基于RFID技術(shù)的生鮮品電商包裝系統(tǒng)設(shè)計

馬也騁 -

隨著信息自動識別技術(shù)的發(fā)展，超高頻射頻識別(radio frequency identification，RFID)應(yīng)用越來越廣泛。RFID標簽應(yīng)用于藥品包裝可以實現(xiàn)防偽，物流追溯，醫(yī)藥供應(yīng)鏈管理，遠程醫(yī)療監(jiān)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(yīng)商到零售商的整個供應(yīng)鏈，RFID 技術(shù)的使用改善了供應(yīng)鏈的靈活性、響應(yīng)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(fā)展迅速，2014年生鮮網(wǎng)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(yù)計2017年，中國生鮮電商交易規(guī)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(yè)新的增長點。由于生鮮產(chǎn)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(zhì)量。然而，由于中國的電商快速發(fā)展，導(dǎo)致生鮮電商包裝和物流存在不足[6-9]。當(dāng)前，電商企業(yè)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(dǎo)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(shù)的生鮮品電商包裝系統(tǒng)設(shè)計。與常規(guī)人工操作相比，RFID系統(tǒng)可以大大提高工作的準確度。人工識別不可能發(fā)現(xiàn)全部的錯誤，尤其是當(dāng)運輸量較大、產(chǎn)品種類較多時，更容易發(fā)生錯誤。當(dāng)生鮮品包裝進行人工貼標簽時，同樣有可能發(fā)生錯誤，會降低庫存管理的準確性。使用RFID系統(tǒng)自動進行檢驗，可以省去貼標簽環(huán)節(jié)。根據(jù)文獻[10]實際電商果蔬企業(yè)包裝線作業(yè)流程可知，一位熟練工人包裝作業(yè)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(yōu)勢：一方面，打印時間和貼標簽時間可以有效節(jié)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(shè)備監(jiān)控，人工成本可以有效降低1/3。采用RFID的設(shè)備成本主要來自RFID標簽和閱讀器，本系統(tǒng)的RFID標簽成本2元，RFID閱讀器6 000元。

1 系統(tǒng)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(chǎn)品信息，包括產(chǎn)品生產(chǎn)商、類別、數(shù)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(shù)的生鮮品電商包裝溯源系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫[11-14]。RFID射頻模塊負責(zé)對包裝流水線上生鮮品包裝的RFID標簽識別和數(shù)據(jù)讀寫，其包括無源RFID電子標簽和RFID讀寫器[15]，使用ISO/IEC 15693協(xié)議進行數(shù)據(jù)訪問操作[16]。通信模塊負責(zé)讀寫器和PC機進行串口通信。用戶界面負責(zé)用戶和軟件人機交互。生鮮品數(shù)據(jù)庫模塊負責(zé)生鮮品溯源信息的存儲。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

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

2 系統(tǒng)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(xié)議，主要適用于航空包裹、行李識別和郵件分流等領(lǐng)域。芯片工作頻率為13.56 MHz，讀寫距離可達65 cm，片內(nèi)含有1 024位E2PROM，分為32個塊，每塊4字節(jié)，具有較高的數(shù)據(jù)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(nèi)部電路原理圖見圖2，其包括電源整流電路、存儲單元區(qū)、IO命令區(qū)等。

圖2 BL75R05內(nèi)部電路原理圖Figure 2 Interface of BL75R05

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括讀寫模塊設(shè)計、用戶交互功能設(shè)計和生鮮品數(shù)據(jù)庫管理設(shè)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(xiàn)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(yīng)用軟件打開端口和射頻感應(yīng)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(shè)置的用戶數(shù)據(jù)寫入標簽。讀寫軟件設(shè)計流程見圖3。

