基于RFID 技術的可視化智能包裝箱設計*

劉浩川，公姿懿，薛舒恒，寇 允，黎冰冰，徐淑艷

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

近年來因食品溯源管理不合格及包裝破損產生的食品安全問題引起了社會各界的廣泛關注，加之新冠肺炎疫情等一系列突發事件的影響，政府對冷鏈行業的監管趨于嚴格，同時冷鏈物流標準也逐步得到完善[1]。在此前提下，確保整個冷鏈物流中產品信息的可追溯性以及保護內裝產品的品質顯得尤為重要。

圍繞產品保質保鮮和信息可溯源等問題，研究者們展開了相關研究，并取得了不錯的成果。De Palo P 等[2]研究了兩種不同的包裝膜對小牛肉的影響；孫玉曉等[3]研究出一套能夠實現散養種雞種蛋智能收集和標記系統；王艷[4]采用Java 程序設計語言設計了肉食品溯源系統；張子平[5]進行了冷卻肉的加工技術及質量控制的相關研究；王金[6]設計了基于射頻識別 （Radio Frequency Identification，RFID）技術的生豬產品質量安全追溯系統；張德錢[7]等設計了一種實時調節的食品保鮮箱溫度控制系統。

本文提出了一種基于RFID 技術的可視化智能包裝箱設計，通過將RFID 芯片、溫濕度-時間顯示器和常見實用的包裝組件組裝起來，實現物流運輸中肉類產品的信息可溯源及保質保鮮，以期為解決冷鏈物流和智能包裝方面的問題提供一定的技術借鑒和參考。

1 智能包裝箱的主要功能和性能指標

1.1 主要功能及特點

1）溯源防偽。與RFID 系統相結合，采用電子標簽，使消費者能夠對肉禽類、水產類產品進行溯源。通過手機掃描智能標簽了解產品信息，正確使用商品，并可以了解產品出產地和是否開封等信息，防止收到假冒偽劣商品。

2）溫濕度及時間顯示。裝有顯示溫濕度和時間的電子元件，可以讓消費者直觀地了解產品的新鮮程度，以及在運輸過程中是否超過限定溫濕度。當標簽失效后可更換新的標簽繼續使用。

3）綠色環保。充分利用箱體內部空間，實現包裝材料的綠色環保。可將系統與盒體分別組裝，修改電子信息后可以再次使用。整體包裝輕便且可重復利用，踐行了可持續發展理念。

4）模塊化功能。托盤下面可以根據產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空氣濕度等。

5）裝配方便。托盤下方為緩沖材料和降溫單元，托盤側邊設有導軌，推拉方便。

1.2 性能指標

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。

2 智能包裝箱結構簡介

2.1 總體結構

包裝箱總體展開示意圖和總體封合示意圖分別見圖1 和圖2。整個系統結構簡便，輕巧穩固，造價低廉。內部有帶導軌的底盤圍擋、固定產品用的托盤和扁帶，箱壁附有3 組充放式氣囊，外部有封閉帶1 條，穩定封閉。不使用時取出托盤和底盤，將箱子前后蓋打開，放出氣囊的全部氣體后壓扁，將前蓋折疊在主體上，與托盤和底盤一起用密封帶扎好。使用時反向重復以上步驟，最后在放入托盤和底盤以后再對氣囊充氣以便其壓住底盤。

圖1 包裝箱總體展開示意圖

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-時間顯示器

將RFID 芯片稍作處理后嵌在箱體表面。RFID芯片存儲容量大、壽命長，在讀取上不受外在形態的限制，可以重復修改標簽內儲存的數據，便于信息的更新[8]。同側設有溫濕度-時間顯示器，能夠實時顯示箱內溫濕度情況，便于運輸人員及時調節，保證產品的新鮮程度。RFID 芯片和溫濕度-時間顯示器是實現本產品可視化的核心組件。

2.2.2 可復用型折疊箱體

可復用型折疊箱體為一體化構成，由中空結構和兩片側板組合在一起，在實際使用中支撐保護整個系統，使用時可以撐開組成長方形箱體，不使用時可以鋪平方便儲運。箱體的材料和結構支持多次鋪平與撐開狀態的轉換，因此可以反復利用。箱體的側壁有網格狀結構方便安裝氣囊。

