基于物联网的热电制冷冷藏快递柜的设计研究

吕艳，宋志雄，黄骏

（1.扬州市职业大学土木工程学院，江苏扬州，225009；2.南方科技大学，广东深圳，518000）

1 研究背景

随着电商产业在我国不断蓬勃发展，民众的消费需求和购物方式也随之不断变化，居民足不出户便可购买各种所需商品，近年来电商领域不断扩大，从最初的图书、电器、服饰等日用品逐渐向生鲜食品领域蔓延。虽然现在已经有鲜花、生鲜食品等产品的冷链物流配送，但是由于生鲜产品难以保证全程所需的低温环境，也就难以保证产品的质量。如何低价安全高效的进行低温冷链配送已成为生鲜电商发展的瓶颈[1]。目前，如何解决“最后三公里”的配送是生鲜电商亟需研究解决的问题。

由于冷链配送技术不够成熟，缺少专用的冷藏运输设备。某些冷藏快递柜运用传统制冷技术，冷藏快递柜重量大，压缩机运转产生震动，并且有制冷剂在内运转，有泄漏危险，易对商品产生损害。某些冷藏柜虽用半导体制冷，虽无制冷剂泄漏危险，但是仍然是一个大型的储物箱，所有需配送的商品都堆在一个空间中，不同商品可能存在串味或相互污染的现象，而且为了满足如此大型的制冷空间的半导体制冷器散热问题[2]，该类冷藏柜加入冷却水箱和冷却盘管，存在漏水危险。

2 研究路线

为了弥补上述缺陷，需要设计出一种体积小，重量轻，容易满足分散和小型化的要求的快递冷藏柜。

基于物联网的热电制冷冷藏储物柜，其没有机械运动部分，其特点是无噪声、无震动、使用寿命长、工作可靠性高。尤其是它不需要制冷工质，消除了冷藏柜制冷工质危害人体和污染环境的可能。由于它体积小、重且轻，容易满足分散和小型化的要求，所以在医疗器械、仪器仪表和恒温器件中得到大量应用[3]。针对目前现有的储物柜存在保存温度不能按照商品需求个性化定制的弊端，针对种种缺陷，将物联网技术应用于热电制冷冷藏储物柜。

如图1 所示，该图为半导体冷藏快递柜运输车模型，该车由数个小快递柜组成，各快递柜独立控制，互不干扰，可根据需要指定适宜的温度。各快递柜由带保温层箱体、半导体制冷器、热管散热器、辅助排热风扇、箱体内风机、温度传感器、物联网传感器等组成[4]。箱体用保温性能良好XPS挤塑聚苯乙烯泡沫塑料制成，比平常运输生鲜的EPS保温箱保温效果更好。为准确获取箱中的温度状况，在箱体上、下和前侧都安装温度传感器。物联网传感器贴附于箱体外。

图1 基于物联网的热电制冷冷藏快递柜模型图

3 快递柜的具体技术方案

为了解决最后三公里而设计，以冰激凌的运输和投递为例，软式冰激凌的温度在-3℃～-5℃,硬式冰激凌需要-18℃～-23℃，从物流中转站接收到冰激凌的运输消息开始：

如图2所示：假设有这两种冷藏温度的冰激凌到达物流终点站，即将由快递员送至顾客手中，上一站物流中转站工作人员输入需要存放这两种冰激凌的温度信息，终点站的工作人员收到信息，选择存放合适尺寸的冰激凌的箱子及输入需要的温度。将此两类信息通过控制信息服务的通信平台，传递到特定的箱子上，快递保存箱开始工作，并分别保持在-5℃和-20℃。当冰激凌到达物流终点站，投递到已工作的快递柜中，保障了备运货品品质保障。

