一种带电子签封的可循环物流包装箱设计

曾 倩，陈章永

（中钞实业有限公司，北京 100088）

0 引 言

随着电商时代的来临，我国快递物流业务量迅猛发展，同时也带来了快递包装物料的极大消耗，数以百亿计算的快递包装垃圾造成了环境的污染和资源的浪费。大家常见的包装材料如纸箱、塑料袋、快递运单、胶带等，这些材料虽然来源广泛，成本低廉，但是大多数人在使用后会将包装废弃物遗弃在自然界中，从而造成污染。北京、上海、广州、深圳等城市中心电商包装废弃物现已成为城市生活垃圾的主要组成部分，部分大型城市电商包装废弃物占生活垃圾的85%～90%，部分二线城市占75%以上，这造成了极大的环境污染与资源浪费。有关研究表明，目前我国包装造成的生态环境污染仅次于水污染、海洋湖泊污染和空气污染，也成为我国的第四大污染源[1-4]。这种现状与国家提倡的低碳环保、节能减排、可持续发展的政策相违背[5-6]，所以众多专家学者与物流行业人员认为，发展绿色包装及绿色物流已经成为了物流业发展的趋势和方向[7-10]。因此，物流包装箱的循环利用更符合绿色环保和循环经济理论，它有利于节约社会消耗品资源、减少环境污染、缓解环境压力，具有较高的社会价值。

目前在电商的物流中转与用户配送过程中，已有部分企业开始投入应用可多次循环的塑料包装箱以解决电商物流大量使用纸箱及过度包装的问题[11]，但这些循环使用的塑料包装箱一般存在如下问题[12-14]：一是通常采用一次性的物理签封进行包装箱封箱，无法有效防范周转途中包装箱被非授权用户开箱，安全性不高；二是包装箱内置物品记录与盘点多为手工完成，配送途中易出现偏差、错误和及时性不够等问题；三是订单信息多用纸质标签贴于包装上，也无法授权由指定用户开箱，带来用户隐私信息泄露的担忧。

针对上述现状与问题，本文设计了一种带电子签封的循环物流包装箱，它使用可降解回收的环保塑料为原材料，采用无线射频电子锁及电子墨水屏技术，可代替传统的一次性快递包装用于物流中转及用户配送中，总体技术涉及循环包装箱的结构设计、电子签封设计及与循环包装箱的应用管理系统设计。实践表明，它实现了快递物流包装箱的安全，可循环使用，商品信息的自动化识别与记录，以及用户信息的有效隐私保护。

1 循环包装箱的设计

循环包装箱采用聚碳酸酯作为箱体原料，以珍珠棉作为内衬，所有材料可以100%回收再利用。在包装箱内嵌入电子签封，通过无线射频识别技术可实现自动识别商品信息和电子化开闭锁；在箱体外则嵌入设计了电子墨水屏，通过电子墨水屏实现包装箱状态及商品订单信息的多次读/写与显示；结合包装箱应用管理系统，还能实现授权指定用户扫描开箱，保证循环包装箱在物流中转及用户配送过程中不被非法开启。因此，该包装箱可现场回收，再次循环使用，减少资源浪费，降低经济成本，同时有效提高物流配送的安全与监管效率。

1.1 包装箱整体结构设计

带电子签封的循环包装箱整体结构示意图如图1所示。

图1 循环包装箱整体结构示意图

循环包装箱包括箱体、箱盖，以及嵌设在箱盖内部的电子签封，箱盖内设有电子签封安装卡扣，用于电子签封的安装固定。其中，在箱体和箱盖上设置有对应的锁扣结构，电子签封中设置有无源电子锁。锁扣结构包括设置在箱体侧壁上的成对锁舌槽，还包括可以从电子签封的两侧伸出的锁舌。在电子签封中设置有锁止旋钮，通过旋转锁止旋钮驱动锁舌伸入或退出锁舌槽。而无源电子锁可对锁止旋钮进行锁定。当控制无源电子锁闭锁后，锁止旋钮无法旋转，锁舌无法缩回退出锁舌槽，锁舌伸出起到保障包装箱箱盖锁死不滑出，从而实现箱体和箱盖的扣合锁止；当控制无源电子锁开锁后，锁止旋钮可以自由旋转，即解除箱体和箱盖的锁止。

基于包装箱安装电子锁后必须满足抗撞击、抗跌落等指标要求，在箱体结构设计中采用了斜扣式结构设计工艺，即在箱盖内侧设置有斜扣，而在箱体上对应位置设有与其配合的斜扣槽，箱体侧边缘处设有防撞缘。该设计使循环包装箱合盖简单且结合牢固，即使在不锁死电子签封时亦能保持止退箱盖。采用斜扣式结构设计的循环包装箱在箱体与箱盖结合时没有方向性，既能满足装箱闭锁的自动化流水作业的需求，又能满足用户开箱便捷性需求。同时，它还能够减少撞击与跌落时的冲击力，在撞击摔落等情况下，不论哪个方向都可使冲击力直接导向箱体，而不通过锁舌受力来避免箱盖非正常开启，因次减少了对箱盖内电子签封的冲击力，从而更有效保护了箱盖内的电子签封和箱内物品的安全。循环包装箱还可实现堆垛码放，还能无箱盖空箱套合码放，大大节省了存储与物流运输空间。

