基于RFID技術的生鮮品電商包裝系統設計

馬也騁 -

隨著信息自動識別技術的發展，超高頻射頻識別(radio frequency identification，RFID)應用越來越廣泛。RFID標簽應用于藥品包裝可以實現防偽，物流追溯，醫藥供應鏈管理，遠程醫療監護等功能[1]。例如馬莎公司(Marks & Spencer)投放了3.50×106個可返回的食品用托盤，用于從供應商到零售商的整個供應鏈，RFID 技術的使用改善了供應鏈的靈活性、響應速度和準確性[2]。

自生鮮電商元年(2012年)以來，中國生鮮電商發展迅速，2014年生鮮網購交易額超過260億元，未來5年生鮮電商的交易額仍將高速增加，預計2017年，中國生鮮電商交易規模將突破1 000億元[3-5]。因此生鮮電商市場巨大，有望成為行業新的增長點。由于生鮮產品種類繁多，容易腐爛，需要高效的物流配送來提升用戶滿意度和保證生鮮品質量。然而，由于中國的電商快速發展，導致生鮮電商包裝和物流存在不足[6-9]。當前，電商企業在生鮮物流中通過人工方法進行包裝、分揀和存儲生鮮品，缺乏對生鮮品的信息化管理，導致用戶滿意度下降。

在這種背景下，本研究提出了一種基于RFID技術的生鮮品電商包裝系統設計。與常規人工操作相比，RFID系統可以大大提高工作的準確度。人工識別不可能發現全部的錯誤，尤其是當運輸量較大、產品種類較多時，更容易發生錯誤。當生鮮品包裝進行人工貼標簽時，同樣有可能發生錯誤，會降低庫存管理的準確性。使用RFID系統自動進行檢驗，可以省去貼標簽環節。根據文獻[10]實際電商果蔬企業包裝線作業流程可知，一位熟練工人包裝作業時間大約需要3.1 s，包括按下打印標簽的操作時間(0.1 s)、打印機的打印時間(2 s)、貼標簽時間(1 s)。在一條流水線上需要3組工人封裝及貼標簽。而采用自動化包裝流水線，有以下兩方面優勢：一方面，打印時間和貼標簽時間可以有效節省，因為由于采用RFID自動讀寫，可以完成實時操作；另一方面，流水線只需1組工人進行設備監控，人工成本可以有效降低1/3。采用RFID的設備成本主要來自RFID標簽和閱讀器，本系統的RFID標簽成本2元，RFID閱讀器6 000元。

1 系統組成

生鮮品在包裝出廠時，由包裝流水線上RFID閱讀器對生鮮品包裝上的RFID標簽寫入產品信息，包括產品生產商、類別、數量、到期日期、位置。這些信息一方面有助于用戶了解追蹤生鮮品的源頭，保障食品安全；另一方面，可以降低一次、二次包裝和分揀中人工操作的錯誤率，縮短生鮮品配送時間，降低生鮮品管理成本。

本研究基于RFID技術的生鮮品電商包裝溯源系統分為4個部分：分別是RFID射頻模塊、串口通信模塊、用戶界面和生鮮品數據庫[11-14]。RFID射頻模塊負責對包裝流水線上生鮮品包裝的RFID標簽識別和數據讀寫，其包括無源RFID電子標簽和RFID讀寫器[15]，使用ISO/IEC 15693協議進行數據訪問操作[16]。通信模塊負責讀寫器和PC機進行串口通信。用戶界面負責用戶和軟件人機交互。生鮮品數據庫模塊負責生鮮品溯源信息的存儲。本系統結構框圖見圖1。

圖1 基于RFID技術的生鮮品電商包裝溯源系統框圖Figure 1 Fresh products’ e-commerce packaging traceability system based on RFID

