基于光伏- 溫差發(fā)電驅(qū)動狀態(tài)云監(jiān)測的恒溫冷鏈寄遞包裝盒設(shè)計(jì)研究

朱建偉

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

1 研制背景及意義

數(shù)字經(jīng)濟(jì)背景催生了電商網(wǎng)購業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長，人民美好生活需要使冷鏈產(chǎn)業(yè)鏈呈現(xiàn)美好前景。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部及智研咨詢數(shù)據(jù)分析，我國生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流規(guī)模由2015 年的10152 億元增至2020 年的12910 億元，冷鏈物流規(guī)模由2015 年的1800 億元增至2020 年的40150 億元，2019 年冷鏈物流中果蔬、肉制品、水產(chǎn)品占60%以上。人民群眾食品安全意識顯著增強(qiáng)，對流通安全愈加關(guān)注，冷鏈物流的服務(wù)水平和質(zhì)量成為社會持續(xù)關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。

冷鏈的核心不是“冷”，而是相對“恒溫”。冷鏈物流商品具有品類多、短保、易損腐的特性，因此對倉儲、運(yùn)輸中的溫度有著不同的恒溫要求。如速凍肉類等需要在-18℃～-25℃的冷凍環(huán)境下運(yùn)輸,溫度過低會造成細(xì)胞液大量流失，影響食品原有的鮮度和風(fēng)味；溫度過高會造成大量細(xì)菌、酵母菌和霉菌等的生長和繁殖，加速肉食品的變質(zhì)和腐爛。蔬菜、水果和花卉等需要在2℃～8℃的冷藏環(huán)境下運(yùn)輸，溫度過高會導(dǎo)致水分流失、過熟，加速變質(zhì)；溫度過低會使產(chǎn)品細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生酶促褐變導(dǎo)致其表面發(fā)黑變暗，出現(xiàn)“凍傷”。巧克力和糖果等需要在15℃～20℃的恒溫環(huán)境下運(yùn)輸，溫度過高會導(dǎo)致此類商品融化，極大地降低口感；溫度過低會使巧克力和糖果失去原來的醇厚香味和口感，且易于細(xì)菌的生長繁殖，容易發(fā)霉變質(zhì)。因此，維持恒溫對于冷鏈商品保質(zhì)具有重要意義[2]。

然而，當(dāng)前冷鏈物流行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度低、脫冷或偽冷鏈現(xiàn)象嚴(yán)重。第一，冷鏈物流運(yùn)輸過程缺少狀態(tài)監(jiān)測，而物流企業(yè)為了節(jié)省成本，往往會在運(yùn)輸過程忽略持續(xù)供冷，造成物流過程中的冷鏈“斷鏈”無法保證冷鏈運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)“恒溫”。第二，冷鏈商品常常依靠內(nèi)部的冷袋來維持冷藏效果，冷袋制冷效果會隨時(shí)間持續(xù)降低，運(yùn)輸商品內(nèi)部的恒溫狀態(tài)極易受到破壞，而冷鏈運(yùn)輸過程和終端配送環(huán)節(jié)缺少必要的恒溫控制系統(tǒng)。第三，現(xiàn)有冷藏車多為配備冷柜的大型運(yùn)輸車，靈活性差，不適宜新零售浪潮下種類繁多的小規(guī)模冷鏈商品的運(yùn)輸配送。冷鏈運(yùn)輸過程狀態(tài)監(jiān)測及恒溫控制的問題亟待解決[3]。

2 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)文為實(shí)現(xiàn)冷鏈物流運(yùn)送周期內(nèi)生鮮保鮮狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計(jì)了保鮮狀態(tài)智能云監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的自供電設(shè)計(jì)了光伏發(fā)電- 半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊；為實(shí)現(xiàn)冷鏈寄遞包裝盒的可循環(huán)使用選用了性能優(yōu)良的ABS 塑料材質(zhì)作為外殼材料；為最大程度降低物流運(yùn)輸中的能量損失選擇在內(nèi)壁選擇貼附隔熱鋁箔+高硅氧耐火纖維布作為保溫隔熱材料，起到了阻燃、隔熱保溫的作用；考慮到運(yùn)輸過程中會出現(xiàn)物流延誤等突發(fā)情況設(shè)計(jì)了恒溫控制模塊，最大程度的保障了物流運(yùn)輸過程中冷鏈寄遞食品的質(zhì)量。

