基于物聯網的熱電制冷冷藏快遞柜的設計研究

呂艷，宋志雄，黃駿

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

1 研究背景

隨著電商產業在我國不斷蓬勃發展，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域蔓延。雖然現在已經有鮮花、生鮮食品等產品的冷鏈物流配送，但是由于生鮮產品難以保證全程所需的低溫環境，也就難以保證產品的質量。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。

由于冷鏈配送技術不夠成熟，缺少專用的冷藏運輸設備。某些冷藏快遞柜運用傳統制冷技術，冷藏快遞柜重量大，壓縮機運轉產生震動，并且有制冷劑在內運轉，有泄漏危險，易對商品產生損害。某些冷藏柜雖用半導體制冷，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象，而且為了滿足如此大型的制冷空間的半導體制冷器散熱問題[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。

基于物聯網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，消除了冷藏柜制冷工質危害人體和污染環境的可能。由于它體積小、重且輕，容易滿足分散和小型化的要求，所以在醫療器械、儀器儀表和恒溫器件中得到大量應用[3]。針對目前現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，將物聯網技術應用于熱電制冷冷藏儲物柜。

如圖1 所示，該圖為半導體冷藏快遞柜運輸車模型，該車由數個小快遞柜組成，各快遞柜獨立控制，互不干擾，可根據需要指定適宜的溫度。各快遞柜由帶保溫層箱體、半導體制冷器、熱管散熱器、輔助排熱風扇、箱體內風機、溫度傳感器、物聯網傳感器等組成[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。為準確獲取箱中的溫度狀況，在箱體上、下和前側都安裝溫度傳感器。物聯網傳感器貼附于箱體外。

圖1 基于物聯網的熱電制冷冷藏快遞柜模型圖

3 快遞柜的具體技術方案

為了解決最后三公里而設計，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℃，從物流中轉站接收到冰激凌的運輸消息開始：

如圖2所示：假設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保障。

圖2 熱電制冷快遞柜物聯網信息傳遞流程圖

■ 3.1 采用半導體制冷裝置，輕巧便攜

本設備采用的是半導體熱電制冷裝置，半導體制冷裝置由于其體積小，質量輕，易貼附于設備表面等優勢使其在車載冰箱等設備上應用及其廣泛，另外由于其不需使用制冷劑，對環境友好，也杜絕了制冷劑泄漏污染商品的可能性。半導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，在半導體制冷器冷端加裝風扇方便冷量迅速擴散到柜體內[5-6]。針對半導體制冷系統在溫度達到設定值時會停機從而導致熱量回流到系統中的缺陷，半導體制冷器熱端加裝強迫風冷型熱管散熱器，使半導體制冷器產生的熱量能迅速散發，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別

本設計采用了基于Cortex-M3內核的STM32F103ZET6型號的MCU控制器、數字溫度傳感器DS18B20、以及uVision5 IDE集成開發環境的溫控系統。通過DS18B20傳感器采集實時的溫度，以數字信號的形式傳入單片機。將采集到的實際溫度和設置溫度對比，計算儲存物體快速降到設定溫度所需的冷量，具體計算思路如下：設儲存物品是是200ml/瓶的飲料，每次運送10瓶，總計2L，瓶內液體常溫為25℃，系統設定溫度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的穩壓電路輸出供電，等效熱轉換效率是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 算可得系統最佳設定溫度為0℃，溫度設定范圍在-5℃～5℃，精確度為±0.5℃時，可實現22分鐘內2升液體的快速降溫。根據冷量的大小，然后通過STM32控制器輸出PWM脈沖調制信號的寬窄與持續時間，控制繼電器，實現對半導體調節器和散熱風扇的精準能量級別控制，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

本設備使用的是ST（意法半導體）公司推出的基于Cortex-M3內核[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，通過采集箱內的溫度，然后經轉換電路，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前溫度數據，讀取設定溫度,并由PID控制算法處理分析，利用不同的控制算法對設定溫度和實時溫度進行分析、判斷、處理，產生控制信號，從而控制熱管散熱器（自帶風扇）及輔助排熱風扇的轉速，循環獲取處理，計算得到最合適的當前控制值來調節溫度，除此之外，溫度比較元件還可以接收改變后的設定溫度，進而通過控制器來改變柜體內的溫度，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控制器實現的功能（比較溫差并輸出信號），執行器就是半導體制冷器這個機器。設定溫度為-5℃，允許溫度偏差為±1℃，半導體調節器使溫度下降到-6℃，溫度保持在-6℃～-4℃，當有譬如開門或箱體縫隙漏風等熱量干擾時，箱體中的溫度出現波動，溫度升高，通過溫度采集器測得的溫度與設定溫度進行比較，當差值大于設定值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 采用熱管型散熱風扇

熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，它的出現，使電力裝置的散熱系統有了嶄新的發展。因為熱管的特殊性能，其工作介質可在管內發生相態變化來傳遞能量，熱管的使用使空氣自然對流冷卻的應用范圍迅速擴大，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構復雜的水冷系統[8]。此外，熱管散熱器可將發熱元件集中布置，從而設計者可以將散熱部分移到外部，提高設備的安全可靠性和應用范圍。

本系統采用帶熱管散熱器的風扇，使用24V的直流電壓電機驅動。當電壓不大于24V時，通過增加或縮短電壓時間來加快或減慢散熱器的轉速。設計中也可使用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速。

■ 3.4 采用閥門式熱量阻斷裝置

本裝置從現有的改進半導體熱電冰箱的溫度控制技術出發，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備啟停來控制溫度，不但可能導致壓縮機損壞，而且增加了設備成本。

因此本儲物柜加了阻斷熱電制冷冷熱量回流的閥門，該閥門裝于半導體與石墨烯蓄熱片之間。當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，閥門斷開導熱回路，當柜體溫度上升，機組啟動時，閥門會自動打開導熱回路，使制冷工作繼續進行[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，熱量傳遞通道關閉，熱量無法回流到箱體中。

■ 3.5 利用物聯網技術控制儲物柜

本儲物柜利用先進的物聯網技術，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網，物聯網傳輸模塊與控制器電連接，控制器通過物聯網傳輸模塊與云端服務器連接。控制器將各冷藏單元的柜體內溫度實時反饋至云端服務器，以方便維護人員查看；工作人員可通過服務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，提前向控制器下發指令，控制各冷藏單元的柜體內溫度，從而在對應產品投放前即調整好該產品所需溫度，盡可能降低產品變質的可能性，保證產品質量。

4 總結

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致物品腐壞，這也為將來半導體制冷器在各行業的更為廣泛應用提供支持。