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

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。

图4 纸快递包装盒的使用流程

3 结束语

本文结合当前快递行业的常见问题设计了基于电子标签技术的可循环追踪防盗纸快递包装盒，着力于解决当前快递行业面临的环保、 保密问题。 随着电子及半导体行业的飞速发展， 芯片价格大幅降低，使得本文设计的快递盒成为可能。 并且，随着消费者素质和快递行业从业者素质的提高， 该设计也能为快递行业带来一定的便利。

当然，由于采用芯片增加了生产成本，还有增加的后期处理环节等方面均限制了基于电子标签技术的快递盒的推广使用。相信随着技术的进一步发展，芯片价格会进一步下降， 当便利性和经济效益足以弥补增加的成本时， 具有各种特殊功能的基于电子标签技术的快递包装盒一定会得到更多应用。