冷藏集裝箱微環(huán)境檢測與控制系統(tǒng)開發(fā)*

張兵，陽軍軍，曹廣忠，張保祥，周受欽

(1.深圳大學 深圳市電磁重點控制實驗室，深圳 518052；2.深圳中集智能科技有限公司)

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冷藏集裝箱微環(huán)境檢測與控制系統(tǒng)開發(fā)*

張兵1，陽軍軍1，曹廣忠1，張保祥2，周受欽2

(1.深圳大學 深圳市電磁重點控制實驗室，深圳 518052；2.深圳中集智能科技有限公司)

摘要:分析了冷鏈物流裝備技術(shù)現(xiàn)狀，開發(fā)了一套冷藏集裝箱內(nèi)部微環(huán)境檢測與控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和微環(huán)境參數(shù)(包括溫度、濕度、通風量和氣壓)的控制方法，介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，并對系統(tǒng)參數(shù)的控制策略作了深入分析和實驗測試。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)適用于水果蔬菜類農(nóng)產(chǎn)品的遠程保鮮運輸，具有重要的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞:冷藏集裝箱；環(huán)境參數(shù)控制；溫度與濕度；氣壓；風量

引言

中國冷鏈物流裝備技術(shù)現(xiàn)狀：缺乏對農(nóng)產(chǎn)品屬性及適宜的物流特性的細致了解；物流裝備核心技術(shù)開發(fā)滯后；農(nóng)產(chǎn)品運輸裝備大多套用非生命商品的運輸技術(shù)與方法；缺乏對運輸全程的環(huán)境感知與調(diào)控。因此，造成在農(nóng)產(chǎn)品運輸過程中不能達到有效的保鮮，損失極大。在遠程運輸過程中，保持適宜、相對穩(wěn)定的溫濕度是保證鮮活的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和外觀品質(zhì)最為關(guān)鍵的兩個因素，提供合適的通風量是溫濕度快速、均勻調(diào)節(jié)的重要條件[1]。

本文開發(fā)了冷藏集裝箱微環(huán)境檢測與控制系統(tǒng)，針對不同屬性的農(nóng)產(chǎn)品均可以調(diào)控出合適的溫濕度、風量和氣壓參數(shù)，在農(nóng)產(chǎn)品運輸全過程中可以進行實時環(huán)境監(jiān)測，減少農(nóng)產(chǎn)品的損耗，達到良好的保鮮效果。

1試驗裝置及方法

冷藏集裝箱微環(huán)境檢測與控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是實現(xiàn)對冷藏箱內(nèi)部的溫度、濕度、風量和氣壓4個環(huán)境參數(shù)的感知與調(diào)控，達到對遠程運輸農(nóng)產(chǎn)品保鮮防腐的目的。圖1所示為冷藏集裝箱內(nèi)部器件安裝結(jié)構(gòu)圖，冷藏箱長14 m、寬2.2 m、高2.4 m，箱壁為約20 cm厚的夾層結(jié)構(gòu)，具有較好的保溫隔熱效果[2]。

1為超聲波加濕器水箱；2為超聲波加濕器；3、6、8、9、10、13為溫濕度傳感器；4為加濕器水霧出口；5為冷藏集裝箱；7為送風道；11為箱內(nèi)壓力傳感器；12為箱外壓力傳感器；14為壓力風機；15為除濕器；16為除濕器出風口；17為開利冷機；18、19為風量傳感器；20為開利冷機風扇出風口圖1　冷藏集裝箱內(nèi)部器件安裝結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中6路溫濕度傳感器、2路壓力傳感器和2路風量傳感器組成檢測單元,相互串聯(lián)形成RS485通信網(wǎng)絡(luò)，負責實時采集冷藏箱內(nèi)部的溫濕度、冷藏箱內(nèi)外空氣壓力和冷藏箱內(nèi)部循環(huán)風道的通風量變化信息，主控制器STM32使用串口2與傳感器通信，采用基于RS485傳輸?shù)膍odbus RTU協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸，獲取傳感器的數(shù)值。溫度調(diào)節(jié)由開利冷機完成，主控制器采用基于RS232總線的私有通信協(xié)議設(shè)置參考溫度值，通過發(fā)送冷機私有通信協(xié)議可以設(shè)定冷機溫度,獲取冷機狀態(tài)、出風口與回風口溫度；加濕器和除濕器負責冷藏箱內(nèi)部的濕度調(diào)控，主控制器通過控制兩個繼電器得電和失電來控制加濕器和除濕器的起停；兩個風機PWM調(diào)速器用來驅(qū)動兩個風機，實現(xiàn)箱內(nèi)外氣壓平衡以及空氣更新;變頻器用來驅(qū)動冷機的自帶風扇從而調(diào)節(jié)風道通風量，兩個風機PWM調(diào)速器和一個變頻器相互串聯(lián)形成RS485通信網(wǎng)絡(luò)，主控制器使用串口3與之通信，采用基于RS485傳輸?shù)腗odbus RTU協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)的設(shè)置。