循环包装箱在流水线上封箱操作时，只需用机械手拿起箱盖定位放置在与箱体上方，稍用力向下压箱盖即可把箱盖四周与斜扣扣紧在箱体上，结合紧密，不易脱出；然后旋转箱盖中间孔内的锁止旋钮，使电子签封的两个锁舌向外伸出插入箱体锁舌槽内；再使用终端设备给出操作指令，控制锁舌锁死，实现包装箱封箱闭锁。开启时，用手机等终端设备控制电子锁开锁，然后手动旋转锁止旋钮使两个锁舌收回，再向上方拉动箱盖，即可将箱盖与箱体分离，实现开箱取物。

循环包装箱的箱盖、箱体及箱盖箱体结合的实物图如图2～图4所示。

图2 循环包装箱箱盖

图3 循环包装箱箱体

图4 循环包装箱箱体与箱体的结合

1.2 电子签封设计

电子签封通过包装箱箱盖内的安装卡扣安装固定在箱盖内，它内部包括射频模块、天线、储能模块、无源电子锁以及电子墨水屏模块。循环包装箱电子签封及其内部各模块的连接示意图如图5、图6所示。

图5 电子签封示意图

图6 电子签封内各模块的连接示意图

射频模块可以与具有NFC通信功能的手机等终端设备进行数据交互。射频模块包括存储单元、验证单元及控制单元，其中存储单元存储有射频模块的唯一标识号，并用于存储解锁识别号和解锁密码；验证单元用于对开锁时输入的解锁密码进行验证；控制单元则用于向无源电子锁发送指令。

通过对射频模块的天线进行改进，使其与储能模块连接，从而在射频模块被扫描时，储能模块能从天线获取能量并存储，用于给无源电子锁供电。无源电子锁内又包括电机控制与驱动单元、锁具单元，其中的电机控制与驱动单元用于根据指令驱动锁具单元锁止或解锁锁扣结构。使用无源电子锁的优势在于无需给其配备额外电源，因此相对于使用电池或外挂电源供电的方式，无源电子锁彻底消除了循环包装箱在仓储及物流运输过程中的安全隐患，提高了物品存储与运输的安全性。

电子墨水屏是设置在电子签封中的另一独立模块，它包括驱动组件与显示屏，用于实现物流信息的可视化。电子墨水屏采用NFC动态标签模组作为可擦写标签，NFC动态标签模组支持ISO14443A通信与无线供电，通过扫描电子墨水屏，NFC动态标签模组可以获得电能进行擦写。电子墨水屏可直接与NFC手机等终端设备进行数据交互，并对外显示循环包装箱状态信息和订单物流信息等，提高循环包装箱配送及监管的效率。电子墨水屏在通电的情况下可进行信息擦写，而在物流过程中几乎不再需要额外电能即可保持持续的信息显示。另外，用电子墨水屏来取代纸质标签，配送物品时通过对电子墨水屏中的信息进行同步擦写，使得循环包装箱可多次循环使用，有效减少了物流配送一次性包装及一次性标签的使用，达到环保节能目的，并且电子墨水屏在配送完成取件后即擦除屏上显示信息，因此相比传统纸质标签，能够更好地保护用户隐私。

2 循环包装箱的应用管理系统设计

循环包装箱应用管理系统包括安装在NFC手机等终端设备上前端应用程序和部署在物流管理中心的后端服务平台，主要用于包装箱数据的采集、传输、管理及开闭锁控制。

当需要进行配送物品时，配送物品的装箱信息等将由物流管理中心服务平台下载到终端设备的应用程序中；然后在循环包装箱中装好物品后旋转电子签封上的锁止旋钮执行手动落锁操作，锁舌伸出即完成机械上锁，再在终端应用程序中点击“闭锁”按钮，同时将终端设备靠近包装箱NFC感应区扫描，通过储能模块提供能量，驱动无源电子锁闭锁，同时将装箱信息、订单信息及包装箱闭锁状态等信息写入电子墨水屏。在物流配送过程中，利用电子墨水屏实现物流信息可视化，对外显示订单信息及电子锁状态。当配送完成、需要开箱取物时，物流管理中心服务平台会将电子锁开锁密码分发给授权用户，授权用户在终端应用程序中点击“开锁”按钮，即可在云端获取解锁密码，扫描电子签封，通过储能模块提供能量，驱动无源电子锁开锁，再旋转电子签封锁止旋钮实现开箱取物，同时擦除电子墨水屏的显示信息。

