呂艷，宋志雄，黃駿

（1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)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(guó)不斷蓬勃發(fā)展，民眾的消費(fèi)需求和購(gòu)物方式也隨之不斷變化，居民足不出戶(hù)便可購(gòu)買(mǎi)各種所需商品，近年來(lái)電商領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，從最初的圖書(shū)、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(jià)安全高效的進(jìn)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(wèn)題。

由于冷鏈配送技術(shù)不夠成熟，缺少專(zhuān)用的冷藏運(yùn)輸設(shè)備。某些冷藏快遞柜運(yùn)用傳統(tǒng)制冷技術(shù)，冷藏快遞柜重量大，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生震動(dòng)，并且有制冷劑在內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，有泄漏危險(xiǎn)，易對(duì)商品產(chǎn)生損害。某些冷藏柜雖用半導(dǎo)體制冷，雖無(wú)制冷劑泄漏危險(xiǎn)，但是仍然是一個(gè)大型的儲(chǔ)物箱，所有需配送的商品都堆在一個(gè)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(mǎn)足如此大型的制冷空間的半導(dǎo)體制冷器散熱問(wèn)題[2]，該類(lèi)冷藏柜加入冷卻水箱和冷卻盤(pán)管，存在漏水危險(xiǎn)。

2 研究路線(xiàn)

為了彌補(bǔ)上述缺陷，需要設(shè)計(jì)出一種體積小，重量輕，容易滿(mǎn)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(chǔ)物柜，其沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，其特點(diǎn)是無(wú)噪聲、無(wú)震動(dòng)、使用壽命長(zhǎng)、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(mǎn)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(duì)目前現(xiàn)有的儲(chǔ)物柜存在保存溫度不能按照商品需求個(gè)性化定制的弊端，針對(duì)種種缺陷，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于熱電制冷冷藏儲(chǔ)物柜。

如圖1 所示，該圖為半導(dǎo)體冷藏快遞柜運(yùn)輸車(chē)模型，該車(chē)由數(shù)個(gè)小快遞柜組成，各快遞柜獨(dú)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(jī)、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(yùn)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(jì)，以冰激凌的運(yùn)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(yùn)輸消息開(kāi)始：

如圖2所示：假設(shè)有這兩種冷藏溫度的冰激凌到達(dá)物流終點(diǎn)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(diǎn)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(lèi)信息通過(guò)控制信息服務(wù)的通信平臺(tái)，傳遞到特定的箱子上，快遞保存箱開(kāi)始工作，并分別保持在-5℃和-20℃。當(dāng)冰激凌到達(dá)物流終點(diǎn)站，投遞到已工作的快遞柜中，保障了備運(yùn)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(shì)使其在車(chē)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(duì)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(zhǎng)片狀貼附于箱體上，這樣可使制冷面積擴(kuò)大，在半導(dǎo)體制冷器冷端加裝風(fēng)扇方便冷量迅速擴(kuò)散到柜體內(nèi)[5-6]。針對(duì)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)在溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)會(huì)停機(jī)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(qiáng)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(dá)到而停機(jī)時(shí)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(jì)采用了基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6型號(hào)的MCU控制器、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、以及uVision5 IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的溫控系統(tǒng)。通過(guò)DS18B20傳感器采集實(shí)時(shí)的溫度，以數(shù)字信號(hào)的形式傳入單片機(jī)。將采集到的實(shí)際溫度和設(shè)置溫度對(duì)比，計(jì)算儲(chǔ)存物體快速降到設(shè)定溫度所需的冷量，具體計(jì)算思路如下：設(shè)儲(chǔ)存物品是是200ml/瓶的飲料，每次運(yùn)送10瓶，總計(jì)2L，瓶?jī)?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(jì)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(duì)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(jì) 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(shí)，可實(shí)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(guò)STM32控制器輸出PWM脈沖調(diào)制信號(hào)的寬窄與持續(xù)時(shí)間，控制繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體調(diào)節(jié)器和散熱風(fēng)扇的精準(zhǔn)能量級(jí)別控制，從而達(dá)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(jī)。