2.2.3 支撐氣囊

支撐氣囊為兩組固定在箱體側面的組合氣囊，其作用是進行形變來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運。氣囊用膠固定在箱體的網格側板上，損壞后可將其拆下替換新氣囊。

2.2.4 內箱體卡位支撐圍擋

內箱體卡位支撐圍擋是一個安裝有導軌的長方體三邊結構，作用是安裝并固定裝有產品的托盤，避免產品因與箱壁過度接觸而腐壞，同時限制托盤的水平位移，吸收來自水平方向一定程度的振動，利用導軌來支持裝入和卸出托盤時的滑動動作。在導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 固定用滑動托盤

固定用滑動托盤是一個底部有漏孔的托盤結構，用于固定產品并且和圍擋組合在一起，共同完成通過導軌系統裝入和取出產品的動作，其側邊的厚度經過設計能夠和圍擋的側邊內凹陷組合在一起。在托盤的周圍安排有很多扁帶孔，可以和扁帶配合固定產品但允許產品在一定范圍內活動。底部的漏孔方便進行氣體和溫度交換。根據被包裝物的不同還有不同的扁帶安裝方式以適應不同場合。

2.2.6 主封閉帶

基于箱體的結構設計的封閉帶，可以對箱體進行開關控制和固定。利用粘扣和箱體固定在一起，同時利用自粘扣形成封閉，在箱體的撐開狀態可以起到鎖箱的作用，在箱體折疊時可以將各組件捆在一起方便儲運。因為在整個過程中不涉及箱體膠合與箱體過度折疊，所以封閉帶-箱體的組合系統可以穩定重復使用。

3 智能包裝箱的工作原理及產品優勢

3.1 工作原理

RFID 作為主流通信射頻技術，是一種通過無線射頻進行非接觸雙向通信的識別技術[9]。將RFID電子標簽貼在物品上，通過裝有讀寫器的區域時就能被感應識別，可實現遠距離識別。目前普遍的應用方式是將RFID 芯片置入商品的外包裝中來感應商品，RFID 標簽技術可以對產品從生產、物流到消費的整個供應鏈起到優化作用[10]。

RFID 標簽貼在產品的外包裝上，當生產商、銷售商、消費者的對應關系確定后，即可通過智能標簽分別對產品信息進行獲取與管理。生產商可以對產品信息進行初始化設置，并實現對產品信息的輸入。銷售商可以通過掃描智能標簽獲得產品的銷售信息，及時對市面流通的產品進行控制管理，及時進行庫存與補貨管理。消費者可以通過智能標簽了解產品信息，正確使用商品，并可以了解出產地以及是否開封等信息，防止收到假冒偽劣商品。

3.2 產品優勢

與現有的傳統包裝箱相比較，本文所設計的基于RFID 技術的可視化智能包裝箱具有以下優勢：將被包裝物放置于托盤中，并將托盤與底座固定，閉合前后蓋的同時使用封閉帶封閉箱體，使得被包裝物在物流運輸中被牢牢固定；設置箱體外的RFID 標簽，使得消費者通過手機掃描電子標簽查看產品信息，從而實現產品溯源，解決產品銷售的渠道安全問題；通過設置溫濕度-時間顯示器，顯示包裝內部產品狀態，從而讓買家能快速了解產品新鮮程度；設置冰板實現保鮮效果；箱體造價成本低廉，原材料易于回收再利用，綠色環保；通過RFID 標簽實現非接觸式快速讀寫，降低工作成本，提高工作效率。

4 結束語

綜上所述，本文設計了一種基于RFID 技術的可視化智能包裝箱，將RFID 芯片、溫濕度-時間顯示器和包裝元件進行有效結合，實現對肉類、水產品的智能化包裝。利用RFID 技術，在出廠時對傳送帶上的產品包裝進行寫入溯源信息操作，可以使買家用智能手機讀出產品包裝中的溯源信息，保證產品的新鮮品質，提升零售端的智能化水平，為將來智能包裝行業能夠不斷完善RFID 電子標簽在生活中的應用提供技術支持。