基于RFID 技术的可视化智能包装箱设计*

刘浩川，公姿懿，薛舒恒，寇 允，黎冰冰，徐淑艳

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

近年来因食品溯源管理不合格及包装破损产生的食品安全问题引起了社会各界的广泛关注，加之新冠肺炎疫情等一系列突发事件的影响，政府对冷链行业的监管趋于严格，同时冷链物流标准也逐步得到完善[1]。在此前提下，确保整个冷链物流中产品信息的可追溯性以及保护内装产品的品质显得尤为重要。

围绕产品保质保鲜和信息可溯源等问题，研究者们展开了相关研究，并取得了不错的成果。De Palo P 等[2]研究了两种不同的包装膜对小牛肉的影响；孙玉晓等[3]研究出一套能够实现散养种鸡种蛋智能收集和标记系统；王艳[4]采用Java 程序设计语言设计了肉食品溯源系统；张子平[5]进行了冷却肉的加工技术及质量控制的相关研究；王金[6]设计了基于射频识别 （Radio Frequency Identification，RFID）技术的生猪产品质量安全追溯系统；张德钱[7]等设计了一种实时调节的食品保鲜箱温度控制系统。

本文提出了一种基于RFID 技术的可视化智能包装箱设计，通过将RFID 芯片、温湿度-时间显示器和常见实用的包装组件组装起来，实现物流运输中肉类产品的信息可溯源及保质保鲜，以期为解决冷链物流和智能包装方面的问题提供一定的技术借鉴和参考。

1 智能包装箱的主要功能和性能指标

1.1 主要功能及特点

1）溯源防伪。与RFID 系统相结合，采用电子标签，使消费者能够对肉禽类、水产类产品进行溯源。通过手机扫描智能标签了解产品信息，正确使用商品，并可以了解产品出产地和是否开封等信息，防止收到假冒伪劣商品。

2）温湿度及时间显示。装有显示温湿度和时间的电子元件，可以让消费者直观地了解产品的新鲜程度，以及在运输过程中是否超过限定温湿度。当标签失效后可更换新的标签继续使用。

3）绿色环保。充分利用箱体内部空间，实现包装材料的绿色环保。可将系统与盒体分别组装，修改电子信息后可以再次使用。整体包装轻便且可重复利用，践行了可持续发展理念。

4）模块化功能。托盘下面可以根据产品输送需求放置不同的功能组件，比如放置冰袋降温，放置干燥剂控制箱内空气湿度等。

5）装配方便。托盘下方为缓冲材料和降温单元，托盘侧边设有导轨，推拉方便。

1.2 性能指标

1）箱体尺寸为500 mm×400 mm×400 mm。

2）箱体厚度为3 mm。

3）正常工作气囊为13 个。

2 智能包装箱结构简介

2.1 总体结构

包装箱总体展开示意图和总体封合示意图分别见图1 和图2。整个系统结构简便，轻巧稳固，造价低廉。内部有带导轨的底盘围挡、固定产品用的托盘和扁带，箱壁附有3 组充放式气囊，外部有封闭带1 条，稳定封闭。不使用时取出托盘和底盘，将箱子前后盖打开，放出气囊的全部气体后压扁，将前盖折叠在主体上，与托盘和底盘一起用密封带扎好。使用时反向重复以上步骤，最后在放入托盘和底盘以后再对气囊充气以便其压住底盘。

图1 包装箱总体展开示意图

图2 包装箱总体封合示意图

2.2 硬件介绍

2.2.1 RFID 芯片与温湿度-时间显示器

将RFID 芯片稍作处理后嵌在箱体表面。RFID芯片存储容量大、寿命长，在读取上不受外在形态的限制，可以重复修改标签内储存的数据，便于信息的更新[8]。同侧设有温湿度-时间显示器，能够实时显示箱内温湿度情况，便于运输人员及时调节，保证产品的新鲜程度。RFID 芯片和温湿度-时间显示器是实现本产品可视化的核心组件。

2.2.2 可复用型折叠箱体

可复用型折叠箱体为一体化构成，由中空结构和两片侧板组合在一起，在实际使用中支撑保护整个系统，使用时可以撑开组成长方形箱体，不使用时可以铺平方便储运。箱体的材料和结构支持多次铺平与撑开状态的转换，因此可以反复利用。箱体的侧壁有网格状结构方便安装气囊。

