物联网智能生鲜物流终端设计研究

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摘要：新零售模式在物流“最后一公里”的解决上并不完美，精确的物流管理已经成为研究的热点。提出一种新零售模式下的智能生鲜物流终端系统。研究将智能物流终端中的快递收发抽象为多主体模型，引入用户付费的快递服务过程，确保物流终端在消耗最小能量的同时，保持对生鲜快件状态的有效监测，并及时反馈给用户。此外，根据智能物流终端更新的数据，系统可以确定快件优化投递路线。实验结果表明，智能生鲜物流终端系统能够提高快件收发效率并改善用户体验。

关键词：物联网；传感器；智能物流终端；生鲜快件；RFID

新零售的概念对目前的供应链和销售渠道都有变革性的影响，“以人为本，智慧服务”是新零售的基本原则，强调商品销售各阶段的变革要以消费者为核心［1］。高效的智能快递柜是新零售最为重要的环节，消费者对于商品流通最直观的感受来自于收发快件的便捷与效率。因此，本文提出了一种系统，不仅具有高效的快件收发功能，而且侧重于对生鲜快件的状态监测，并把状态信息及时反馈给用户，保证了生鲜快件的品质。此外，为了保证快件送达的及时性，研究根据决策算法确定快件投递的优化路线。当然，高效、安全、便捷的服务需要收费来保持可持续性发展，研究还以用户使用频率为基准进行尝试性收费。通过一段时间的实际使用和用户问卷调查结果，验证了本系统能够改善和优化用户快递收发效率，为付费的快递用户带来了实质性的好处。

1背景

物联网(IoT)正在以迅猛的速度在各个领域进行社会革新。物联网通过互联网将物理设备或虚拟设备连接起来执行传感、数据收集、数据存储、数据处理［2］。物联网服务具有很多优点，新零售与物联网的结合应用也已成为各界非常感兴趣的问题。传统快递柜在快件分类方面存在处理不当和管理系统效率低下等问题，这些对于解决新零售模式下的物流“最后一公里”问题造成了极大障碍。为了解决这些问题，本研究提出了一种基于物联网技术的智能生鲜快递终端系统(Intelligentfreshexpressterminalsystem，IFLT)，该系统由智能生鲜快递箱(Intelligentfreshexpressbox，IFB)、路由器和服务器组成。服务器收集并分析IFB的状态信息和RFID读写器收集的用户信息，每个IFB都起着收发快件的作用，并通过无线通信方式执行各种操作来解决用户的便利性。系统的应用，不仅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鲜快件的快速配送。另外，对于用户的安全与隐私也有较好保护。

2研究现状

在现有的物流终端管理中，无论从管理方式还是盈利手段来看，都存在不可持续发展的问题。用户体验较差、使用效率较低、无法满足用户的个性要求等是比较突出的问题。例如:快递柜的内部结构无法满足不同类型快件的存放，贵重商品的安全性和生鲜快件的及时性无法保证，另外快递柜的盈利模式也不成熟，对于不同消费人群没有合理划分。物联网的信息获取可以利用RFID技术进行设备的识别和跟踪以及存储设备信息来实现。现有利用RFID技术的物流终端系统中，系统复杂的处理过程会使系统延迟并产生错误，导致用户的最终体验不佳［3］。另外，基于RFID的物流终端系统只能进行简单的信息获取和物流管理，对于个性化的服务完全无法胜任，从而给用户带来进一步的不便［4］。为了解决现有的物流终端系统中存在的各种问题，本文提出了一种新型物联网智能物流终端IFLT，IFLT更适合付费用户在高效、精准、安全、私密的环境下使用。为了提供更可靠的服务，物联网服务模块和设备之间的可靠通信是必不可少的。因此，系统中的IFB基于无线网进行通信，数据交换和服务会在任何时间、任何位置无缝地进行，确保通信的可靠性。另外，应用于私密环境的智能物流终端要求实时在线，整个系统的能耗较大，为了解决此问题，IFB进行节能设计来降低能耗并延长系统使用寿命［5］。