圖2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的設(shè)定單元是車載通信機，負責根據(jù)運輸農(nóng)產(chǎn)品的保鮮要求下發(fā)溫濕度、氣壓和風量值，以及接收主控制采集的10路傳感器實時值。主控制器使用串口1與車載通信機通信，采用基于RS485的私有協(xié)議，通過此通信協(xié)議車載通信機可以下發(fā)參數(shù)設(shè)置命令、獲取傳感器的測量數(shù)值，在與車載通信機通信過程中，主控制器為從機，等待車載通信機的命令以決定控制操作或者返回測量數(shù)據(jù)[3]。

2系統(tǒng)控制方案

2.1溫度和濕度控制

在農(nóng)產(chǎn)品運輸過程中，溫度是能否達到保鮮效果的決定性因素[4]。傳統(tǒng)的運輸車利用冷機進行溫度控制都是采用原始的就地控制方式，只能在冷機的操作面板上進行操作，并且不能對冷機內(nèi)部的工作狀態(tài)和參數(shù)進行讀取，造成在運輸過程中溫度不能靈活調(diào)節(jié)，與其他參數(shù)的聯(lián)合調(diào)節(jié)也無法進行。本系統(tǒng)中，采用基于RS232的私有通信協(xié)議，通過發(fā)送冷機私有通信協(xié)議可以設(shè)定冷機溫度、獲取冷機工作狀態(tài)。在運輸車行駛過程中，可以直接通過車載通信機遠程設(shè)置溫度值，并且可以讀取冷機的工作狀態(tài)，為后面系統(tǒng)做濕度和風量控制提供了參考。

相對濕度是保障農(nóng)產(chǎn)品運輸品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。目前，有關(guān)農(nóng)產(chǎn)品運輸中加濕系統(tǒng)的研究和應(yīng)用較少，在有濕度調(diào)節(jié)的運輸箱體內(nèi)常采用高壓霧化和地板灑水方式加濕。相對而言，高壓霧化加濕效率較高，但是設(shè)備體積大、成本高，且噴頭易被雜質(zhì)堵塞；而地板灑水方式則存在無法控制相對濕度的不足[5]。超聲波霧化加濕由于具有成本低、液滴細小、霧化效果易控制等優(yōu)點，目前已得到較為廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)在傳統(tǒng)只具有單一超聲波加濕系統(tǒng)上添加了除濕系統(tǒng)，這樣可以使得相對濕度在0～100%之間任意可調(diào)。

合理的控制邏輯和超聲波加濕器、除濕器的結(jié)構(gòu)安裝設(shè)計均是影響濕度調(diào)節(jié)效果的關(guān)鍵因素。

由關(guān)系式ΔRH×mT=Q(其中ΔRH為相對濕度變化量、mT是溫度T下空氣中飽和水量隨溫度T的變化，Q為加(除)濕量)可知，在不同溫度下，相同的相對濕度變化量，所需要的加濕量或除濕量不同。為了減少超聲波加濕器和除濕器的工作時間，提高系統(tǒng)的工作效率，研究出了如表1所列的控制規(guī)則。