2.2.3 支撑气囊

支撑气囊为两组固定在箱体侧面的组合气囊，其作用是进行形变来吸收垂直方向以及部分水平方向的冲击，充满气后可以压住其下方围挡，固定围挡。气囊具有充气和放气的功能，保证在放气后可以同箱体一起折叠储运。气囊用胶固定在箱体的网格侧板上，损坏后可将其拆下替换新气囊。

2.2.4 内箱体卡位支撑围挡

内箱体卡位支撑围挡是一个安装有导轨的长方体三边结构，作用是安装并固定装有产品的托盘，避免产品因与箱壁过度接触而腐坏，同时限制托盘的水平位移，吸收来自水平方向一定程度的振动，利用导轨来支持装入和卸出托盘时的滑动动作。在导轨下方留有一定空间，可以放置诸如冰袋、干燥袋等辅助物品。

2.2.5 固定用滑动托盘

固定用滑动托盘是一个底部有漏孔的托盘结构，用于固定产品并且和围挡组合在一起，共同完成通过导轨系统装入和取出产品的动作，其侧边的厚度经过设计能够和围挡的侧边内凹陷组合在一起。在托盘的周围安排有很多扁带孔，可以和扁带配合固定产品但允许产品在一定范围内活动。底部的漏孔方便进行气体和温度交换。根据被包装物的不同还有不同的扁带安装方式以适应不同场合。

2.2.6 主封闭带

基于箱体的结构设计的封闭带，可以对箱体进行开关控制和固定。利用粘扣和箱体固定在一起，同时利用自粘扣形成封闭，在箱体的撑开状态可以起到锁箱的作用，在箱体折叠时可以将各组件捆在一起方便储运。因为在整个过程中不涉及箱体胶合与箱体过度折叠，所以封闭带-箱体的组合系统可以稳定重复使用。

3 智能包装箱的工作原理及产品优势

3.1 工作原理

RFID 作为主流通信射频技术，是一种通过无线射频进行非接触双向通信的识别技术[9]。将RFID电子标签贴在物品上，通过装有读写器的区域时就能被感应识别，可实现远距离识别。目前普遍的应用方式是将RFID 芯片置入商品的外包装中来感应商品，RFID 标签技术可以对产品从生产、物流到消费的整个供应链起到优化作用[10]。

RFID 标签贴在产品的外包装上，当生产商、销售商、消费者的对应关系确定后，即可通过智能标签分别对产品信息进行获取与管理。生产商可以对产品信息进行初始化设置，并实现对产品信息的输入。销售商可以通过扫描智能标签获得产品的销售信息，及时对市面流通的产品进行控制管理，及时进行库存与补货管理。消费者可以通过智能标签了解产品信息，正确使用商品，并可以了解出产地以及是否开封等信息，防止收到假冒伪劣商品。

3.2 产品优势

与现有的传统包装箱相比较，本文所设计的基于RFID 技术的可视化智能包装箱具有以下优势：将被包装物放置于托盘中，并将托盘与底座固定，闭合前后盖的同时使用封闭带封闭箱体，使得被包装物在物流运输中被牢牢固定；设置箱体外的RFID 标签，使得消费者通过手机扫描电子标签查看产品信息，从而实现产品溯源，解决产品销售的渠道安全问题；通过设置温湿度-时间显示器，显示包装内部产品状态，从而让买家能快速了解产品新鲜程度；设置冰板实现保鲜效果；箱体造价成本低廉，原材料易于回收再利用，绿色环保；通过RFID 标签实现非接触式快速读写，降低工作成本，提高工作效率。

4 结束语

综上所述，本文设计了一种基于RFID 技术的可视化智能包装箱，将RFID 芯片、温湿度-时间显示器和包装元件进行有效结合，实现对肉类、水产品的智能化包装。利用RFID 技术，在出厂时对传送带上的产品包装进行写入溯源信息操作，可以使买家用智能手机读出产品包装中的溯源信息，保证产品的新鲜品质，提升零售端的智能化水平，为将来智能包装行业能够不断完善RFID 电子标签在生活中的应用提供技术支持。