溫度采集器主要由溫度測(cè)量元件和溫度變送元件組成，通過(guò)采集箱內(nèi)的溫度，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換電路，一方面在儲(chǔ)物柜箱體顯示屏上顯示箱體溫度，另一方面同時(shí)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(duì)設(shè)定溫度和實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行分析、判斷、處理，產(chǎn)生控制信號(hào)，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(jì)算得到最合適的當(dāng)前控制值來(lái)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(jìn)而通過(guò)控制器來(lái)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(shí)現(xiàn)的功能（比較溫差并輸出信號(hào)），執(zhí)行器就是半導(dǎo)體制冷器這個(gè)機(jī)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(kāi)門(mén)或箱體縫隙漏風(fēng)等熱量干擾時(shí)，箱體中的溫度出現(xiàn)波動(dòng)，溫度升高，通過(guò)溫度采集器測(cè)得的溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，當(dāng)差值大于設(shè)定值1℃時(shí)，制冷機(jī)便開(kāi)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(dòng)。

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(lái)不能直接接執(zhí)行器（制冷裝置），需要通過(guò)繼電器模塊來(lái)對(duì)制冷裝置進(jìn)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?yàn)闊峁艿奶厥庑阅?，其工作介質(zhì)可在管內(nèi)發(fā)生相態(tài)變化來(lái)傳遞能量，熱管的使用使空氣自然對(duì)流冷卻的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，且其散熱過(guò)程無(wú)需機(jī)械、無(wú)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(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電壓不大于24V時(shí)，通過(guò)增加或縮短電壓時(shí)間來(lái)加快或減慢散熱器的轉(zhuǎn)速。設(shè)計(jì)中也可使用PWM的方法控制電機(jī)速度，只要其頻率合適，就可像直流電壓一樣控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

■ 3.4 采用閥門(mén)式熱量阻斷裝置

本裝置從現(xiàn)有的改進(jìn)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(jì)測(cè)點(diǎn)以及計(jì)算路徑，因?yàn)檫@些改進(jìn)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(cè)點(diǎn)與頻繁的設(shè)備啟停來(lái)控制溫度，不但可能導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞，而且增加了設(shè)備成本。

因此本儲(chǔ)物柜加了阻斷熱電制冷冷熱量回流的閥門(mén)，該閥門(mén)裝于半導(dǎo)體與石墨烯蓄熱片之間。當(dāng)儲(chǔ)物柜達(dá)到商品的儲(chǔ)存溫度時(shí)，熱電制冷模塊停止工作，為防止熱量回流，閥門(mén)斷開(kāi)導(dǎo)熱回路，當(dāng)柜體溫度上升，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，閥門(mén)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)導(dǎo)熱回路，使制冷工作繼續(xù)進(jìn)行[9-10]。閥門(mén)的具體方案可有前后推拉式直流電閥門(mén)，利用電場(chǎng)原理，相接觸的閥門(mén)電荷相反時(shí)，異性相吸，閥門(mén)貼合，電路啟動(dòng)，制冷模塊開(kāi)始工作。機(jī)組停機(jī)時(shí)，閥門(mén)帶相同電荷，同性相斥，閥門(mén)阻斷，熱量傳遞通道關(guān)閉，熱量無(wú)法回流到箱體中。

■ 3.5 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制儲(chǔ)物柜

本儲(chǔ)物柜利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，儲(chǔ)物柜與大型冷藏物流車(chē)及快遞員終端手機(jī)都進(jìn)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(guò)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(shí)時(shí)反饋至云端服務(wù)器，以方便維護(hù)人員查看；工作人員可通過(guò)服務(wù)器了解大型物流車(chē)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(duì)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(bǔ)目前生鮮配送存在的缺陷以及滿(mǎn)足一些特殊冷藏品的儲(chǔ)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(niǎo)驛站，不會(huì)因?yàn)轭櫩腿∝洸患皶r(shí)導(dǎo)致物品腐壞，這也為將來(lái)半導(dǎo)體制冷器在各行業(yè)的更為廣泛應(yīng)用提供支持。