物聯網智能生鮮物流終端設計研究

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摘要：新零售模式在物流“最后一公里”的解決上并不完美，精確的物流管理已經成為研究的熱點。提出一種新零售模式下的智能生鮮物流終端系統。研究將智能物流終端中的快遞收發抽象為多主體模型，引入用戶付費的快遞服務過程，確保物流終端在消耗最小能量的同時，保持對生鮮快件狀態的有效監測，并及時反饋給用戶。此外，根據智能物流終端更新的數據，系統可以確定快件優化投遞路線。實驗結果表明，智能生鮮物流終端系統能夠提高快件收發效率并改善用戶體驗。

關鍵詞：物聯網；傳感器；智能物流終端；生鮮快件；RFID

新零售的概念對目前的供應鏈和銷售渠道都有變革性的影響，“以人為本，智慧服務”是新零售的基本原則，強調商品銷售各階段的變革要以消費者為核心［1］。高效的智能快遞柜是新零售最為重要的環節，消費者對于商品流通最直觀的感受來自于收發快件的便捷與效率。因此，本文提出了一種系統，不僅具有高效的快件收發功能，而且側重于對生鮮快件的狀態監測，并把狀態信息及時反饋給用戶，保證了生鮮快件的品質。此外，為了保證快件送達的及時性，研究根據決策算法確定快件投遞的優化路線。當然，高效、安全、便捷的服務需要收費來保持可持續性發展，研究還以用戶使用頻率為基準進行嘗試性收費。通過一段時間的實際使用和用戶問卷調查結果，驗證了本系統能夠改善和優化用戶快遞收發效率，為付費的快遞用戶帶來了實質性的好處。

1背景

物聯網(IoT)正在以迅猛的速度在各個領域進行社會革新。物聯網通過互聯網將物理設備或虛擬設備連接起來執行傳感、數據收集、數據存儲、數據處理［2］。物聯網服務具有很多優點，新零售與物聯網的結合應用也已成為各界非常感興趣的問題。傳統快遞柜在快件分類方面存在處理不當和管理系統效率低下等問題，這些對于解決新零售模式下的物流“最后一公里”問題造成了極大障礙。為了解決這些問題，本研究提出了一種基于物聯網技術的智能生鮮快遞終端系統(Intelligentfreshexpressterminalsystem，IFLT)，該系統由智能生鮮快遞箱(Intelligentfreshexpressbox，IFB)、路由器和服務器組成。服務器收集并分析IFB的狀態信息和RFID讀寫器收集的用戶信息，每個IFB都起著收發快件的作用，并通過無線通信方式執行各種操作來解決用戶的便利性。系統的應用，不僅可以提高普通快件的存取效率和方便性，也能最大程度保持生鮮快件的快速配送。另外，對于用戶的安全與隱私也有較好保護。

2研究現狀

在現有的物流終端管理中，無論從管理方式還是盈利手段來看，都存在不可持續發展的問題。用戶體驗較差、使用效率較低、無法滿足用戶的個性要求等是比較突出的問題。例如:快遞柜的內部結構無法滿足不同類型快件的存放，貴重商品的安全性和生鮮快件的及時性無法保證，另外快遞柜的盈利模式也不成熟，對于不同消費人群沒有合理劃分。物聯網的信息獲取可以利用RFID技術進行設備的識別和跟蹤以及存儲設備信息來實現。現有利用RFID技術的物流終端系統中，系統復雜的處理過程會使系統延遲并產生錯誤，導致用戶的最終體驗不佳［3］。另外，基于RFID的物流終端系統只能進行簡單的信息獲取和物流管理，對于個性化的服務完全無法勝任，從而給用戶帶來進一步的不便［4］。為了解決現有的物流終端系統中存在的各種問題，本文提出了一種新型物聯網智能物流終端IFLT，IFLT更適合付費用戶在高效、精準、安全、私密的環境下使用。為了提供更可靠的服務，物聯網服務模塊和設備之間的可靠通信是必不可少的。因此，系統中的IFB基于無線網進行通信，數據交換和服務會在任何時間、任何位置無縫地進行，確保通信的可靠性。另外，應用于私密環境的智能物流終端要求實時在線，整個系統的能耗較大，為了解決此問題，IFB進行節能設計來降低能耗并延長系統使用壽命［5］。

