué)者與物流行業(yè)人員認(rèn)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(shì)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(jì)理論，它有利于節(jié)約社會(huì)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(huì)價(jià)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(yīng)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(jìn)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(diǎn)多為手工完成，配送途中易出現(xiàn)偏差、錯(cuò)誤和及時(shí)性不夠等問題；三是訂單信息多用紙質(zhì)標(biāo)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(dān)憂。

針對(duì)上述現(xiàn)狀與問題，本文設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、電子簽封設(shè)計(jì)及與循環(huán)包裝箱的應(yīng)用管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，它實(shí)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(dòng)化識(shí)別與記錄，以及用戶信息的有效隱私保護(hù)。

1 循環(huán)包裝箱的設(shè)計(jì)

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(shí)別技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別商品信息和電子化開閉鎖；在箱體外則嵌入設(shè)計(jì)了電子墨水屏，通過電子墨水屏實(shí)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(yīng)用管理系統(tǒng)，還能實(shí)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(chǎng)回收，再次循環(huán)使用，減少資源浪費(fèi)，降低經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)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(shè)計(jì)

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(shè)在箱蓋內(nèi)部的電子簽封，箱蓋內(nèi)設(shè)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(shè)置有對(duì)應(yīng)的鎖扣結(jié)構(gòu)，電子簽封中設(shè)置有無源電子鎖。鎖扣結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在箱體側(cè)壁上的成對(duì)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(shè)置有鎖止旋鈕，通過旋轉(zhuǎn)鎖止旋鈕驅(qū)動(dòng)鎖舌伸入或退出鎖舌槽。而無源電子鎖可對(duì)鎖止旋鈕進(jìn)行鎖定。當(dāng)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(shí)現(xiàn)箱體和箱蓋的扣合鎖止；當(dāng)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(biāo)要求，在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了斜扣式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝，即在箱蓋內(nèi)側(cè)設(shè)置有斜扣，而在箱體上對(duì)應(yīng)位置設(shè)有與其配合的斜扣槽，箱體側(cè)邊緣處設(shè)有防撞緣。該設(shè)計(jì)使循環(huán)包裝箱合蓋簡(jiǎn)單且結(jié)合牢固，即使在不鎖死電子簽封時(shí)亦能保持止退箱蓋。采用斜扣式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的循環(huán)包裝箱在箱體與箱蓋結(jié)合時(shí)沒有方向性，既能滿足裝箱閉鎖的自動(dòng)化流水作業(yè)的需求，又能滿足用戶開箱便捷性需求。同時(shí)，它還能夠減少撞擊與跌落時(shí)的沖擊力，在撞擊摔落等情況下，不論哪個(gè)方向都可使沖擊力直接導(dǎo)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(duì)箱蓋內(nèi)電子簽封的沖擊力，從而更有效保護(hù)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(shí)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(chǔ)與物流運(yùn)輸空間。

循環(huán)包裝箱在流水線上封箱操作時(shí)，只需用機(jī)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(gè)鎖舌向外伸出插入箱體鎖舌槽內(nèi)；再使用終端設(shè)備給出操作指令，控制鎖舌鎖死，實(shí)現(xiàn)包裝箱封箱閉鎖。開啟時(shí)，用手機(jī)等終端設(shè)備控制電子鎖開鎖，然后手動(dòng)旋轉(zhuǎn)鎖止旋鈕使兩個(gè)鎖舌收回，再向上方拉動(dòng)箱蓋，即可將箱蓋與箱體分離，實(shí)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(shí)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(shè)計(jì)

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(chǔ)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(jī)等終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。射頻模塊包括存儲(chǔ)單元、驗(yàn)證單元及控制單元，其中存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)有射頻模塊的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)，并用于存儲(chǔ)解鎖識(shí)別號(hào)和解鎖密碼；驗(yàn)證單元用于對(duì)開鎖時(shí)輸入的解鎖密碼進(jìn)行驗(yàn)證；控制單元?jiǎng)t用于向無源電子鎖發(fā)送指令。

