冷鏈物流溫度實時監(jiān)測技術研究

陳進軍 花開太 梁飛 湖南現(xiàn)代物流職業(yè)技術學院

冷鏈物流溫度實時監(jiān)測技術研究

陳進軍 花開太 梁飛 湖南現(xiàn)代物流職業(yè)技術學院

為降低冷鏈物流過程中因溫度波動導致降低運貨物的品質(zhì)的風險，本文闡述了建立全程溫度實時監(jiān)測必要性，并選擇利用溫度監(jiān)測和數(shù)據(jù)實時采集、傳輸兩大核心技術實現(xiàn)冷鏈物流溫度實時監(jiān)測功能的可行性進行了探索。

冷鏈物流；溫度；實時監(jiān)測

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平提高，促進了對冷凍冷藏食品消費需求。據(jù)權威機構發(fā)布的《中國冷鏈物流行業(yè)市場前瞻與投資分析報告》顯示，2016年全國冷鏈物流市場需求將達到2200億元，同比增長22．3%，2017年中國僅生鮮電商物流行業(yè)的市場交易規(guī)模將達到434．9億元，同比增長58．6%。預計到2020年冷鏈物流市場規(guī)模有望達到4000億元。冷鏈物流行業(yè)正邁入一個爆發(fā)式的擴張階段。

冷鏈物流運輸?shù)膶ο笫嵌酁橐赘浳?，要求其在生產(chǎn)、貯藏、運輸、銷售直到消費前的各個環(huán)節(jié)中始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下，這是對冷鏈物流最基本的要求。在冷鏈運輸中，每一種貨物都有相應的最佳冷藏冷凍溫度范圍，如果溫度偏離了最佳的冷藏條件這些產(chǎn)品的品質(zhì)必將降低。從J．Rodriguez-Bermejo的研究結(jié)果可知，冷藏運輸車冷藏箱內(nèi)溫度場分布不均勻，溫度波動大，箱內(nèi)溫度差高達15℃。由于冷藏室中溫度場存在，對運輸過程中貨物在箱內(nèi)各區(qū)溫度準確測量帶來了很大的挑戰(zhàn)。

目前，在冷鏈物流運輸過程中采用的溫度測量技術較為落后、溫度監(jiān)控手段原始、信息化程度不高，無法精準做到對所裝貨物溫度的全程監(jiān)測報警，最后因溫度波動導致貨物質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)嚴重貨損的現(xiàn)象較為普遍。因此，本文主要聚焦在冷鏈物流溫度實時監(jiān)控的兩個核心技術即溫度監(jiān)測技術和數(shù)據(jù)實時采集技術，并對溫度監(jiān)測技術和數(shù)據(jù)實時采集技術在冷鏈物流中的應用進行探索，實現(xiàn)冷鏈物流中冷藏室溫度的準確測量和全程實時監(jiān)控。

1 核心技術研究

1.1 溫度監(jiān)測技術

溫度測量技術經(jīng)過長時間的研究和發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，不僅有熱電偶、熱電阻、輻射溫度計等常規(guī)的溫度測量手段，而且聲波測溫、微波測溫、薄膜測溫、光纖測溫等一系列特殊溫度測量技術也日趨成熟。針對冷鏈物流溫度測量需求的特點，目前應用前景最好的是光纖測溫技術和物體內(nèi)部溫度測量技術。光纖測溫技術因其低廉的價格優(yōu)勢，優(yōu)良的測量精度，以及較高的穩(wěn)定性等特點受到工程技術人員的認可，并成為替代當前金屬熱電偶傳感器的首選。而分布式光纖測溫系統(tǒng)主要是用于實時測量空間溫度場分布的傳感器系統(tǒng)。分布式光纖測溫系統(tǒng)將分布式的、連續(xù)的、功能型等特點整合而成的一種新型光纖溫度測量技術，為空間溫度場數(shù)據(jù)的測量提供了可能。其測量原理是利用光纖既作為測量數(shù)據(jù)的傳輸媒介，同時也是溫度測量傳感媒介，通過利用光纖后向拉曼散射得到溫度效應，可以實現(xiàn)溫度場的實時測量，同時利用光時域反射技術（OTDR）可以對測量點進行精確定位。因此分布式光纖測溫系統(tǒng)通過設布光纖，具備既能完成空間溫度測量，同時也能獲得測量溫度點的精確位置的特點，這為冷鏈物流運輸冷藏箱溫度的測量應用提供了可能。因為在冷鏈運輸?shù)倪^程中，當冷藏箱箱內(nèi)堆載貨物的時候時，就應對箱內(nèi)的溫度進行實時監(jiān)測。傳統(tǒng)的測量方法（即通過布置PT100、熱電偶等溫度傳感器測量）面對箱內(nèi)堆碼各種貨物等復雜空間條件，將導致所用傳感器器數(shù)量大、定位難，此外對貨物內(nèi)部溫度測量更是不便操作。而分布式光纖測溫系統(tǒng)卻能較為簡便實現(xiàn)。此外，現(xiàn)在無損的內(nèi)部溫度測量技術也發(fā)展迅速，其中通過建立超聲波法測量結(jié)構內(nèi)部非均勻溫度場的理論模型，利用預測結(jié)構內(nèi)部溫度場的解析方法和反演方法，能夠準確地預測結(jié)構內(nèi)部非均勻溫度場的分布狀態(tài)，并有非常好的抗噪性。