3智能物流終端系統架構

IFLT的體系結構(如圖1所示)，分為用戶數據管理模塊和智能終端服務模塊兩大部分。IFB一般需要安裝在消費者住所入戶門附近，這樣可以最大程度地保證用戶的使用方便性、安全性和私密性。IFB之間的交換信息和與服務器交換信息都可以通過無線通信進行。圖1

3．1用戶數據管理模塊

用戶管理服務模塊負責物流終端快遞信息和在用戶管理服務模塊中已注冊的用戶信息、用戶物流快遞量信息、用戶終端使用區域、終端的存儲和分類、最終的收費管理服務等。物理層完成數據收集工作，包括無源RFID標簽、讀寫器、稱重傳感器、溫濕度傳感器等設備的數據收集。中間件層是RFID讀寫器、稱重傳感器、溫濕度傳感器與智能終端服務模塊之間的接口，提供必要的基礎服務，并銜接應用系統的各個部分。中間件層被視為中樞神經系統，方便管理服務提供商與RFID讀寫器和稱重傳感器建立快速連接。中間件層基于管理模塊中的服務器與服務模塊中的IFB之間的協作，路由器充當分布式服務器，在補充增加IFB數量時彌補集中式服務器的不足。中間件層通過分別對來自讀寫器和傳感器的數據進行分組和過濾，來降低了智能物流終端管理系統應用程序需要處理的信息量［6］。用戶管理模塊中間件層由服務管理、維護管理和收費管理三個部分組成。1)服務管理中間件包括維護用戶信息的用戶信息接口、提供移動服務的服務提供商、統計信息的數據分析接口、快件管理接口、RFID卡管理接口。2)維護管理中間件包括IFB設備信息管理接口、IFB設備狀態管理接口、IFB設備通信管理接口。維護管理中間件會根據管理策略分析每個IFB的資源分配狀態，并給出處理方案。3)收費管理中間件負責IFB收費過程的相關信息，包括收費協議接口、收費信息的安全管理接口。

3．2智能終端服務模塊

智能終端服務模塊負責與IFB快件投遞相關的所有信息，包括每個IFB擁有的物流終端量、IFB狀態信息、IFB故障信息、處理快件的收費服務。用戶使用專用的RFID用戶標簽接近IFB配套讀寫器，IFB會對用戶進行身份驗證并打開物流智能終端相應的存儲終端門。之后，系統會根據重量傳感器來確定用戶是否取走全部快件，以及快件的重量狀態信息。當用戶取走快件并關閉快遞箱門的同時，IFB將收集到的有關用戶及其物流終端狀態信息發送到服務模塊。智能終端的網絡拓撲結構(如圖2所示)，IFB通過無線網交換終端容量、電池壽命和駐留信息等。圖2智能終端的網絡拓撲結構智能終端服務模塊包括數據訪問層和用戶界面層。數據訪問層由數據庫和應用程序組成，這些應用程序允許快遞服務商創建RFID和傳感器的相關“事件”。該層與數據庫進行交互，并包括使用MySQL和自定義數據(即用戶信息)的數據查詢/加載方法，這些數據將呈現給快遞管理服務提供者以實現快速準確的快遞投遞［7］。

4系統應用

4．1基于事件的智能物流終端

用戶使用的便利性是IFB提供服務的重點。為了服務的連續性和用戶的便利性，IFB會智能地檢測快遞箱容量、使用狀態、通信狀態、電源故障等問題，并通過信息共享進行快速處理。另外，為了保證一個區域內的IFB的可靠性和及時性，需要設立區域內信息收集智能終端CIFB。CIFB在收集其信息后分析并管理該區域中的其他IFB，當CIFB在智能快遞終端發生空間告急情況時，智能檢測周邊IFB狀態，選擇在位置和空間最合理的IFB進行備用存儲。如果發生通信問題時，為了提高通信可靠性，CIFB會將其權限委派給另一個IFB。在智能生鮮物流終端中，電源和通信問題是至關重要的。IFLT可以在這些事件發生時進行預警，此時，如果IFB的無法進行正常的數據交換，可以通過傳感器判定是系統故障還是電源問題。如果是電源問題，CIFB接收到狀態信息，然后檢查同一區域內的其他IFB。CIFB向IFLT發送消息和其他IFB的狀態信息，IFLT服務器更新數據庫內容，同時向區域內的快遞員、用戶、管理員發送提示短信，進而采取相應的補救措施。如果發生通信問題，IFB之間通信時可以檢測到該問題，然后通過CIFB向服務器報告該通信問題。如果是CIFB發生通信問題，則應該把權限委托給另一個IFB。可以通過區域內不同的IFB定期向在CIFB發送數據來確認狀態，如IFB在某時間段內未檢測到CIFB發來的消息，可確認發生通信問題。檢測到問題的IFB向服務器發送報告，服務器計算同一區域中其他IFB的可用狀態，并將權限委托給新的CIFB。