圖3 RFID讀寫軟件設(shè)計框圖Figure 3 RFID reading and writing design

3.2 通信數(shù)據(jù)格式

本研究在標準的通信協(xié)議格式中，對數(shù)據(jù)負載字段設(shè)計用戶自定義數(shù)據(jù)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(xié)議；PC機讀出操作格式，采用ISO/IEC 15693協(xié)議，見表1。用戶數(shù)據(jù)格式包括用戶寫入的生鮮品包裝數(shù)據(jù)格式和讀出的生鮮品包裝分揀數(shù)據(jù)格式。前者由生產(chǎn)日期(4字節(jié))、生產(chǎn)商(4字節(jié))、生鮮品種類(2字節(jié))、數(shù)量(2字節(jié))、到期日期(4字節(jié))和位置(4字節(jié))組成。后者由生產(chǎn)商(4字節(jié))、生鮮品種類(2字節(jié))、數(shù)量(2字節(jié))和到期日期(4字節(jié))。

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(tǒng)計和入貨統(tǒng)計等功能。本系統(tǒng)采用Visual Basic進行設(shè)計開發(fā)，可視化和便捷地完成產(chǎn)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(tǒng)計和出貨統(tǒng)計。每種操作功能獨立顯示。用戶交互功能設(shè)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(shè)置顯示、閱讀器通訊和電源設(shè)置、讀寫器信息顯示、生鮮品生產(chǎn)商設(shè)置、生鮮品種類設(shè)置、數(shù)量設(shè)置、到期日期信息設(shè)置、位置設(shè)置、新增生產(chǎn)商設(shè)置、新增生鮮品種類設(shè)置、新增到期天數(shù)設(shè)置和新增數(shù)量設(shè)置(見圖5)。包裝操作設(shè)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(shè)置用于設(shè)置讀寫器通訊參數(shù)和電源。讀寫器信息顯示用于顯示獲取的讀寫器信息。生產(chǎn)商信息設(shè)置用于設(shè)置當(dāng)前包裝生鮮品的生產(chǎn)商編號信息。生鮮品種類信息設(shè)置用于設(shè)置當(dāng)前包裝生鮮品的種類規(guī)格。數(shù)量設(shè)置用于設(shè)置當(dāng)前包裝箱內(nèi)生鮮品的數(shù)量。到期日期設(shè)置用于設(shè)置當(dāng)前包裝生鮮品的保質(zhì)期限。位置設(shè)置用于生鮮品出貨時在倉儲中的位置。新增生產(chǎn)商設(shè)置用于添加新入庫生產(chǎn)商的信息。新增生鮮品種類設(shè)置用于添加新增的生鮮品種類信息。新增到期天數(shù)設(shè)置用于添加新增的保質(zhì)期限天數(shù)。新增數(shù)量設(shè)置用于添加不同的包裝箱內(nèi)數(shù)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(shè)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(shè)置用于設(shè)置讀寫器通訊參數(shù)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(tǒng)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(tǒng)計，也有助于提高補貨的便捷性。

3.4 生鮮品包裝信息數(shù)據(jù)庫管理

生鮮品包裝信息數(shù)據(jù)庫管理部分用于生鮮品包裝信息存儲、統(tǒng)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(shù)據(jù)庫。開源數(shù)據(jù)庫MySQL用于建立本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。

圖4 用戶界面主菜單功能設(shè)計Figure 4 Main function design for user UI

圖5 包裝操作功能子菜單設(shè)計Figure 5 Packaging operation function design

建立數(shù)據(jù)庫的步驟：首先在MySQL軟件中建立一個數(shù)據(jù)庫[17]；然后在數(shù)據(jù)庫中建立3張數(shù)據(jù)表，分別用于生鮮品包裝信息、生鮮品生產(chǎn)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(shù)據(jù)庫進行訪問，并將訪問結(jié)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(shù)據(jù)庫也支持遠程操作，通過網(wǎng)絡(luò)連接方式可以訪問數(shù)據(jù)庫，方便各處包裝和分揀單位可以共享數(shù)據(jù)庫信息。

4 試驗結(jié)果及分析

通過實際試驗測試驗證本研究設(shè)計的生鮮品電商包裝系統(tǒng)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(shè)置生鮮品種類為水果(F)、蔬菜(V)和海鮮(S)，生產(chǎn)商編號分別為100001、100002、100003和100004。試驗運行結(jié)果見圖6～9。圖6顯示包裝操作的運行結(jié)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(chǎn)商編號、生產(chǎn)日期、種類、數(shù)量、到期日期和位置信息。圖7顯示出貨統(tǒng)計界面，其根據(jù)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(jié)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(chǎn)商、種類數(shù)量和到期日期。圖9顯示入貨統(tǒng)計界面，其根據(jù)時間和生鮮品種類條件查詢得到入貨15箱。從系統(tǒng)運行結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)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(xù)可以進一步擴展系統(tǒng)功能，根據(jù)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(jié)果圖Figure 6 Result of packaging operation function

