基于光伏- 溫差發電驅動狀態云監測的恒溫冷鏈寄遞包裝盒設計研究

朱建偉

（貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

1 研制背景及意義

數字經濟背景催生了電商網購業務的爆發式增長，人民美好生活需要使冷鏈產業鏈呈現美好前景。根據國家統計局、農業農村部及智研咨詢數據分析，我國生鮮農產品物流規模由2015 年的10152 億元增至2020 年的12910 億元，冷鏈物流規模由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、水產品占60%以上。人民群眾食品安全意識顯著增強，對流通安全愈加關注，冷鏈物流的服務水平和質量成為社會持續關注的焦點[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℃的冷凍環境下運輸,溫度過低會造成細胞液大量流失，影響食品原有的鮮度和風味；溫度過高會造成大量細菌、酵母菌和霉菌等的生長和繁殖，加速肉食品的變質和腐爛。蔬菜、水果和花卉等需要在2℃～8℃的冷藏環境下運輸，溫度過高會導致水分流失、過熟，加速變質；溫度過低會使產品細胞內部發生酶促褐變導致其表面發黑變暗，出現“凍傷”。巧克力和糖果等需要在15℃～20℃的恒溫環境下運輸，溫度過高會導致此類商品融化，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，且易于細菌的生長繁殖，容易發霉變質。因此，維持恒溫對于冷鏈商品保質具有重要意義[2]。

然而，當前冷鏈物流行業標準化程度低、脫冷或偽冷鏈現象嚴重。第一，冷鏈物流運輸過程缺少狀態監測，而物流企業為了節省成本，往往會在運輸過程忽略持續供冷，造成物流過程中的冷鏈“斷鏈”無法保證冷鏈運輸實現“恒溫”。第二，冷鏈商品常常依靠內部的冷袋來維持冷藏效果，冷袋制冷效果會隨時間持續降低，運輸商品內部的恒溫狀態極易受到破壞，而冷鏈運輸過程和終端配送環節缺少必要的恒溫控制系統。第三，現有冷藏車多為配備冷柜的大型運輸車，靈活性差，不適宜新零售浪潮下種類繁多的小規模冷鏈商品的運輸配送。冷鏈運輸過程狀態監測及恒溫控制的問題亟待解決[3]。

2 設計方案

本設計文為實現冷鏈物流運送周期內生鮮保鮮狀態監測設計了保鮮狀態智能云監測系統，同時為了實現該系統的自供電設計了光伏發電- 半導體溫差發電模塊；為實現冷鏈寄遞包裝盒的可循環使用選用了性能優良的ABS 塑料材質作為外殼材料；為最大程度降低物流運輸中的能量損失選擇在內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；考慮到運輸過程中會出現物流延誤等突發情況設計了恒溫控制模塊，最大程度的保障了物流運輸過程中冷鏈寄遞食品的質量。

2.1 系統組成

本設計主要由外包裝，內壁保溫層，充氣緩沖氣囊，保鮮狀態智能云監測系統、光伏- 半導體溫差發電系統組成。作品系統結構設計見圖1，寄遞包裝盒云監測系統及恒溫控制系統模塊硬件原理框圖如圖2 所示。

圖1 冷鏈寄遞包裝盒系統結構設計圖

圖2 冷鏈寄遞包裝盒云監測系統及恒溫控制系統模塊硬件原理框圖

2.2 材料選擇

本包裝盒外殼材料選用了ABS 塑料材質。ABS 塑料化學性能穩定，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輸的低溫環境要求，可克服快件運輸、派送過程的各類物理機械碰撞。同時由于該材料具有易加工成型的特點，可針對當前冷鏈快件數量需求龐大的現狀，較易地實現大批量化生產，是生產冷鏈寄遞包裝盒外殼的理想材料。本包裝盒內壁選用隔熱鋁箔+高硅氧耐火纖維布作為內壁保溫隔熱材料。

3 電路設計

本冷鏈寄遞包裝盒電路設計主要包括光伏發電- 半導體溫差發電電路和保鮮狀態智能云監測系統電路及恒溫控制系統三部分。

光伏電池發電是利用光射入半導體所引起的光電效應而實現。本設計配備太陽能充電電池與溫差發電電路實現并聯。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度不同而變化，在設計時采用降壓穩壓模塊以保證了充電電壓的穩定[4]。半導體溫差發電電路由溫差發電模塊、穩壓模塊和充電模塊三部分組成。將半導體溫差發電片嵌入箱體壁面，包裝盒內外環境溫差使半導體發電片產生電勢實現保鮮狀態監測系統的供電[5]，半導體溫差發電電路設計見圖3。