1.2 溫度場測量技術

冷鏈運輸中冷藏箱中由于堆碼貨物后，影響箱內(nèi)空氣的正常流動與傳熱，這將導致箱內(nèi)溫度分布不均的主要原因，也成為了溫度監(jiān)測與控制的難點。箱內(nèi)溫度分布不均對貨物保管品質(zhì)、能源消耗有著重要影響。盡管目前冷藏箱的設計不斷完善，對空氣疏導通道、送/回風的方式進行了優(yōu)化設計，同時對貨物包裝堆碼設定一些要求，盡量減少箱內(nèi)空氣的循環(huán)不良導致溫度的分布不均，但溫差現(xiàn)象仍然存在。對冷藏箱箱內(nèi)溫度進行實時監(jiān)測，確保箱內(nèi)任何地方的貨物溫度都正常的范圍內(nèi)，就顯得尤其重要。而分布式光纖溫度測量技術卻能較好完成對這類復雜空間的溫度實時測量。這種新型測量傳感器能很好將光柵所具備的傳輸、傳感特點融合于一體，實現(xiàn)區(qū)域的全覆蓋，利用光纖系統(tǒng)布置，獲得對區(qū)域空間的溫度場的分布。此外分布式光纖溫度測量技術因其單位信息成本顯著降低；測量范圍寬，具有高空間分辨率和高精度；在具有強電磁干擾或易燃易爆以及其他傳感器無法接近的惡劣環(huán)境下，分布式光纖溫度測量技術有無可比擬的優(yōu)點。

1.3 數(shù)據(jù)實時采集技術

基于RFID的數(shù)據(jù)采集技術：射頻識別技術即RFID(Radio Frequency Identification)，它是一種通信技術，即利用無線電信號來識別特定目標并讀取相關數(shù)據(jù)。這種新型的非接觸式識別技術，因其采用唯一的電子編碼而具有較高安全性，通過設計不同頻率來獲得快速的讀取性能、以及穿透性強和存儲空間大、在識別過程中可忽略人為因素的干擾等特點在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得廣泛使用。典型的RFID系統(tǒng)一般由RFID電子標簽、讀寫器、天線、射頻模塊以及計算機系統(tǒng)等部分組成。RFID系統(tǒng)的標簽主要由耦合元件以及內(nèi)置芯片構成，通過對標簽設計唯一的電子編碼來確保系統(tǒng)的安全性。在使用過程，一般把標簽放置被標識的目標上，通過配套的讀寫標簽的設備，將被標識的目標的所擁有的特定信息寫入標簽內(nèi)存。當要對標簽進行數(shù)據(jù)讀取時，將要通過配套的閱讀器設備，利用天線傳遞事先設置的射頻信號。在計算機相應的軟件上完成通信的判斷，如邏輯運算判斷為滿足實現(xiàn)設置的條件，則自動對標簽內(nèi)部信息的讀取、傳遞、顯示。因此，在冷鏈物流全程（冷庫、冷藏運輸車、銷售終端）中，被運輸?shù)呢浳锓謩e設置標簽，將貨物的基本信息（肉類的產(chǎn)地、重量、效期，果蔬類產(chǎn)品的產(chǎn)地目的地等）寫入內(nèi)存，為了實現(xiàn)對運輸全程的溫度的數(shù)據(jù)采集與傳輸。具體方案原理如下：系統(tǒng)通過測溫傳感器將實時采集到的數(shù)據(jù)送入電腦主機，主機再將數(shù)據(jù)寫入標簽內(nèi)存，當貨物不需轉(zhuǎn)換地點時，測溫傳感器實時數(shù)據(jù)送入電腦主機后，由主機發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)，標簽則負責保存實時最新數(shù)據(jù)。當貨物不需轉(zhuǎn)換地點時，由于測溫系統(tǒng)的變化（一般來說，冷庫、運輸車、終端的測溫系統(tǒng)都是獨立的），可以通過標簽完成溫度的上下交接，同時也能間接反映出貨物在裝卸過程溫度的變化范圍，從而實現(xiàn)全程溫度監(jiān)控。全程溫度控制不僅提高了對貨物的監(jiān)管可靠性，而且能將全程實時溫度數(shù)據(jù)進行儲存，為提高冷藏貨物的運輸質(zhì)量提供原始的數(shù)據(jù)支持。