圖7 出貨統(tǒng)計運行結(jié)果圖Figure 7 Result of ex-warehouse statistics

圖8 分揀操作運行結(jié)果圖Figure 8 Result of sorting operation

圖9 入貨統(tǒng)計運行結(jié)果圖Figure 9 Result of storing statistics

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

5 結(jié)束語

本研究設(shè)計了一種生鮮品電商包裝溯源系統(tǒng)，將RFID技術(shù)、用戶交互軟件和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)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(yè)智能化水平。因此本研究設(shè)計的系統(tǒng)可以有效克服人工包裝和分揀操作中存在的缺點。經(jīng)實際運行結(jié)果顯示，所設(shè)計的系統(tǒng)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。

[1] 劉飛, 呂新廣. 藥品及其包裝對超高頻RFID標簽性能的影響[J]. 重慶郵電大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2017, 29(4): 563-568.

[2] 鄒饒邦彥, 張春和, 何健. 基于RFID 技術(shù)的包裝儲運模式優(yōu)化探析[J]. 包裝工程, 2016, 37(1): 39-42.

[3] 周浩, 柯賢文, 王利婕. 生鮮品電商包裝存在的問題與對策[J]. 包裝工程, 2016, 37(5): 185-189.

[4] 吳燮坤. D 公司生鮮水果電商物流配送改善研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2015: 1-2.

[5] 鄒熾導(dǎo), 呂恩利, 陸華忠. 半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱控制系統(tǒng)[J]. 食品與機械, 2017, 33(1): 128-132.

[6] EXPOSITO I, GAY-FERNANDEZ J A, CUINAS I. A complete traceability system for a wine supply chain using radio-frequency identifi cation and wireless sensor networks[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2013, 55(2): 255-267.

[7] 魏益民, 郭波莉, 趙海燕, 等. 論食品溯源技術(shù)研究方法與應(yīng)用原則[J]. 中國食品學(xué)報, 2012, 12(11): 8-13.

[8] WANG Xing, HE Qi-le, MAJA M, et al. Development and evaluation on a wireless multi-gas-sensors system for improving traceability and transparency of table grape cold chain[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2017, 135: 195-207.

[9] FABIEN B, CAROLE G, NATHALIE G, et al. A review: RFID technology having sensing aptitudes for food industry and their contribution to tracking and monitoring of food products[J]. Trends in Food Science & Technology, 2017, 62: 91-103.

[10] 馬鶴. 昊宇公司蔬菜加工中心流水線布局仿真研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2014: 15-17.

[11] 谷吉海, 劉釵, 龐明, 等. 藥品冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計[J]. 包裝工程, 2014, 35(5): 21-26.

[12] GAUTAM R, SINGH A, KARTHIK K. Traceabilityusing RFID and its formulation for a kiwifruit supply chain[J]. Computers & Industrial Engineering, 2017, 103: 46-58.

[13] 戴宏民, 戴佩華. 工業(yè)4.0與智能機械廠[J]. 包裝工程, 2016, 37(19): 206-211.

[14] 倪衛(wèi)濤. 基于智能物流的供應(yīng)鏈包裝系統(tǒng)集成分析[J]. 包裝工程, 2016, 37(23): 203-208.

[15] 張艷, 劉占杰, 李媛. 嵌入式系統(tǒng)的RFID讀卡器和無源標簽設(shè)計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2013(8): 52-55.

[16] 溫靖康. 基于ISO/IEC15693標準的RFID芯片關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2012: 17-25.

[17] 吳滄舟, 蘭逸正, 張輝. 基于MySQL 數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化[J]. 電子科技, 2013, 26(9): 182-184.

[18] 李德錄, 王昱, 楊小萍, 等. VB下基于ADO 的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2011(4): 12-15.