2 系統硬件組成

本研究硬件部分由RFID電子標簽、閱讀器和PC機組成。電子標簽使用上海貝嶺公司的BL75R05型號標簽，該款電子標簽支持非接觸卡國際標準ISO/IEC 15693協議，主要適用于航空包裹、行李識別和郵件分流等領域。芯片工作頻率為13.56 MHz，讀寫距離可達65 cm，片內含有1 024位E2PROM，分為32個塊，每塊4字節，具有較高的數據傳輸率和防沖突功能。工作溫度為-25～70 ℃，標準工作電壓3.7 V。BL75R05電子標簽的內部電路原理圖見圖2，其包括電源整流電路、存儲單元區、IO命令區等。

圖2 BL75R05內部電路原理圖Figure 2 Interface of BL75R05

3 系統軟件設計

軟件設計包括讀寫模塊設計、用戶交互功能設計和生鮮品數據庫管理設計3個部分。

3.1 標簽讀寫模塊

RFID標簽讀寫模塊用于完成生鮮品信息讀寫，其功能用于實現閱讀器對生鮮品包裝上的RFID標簽進行檢測識別和讀寫功能。在RFID讀寫模塊包括4個功能，分別為初始化階段、讀寫掃描、標簽檢測識別和標簽包裝信息讀寫。

初始化階段應用軟件打開端口和射頻感應場，并獲取閱讀器信息。然后閱讀器以3 s間隔輪詢搜索運輸帶上生鮮品包裝標簽。如果閱讀器檢測到運輸帶上存在生鮮品包裝標簽，并判斷標簽是否是空白的。如果檢測到的標簽是空白，則準備開始寫入，閱讀器將PC機設置的用戶數據寫入標簽。讀寫軟件設計流程見圖3。

圖3 RFID讀寫軟件設計框圖Figure 3 RFID reading and writing design

3.2 通信數據格式

本研究在標準的通信協議格式中，對數據負載字段設計用戶自定義數據格式，用于滿足包裝信息的通信和存儲。PC機寫入操作格式，采用ISO/IEC 15693協議；PC機讀出操作格式，采用ISO/IEC 15693協議，見表1。用戶數據格式包括用戶寫入的生鮮品包裝數據格式和讀出的生鮮品包裝分揀數據格式。前者由生產日期(4字節)、生產商(4字節)、生鮮品種類(2字節)、數量(2字節)、到期日期(4字節)和位置(4字節)組成。后者由生產商(4字節)、生鮮品種類(2字節)、數量(2字節)和到期日期(4字節)。

3.3 用戶交互功能

用戶交互功能用于操作工人進行包裝操作、分揀操作、出貨統計和入貨統計等功能。本系統采用Visual Basic進行設計開發，可視化和便捷地完成產品包裝和分揀操作，減少人工操作錯誤率。用戶交互軟件功能包括包裝操作、分揀操作、入貨統計和出貨統計。每種操作功能獨立顯示。用戶交互功能設計框圖見圖4。

表1 寫入及讀出命令格式Table 1 Writing and reading command format

包裝操作功能具體包括生鮮品包裝操作設置顯示、閱讀器通訊和電源設置、讀寫器信息顯示、生鮮品生產商設置、生鮮品種類設置、數量設置、到期日期信息設置、位置設置、新增生產商設置、新增生鮮品種類設置、新增到期天數設置和新增數量設置(見圖5)。包裝操作設置顯示用于顯示寫入電子標簽的生鮮品包裝信息。閱讀器通訊和電源設置用于設置讀寫器通訊參數和電源。讀寫器信息顯示用于顯示獲取的讀寫器信息。生產商信息設置用于設置當前包裝生鮮品的生產商編號信息。生鮮品種類信息設置用于設置當前包裝生鮮品的種類規格。數量設置用于設置當前包裝箱內生鮮品的數量。到期日期設置用于設置當前包裝生鮮品的保質期限。位置設置用于生鮮品出貨時在倉儲中的位置。新增生產商設置用于添加新入庫生產商的信息。新增生鮮品種類設置用于添加新增的生鮮品種類信息。新增到期天數設置用于添加新增的保質期限天數。新增數量設置用于添加不同的包裝箱內數量。