3智能物流终端系统架构

IFLT的体系结构(如图1所示)，分为用户数据管理模块和智能终端服务模块两大部分。IFB一般需要安装在消费者住所入户门附近，这样可以最大程度地保证用户的使用方便性、安全性和私密性。IFB之间的交换信息和与服务器交换信息都可以通过无线通信进行。图1

3．1用户数据管理模块

用户管理服务模块负责物流终端快递信息和在用户管理服务模块中已注册的用户信息、用户物流快递量信息、用户终端使用区域、终端的存储和分类、最终的收费管理服务等。物理层完成数据收集工作，包括无源RFID标签、读写器、称重传感器、温湿度传感器等设备的数据收集。中间件层是RFID读写器、称重传感器、温湿度传感器与智能终端服务模块之间的接口，提供必要的基础服务，并衔接应用系统的各个部分。中间件层被视为中枢神经系统，方便管理服务提供商与RFID读写器和称重传感器建立快速连接。中间件层基于管理模块中的服务器与服务模块中的IFB之间的协作，路由器充当分布式服务器，在补充增加IFB数量时弥补集中式服务器的不足。中间件层通过分别对来自读写器和传感器的数据进行分组和过滤，来降低了智能物流终端管理系统应用程序需要处理的信息量［6］。用户管理模块中间件层由服务管理、维护管理和收费管理三个部分组成。1)服务管理中间件包括维护用户信息的用户信息接口、提供移动服务的服务提供商、统计信息的数据分析接口、快件管理接口、RFID卡管理接口。2)维护管理中间件包括IFB设备信息管理接口、IFB设备状态管理接口、IFB设备通信管理接口。维护管理中间件会根据管理策略分析每个IFB的资源分配状态，并给出处理方案。3)收费管理中间件负责IFB收费过程的相关信息，包括收费协议接口、收费信息的安全管理接口。

3．2智能终端服务模块

智能终端服务模块负责与IFB快件投递相关的所有信息，包括每个IFB拥有的物流终端量、IFB状态信息、IFB故障信息、处理快件的收费服务。用户使用专用的RFID用户标签接近IFB配套读写器，IFB会对用户进行身份验证并打开物流智能终端相应的存储终端门。之后，系统会根据重量传感器来确定用户是否取走全部快件，以及快件的重量状态信息。当用户取走快件并关闭快递箱门的同时，IFB将收集到的有关用户及其物流终端状态信息发送到服务模块。智能终端的网络拓扑结构(如图2所示)，IFB通过无线网交换终端容量、电池寿命和驻留信息等。图2智能终端的网络拓扑结构智能终端服务模块包括数据访问层和用户界面层。数据访问层由数据库和应用程序组成，这些应用程序允许快递服务商创建RFID和传感器的相关“事件”。该层与数据库进行交互，并包括使用MySQL和自定义数据(即用户信息)的数据查询/加载方法，这些数据将呈现给快递管理服务提供者以实现快速准确的快递投递［7］。

4系统应用

4．1基于事件的智能物流终端

用户使用的便利性是IFB提供服务的重点。为了服务的连续性和用户的便利性，IFB会智能地检测快递箱容量、使用状态、通信状态、电源故障等问题，并通过信息共享进行快速处理。另外，为了保证一个区域内的IFB的可靠性和及时性，需要设立区域内信息收集智能终端CIFB。CIFB在收集其信息后分析并管理该区域中的其他IFB，当CIFB在智能快递终端发生空间告急情况时，智能检测周边IFB状态，选择在位置和空间最合理的IFB进行备用存储。如果发生通信问题时，为了提高通信可靠性，CIFB会将其权限委派给另一个IFB。在智能生鲜物流终端中，电源和通信问题是至关重要的。IFLT可以在这些事件发生时进行预警，此时，如果IFB的无法进行正常的数据交换，可以通过传感器判定是系统故障还是电源问题。如果是电源问题，CIFB接收到状态信息，然后检查同一区域内的其他IFB。CIFB向IFLT发送消息和其他IFB的状态信息，IFLT服务器更新数据库内容，同时向区域内的快递员、用户、管理员发送提示短信，进而采取相应的补救措施。如果发生通信问题，IFB之间通信时可以检测到该问题，然后通过CIFB向服务器报告该通信问题。如果是CIFB发生通信问题，则应该把权限委托给另一个IFB。可以通过区域内不同的IFB定期向在CIFB发送数据来确认状态，如IFB在某时间段内未检测到CIFB发来的消息，可确认发生通信问题。检测到问题的IFB向服务器发送报告，服务器计算同一区域中其他IFB的可用状态，并将权限委托给新的CIFB。

