基于物聯(lián)網(wǎng)的熱電制冷冷藏快遞柜的設(shè)計研究

呂艷，宋志雄，黃駿

（1.揚州市職業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇揚州，225009；2.南方科技大學(xué)，廣東深圳，518000）

1 研究背景

隨著電商產(chǎn)業(yè)在我國不斷蓬勃發(fā)展，民眾的消費需求和購物方式也隨之不斷變化，居民足不出戶便可購買各種所需商品，近年來電商領(lǐng)域不斷擴大，從最初的圖書、電器、服飾等日用品逐漸向生鮮食品領(lǐng)域蔓延。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有鮮花、生鮮食品等產(chǎn)品的冷鏈物流配送，但是由于生鮮產(chǎn)品難以保證全程所需的低溫環(huán)境，也就難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。如何低價安全高效的進行低溫冷鏈配送已成為生鮮電商發(fā)展的瓶頸[1]。目前，如何解決“最后三公里”的配送是生鮮電商亟需研究解決的問題。

由于冷鏈配送技術(shù)不夠成熟，缺少專用的冷藏運輸設(shè)備。某些冷藏快遞柜運用傳統(tǒng)制冷技術(shù)，冷藏快遞柜重量大，壓縮機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生震動，并且有制冷劑在內(nèi)運轉(zhuǎn)，有泄漏危險，易對商品產(chǎn)生損害。某些冷藏柜雖用半導(dǎo)體制冷，雖無制冷劑泄漏危險，但是仍然是一個大型的儲物箱，所有需配送的商品都堆在一個空間中，不同商品可能存在串味或相互污染的現(xiàn)象，而且為了滿足如此大型的制冷空間的半導(dǎo)體制冷器散熱問題[2]，該類冷藏柜加入冷卻水箱和冷卻盤管，存在漏水危險。

2 研究路線

為了彌補上述缺陷，需要設(shè)計出一種體積小，重量輕，容易滿足分散和小型化的要求的快遞冷藏柜。

基于物聯(lián)網(wǎng)的熱電制冷冷藏儲物柜，其沒有機械運動部分，其特點是無噪聲、無震動、使用壽命長、工作可靠性高。尤其是它不需要制冷工質(zhì)，消除了冷藏柜制冷工質(zhì)危害人體和污染環(huán)境的可能。由于它體積小、重且輕，容易滿足分散和小型化的要求，所以在醫(yī)療器械、儀器儀表和恒溫器件中得到大量應(yīng)用[3]。針對目前現(xiàn)有的儲物柜存在保存溫度不能按照商品需求個性化定制的弊端，針對種種缺陷，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于熱電制冷冷藏儲物柜。

如圖1 所示，該圖為半導(dǎo)體冷藏快遞柜運輸車模型，該車由數(shù)個小快遞柜組成，各快遞柜獨立控制，互不干擾，可根據(jù)需要指定適宜的溫度。各快遞柜由帶保溫層箱體、半導(dǎo)體制冷器、熱管散熱器、輔助排熱風(fēng)扇、箱體內(nèi)風(fēng)機、溫度傳感器、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等組成[4]。箱體用保溫性能良好XPS擠塑聚苯乙烯泡沫塑料制成，比平常運輸生鮮的EPS保溫箱保溫效果更好。為準(zhǔn)確獲取箱中的溫度狀況，在箱體上、下和前側(cè)都安裝溫度傳感器。物聯(lián)網(wǎng)傳感器貼附于箱體外。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的熱電制冷冷藏快遞柜模型圖

3 快遞柜的具體技術(shù)方案

為了解決最后三公里而設(shè)計，以冰激凌的運輸和投遞為例，軟式冰激凌的溫度在-3℃～-5℃,硬式冰激凌需要-18℃～-23℃，從物流中轉(zhuǎn)站接收到冰激凌的運輸消息開始：

如圖2所示：假設(shè)有這兩種冷藏溫度的冰激凌到達物流終點站，即將由快遞員送至顧客手中，上一站物流中轉(zhuǎn)站工作人員輸入需要存放這兩種冰激凌的溫度信息，終點站的工作人員收到信息，選擇存放合適尺寸的冰激凌的箱子及輸入需要的溫度。將此兩類信息通過控制信息服務(wù)的通信平臺，傳遞到特定的箱子上，快遞保存箱開始工作，并分別保持在-5℃和-20℃。當(dāng)冰激凌到達物流終點站，投遞到已工作的快遞柜中，保障了備運貨品品質(zhì)保障。