通過對(duì)射頻模塊的天線進(jìn)行改進(jìn)，使其與儲(chǔ)能模塊連接，從而在射頻模塊被掃描時(shí)，儲(chǔ)能模塊能從天線獲取能量并存儲(chǔ)，用于給無源電子鎖供電。無源電子鎖內(nèi)又包括電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)單元、鎖具單元，其中的電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)單元用于根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)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(shì)在于無需給其配備額外電源，因此相對(duì)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(chǔ)及物流運(yùn)輸過程中的安全隱患，提高了物品存儲(chǔ)與運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

電子墨水屏是設(shè)置在電子簽封中的另一獨(dú)立模塊，它包括驅(qū)動(dòng)組件與顯示屏，用于實(shí)現(xiàn)物流信息的可視化。電子墨水屏采用NFC動(dòng)態(tài)標(biāo)簽?zāi)＝M作為可擦寫標(biāo)簽，NFC動(dòng)態(tài)標(biāo)簽?zāi)＝M支持ISO14443A通信與無線供電，通過掃描電子墨水屏，NFC動(dòng)態(tài)標(biāo)簽?zāi)＝M可以獲得電能進(jìn)行擦寫。電子墨水屏可直接與NFC手機(jī)等終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并對(duì)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(jìn)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(biāo)簽，配送物品時(shí)通過對(duì)電子墨水屏中的信息進(jìn)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(biāo)簽的使用，達(dá)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(biāo)簽，能夠更好地保護(hù)用戶隱私。

2 循環(huán)包裝箱的應(yīng)用管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

循環(huán)包裝箱應(yīng)用管理系統(tǒng)包括安裝在NFC手機(jī)等終端設(shè)備上前端應(yīng)用程序和部署在物流管理中心的后端服務(wù)平臺(tái)，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(dāng)需要進(jìn)行配送物品時(shí)，配送物品的裝箱信息等將由物流管理中心服務(wù)平臺(tái)下載到終端設(shè)備的應(yīng)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(dòng)落鎖操作，鎖舌伸出即完成機(jī)械上鎖，再在終端應(yīng)用程序中點(diǎn)擊“閉鎖”按鈕，同時(shí)將終端設(shè)備靠近包裝箱NFC感應(yīng)區(qū)掃描，通過儲(chǔ)能模塊提供能量，驅(qū)動(dòng)無源電子鎖閉鎖，同時(shí)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(shí)現(xiàn)物流信息可視化，對(duì)外顯示訂單信息及電子鎖狀態(tài)。當(dāng)配送完成、需要開箱取物時(shí)，物流管理中心服務(wù)平臺(tái)會(huì)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(yīng)用程序中點(diǎn)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(chǔ)能模塊提供能量，驅(qū)動(dòng)無源電子鎖開鎖，再旋轉(zhuǎn)電子簽封鎖止旋鈕實(shí)現(xiàn)開箱取物，同時(shí)擦除電子墨水屏的顯示信息。

利用應(yīng)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(shè)備掃描包裝箱電子簽封射頻模塊，發(fā)送獲取射頻模塊標(biāo)識(shí)號(hào)請(qǐng)求；

（2）電子簽封向終端設(shè)備返回唯一標(biāo)識(shí)號(hào)；

（3）終端設(shè)備生成隨機(jī)解鎖密碼；

（4）終端設(shè)備對(duì)隨機(jī)解鎖密碼進(jìn)行加密處理；

（5）終端設(shè)備向后端服務(wù)平臺(tái)發(fā)送加密后的隨機(jī)解鎖密碼存儲(chǔ)；

（6）后端服務(wù)平臺(tái)為該包裝箱分配一個(gè)解鎖識(shí)別號(hào)返回給終端設(shè)備；

（7）終端設(shè)備將解鎖識(shí)別號(hào)和隨機(jī)解鎖密碼發(fā)送給包裝箱電子簽封中的射頻模塊存儲(chǔ)；

（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(biāo)簽的指令執(zhí)行閉鎖動(dòng)作；