圖3 半導體溫差發電電路設計

溫差發電是利用塞貝克效應（seebeck effect）把熱能轉化為電能。選用一定數量的SP1848-27145 半導體溫差發電片串聯構成半導體溫差發電模塊。穩壓模塊選用美國國家半導體公司的三端可調正穩壓器集成電路LM317，在合適的電壓范圍內，可使溫差發電模塊產生的電壓得到良好的穩定效果。本設計采用TP4056 充電管理模塊，經實驗測試鋰電池輸出電壓是3.7V，而整個保鮮狀態監測系統需要電壓是5V，因此設計文選用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監測控制系統的用電需求[6]。

保鮮狀態智能云監測系統硬件電路主要包括單片機、溫濕度傳感器、液晶顯示器、報警器ATK-M751 無線數據傳輸模塊5 部分，其核心部件為ATK-M751 無線數據傳輸模塊，該系統能夠實時精準采集記錄冷鏈物流運輸全過程箱體內部溫度、濕度狀態參數。該系統配備一張開通GPRS 功能的SIM卡，通過數據流量將溫濕度數據按照設置間隔自動實時上傳至遠端服務器，可遠程在線設置設備終端參數（設備記錄間隔，上傳間隔，報警間隔，報警上下限，關機，校準時間），遠端服務器支持固定IP 和DNS 兩種方式[7]。用戶消費者、冷鏈電商、物流調度均可通過網頁/微信/手機APP 登錄云平臺，隨時訪問查看、分析冷鏈寄遞商品狀態，同時可以根據實際需要設置報警的上下限，系統會識別顯示超限數值記錄，可在數據超限后發送提醒短信。

恒溫控制系統主要由STM32F4 微控制器及其最小系統組成，該系統可在冷鏈寄遞箱內部溫濕度超出預設值時通過控制制冷/制熱、加濕器工作來實現箱內溫濕度的調節響應。制冷制熱模塊基于帕爾帖效應設計而成，模塊核心部件為半導體制冷片,既可用來制冷又可通過改變電流方向作制熱用。由于制冷/制熱響應負載額定工作電流和電壓較高，不能直接由控制器直接控制，本設計文加設了繼電器模塊，通過STM32F4 控制繼電器的開關來實現對半導體制冷片的控制。實際生產制造時可根據箱體不同規格相應的改變制冷片的數量。半導體制冷片的實際工作電流為7A，實際工作電壓是12V，能在小范圍的空間迅速制冷，具有體積小、功率低、成本低的優勢[8]。

4 性能分析

本包裝盒外殼采用的ABS 塑料化學性能穩定，具有很好的低溫抗沖擊性能，很好的滿足冷鏈長距離運輸的低溫環境要求，可克服快件運輸、派送過程的各類物理機械碰撞，可循環使用60 次以上。內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良，極大程度的降低了物流運輸過程中的包裝盒內外的能量交換。光伏發電- 半導體溫差發電電路可在運輸過程中實現電能的轉換和儲存，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 小時的狀態監測系統的供電需求。保鮮狀態監控及記錄系統可精準實現運送過程中保鮮狀態的全過程監測及記錄反饋；恒溫控制系統可應對物流延誤等突發情況實現恒溫控制，方便調節制冷速率，確保冷鏈食品在運輸全過程狀態優良。

5 結論

本文針對當前冷鏈物流運輸途中冷鏈產品保鮮狀態監測和恒溫控制缺失，包裝盒不可循環使用、環境污染嚴重的“痛點”，通過對光伏發電和溫差發電的合理設計及應用，設計出一款可循環使用的新型冷鏈寄遞包裝盒，實現了“兩供電”、“兩供冷”和“云監測”五大應用功能。該設計以可再生能源利用為基礎，以5G 數據通信科技為核心，依托冷鏈數據云端布局及配送網絡，實現了冷鏈物流運輸環境的智能溫控，保證了冷鏈物流運輸全流程可視，可為消費者提供高品質、高時效的冷鏈物流服務，最大程度地保證了運輸途中冷鏈產品的安全及高效物流調度，可推動形成全程溫控、標準規范、運行高效、安全綠色的高品質冷鏈物流服務，有望在各冷鏈寄遞網點實現全覆蓋，應用前景廣闊，對發展低碳經濟、保護環境、減少碳排放意義重大。