4．2生鲜快件的监测

IFB中的温湿度传感器对快递箱内的温度、湿度等相关数据进行分时采集，相关数据信息发送到服务器，据此实现对快递箱内生鲜快件所处的温湿度进行数据信息采集、监控、预警。服务器根据获得的温湿度数据和《食品安全国家标准》中生鲜产品的最佳储藏温湿度值对生鲜快件随着时间而产生的影响进行评估，并会生成相应信息发送给用户。这样既可提醒用户及时收起快递，也能较好地对生鲜快件投递过程中的责任进行划分。此类信息均可以通过单片机自动按照指令采集，同时单片机还把数据通过无线网络传输到服务器。采集流程如图3所示。

4．3智能物流终端的收费策略

IFLT系统是针对付费用户提供服务的，这类用户对服务质量要求较高，特别是在购买昂贵快件和生鲜快件时，对于取件的便利性、安全性和隐私性要求较高，对于费用并不会太敏感。IFLT系统采用用户为本的收费政策，代替过去的简单计件收费方式。自适应收费策略的基本思想是:把快件分为标准快件、生鲜快件、特殊快件。每类快件还有不同的细分种类，按照种类的不同进行收费，提高服务质量和用户体验。IFB在租用时基准费率为每月基本收费，最终收费会按照细分种类表计件进行。当然最终费用也会随着快递量和用户使用情况进行调整。

4．4快递投递路径与数量优化

在以快递员为核心的快件投递过程中，快递员往往是在不了解用户是否可以接收快递的情况下，沿固定路线行驶，采用“碰运气”的方式进行投递，效率极低，还容易让用户体验不佳。IFLT系统设计了快捷路线来提高快件投递的效率，通过监测IFB状态来建立一个高效的物流终端投递系统。总体思路是:在投递开始前，路径规划模块通过网络向服务器请求投递路线的IFB的位置和数量等状态信息［8－9］。研究使用百度地图的移动应用程序对投递路径进行优化。移动应用程序显示需要投递的IFB的位置，以及基于IFB的状态信息生成的优化投递路径(如图4所示)。一般而言，快递通常每天进行一次投递即可，但是在快件投递量较多的区域，投递服务每天会进行多次。快递员如果可以根据快件的数量，路途的远近和快递箱的使用情况综合考虑，选择更合理的路径进行投递服务，将会大大提高工作效率。式中:Nt为每小时智能快递柜容量;∑Nn为快递柜剩余总量;E为快递箱使用频率。公式是关于物流终端投递时间间隔，以平均每天快递柜收费量为基础，计算快递柜投递量［10］。因此，IFLT根据每天的快件数量和物流终端使用情况调整快件投递方案。