表1　濕度控制策略狀態(tài)表

如圖1所示，為了使?jié)穸日{(diào)節(jié)更快、更均勻，系統(tǒng)將除濕器的出風口延伸到冷機風扇的送風口，超聲波加濕器的水霧出口延伸至送風道距離冷機風扇出風口的3 m處，遠離風扇出風口是為了避免由于水霧出口氣體壓力過高，導致水霧無法進入送風道。

2.2風量控制

對于冷藏集裝箱微環(huán)境控制系統(tǒng)，風道的送風量也是一個很重要的參數(shù)，決定了溫濕度調(diào)節(jié)的均勻程度，能有效防止出現(xiàn)局部溫濕度參數(shù)過高或過低的情況。

系統(tǒng)中風道的送風量來源于開利冷機自帶風扇運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風量。當冷機停止工作時，冷機風扇停轉(zhuǎn)，風道沒有循環(huán)風，此時濕度調(diào)節(jié)就會出現(xiàn)加濕器附近局部滴水、濕度控制不均勻。為解決這個問題，對開利冷機風扇的供電線路進行了改造，如圖3所示。

圖3　冷機風扇供電線路圖

在冷機風扇的電源線上并聯(lián)一個三相380 V外接電源，各線路與風扇之間均接入常開繼電器，通過控制繼電器1、2的開斷交替供電?？刂破魍ㄟ^軟件查詢冷機的工作標志位，可以判斷冷機當前是工作在運轉(zhuǎn)狀態(tài)還是待機狀態(tài)。當軟件查詢到冷機工作在運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，控制器發(fā)出控制指令使繼電器1閉合、繼電器2斷開；當軟件查詢到冷機工作在待機狀態(tài)時，控制器發(fā)出控制指令使繼電器1斷開、繼電器2閉合。這樣經(jīng)過改造后，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時冷機風扇總是處在運轉(zhuǎn)狀態(tài)，解決了濕度調(diào)節(jié)局部滴水、控制不均勻的問題。

2.3氣壓控制

冷藏集裝箱內(nèi)的氣壓控制主要有兩大作用：第一，平衡冷藏集裝箱內(nèi)外氣壓，防止箱內(nèi)出現(xiàn)因發(fā)生物理反應(yīng)造成的氣壓過低或過高的現(xiàn)象；第二，保證箱內(nèi)的空氣新鮮，當檢測到箱內(nèi)的二氧化碳濃度過高時，系統(tǒng)中的進氣裝置和出氣裝置就會同時打開，進行換氣以降低二氧化碳濃度，使得農(nóng)產(chǎn)品有更好的保鮮效果。

圖4所示為氣壓控制風機、風門的安裝設(shè)計結(jié)構(gòu)圖，圖5為從單側(cè)看的氣壓調(diào)節(jié)裝置實物圖。送風或者出風調(diào)節(jié)裝置均由一個氣壓風門和風機組成，主要區(qū)別是安裝的位置剛好相反。例如，出風裝置是風機安裝在冷藏箱的內(nèi)側(cè)面，風門安裝在冷藏箱的外側(cè)面，兩個風門采用電動推桿進行推拉控制，風機采用的是PWM調(diào)速器進行調(diào)速控制。當給電動推桿反向24 V電壓時，推桿向內(nèi)收縮風門打開，同時相應(yīng)的風機啟動，進行氣壓調(diào)節(jié)；給電動推桿正向24 V 電壓時，推桿向外升風門關(guān)閉，同時相應(yīng)的風機停轉(zhuǎn)。

圖4　氣壓調(diào)節(jié)裝置安裝結(jié)構(gòu)圖

圖5　氣壓調(diào)節(jié)裝置實物圖

3實驗結(jié)果與分析

本文關(guān)于濕度控制做了加濕和除濕測試，在外界環(huán)境為10 ℃時濕度設(shè)定值為95%和外界環(huán)境為22 ℃時濕度設(shè)定值為90%進行了加濕測試，實驗數(shù)據(jù)每3 min記錄一次，實驗結(jié)果如圖6和圖7所示?？梢钥闯?，濕度的增長速度隨時間呈先增大后減小的變化趨勢，原因主要有兩點：一是加濕器在剛啟動時的加濕效率低于正常工作的加濕效率；二是冷藏箱內(nèi)循環(huán)風道的通風量在剛開始加濕時小于正常工作的通風量，造成水霧不能快速擴散。相對濕度的控制精度在±2%，符合農(nóng)產(chǎn)品運輸要求。

