基于RFID 技術(shù)的可視化智能包裝箱設(shè)計(jì)*

劉浩川，公姿懿，薛舒恒，寇 允，黎冰冰，徐淑艷

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

近年來(lái)因食品溯源管理不合格及包裝破損產(chǎn)生的食品安全問(wèn)題引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，加之新冠肺炎疫情等一系列突發(fā)事件的影響，政府對(duì)冷鏈行業(yè)的監(jiān)管趨于嚴(yán)格，同時(shí)冷鏈物流標(biāo)準(zhǔn)也逐步得到完善[1]。在此前提下，確保整個(gè)冷鏈物流中產(chǎn)品信息的可追溯性以及保護(hù)內(nèi)裝產(chǎn)品的品質(zhì)顯得尤為重要。

圍繞產(chǎn)品保質(zhì)保鮮和信息可溯源等問(wèn)題，研究者們展開(kāi)了相關(guān)研究，并取得了不錯(cuò)的成果。De Palo P 等[2]研究了兩種不同的包裝膜對(duì)小牛肉的影響；孫玉曉等[3]研究出一套能夠?qū)崿F(xiàn)散養(yǎng)種雞種蛋智能收集和標(biāo)記系統(tǒng)；王艷[4]采用Java 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言設(shè)計(jì)了肉食品溯源系統(tǒng)；張子平[5]進(jìn)行了冷卻肉的加工技術(shù)及質(zhì)量控制的相關(guān)研究；王金[6]設(shè)計(jì)了基于射頻識(shí)別 （Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)的生豬產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)；張德錢(qián)[7]等設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的食品保鮮箱溫度控制系統(tǒng)。

本文提出了一種基于RFID 技術(shù)的可視化智能包裝箱設(shè)計(jì)，通過(guò)將RFID 芯片、溫濕度-時(shí)間顯示器和常見(jiàn)實(shí)用的包裝組件組裝起來(lái)，實(shí)現(xiàn)物流運(yùn)輸中肉類(lèi)產(chǎn)品的信息可溯源及保質(zhì)保鮮，以期為解決冷鏈物流和智能包裝方面的問(wèn)題提供一定的技術(shù)借鑒和參考。

1 智能包裝箱的主要功能和性能指標(biāo)

1.1 主要功能及特點(diǎn)

1）溯源防偽。與RFID 系統(tǒng)相結(jié)合，采用電子標(biāo)簽，使消費(fèi)者能夠?qū)θ馇蓊?lèi)、水產(chǎn)類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行溯源。通過(guò)手機(jī)掃描智能標(biāo)簽了解產(chǎn)品信息，正確使用商品，并可以了解產(chǎn)品出產(chǎn)地和是否開(kāi)封等信息，防止收到假冒偽劣商品。

2）溫濕度及時(shí)間顯示。裝有顯示溫濕度和時(shí)間的電子元件，可以讓消費(fèi)者直觀地了解產(chǎn)品的新鮮程度，以及在運(yùn)輸過(guò)程中是否超過(guò)限定溫濕度。當(dāng)標(biāo)簽失效后可更換新的標(biāo)簽繼續(xù)使用。

3）綠色環(huán)保。充分利用箱體內(nèi)部空間，實(shí)現(xiàn)包裝材料的綠色環(huán)保?？蓪⑾到y(tǒng)與盒體分別組裝，修改電子信息后可以再次使用。整體包裝輕便且可重復(fù)利用，踐行了可持續(xù)發(fā)展理念。

4）模塊化功能。托盤(pán)下面可以根據(jù)產(chǎn)品輸送需求放置不同的功能組件，比如放置冰袋降溫，放置干燥劑控制箱內(nèi)空氣濕度等。

5）裝配方便。托盤(pán)下方為緩沖材料和降溫單元，托盤(pán)側(cè)邊設(shè)有導(dǎo)軌，推拉方便。

1.2 性能指標(biāo)

1）箱體尺寸為500 mm×400 mm×400 mm。

2）箱體厚度為3 mm。

3）正常工作氣囊為13 個(gè)。

2 智能包裝箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

2.1 總體結(jié)構(gòu)