（9）電子簽封向終端設(shè)備返回閉鎖后的電子鎖狀態(tài)；

（10）終端設(shè)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(shí)包括如下具體步驟：

（1）終端設(shè)備掃描包裝箱電子簽封射頻模塊，發(fā)送獲取解鎖識(shí)別號(hào)請(qǐng)求；

（2）電子簽封向終端設(shè)備返回解鎖識(shí)別號(hào)；

（3）終端設(shè)備將解鎖識(shí)別號(hào)發(fā)送到后端服務(wù)平臺(tái)；

（4）服務(wù)平臺(tái)向終端設(shè)備返回與解鎖識(shí)別號(hào)相對(duì)應(yīng)的加密隨機(jī)解鎖密碼；

（5）終端設(shè)備對(duì)接收到的加密隨機(jī)解鎖密碼進(jìn)行解密；

（6）終端設(shè)備將解密后的隨機(jī)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(jī)解鎖密碼與其內(nèi)部已存儲(chǔ)的隨機(jī)解鎖密碼進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；

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

（9）電子簽封向終端設(shè)備返回開鎖后的電子鎖狀態(tài)；

（10）終端設(shè)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(qiáng)循環(huán)包裝箱的安全性，在閉鎖時(shí)，終端設(shè)備是對(duì)生成的解鎖密碼進(jìn)行加密后再發(fā)送至物流管理中心的后端服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫保存，即后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的是經(jīng)加密后的解鎖密碼。而在開鎖時(shí)，終端設(shè)備同樣需要對(duì)從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫獲取的加密解鎖密碼進(jìn)行解密，再發(fā)送到電子簽封的射頻模塊進(jìn)行驗(yàn)證。因此，如果非授權(quán)用戶若獲得包裝箱解鎖識(shí)別號(hào)后向后端服務(wù)平臺(tái)發(fā)送獲取解鎖密碼的請(qǐng)求，他收到的將是加密后的解鎖密碼。由于其無法對(duì)加密后的解鎖密碼進(jìn)行解密，將無法與射頻模塊中存儲(chǔ)的解鎖密碼進(jìn)行匹配開鎖，從而進(jìn)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(gè)開鎖過程中隨機(jī)密碼實(shí)時(shí)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(yù)，避免了用戶信息泄露風(fēng)險(xiǎn)，有效保護(hù)用戶隱私安全。此外，電子簽封在操作中的一切行為均會(huì)被自動(dòng)記錄在應(yīng)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(dòng)報(bào)警并予以提示。

3 循環(huán)包裝箱的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試

為驗(yàn)證循環(huán)包裝箱的技術(shù)性能指標(biāo)，搭建了相關(guān)測(cè)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(biāo)的測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的循環(huán)包裝箱達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。

表1 循環(huán)包裝箱的技術(shù)指標(biāo)測(cè)試

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種帶電子簽封的可循環(huán)包裝箱及其應(yīng)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(shí)現(xiàn)了如下目標(biāo)：

（1）循環(huán)使用，減少資源浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)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(jì)成本。包裝箱內(nèi)的無線射頻電子標(biāo)簽、電子墨水屏等配件也均可多次擦寫、重復(fù)使用，以電子標(biāo)簽替代傳統(tǒng)一次性紙質(zhì)標(biāo)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(jiǎn)單便捷。另外，可回收循環(huán)使用的包裝采用可堆垛設(shè)計(jì)，減少了存儲(chǔ)和運(yùn)輸空間以及相關(guān)經(jīng)濟(jì)成本。

（2）安全、可靠性高，操作簡(jiǎn)單快捷。采用斜扣式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可循環(huán)使用塑料包裝箱合蓋簡(jiǎn)單、結(jié)合牢固，有效保護(hù)了箱內(nèi)電子簽封及內(nèi)容物安全。采用電子簽封，開鎖時(shí)只需使用手機(jī)等終端設(shè)備掃描，整個(gè)過程隨機(jī)密碼實(shí)時(shí)傳送，保障信息安全，合法身份即可開鎖，操作安全可靠且簡(jiǎn)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(zé)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(jìn)一步增強(qiáng)了安全性。

（3）用戶隱私信息的有效保護(hù)。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(jī)執(zhí)行開箱取物操作，無須配送人員干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了用戶隱私的有效保護(hù)。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(dān)憂。

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)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(jìn)了綠色物流發(fā)展，同時(shí)帶給用戶更安全便捷的使用體驗(yàn)。下一步，循環(huán)包裝箱還將不斷完善功能，如實(shí)現(xiàn)庫房全面監(jiān)管、貨物跟蹤定位等，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉儲(chǔ)及物流全方位、高效率的管理，使整個(gè)物流供應(yīng)鏈更加透明化、數(shù)字化與智能化。