圖6　環(huán)境溫度為10 ℃時濕度設(shè)定95%加濕曲線

圖7　環(huán)境溫度為22 ℃時濕度設(shè)定90%加濕曲線

在環(huán)境溫度為20 ℃時，相對濕度設(shè)定為50%，對系統(tǒng)進行除濕測試，實驗數(shù)據(jù)每6 min記錄一次，實驗結(jié)果如圖8所示。除濕的時間相對于加濕時間要慢，主要是由于除濕器是靠蒸發(fā)器冷凝進行的，反應(yīng)慢，加濕使超聲波霧化效率高。

圖8　環(huán)境為20 ℃時濕度設(shè)定50%除濕曲線

在環(huán)境溫度為23 ℃時溫度設(shè)定值為10 ℃和環(huán)境溫度為28 ℃時溫度設(shè)定值為15 ℃做了兩組測試，實驗數(shù)據(jù)每3 min記錄一次，實驗結(jié)果如圖9和圖10所示。由曲

圖9　環(huán)境溫度為23 ℃時溫度設(shè)定值為10 ℃降溫曲線

圖10　環(huán)境溫度為28 ℃時溫度設(shè)定值為15 ℃降溫曲線

線圖可以看出,溫度響應(yīng)時間基本在15 min左右，控制精度為±2 ℃，能夠達到農(nóng)產(chǎn)品運輸?shù)谋ｕr要求[6]。

結(jié)語

參考文獻

[1] 趙曉峰,朱瑞祥,馬輝,等.基于ARM的農(nóng)產(chǎn)品冷藏車環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計[J] .傳感器與微系統(tǒng),2009(2):98-100.

[2] 韓小騰,陸華忠,呂恩利,等.用高壓霧化加濕系統(tǒng)濕度調(diào)節(jié)特性的試驗[J] .農(nóng)業(yè)工程學報,2011(7):332-336.

[3] 徐書芳,王金海,宮玉龍.基于RFID冷鏈運輸監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計[J] .電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(7):69-73.

[4] 楊海燕,金正濤,李偉光.大型船舶蔬菜保鮮技術(shù)研究[J] .中國水運,2009(3):6-8.

[5] 郭嘉明,呂恩利,陸華忠,等.保鮮運輸車廂用超聲波加濕裝置的設(shè)計與試驗[J] .西北農(nóng)林科技大學學報,2013(6):181-187.

[6] 肖新清,齊林,張雷,等.面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)[J] .電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(8):77-80.

張兵、陽軍軍、張保祥(碩士)，研究方向為嵌入式計算機技術(shù)；曹廣忠(教授)，研究方向為先進控制理論及其應(yīng)用、磁懸浮技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用；周受欽(教授級高級工程師)，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

Micro Environment Detection and Control System for Reefer Container

Zhang Bing1,Yang Junjun1,Cao Guangzhong1,Zhang Baoxiang2,Zhou Shouqin2

(1.Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control,Shenzhen University,Shenzhen 518052,China;

2.CIMC Intelligent Technology Co.,Ltd.)

Abstract：An internal environment detection and control system of reefer container is developed after analyzing the current situation of cold chain logistics equipment technology.The control method of the system structure and micro environmental parameters including temperature,humidity,air volume and pressure are presented,the software and hardware design are introduced,and the deep analysis and experimental measurement for the control strategy of the system parameters are carried out.The experiment results indicate that the system is suitable for the remote preservation transportation for agricultural products such as fruits and vegetables,and it has application value.

Key words:reefer container;environment parameter control;temperature and humidity;pressure;air volume

收稿日期：(責任編輯：薛士然2015-07-23)

中圖分類號:TP23

文獻標識碼:A

基金項目：*國家科技支撐計劃(2014BAH23F04)；深圳市科技計劃項目(JCYJ20140418182819160)。