包裝箱總體展開(kāi)示意圖和總體封合示意圖分別見(jiàn)圖1 和圖2。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，輕巧穩(wěn)固，造價(jià)低廉。內(nèi)部有帶導(dǎo)軌的底盤(pán)圍擋、固定產(chǎn)品用的托盤(pán)和扁帶，箱壁附有3 組充放式氣囊，外部有封閉帶1 條，穩(wěn)定封閉。不使用時(shí)取出托盤(pán)和底盤(pán)，將箱子前后蓋打開(kāi)，放出氣囊的全部氣體后壓扁，將前蓋折疊在主體上，與托盤(pán)和底盤(pán)一起用密封帶扎好。使用時(shí)反向重復(fù)以上步驟，最后在放入托盤(pán)和底盤(pán)以后再對(duì)氣囊充氣以便其壓住底盤(pán)。

圖1 包裝箱總體展開(kāi)示意圖

圖2 包裝箱總體封合示意圖

2.2 硬件介紹

2.2.1 RFID 芯片與溫濕度-時(shí)間顯示器

將RFID 芯片稍作處理后嵌在箱體表面。RFID芯片存儲(chǔ)容量大、壽命長(zhǎng)，在讀取上不受外在形態(tài)的限制，可以重復(fù)修改標(biāo)簽內(nèi)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，便于信息的更新[8]。同側(cè)設(shè)有溫濕度-時(shí)間顯示器，能夠?qū)崟r(shí)顯示箱內(nèi)溫濕度情況，便于運(yùn)輸人員及時(shí)調(diào)節(jié)，保證產(chǎn)品的新鮮程度。RFID 芯片和溫濕度-時(shí)間顯示器是實(shí)現(xiàn)本產(chǎn)品可視化的核心組件。

2.2.2 可復(fù)用型折疊箱體

可復(fù)用型折疊箱體為一體化構(gòu)成，由中空結(jié)構(gòu)和兩片側(cè)板組合在一起，在實(shí)際使用中支撐保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，使用時(shí)可以撐開(kāi)組成長(zhǎng)方形箱體，不使用時(shí)可以鋪平方便儲(chǔ)運(yùn)。箱體的材料和結(jié)構(gòu)支持多次鋪平與撐開(kāi)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，因此可以反復(fù)利用。箱體的側(cè)壁有網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)方便安裝氣囊。

2.2.3 支撐氣囊

支撐氣囊為兩組固定在箱體側(cè)面的組合氣囊，其作用是進(jìn)行形變來(lái)吸收垂直方向以及部分水平方向的沖擊，充滿氣后可以壓住其下方圍擋，固定圍擋。氣囊具有充氣和放氣的功能，保證在放氣后可以同箱體一起折疊儲(chǔ)運(yùn)。氣囊用膠固定在箱體的網(wǎng)格側(cè)板上，損壞后可將其拆下替換新氣囊。

2.2.4 內(nèi)箱體卡位支撐圍擋

內(nèi)箱體卡位支撐圍擋是一個(gè)安裝有導(dǎo)軌的長(zhǎng)方體三邊結(jié)構(gòu)，作用是安裝并固定裝有產(chǎn)品的托盤(pán)，避免產(chǎn)品因與箱壁過(guò)度接觸而腐壞，同時(shí)限制托盤(pán)的水平位移，吸收來(lái)自水平方向一定程度的振動(dòng)，利用導(dǎo)軌來(lái)支持裝入和卸出托盤(pán)時(shí)的滑動(dòng)動(dòng)作。在導(dǎo)軌下方留有一定空間，可以放置諸如冰袋、干燥袋等輔助物品。

2.2.5 固定用滑動(dòng)托盤(pán)

固定用滑動(dòng)托盤(pán)是一個(gè)底部有漏孔的托盤(pán)結(jié)構(gòu)，用于固定產(chǎn)品并且和圍擋組合在一起，共同完成通過(guò)導(dǎo)軌系統(tǒng)裝入和取出產(chǎn)品的動(dòng)作，其側(cè)邊的厚度經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)能夠和圍擋的側(cè)邊內(nèi)凹陷組合在一起。在托盤(pán)的周?chē)才庞泻芏啾鈳Э?，可以和扁帶配合固定產(chǎn)品但允許產(chǎn)品在一定范圍內(nèi)活動(dòng)。底部的漏孔方便進(jìn)行氣體和溫度交換。根據(jù)被包裝物的不同還有不同的扁帶安裝方式以適應(yīng)不同場(chǎng)合。