4．2生鮮快件的監測

IFB中的溫濕度傳感器對快遞箱內的溫度、濕度等相關數據進行分時采集，相關數據信息發送到服務器，據此實現對快遞箱內生鮮快件所處的溫濕度進行數據信息采集、監控、預警。服務器根據獲得的溫濕度數據和《食品安全國家標準》中生鮮產品的最佳儲藏溫濕度值對生鮮快件隨著時間而產生的影響進行評估，并會生成相應信息發送給用戶。這樣既可提醒用戶及時收起快遞，也能較好地對生鮮快件投遞過程中的責任進行劃分。此類信息均可以通過單片機自動按照指令采集，同時單片機還把數據通過無線網絡傳輸到服務器。采集流程如圖3所示。

4．3智能物流終端的收費策略

IFLT系統是針對付費用戶提供服務的，這類用戶對服務質量要求較高，特別是在購買昂貴快件和生鮮快件時，對于取件的便利性、安全性和隱私性要求較高，對于費用并不會太敏感。IFLT系統采用用戶為本的收費政策，代替過去的簡單計件收費方式。自適應收費策略的基本思想是:把快件分為標準快件、生鮮快件、特殊快件。每類快件還有不同的細分種類，按照種類的不同進行收費，提高服務質量和用戶體驗。IFB在租用時基準費率為每月基本收費，最終收費會按照細分種類表計件進行。當然最終費用也會隨著快遞量和用戶使用情況進行調整。

4．4快遞投遞路徑與數量優化

在以快遞員為核心的快件投遞過程中，快遞員往往是在不了解用戶是否可以接收快遞的情況下，沿固定路線行駛，采用“碰運氣”的方式進行投遞，效率極低，還容易讓用戶體驗不佳。IFLT系統設計了快捷路線來提高快件投遞的效率，通過監測IFB狀態來建立一個高效的物流終端投遞系統。總體思路是:在投遞開始前，路徑規劃模塊通過網絡向服務器請求投遞路線的IFB的位置和數量等狀態信息［8－9］。研究使用百度地圖的移動應用程序對投遞路徑進行優化。移動應用程序顯示需要投遞的IFB的位置，以及基于IFB的狀態信息生成的優化投遞路徑(如圖4所示)。一般而言，快遞通常每天進行一次投遞即可，但是在快件投遞量較多的區域，投遞服務每天會進行多次。快遞員如果可以根據快件的數量，路途的遠近和快遞箱的使用情況綜合考慮，選擇更合理的路徑進行投遞服務，將會大大提高工作效率。式中:Nt為每小時智能快遞柜容量;∑Nn為快遞柜剩余總量;E為快遞箱使用頻率。公式是關于物流終端投遞時間間隔，以平均每天快遞柜收費量為基礎，計算快遞柜投遞量［10］。因此，IFLT根據每天的快件數量和物流終端使用情況調整快件投遞方案。