利用应用管理系统控制循环包装箱闭锁和开锁的具体步骤如图7和图8所示。

图7 循环包装箱闭锁步骤

图8 循环包装箱开锁步骤

循环包装箱闭锁包括如下具体步骤：

（1）终端设备扫描包装箱电子签封射频模块，发送获取射频模块标识号请求；

（2）电子签封向终端设备返回唯一标识号；

（3）终端设备生成随机解锁密码；

（4）终端设备对随机解锁密码进行加密处理；

（5）终端设备向后端服务平台发送加密后的随机解锁密码存储；

（6）后端服务平台为该包装箱分配一个解锁识别号返回给终端设备；

（7）终端设备将解锁识别号和随机解锁密码发送给包装箱电子签封中的射频模块存储；

（8）射频模块向无源电子锁发送闭锁指令，无源电子锁根据射频标签的指令执行闭锁动作；

（9）电子签封向终端设备返回闭锁后的电子锁状态；

（10）终端设备将无源电子锁状态及订单信息写入包装箱电子签封中的电子墨水屏显示。

循环包装箱开锁时包括如下具体步骤：

（1）终端设备扫描包装箱电子签封射频模块，发送获取解锁识别号请求；

（2）电子签封向终端设备返回解锁识别号；

（3）终端设备将解锁识别号发送到后端服务平台；

（4）服务平台向终端设备返回与解锁识别号相对应的加密随机解锁密码；

（5）终端设备对接收到的加密随机解锁密码进行解密；

（6）终端设备将解密后的随机解锁密码发送到电子签封；

（7）电子签封中的射频模块将随机解锁密码与其内部已存储的随机解锁密码进行对比验证；

（8）若对比结果相同则验证成功，射频模块向无源电子锁发送开锁指令（若对比结果不同则验证失败，无法开锁），无源电子锁执行开锁动作；

（9）电子签封向终端设备返回开锁后的电子锁状态；

（10）终端设备擦除电子墨水屏原有显示信息，并更新无源电子锁状态。

为加强循环包装箱的安全性，在闭锁时，终端设备是对生成的解锁密码进行加密后再发送至物流管理中心的后端服务平台数据库保存，即后台数据库中存储的是经加密后的解锁密码。而在开锁时，终端设备同样需要对从后台数据库获取的加密解锁密码进行解密，再发送到电子签封的射频模块进行验证。因此，如果非授权用户若获得包装箱解锁识别号后向后端服务平台发送获取解锁密码的请求，他收到的将是加密后的解锁密码。由于其无法对加密后的解锁密码进行解密，将无法与射频模块中存储的解锁密码进行匹配开锁，从而进一步保证了授权用户的权益，防止循环包装箱的非法开锁。

整个开锁过程中随机密码实时传送，保障物流流通安全，并且电子墨水屏上的可视化信息在开锁取件后即被擦除，开箱取物全程无须配送人员干预，避免了用户信息泄露风险，有效保护用户隐私安全。此外，电子签封在操作中的一切行为均会被自动记录在应用管理系统中，如果电子签封无源电子锁状态出现异常，系统自动报警并予以提示。

3 循环包装箱的主要技术指标测试

为验证循环包装箱的技术性能指标，搭建了相关测试环境，表1所列为循环包装箱及其电子签封的主要技术性能指标的测试方法与测试结果。测试结果表明本文设计的循环包装箱达到了预期指标。

表1 循环包装箱的技术指标测试

4 结 语

本文设计了一种带电子签封的可循环包装箱及其应用管理系统，在循环包装箱的电子签封中包括有无线射频模块、无源电子锁及电子墨水屏等模块，实现了如下目标：

（1）循环使用，减少资源浪费，经济环保。包装箱采用环保可回收材料，可循环使用，解决一次性包装箱的资源消耗问题，降低了单次使用的经济成本。包装箱内的无线射频电子标签、电子墨水屏等配件也均可多次擦写、重复使用，以电子标签替代传统一次性纸质标签，不再需要使用胶带封装，更加节能环保，而信息的读取和重置也更简单便捷。另外，可回收循环使用的包装采用可堆垛设计，减少了存储和运输空间以及相关经济成本。

（2）安全、可靠性高，操作简单快捷。采用斜扣式结构设计的可循环使用塑料包装箱合盖简单、结合牢固，有效保护了箱内电子签封及内容物安全。采用电子签封，开锁时只需使用手机等终端设备扫描，整个过程随机密码实时传送，保障信息安全，合法身份即可开锁，操作安全可靠且简单快捷，且每次开启均记录在案，出现问题可追溯到相关责任人，安全可靠。无源电子锁的使用，更是消除了循环包装箱中使用电源的安全隐患，进一步增强了安全性。

（3）用户隐私信息的有效保护。循环使用包装箱支持NFC通信功能，因此用户收到物品后，可使用自己的NFC手机执行开箱取物操作，无须配送人员干预，实现了用户隐私的有效保护。另外，循环使用包装箱采用电子墨水屏显示订单信息，开封取物后屏上信息即清零，无需再为隐私泄漏担忧。

将物联网技术应用于物流包装箱，使传统的一次性纸质或塑料包装箱向电子化的可循环包装箱发展，促进了绿色物流发展，同时带给用户更安全便捷的使用体验。下一步，循环包装箱还将不断完善功能，如实现库房全面监管、货物跟踪定位等，实现对仓储及物流全方位、高效率的管理，使整个物流供应链更加透明化、数字化与智能化。