2.1 系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)主要由外包裝，內(nèi)壁保溫層，充氣緩沖氣囊，保鮮狀態(tài)智能云監(jiān)測系統(tǒng)、光伏- 半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)組成。作品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1，寄遞包裝盒云監(jiān)測系統(tǒng)及恒溫控制系統(tǒng)模塊硬件原理框圖如圖2 所示。

圖1 冷鏈寄遞包裝盒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2 冷鏈寄遞包裝盒云監(jiān)測系統(tǒng)及恒溫控制系統(tǒng)模塊硬件原理框圖

2.2 材料選擇

本包裝盒外殼材料選用了ABS 塑料材質(zhì)。ABS 塑料化學(xué)性能穩(wěn)定，具有很好的低溫抗沖擊性能，采用該種材料作為外包裝可滿足冷鏈長距離運(yùn)輸?shù)牡蜏丨h(huán)境要求，可克服快件運(yùn)輸、派送過程的各類物理機(jī)械碰撞。同時(shí)由于該材料具有易加工成型的特點(diǎn)，可針對當(dāng)前冷鏈快件數(shù)量需求龐大的現(xiàn)狀，較易地實(shí)現(xiàn)大批量化生產(chǎn)，是生產(chǎn)冷鏈寄遞包裝盒外殼的理想材料。本包裝盒內(nèi)壁選用隔熱鋁箔+高硅氧耐火纖維布作為內(nèi)壁保溫隔熱材料。

3 電路設(shè)計(jì)

本冷鏈寄遞包裝盒電路設(shè)計(jì)主要包括光伏發(fā)電- 半導(dǎo)體溫差發(fā)電電路和保鮮狀態(tài)智能云監(jiān)測系統(tǒng)電路及恒溫控制系統(tǒng)三部分。

光伏電池發(fā)電是利用光射入半導(dǎo)體所引起的光電效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)配備太陽能充電電池與溫差發(fā)電電路實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。太陽能充電板為鋰電池充電電路提供能量輸入, 考慮到太陽能電板的輸出電壓會隨光強(qiáng)度不同而變化，在設(shè)計(jì)時(shí)采用降壓穩(wěn)壓模塊以保證了充電電壓的穩(wěn)定[4]。半導(dǎo)體溫差發(fā)電電路由溫差發(fā)電模塊、穩(wěn)壓模塊和充電模塊三部分組成。將半導(dǎo)體溫差發(fā)電片嵌入箱體壁面，包裝盒內(nèi)外環(huán)境溫差使半導(dǎo)體發(fā)電片產(chǎn)生電勢實(shí)現(xiàn)保鮮狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的供電[5]，半導(dǎo)體溫差發(fā)電電路設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 半導(dǎo)體溫差發(fā)電電路設(shè)計(jì)

溫差發(fā)電是利用塞貝克效應(yīng)（seebeck effect）把熱能轉(zhuǎn)化為電能。選用一定數(shù)量的SP1848-27145 半導(dǎo)體溫差發(fā)電片串聯(lián)構(gòu)成半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊。穩(wěn)壓模塊選用美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路LM317，在合適的電壓范圍內(nèi)，可使溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生的電壓得到良好的穩(wěn)定效果。本設(shè)計(jì)采用TP4056 充電管理模塊，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試鋰電池輸出電壓是3.7V，而整個(gè)保鮮狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)需要電壓是5V，因此設(shè)計(jì)文選用DC-DC 升壓模塊將0.9V-5V范圍輸入電壓升至5V-12V，完全滿足了保鮮狀態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)的用電需求[6]。

保鮮狀態(tài)智能云監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路主要包括單片機(jī)、溫濕度傳感器、液晶顯示器、報(bào)警器ATK-M751 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊5 部分，其核心部件為ATK-M751 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)采集記錄冷鏈物流運(yùn)輸全過程箱體內(nèi)部溫度、濕度狀態(tài)參數(shù)。該系統(tǒng)配備一張開通GPRS 功能的SIM卡，通過數(shù)據(jù)流量將溫濕度數(shù)據(jù)按照設(shè)置間隔自動實(shí)時(shí)上傳至遠(yuǎn)端服務(wù)器，可遠(yuǎn)程在線設(shè)置設(shè)備終端參數(shù)（設(shè)備記錄間隔，上傳間隔，報(bào)警間隔，報(bào)警上下限，關(guān)機(jī)，校準(zhǔn)時(shí)間），遠(yuǎn)端服務(wù)器支持固定IP 和DNS 兩種方式[7]。用戶消費(fèi)者、冷鏈電商、物流調(diào)度均可通過網(wǎng)頁/微信/手機(jī)APP 登錄云平臺，隨時(shí)訪問查看、分析冷鏈寄遞商品狀態(tài)，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置報(bào)警的上下限，系統(tǒng)會識別顯示超限數(shù)值記錄，可在數(shù)據(jù)超限后發(fā)送提醒短信。

