陳進軍 花開太 梁飛 湖南現(xiàn)代物流職業(yè)技術(shù)學院

冷鏈物流溫度實時監(jiān)測技術(shù)研究

陳進軍 花開太 梁飛 湖南現(xiàn)代物流職業(yè)技術(shù)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(shù)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(quán)威機構(gòu)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(shù)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(shù)即溫度監(jiān)測技術(shù)和數(shù)據(jù)實時采集技術(shù)，并對溫度監(jiān)測技術(shù)和數(shù)據(jù)實時采集技術(shù)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(shù)研究

1.1 溫度監(jiān)測技術(shù)

溫度測量技術(shù)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(shù)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(shù)和物體內(nèi)部溫度測量技術(shù)。光纖測溫技術(shù)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(shù)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(shù)，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(shù)（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(shù)也發(fā)展迅速，其中通過建立超聲波法測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部非均勻溫度場的理論模型，利用預測結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shù)

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(shù)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(shù)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(shù)有無可比擬的優(yōu)點。

1.3 數(shù)據(jù)實時采集技術(shù)

基于RFID的數(shù)據(jù)采集技術(shù)：射頻識別技術(shù)即RFID(Radio Frequency Identification)，它是一種通信技術(shù)，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(shù)，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(gòu)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(shù)：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)的應用。以無線傳感器網(wǎng)絡為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為當今信息采集、傳輸?shù)闹饕绞街弧Ｒ话銇碚f，物聯(lián)網(wǎng)基本構(gòu)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(shù)。目前，ZigBee采用動態(tài)、自主的路由協(xié)議，基于AODV的路由技術(shù)。這種獨特的架構(gòu)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(gòu)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(shù)，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(shù)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(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展概述[J].計測技術(shù),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(shù)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。