圖2 熱電制冷快遞柜物聯(lián)網(wǎng)信息傳遞流程圖

■ 3.1 采用半導(dǎo)體制冷裝置，輕巧便攜

本設(shè)備采用的是半導(dǎo)體熱電制冷裝置，半導(dǎo)體制冷裝置由于其體積小，質(zhì)量輕，易貼附于設(shè)備表面等優(yōu)勢使其在車載冰箱等設(shè)備上應(yīng)用及其廣泛，另外由于其不需使用制冷劑，對環(huán)境友好，也杜絕了制冷劑泄漏污染商品的可能性。半導(dǎo)體制冷器做成長片狀貼附于箱體上，這樣可使制冷面積擴大，在半導(dǎo)體制冷器冷端加裝風(fēng)扇方便冷量迅速擴散到柜體內(nèi)[5-6]。針對半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)在溫度達到設(shè)定值時會停機從而導(dǎo)致熱量回流到系統(tǒng)中的缺陷，半導(dǎo)體制冷器熱端加裝強迫風(fēng)冷型熱管散熱器，使半導(dǎo)體制冷器產(chǎn)生的熱量能迅速散發(fā)，不至在溫度達到而停機時造成熱量回流。

表1 熱電制冷冷藏柜與蒸氣壓縮式制冷冷藏柜的區(qū)別

本設(shè)計采用了基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6型號的MCU控制器、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、以及uVision5 IDE集成開發(fā)環(huán)境的溫控系統(tǒng)。通過DS18B20傳感器采集實時的溫度，以數(shù)字信號的形式傳入單片機。將采集到的實際溫度和設(shè)置溫度對比，計算儲存物體快速降到設(shè)定溫度所需的冷量，具體計算思路如下：設(shè)儲存物品是是200ml/瓶的飲料，每次運送10瓶，總計2L，瓶內(nèi)液體常溫為25℃，系統(tǒng)設(shè)定溫度0℃,溫差25℃，由公式Q=CmΔt計算可得：

Q=4.2×2×10-3×1000×25=210KJ（比 熱C=4.2KJ/Kg ·℃）

本裝置采用電壓是24V，電流是10A的穩(wěn)壓電路輸出供電，等效熱轉(zhuǎn)換效率是65%，考慮了對流與輻射損失，即P=65%UI=0.65×24×10=156W。

Q=PT即 210×103=156×T，T=1346s=22min，計 算可得系統(tǒng)最佳設(shè)定溫度為0℃，溫度設(shè)定范圍在-5℃～5℃，精確度為±0.5℃時，可實現(xiàn)22分鐘內(nèi)2升液體的快速降溫。根據(jù)冷量的大小，然后通過STM32控制器輸出PWM脈沖調(diào)制信號的寬窄與持續(xù)時間，控制繼電器，實現(xiàn)對半導(dǎo)體調(diào)節(jié)器和散熱風(fēng)扇的精準(zhǔn)能量級別控制，從而達到最佳的恒溫效果。

■ 3.2 采用STM32型PLC控制器，控制溫度精度

本設(shè)備使用的是ST（意法半導(dǎo)體）公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核[7]的STM32F103系列單片機。

溫度采集器主要由溫度測量元件和溫度變送元件組成，通過采集箱內(nèi)的溫度，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換電路，一方面在儲物柜箱體顯示屏上顯示箱體溫度，另一方面同時將溫度傳遞給溫度比較元件，溫度比較元件獲取當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)，讀取設(shè)定溫度,并由PID控制算法處理分析，利用不同的控制算法對設(shè)定溫度和實時溫度進行分析、判斷、處理，產(chǎn)生控制信號，從而控制熱管散熱器（自帶風(fēng)扇）及輔助排熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，循環(huán)獲取處理，計算得到最合適的當(dāng)前控制值來調(diào)節(jié)溫度，除此之外，溫度比較元件還可以接收改變后的設(shè)定溫度，進而通過控制器來改變柜體內(nèi)的溫度，如圖3所示。