恒溫控制系統(tǒng)主要由STM32F4 微控制器及其最小系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)可在冷鏈寄遞箱內(nèi)部溫濕度超出預(yù)設(shè)值時(shí)通過控制制冷/制熱、加濕器工作來實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)溫濕度的調(diào)節(jié)響應(yīng)。制冷制熱模塊基于帕爾帖效應(yīng)設(shè)計(jì)而成，模塊核心部件為半導(dǎo)體制冷片,既可用來制冷又可通過改變電流方向作制熱用。由于制冷/制熱響應(yīng)負(fù)載額定工作電流和電壓較高，不能直接由控制器直接控制，本設(shè)計(jì)文加設(shè)了繼電器模塊，通過STM32F4 控制繼電器的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片的控制。實(shí)際生產(chǎn)制造時(shí)可根據(jù)箱體不同規(guī)格相應(yīng)的改變制冷片的數(shù)量。半導(dǎo)體制冷片的實(shí)際工作電流為7A，實(shí)際工作電壓是12V，能在小范圍的空間迅速制冷，具有體積小、功率低、成本低的優(yōu)勢[8]。

4 性能分析

本包裝盒外殼采用的ABS 塑料化學(xué)性能穩(wěn)定，具有很好的低溫抗沖擊性能，很好的滿足冷鏈長距離運(yùn)輸?shù)牡蜏丨h(huán)境要求，可克服快件運(yùn)輸、派送過程的各類物理機(jī)械碰撞，可循環(huán)使用60 次以上。內(nèi)壁保溫隔熱材料選用的隔熱鋁箔+高硅氧耐火纖維布保溫效果優(yōu)良，極大程度的降低了物流運(yùn)輸過程中的包裝盒內(nèi)外的能量交換。光伏發(fā)電- 半導(dǎo)體溫差發(fā)電電路可在運(yùn)輸過程中實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和儲存，將0.9V-5V 范圍輸入電壓升至5V-12V 輸出，其蓄電池蓄能功能可保障至少96 小時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的供電需求。保鮮狀態(tài)監(jiān)控及記錄系統(tǒng)可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)運(yùn)送過程中保鮮狀態(tài)的全過程監(jiān)測及記錄反饋；恒溫控制系統(tǒng)可應(yīng)對物流延誤等突發(fā)情況實(shí)現(xiàn)恒溫控制，方便調(diào)節(jié)制冷速率，確保冷鏈?zhǔn)称吩谶\(yùn)輸全過程狀態(tài)優(yōu)良。

5 結(jié)論

本文針對當(dāng)前冷鏈物流運(yùn)輸途中冷鏈產(chǎn)品保鮮狀態(tài)監(jiān)測和恒溫控制缺失，包裝盒不可循環(huán)使用、環(huán)境污染嚴(yán)重的“痛點(diǎn)”，通過對光伏發(fā)電和溫差發(fā)電的合理設(shè)計(jì)及應(yīng)用，設(shè)計(jì)出一款可循環(huán)使用的新型冷鏈寄遞包裝盒，實(shí)現(xiàn)了“兩供電”、“兩供冷”和“云監(jiān)測”五大應(yīng)用功能。該設(shè)計(jì)以可再生能源利用為基礎(chǔ)，以5G 數(shù)據(jù)通信科技為核心，依托冷鏈數(shù)據(jù)云端布局及配送網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了冷鏈物流運(yùn)輸環(huán)境的智能溫控，保證了冷鏈物流運(yùn)輸全流程可視，可為消費(fèi)者提供高品質(zhì)、高時(shí)效的冷鏈物流服務(wù)，最大程度地保證了運(yùn)輸途中冷鏈產(chǎn)品的安全及高效物流調(diào)度，可推動形成全程溫控、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、運(yùn)行高效、安全綠色的高品質(zhì)冷鏈物流服務(wù)，有望在各冷鏈寄遞網(wǎng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全覆蓋，應(yīng)用前景廣闊，對發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、保護(hù)環(huán)境、減少碳排放意義重大。