基于傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集技術：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展與成熟，越來越多的智能化管理系統(tǒng)集成了信息的采集、傳輸技術的應用。以無線傳感器網(wǎng)絡為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術已成為當今信息采集、傳輸?shù)闹饕绞街?。一般來說，物聯(lián)網(wǎng)基本構架是由感知域（感知監(jiān)測的參數(shù)采集等內(nèi)容）、網(wǎng)絡域（傳輸數(shù)據(jù)與控制等內(nèi)容）、應用域（處理信息等功能）組成。因此它能做到對監(jiān)控對象信息進行實時采集、傳輸、處理，并將結(jié)果發(fā)送給相關管理人員。無線傳感器網(wǎng)絡、傳感器網(wǎng)絡、外部網(wǎng)絡可通過相應的通信協(xié)議實現(xiàn)信息的交換，從而實現(xiàn)不同使用者對網(wǎng)絡系統(tǒng)獲取所需信息的功能。目前而言，最新的常用多跳通訊手段有藍牙和ZigBee兩種。

藍牙（IEEE 802．15．1）是一種無線協(xié)議的短距離通信或無線PAN（個人局域網(wǎng)絡）；它使用868、915MHz和2．4GHz的無線電頻段，可以在最多八個設備之間每秒1兆的速度進行通信。藍牙設計目的主要是為了最大限度地發(fā)揮段距離特定網(wǎng)絡的通信功能，常用個人移動終端和電腦傳遞和同步數(shù)據(jù)。

ZigBee基于IEEE802．15．4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一個開放的無線網(wǎng)絡狀網(wǎng)絡技術。目前，ZigBee采用動態(tài)、自主的路由協(xié)議，基于AODV的路由技術。這種獨特的架構使ZigBee擁有近距離、低復雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率的特點。正因為ZigBee這些特點，使其主要適用于自動控制以及遠程控制領域，目的是為了滿足小型廉價設備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制，典型應用如無線傳感網(wǎng)絡，在家庭/商業(yè)自動化領域、智慧能源、健康醫(yī)療及零售等領域，ZigBee也被證明是可靠的無線網(wǎng)絡解決方案。

2 結(jié)語

近年來，隨著人們生活水平的提高，飲食結(jié)構的改善，人們對水產(chǎn)品的需求量越來越大。水產(chǎn)品流通離不開健全的冷鏈物流體系，在整個冷鏈物流體系中實時的溫度監(jiān)控發(fā)揮著舉足輕重的作用。本文著眼于冷鏈物流溫度監(jiān)控的關鍵技術，為搭建一個適合長沙市水產(chǎn)品冷鏈物流的實時溫度監(jiān)測平臺起到一定的技術指導作用。

[1]J.Rodriguez-Bermejo et al. Thermal study of a transportcontainer[J].Journal of food engineering,2007 (80):517-527.

[2]王建科,何俊發(fā)等，分布式光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].光機電信息,2005(12):34-37.

[3]楊永軍.溫度測量技術現(xiàn)狀和發(fā)展概述[J].計測技術,2009:34-36.

湖南省教育廳科學研究項目 “長沙市水產(chǎn)品冷鏈物流體系建設的若干關鍵技術研究”（項目編號：14C0812）。

陳進軍（1977-），男，湖南邵陽人，碩士，講師，研究方向：物流自動化?；ㄩ_太（1985-）男，湖南宜春人，碩士，講師，研究方向：冷鏈物流。梁飛（1982-），男，陜西商洛人，碩士，副教授，研究方向：冷鏈物流，職業(yè)教育。