5系统实现

5．1系统测试

储物空间的尺寸和所占比例是目前业界的一个难题，本研究假设储物空间都是一样大的。IFB储物终端的储物空间包括数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分，硬件部分由RFID读写模块、称重传感器、温湿度传感器、条形码扫描模块、GSM通信模块、STM32主控系统、系统接口、驱动电机、LCD触屏显示、供电模块几部分组成。快递员通过专用RFID读写模块进行快件存取操作，此时驱动电机打开存储柜门，测量快件重量的称重传感器位于每个IFB储物空间的底部。当放入快件的同时，称重传感器测量快件初始值，并根据需要通过系统接口将结果发送到主控系统和触屏显示器。此外，该系统接口还管理IFB中的所有操作，包括分析来自RFID读写器的输入数据，驱动电机打开或关闭终端箱盖。条形码扫描模块用于快递员获取单号，并在快件存入快递箱时由GSM模块产生对应的取件信息，同时发送给取件用户和后台服务器保存。智能终端的IFB结构如图5所示。目前还没有条件大规模布置IFLT系统，所以本文选择将IFB设置在汾东教育园区的学生公寓和学校出入口附近，通常是将IFB放置在常规物流终端箱所在的位置附近(见图6)，即可执行系统实施。IFLT为每个用户的基本服务和RFID卡提供了ID和密码。用户包括管理员、快递员和用户。管理员拥有大部分的权限，可以查看每个IFB的状态和时间日志，进行用户注册和管理，并对信息进行分类。快递员可以查看快件信息、用户状态和路径规划模块。用户能查阅快递柜的快递量、付费信息、快递状态等。当IFB的容量达到临界值时，或者出现状态异常，快递员可以及时检查快递柜的状态并收到通知，如果生鲜快件即将度过最佳接收期，用户也会收到通知。路径规划模块可以作为快递员投递时路径选择的参考。

5．2实验结果

(1)系统的安全性。在IFLT系统中，安全与隐私可以得到很好的保证。首先快递箱的安装位置和使用方法确保了用户和快件的安全与隐私保护性。其次，快递员只能掌握快件的基本情况，并选择投递时间及路径，对快件的其他情况无从了解。另外，从物联网的应用安全角度看，快件标签、IFB读写器、后端无线通信安全存在脆弱性，所以研究采用了无源标签，成本低、内存量少，标签中保留的信息仅为标签ID。当快件放入快递柜时，读写器才会感应并读取和记录快件标签ID，在这种接近情况和移动环境下，没有足够空间拦截标签和阅读器之间的通信。即使被入侵者拦截并获取了标签ID，由于无法获得进一步信息，也可保护用户信息的安全与隐私。(2)快件收发效率和用户使用的满意度。为了评估IFLT系统性能和应用价值，研究通过快件投递数量，快件投递服务质量和用户满意度三个参数进行数据统计分析。投递数量按照每月总量统计，服务质量按照投递成功的快件总量统计，用户满意度综合投递质量和用户调查统计。如前所述，本文在汾东教育园区的三所高校部署了11个IFB，并进行了5个月的试运行，面向用户的自适应收费策略也已应用于IFLT。表1显示了每月快递的物流终端量及根据物流终端量的使用满意度情况，最初由于操作陌生和经验不足，第1个月的满意度较低。自第二个月起，随着不断地使用和摸索，满意度显著上升，并在之后两个月达到了较高水平。本系统是专门为生鲜类快递进行设计的，便利性和高效性带来的用户满意度是一个非常重要的指标。本文使用问卷调查的方式，来了解用户的使用体验，基本达到了预期的效果，通过增加的快递量和满意度较为准确地显示了IFLT的性能。

6结语

本文提出了一种新零售模式下的物联网生鲜快递终端系统。区别于普通的快递终端系统，IFLT系统在快递昂贵物品或生鲜产品时可以满足用户对快递服务的安全和隐私性需求。系统中的IFB是将每个存储箱中投递的快件信息传输到服务器的集中式结构，另外，CIFB的设计提高了每个IFB的能源效率。本系统为了快件投递服务质量的可持续发展，采用以用户为导向的适应性收费政策，并提供基于网络的服务，以提高处理和投递过程的效率。本文在汾东教育园区进行了为期5个月的试点，并对结果进行了验证。该系统可提高约25百分点的快件收发效率，用户满意度较高，有望以此解决贵重快件的安全性和生鲜快件的投递难题。

作者：李晓茹 江河 顾君忠 单位：太原学院计算机科学与工程系 华东师范大学计算机科学技术系