曾 倩,陳章永
(中鈔實(shí)業(yè)有限公司,北京 100088)
隨著電商時(shí)代的來(lái)臨,我國(guó)快遞物流業(yè)務(wù)量迅猛發(fā)展,同時(shí)也帶來(lái)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(jiàn)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(lái)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(guó)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(guó)的第四大污染源[1-4]。這種現(xiàn)狀與國(guó)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(zhuān)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(guò)程中,已有部分企業(yè)開(kāi)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(guò)度包裝的問(wèn)題[11],但這些循環(huán)使用的塑料包裝箱一般存在如下問(wèn)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(wú)法有效防范周轉(zhuǎn)途中包裝箱被非授權(quán)用戶開(kāi)箱,安全性不高;二是包裝箱內(nèi)置物品記錄與盤(pán)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(wèn)題;三是訂單信息多用紙質(zhì)標(biāo)簽貼于包裝上,也無(wú)法授權(quán)由指定用戶開(kāi)箱,帶來(lái)用戶隱私信息泄露的擔(dān)憂。
針對(duì)上述現(xiàn)狀與問(wèn)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(wú)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)。
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(guò)無(wú)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(kāi)閉鎖;在箱體外則嵌入設(shè)計(jì)了電子墨水屏,通過(guò)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(xiě)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(kāi)箱,保證循環(huán)包裝箱在物流中轉(zhuǎn)及用戶配送過(guò)程中不被非法開(kāi)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。
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(wú)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(guò)旋轉(zhuǎn)鎖止旋鈕驅(qū)動(dòng)鎖舌伸入或退出鎖舌槽。而無(wú)源電子鎖可對(duì)鎖止旋鈕進(jìn)行鎖定。當(dāng)控制無(wú)源電子鎖閉鎖后,鎖止旋鈕無(wú)法旋轉(zhuǎn),鎖舌無(wú)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(wú)源電子鎖開(kāi)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(méi)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(kāi)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(guò)鎖舌受力來(lái)避免箱蓋非正常開(kāi)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(wú)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(kāi)啟時(shí),用手機(jī)等終端設(shè)備控制電子鎖開(kāi)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(kāi)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
電子簽封通過(guò)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(wú)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(kāi)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(wú)源電子鎖發(fā)送指令。
通過(guò)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(wú)源電子鎖供電。無(wú)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(wú)源電子鎖的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)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(wú)源電子鎖徹底消除了循環(huán)包裝箱在倉(cāng)儲(chǔ)及物流運(yùn)輸過(guò)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(xiě)標(biāo)簽,NFC動(dòng)態(tài)標(biāo)簽?zāi)=M支持ISO14443A通信與無(wú)線供電,通過(guò)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(xiě)。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(xiě),而在物流過(guò)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(lái)取代紙質(zhì)標(biāo)簽,配送物品時(shí)通過(guò)對(duì)電子墨水屏中的信息進(jìn)行同步擦寫(xiě),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。
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(kāi)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N(xiāo)FC感應(yīng)區(qū)掃描,通過(guò)儲(chǔ)能模塊提供能量,驅(qū)動(dòng)無(wú)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(xiě)入電子墨水屏。在物流配送過(guò)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(kāi)箱取物時(shí),物流管理中心服務(wù)平臺(tái)會(huì)將電子鎖開(kāi)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(kāi)鎖”按鈕,即可在云端獲取解鎖密碼,掃描電子簽封,通過(guò)儲(chǔ)能模塊提供能量,驅(qū)動(dòng)無(wú)源電子鎖開(kāi)鎖,再旋轉(zhuǎn)電子簽封鎖止旋鈕實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wú)源電子鎖發(fā)送閉鎖指令,無(wú)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(wú)源電子鎖狀態(tài)及訂單信息寫(xiě)入包裝箱電子簽封中的電子墨水屏顯示。
循環(huán)包裝箱開(kāi)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(wú)源電子鎖發(fā)送開(kāi)鎖指令(若對(duì)比結(jié)果不同則驗(yàn)證失敗,無(wú)法開(kāi)鎖),無(wú)源電子鎖執(zhí)行開(kāi)鎖動(dòng)作;
(9)電子簽封向終端設(shè)備返回開(kāi)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(wú)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(kù)保存,即后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的是經(jīng)加密后的解鎖密碼。而在開(kāi)鎖時(shí),終端設(shè)備同樣需要對(duì)從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)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(wú)法對(duì)加密后的解鎖密碼進(jìn)行解密,將無(wú)法與射頻模塊中存儲(chǔ)的解鎖密碼進(jìn)行匹配開(kāi)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(kāi)鎖。
整個(gè)開(kāi)鎖過(guò)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(kāi)鎖取件后即被擦除,開(kāi)箱取物全程無(wú)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(wú)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。
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
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(wú)線射頻模塊、無(wú)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)??苫厥詹牧?,可循環(huán)使用,解決一次性包裝箱的資源消耗問(wèn)題,降低了單次使用的經(jīng)濟(jì)成本。包裝箱內(nèi)的無(wú)線射頻電子標(biāo)簽、電子墨水屏等配件也均可多次擦寫(xiě)、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(kāi)鎖時(shí)只需使用手機(jī)等終端設(shè)備掃描,整個(gè)過(guò)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(kāi)鎖,操作安全可靠且簡(jiǎn)單快捷,且每次開(kāi)啟均記錄在案,出現(xiàn)問(wèn)題可追溯到相關(guān)責(zé)任人,安全可靠。無(wú)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(kāi)箱取物操作,無(wú)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(kāi)封取物后屏上信息即清零,無(wú)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(kù)房全面監(jiān)管、貨物跟蹤定位等,實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)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。