分揀操作功能具體包括生鮮品包裝信息顯示、閱讀器通訊和電源設置、讀寫器信息顯示。生鮮品包裝信息顯示用于顯示分揀操作中需要使用的生鮮品包裝信息。閱讀器通訊和電源設置用于設置讀寫器通訊參數和電源。讀寫器信息顯示用于顯示讀寫器信息。

入貨和出貨統計用于查詢生鮮品倉庫中生鮮品庫存情況。管理人員可以使用這兩項功能對貨物情況進行高效統計，也有助于提高補貨的便捷性。

3.4 生鮮品包裝信息數據庫管理

生鮮品包裝信息數據庫管理部分用于生鮮品包裝信息存儲、統計和后臺管理。用戶交互界面可以訪問和操作生鮮品包裝信息數據庫。開源數據庫MySQL用于建立本系統的數據庫。

圖4 用戶界面主菜單功能設計Figure 4 Main function design for user UI

圖5 包裝操作功能子菜單設計Figure 5 Packaging operation function design

建立數據庫的步驟：首先在MySQL軟件中建立一個數據庫[17]；然后在數據庫中建立3張數據表，分別用于生鮮品包裝信息、生鮮品生產商信息和生鮮品種類信息。用戶界面軟件可以通過OLEDB對MySQL數據庫進行訪問，并將訪問結果存儲在ADODB記錄中[18]，VB可以查詢、插入和刪除ADODB記錄。同時，數據庫也支持遠程操作，通過網絡連接方式可以訪問數據庫，方便各處包裝和分揀單位可以共享數據庫信息。

4 試驗結果及分析

通過實際試驗測試驗證本研究設計的生鮮品電商包裝系統的可行性。試驗配置：50張空白RFID標簽，標簽和讀寫器距離為40 cm，波特率為19 200 KB/s，設置生鮮品種類為水果(F)、蔬菜(V)和海鮮(S)，生產商編號分別為100001、100002、100003和100004。試驗運行結果見圖6～9。圖6顯示包裝操作的運行結果，包裝信息顯示界面中顯示已完成寫入的生鮮品包裝的生產商編號、生產日期、種類、數量、到期日期和位置信息。圖7顯示出貨統計界面，其根據時間和生鮮品種類條件查詢得到出貨23箱。圖8顯示分揀操作的運行結果，在包裝信息顯示界面列出了讀取到生鮮品包裝的信息，包括生產商、種類數量和到期日期。圖9顯示入貨統計界面，其根據時間和生鮮品種類條件查詢得到入貨15箱。從系統運行結果可以看出，本系統可以高效地完成生鮮品包裝信息寫入和讀出，既可以降低人工操作的錯誤率，又能提高生鮮品處理效率。后續可以進一步擴展系統功能，根據GPS定位等信息進行生鮮品包裝的跟蹤和管理。

圖6 包裝操作運行結果圖Figure 6 Result of packaging operation function

圖7 出貨統計運行結果圖Figure 7 Result of ex-warehouse statistics

圖8 分揀操作運行結果圖Figure 8 Result of sorting operation

圖9 入貨統計運行結果圖Figure 9 Result of storing statistics

另外，本研究設計的系統的穩定可靠性試驗設置：50張空白RFID標簽，測試次數10次，每次間隔2 min。每張RFID標簽將被重復測試10次，RFID標簽識別和包裝信息讀寫都可正常工作。

5 結束語

本研究設計了一種生鮮品電商包裝溯源系統，將RFID技術、用戶交互軟件和數據庫技術相結合，進行智能化的包裝和分揀操作。利用RFID電子標簽和讀寫器，一方面對運輸帶上出廠的生鮮品包裝進行寫入信息操作，可以減少人工貼標簽的錯誤率；另一方面，在分揀操作時自動讀出生鮮品包裝中的信息，用于提高分揀效率，提升企業智能化水平。因此本研究設計的系統可以有效克服人工包裝和分揀操作中存在的缺點。經實際運行結果顯示，所設計的系統可正確識別RFID標簽，可以有效地提升生鮮品包裝效率，降低人工錯誤率。

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