2.2.6 主封閉帶

基于箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的封閉帶，可以對(duì)箱體進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制和固定。利用粘扣和箱體固定在一起，同時(shí)利用自粘扣形成封閉，在箱體的撐開(kāi)狀態(tài)可以起到鎖箱的作用，在箱體折疊時(shí)可以將各組件捆在一起方便儲(chǔ)運(yùn)。因?yàn)樵谡麄€(gè)過(guò)程中不涉及箱體膠合與箱體過(guò)度折疊，所以封閉帶-箱體的組合系統(tǒng)可以穩(wěn)定重復(fù)使用。

3 智能包裝箱的工作原理及產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

3.1 工作原理

RFID 作為主流通信射頻技術(shù)，是一種通過(guò)無(wú)線射頻進(jìn)行非接觸雙向通信的識(shí)別技術(shù)[9]。將RFID電子標(biāo)簽貼在物品上，通過(guò)裝有讀寫(xiě)器的區(qū)域時(shí)就能被感應(yīng)識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識(shí)別。目前普遍的應(yīng)用方式是將RFID 芯片置入商品的外包裝中來(lái)感應(yīng)商品，RFID 標(biāo)簽技術(shù)可以對(duì)產(chǎn)品從生產(chǎn)、物流到消費(fèi)的整個(gè)供應(yīng)鏈起到優(yōu)化作用[10]。

RFID 標(biāo)簽貼在產(chǎn)品的外包裝上，當(dāng)生產(chǎn)商、銷(xiāo)售商、消費(fèi)者的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定后，即可通過(guò)智能標(biāo)簽分別對(duì)產(chǎn)品信息進(jìn)行獲取與管理。生產(chǎn)商可以對(duì)產(chǎn)品信息進(jìn)行初始化設(shè)置，并實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品信息的輸入。銷(xiāo)售商可以通過(guò)掃描智能標(biāo)簽獲得產(chǎn)品的銷(xiāo)售信息，及時(shí)對(duì)市面流通的產(chǎn)品進(jìn)行控制管理，及時(shí)進(jìn)行庫(kù)存與補(bǔ)貨管理。消費(fèi)者可以通過(guò)智能標(biāo)簽了解產(chǎn)品信息，正確使用商品，并可以了解出產(chǎn)地以及是否開(kāi)封等信息，防止收到假冒偽劣商品。

3.2 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

與現(xiàn)有的傳統(tǒng)包裝箱相比較，本文所設(shè)計(jì)的基于RFID 技術(shù)的可視化智能包裝箱具有以下優(yōu)勢(shì)：將被包裝物放置于托盤(pán)中，并將托盤(pán)與底座固定，閉合前后蓋的同時(shí)使用封閉帶封閉箱體，使得被包裝物在物流運(yùn)輸中被牢牢固定；設(shè)置箱體外的RFID 標(biāo)簽，使得消費(fèi)者通過(guò)手機(jī)掃描電子標(biāo)簽查看產(chǎn)品信息，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品溯源，解決產(chǎn)品銷(xiāo)售的渠道安全問(wèn)題；通過(guò)設(shè)置溫濕度-時(shí)間顯示器，顯示包裝內(nèi)部產(chǎn)品狀態(tài)，從而讓買(mǎi)家能快速了解產(chǎn)品新鮮程度；設(shè)置冰板實(shí)現(xiàn)保鮮效果；箱體造價(jià)成本低廉，原材料易于回收再利用，綠色環(huán)保；通過(guò)RFID 標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)非接觸式快速讀寫(xiě)，降低工作成本，提高工作效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種基于RFID 技術(shù)的可視化智能包裝箱，將RFID 芯片、溫濕度-時(shí)間顯示器和包裝元件進(jìn)行有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)肉類(lèi)、水產(chǎn)品的智能化包裝。利用RFID 技術(shù)，在出廠時(shí)對(duì)傳送帶上的產(chǎn)品包裝進(jìn)行寫(xiě)入溯源信息操作，可以使買(mǎi)家用智能手機(jī)讀出產(chǎn)品包裝中的溯源信息，保證產(chǎn)品的新鮮品質(zhì)，提升零售端的智能化水平，為將來(lái)智能包裝行業(yè)能夠不斷完善RFID 電子標(biāo)簽在生活中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。