圖3 PID溫度控制流程圖

溫度比較元件和控制器都是STM32控制器實現(xiàn)的功能（比較溫差并輸出信號），執(zhí)行器就是半導(dǎo)體制冷器這個機器。設(shè)定溫度為-5℃，允許溫度偏差為±1℃，半導(dǎo)體調(diào)節(jié)器使溫度下降到-6℃，溫度保持在-6℃～-4℃，當(dāng)有譬如開門或箱體縫隙漏風(fēng)等熱量干擾時，箱體中的溫度出現(xiàn)波動，溫度升高，通過溫度采集器測得的溫度與設(shè)定溫度進行比較，當(dāng)差值大于設(shè)定值1℃時，制冷機便開始工作，箱體溫度下降，確保箱體的最終溫度在-5℃上下1℃內(nèi)波動。

另外，由于熱電制冷需要的工作電流與電壓較高，因而從控制器出來不能直接接執(zhí)行器（制冷裝置），需要通過繼電器模塊來對制冷裝置進行控制。所以電源的選擇上，可選擇鋰電池供電或者鐵酸礦用電池供直流電。

■ 3.3 采用熱管型散熱風(fēng)扇

熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它的出現(xiàn)，使電力裝置的散熱系統(tǒng)有了嶄新的發(fā)展。因為熱管的特殊性能，其工作介質(zhì)可在管內(nèi)發(fā)生相態(tài)變化來傳遞能量，熱管的使用使空氣自然對流冷卻的應(yīng)用范圍迅速擴大，且其散熱過程無需機械、無噪聲、使用可靠，可以取代耗水量巨大及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水冷系統(tǒng)[8]。此外，熱管散熱器可將發(fā)熱元件集中布置，從而設(shè)計者可以將散熱部分移到外部，提高設(shè)備的安全可靠性和應(yīng)用范圍。

本系統(tǒng)采用帶熱管散熱器的風(fēng)扇，使用24V的直流電壓電機驅(qū)動。當(dāng)電壓不大于24V時，通過增加或縮短電壓時間來加快或減慢散熱器的轉(zhuǎn)速。設(shè)計中也可使用PWM的方法控制電機速度，只要其頻率合適，就可像直流電壓一樣控制直流電機的轉(zhuǎn)速。

■ 3.4 采用閥門式熱量阻斷裝置

本裝置從現(xiàn)有的改進半導(dǎo)體熱電冰箱的溫度控制技術(shù)出發(fā)，不更改或完善溫度計測點以及計算路徑，因為這些改進措施并不能完全消除冷量或熱量的回流，而是利用大量的溫度測點與頻繁的設(shè)備啟停來控制溫度，不但可能導(dǎo)致壓縮機損壞，而且增加了設(shè)備成本。

因此本儲物柜加了阻斷熱電制冷冷熱量回流的閥門，該閥門裝于半導(dǎo)體與石墨烯蓄熱片之間。當(dāng)儲物柜達到商品的儲存溫度時，熱電制冷模塊停止工作，為防止熱量回流，閥門斷開導(dǎo)熱回路，當(dāng)柜體溫度上升，機組啟動時，閥門會自動打開導(dǎo)熱回路，使制冷工作繼續(xù)進行[9-10]。閥門的具體方案可有前后推拉式直流電閥門，利用電場原理，相接觸的閥門電荷相反時，異性相吸，閥門貼合，電路啟動，制冷模塊開始工作。機組停機時，閥門帶相同電荷，同性相斥，閥門阻斷，熱量傳遞通道關(guān)閉，熱量無法回流到箱體中。

■ 3.5 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制儲物柜

本儲物柜利用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，儲物柜與大型冷藏物流車及快遞員終端手機都進行有效聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊與控制器電連接，控制器通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊與云端服務(wù)器連接?？刂破鲗⒏骼洳貑卧墓耋w內(nèi)溫度實時反饋至云端服務(wù)器，以方便維護人員查看；工作人員可通過服務(wù)器了解大型物流車中各種冷藏或冷凍食品的物流信息及保存要求，提前向控制器下發(fā)指令，控制各冷藏單元的柜體內(nèi)溫度，從而在對應(yīng)產(chǎn)品投放前即調(diào)整好該產(chǎn)品所需溫度，盡可能降低產(chǎn)品變質(zhì)的可能性，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

4 總結(jié)

本文提供了電商生鮮物品快遞配送的全新思路，希望能彌補目前生鮮配送存在的缺陷以及滿足一些特殊冷藏品的儲存要求，比如即便顧客不在家，由于熱電制冷冷藏柜的輕便易攜，也可以將冷藏柜放置于菜鳥驛站，不會因為顧客取貨不及時導(dǎo)致物品腐壞，這也為將來半導(dǎo)體制冷器在各行業(yè)的更為廣泛應(yīng)用提供支持。