5系統實現

5．1系統測試

儲物空間的尺寸和所占比例是目前業界的一個難題，本研究假設儲物空間都是一樣大的。IFB儲物終端的儲物空間包括數據采集的硬件部分和數據處理的軟件部分，硬件部分由RFID讀寫模塊、稱重傳感器、溫濕度傳感器、條形碼掃描模塊、GSM通信模塊、STM32主控系統、系統接口、驅動電機、LCD觸屏顯示、供電模塊幾部分組成。快遞員通過專用RFID讀寫模塊進行快件存取操作，此時驅動電機打開存儲柜門，測量快件重量的稱重傳感器位于每個IFB儲物空間的底部。當放入快件的同時，稱重傳感器測量快件初始值，并根據需要通過系統接口將結果發送到主控系統和觸屏顯示器。此外，該系統接口還管理IFB中的所有操作，包括分析來自RFID讀寫器的輸入數據，驅動電機打開或關閉終端箱蓋。條形碼掃描模塊用于快遞員獲取單號，并在快件存入快遞箱時由GSM模塊產生對應的取件信息，同時發送給取件用戶和后臺服務器保存。智能終端的IFB結構如圖5所示。目前還沒有條件大規模布置IFLT系統，所以本文選擇將IFB設置在汾東教育園區的學生公寓和學校出入口附近，通常是將IFB放置在常規物流終端箱所在的位置附近(見圖6)，即可執行系統實施。IFLT為每個用戶的基本服務和RFID卡提供了ID和密碼。用戶包括管理員、快遞員和用戶。管理員擁有大部分的權限，可以查看每個IFB的狀態和時間日志，進行用戶注冊和管理，并對信息進行分類。快遞員可以查看快件信息、用戶狀態和路徑規劃模塊。用戶能查閱快遞柜的快遞量、付費信息、快遞狀態等。當IFB的容量達到臨界值時，或者出現狀態異常，快遞員可以及時檢查快遞柜的狀態并收到通知，如果生鮮快件即將度過最佳接收期，用戶也會收到通知。路徑規劃模塊可以作為快遞員投遞時路徑選擇的參考。

5．2實驗結果

(1)系統的安全性。在IFLT系統中，安全與隱私可以得到很好的保證。首先快遞箱的安裝位置和使用方法確保了用戶和快件的安全與隱私保護性。其次，快遞員只能掌握快件的基本情況，并選擇投遞時間及路徑，對快件的其他情況無從了解。另外，從物聯網的應用安全角度看，快件標簽、IFB讀寫器、后端無線通信安全存在脆弱性，所以研究采用了無源標簽，成本低、內存量少，標簽中保留的信息僅為標簽ID。當快件放入快遞柜時，讀寫器才會感應并讀取和記錄快件標簽ID，在這種接近情況和移動環境下，沒有足夠空間攔截標簽和閱讀器之間的通信。即使被入侵者攔截并獲取了標簽ID，由于無法獲得進一步信息，也可保護用戶信息的安全與隱私。(2)快件收發效率和用戶使用的滿意度。為了評估IFLT系統性能和應用價值，研究通過快件投遞數量，快件投遞服務質量和用戶滿意度三個參數進行數據統計分析。投遞數量按照每月總量統計，服務質量按照投遞成功的快件總量統計，用戶滿意度綜合投遞質量和用戶調查統計。如前所述，本文在汾東教育園區的三所高校部署了11個IFB，并進行了5個月的試運行，面向用戶的自適應收費策略也已應用于IFLT。表1顯示了每月快遞的物流終端量及根據物流終端量的使用滿意度情況，最初由于操作陌生和經驗不足，第1個月的滿意度較低。自第二個月起，隨著不斷地使用和摸索，滿意度顯著上升，并在之后兩個月達到了較高水平。本系統是專門為生鮮類快遞進行設計的，便利性和高效性帶來的用戶滿意度是一個非常重要的指標。本文使用問卷調查的方式，來了解用戶的使用體驗，基本達到了預期的效果，通過增加的快遞量和滿意度較為準確地顯示了IFLT的性能。

6結語

本文提出了一種新零售模式下的物聯網生鮮快遞終端系統。區別于普通的快遞終端系統，IFLT系統在快遞昂貴物品或生鮮產品時可以滿足用戶對快遞服務的安全和隱私性需求。系統中的IFB是將每個存儲箱中投遞的快件信息傳輸到服務器的集中式結構，另外，CIFB的設計提高了每個IFB的能源效率。本系統為了快件投遞服務質量的可持續發展，采用以用戶為導向的適應性收費政策，并提供基于網絡的服務，以提高處理和投遞過程的效率。本文在汾東教育園區進行了為期5個月的試點，并對結果進行了驗證。該系統可提高約25百分點的快件收發效率，用戶滿意度較高，有望以此解決貴重快件的安全性和生鮮快件的投遞難題。

作者：李曉茹 江河 顧君忠 單位：太原學院計算機科學與工程系 華東師范大學計算機科學技術系