图2 热电制冷快递柜物联网信息传递流程图

■ 3.1 采用半导体制冷装置，轻巧便携

本设备采用的是半导体热电制冷装置，半导体制冷装置由于其体积小，质量轻，易贴附于设备表面等优势使其在车载冰箱等设备上应用及其广泛，另外由于其不需使用制冷剂，对环境友好，也杜绝了制冷剂泄漏污染商品的可能性。半导体制冷器做成长片状贴附于箱体上，这样可使制冷面积扩大，在半导体制冷器冷端加装风扇方便冷量迅速扩散到柜体内[5-6]。针对半导体制冷系统在温度达到设定值时会停机从而导致热量回流到系统中的缺陷，半导体制冷器热端加装强迫风冷型热管散热器，使半导体制冷器产生的热量能迅速散发，不至在温度达到而停机时造成热量回流。

表1 热电制冷冷藏柜与蒸气压缩式制冷冷藏柜的区别

本设计采用了基于Cortex-M3内核的STM32F103ZET6型号的MCU控制器、数字温度传感器DS18B20、以及uVision5 IDE集成开发环境的温控系统。通过DS18B20传感器采集实时的温度，以数字信号的形式传入单片机。将采集到的实际温度和设置温度对比，计算储存物体快速降到设定温度所需的冷量，具体计算思路如下：设储存物品是是200ml/瓶的饮料，每次运送10瓶，总计2L，瓶内液体常温为25℃，系统设定温度0℃,温差25℃，由公式Q=CmΔt计算可得：

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

本装置采用电压是24V，电流是10A的稳压电路输出供电，等效热转换效率是65%，考虑了对流与辐射损失，即P=65%UI=0.65×24×10=156W。

Q=PT即 210×103=156×T，T=1346s=22min，计 算可得系统最佳设定温度为0℃，温度设定范围在-5℃～5℃，精确度为±0.5℃时，可实现22分钟内2升液体的快速降温。根据冷量的大小，然后通过STM32控制器输出PWM脉冲调制信号的宽窄与持续时间，控制继电器，实现对半导体调节器和散热风扇的精准能量级别控制，从而达到最佳的恒温效果。

■ 3.2 采用STM32型PLC控制器，控制温度精度

本设备使用的是ST（意法半导体）公司推出的基于Cortex-M3内核[7]的STM32F103系列单片机。

温度采集器主要由温度测量元件和温度变送元件组成，通过采集箱内的温度，然后经转换电路，一方面在储物柜箱体显示屏上显示箱体温度，另一方面同时将温度传递给温度比较元件，温度比较元件获取当前温度数据，读取设定温度,并由PID控制算法处理分析，利用不同的控制算法对设定温度和实时温度进行分析、判断、处理，产生控制信号，从而控制热管散热器（自带风扇）及辅助排热风扇的转速，循环获取处理，计算得到最合适的当前控制值来调节温度，除此之外，温度比较元件还可以接收改变后的设定温度，进而通过控制器来改变柜体内的温度，如图3所示。

图3 PID温度控制流程图

温度比较元件和控制器都是STM32控制器实现的功能（比较温差并输出信号），执行器就是半导体制冷器这个机器。设定温度为-5℃，允许温度偏差为±1℃，半导体调节器使温度下降到-6℃，温度保持在-6℃～-4℃，当有譬如开门或箱体缝隙漏风等热量干扰时，箱体中的温度出现波动，温度升高，通过温度采集器测得的温度与设定温度进行比较，当差值大于设定值1℃时，制冷机便开始工作，箱体温度下降，确保箱体的最终温度在-5℃上下1℃内波动。

另外，由于热电制冷需要的工作电流与电压较高，因而从控制器出来不能直接接执行器（制冷装置），需要通过继电器模块来对制冷装置进行控制。所以电源的选择上，可选择锂电池供电或者铁酸矿用电池供直流电。

■ 3.3 采用热管型散热风扇

热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它的出现，使电力装置的散热系统有了崭新的发展。因为热管的特殊性能，其工作介质可在管内发生相态变化来传递能量，热管的使用使空气自然对流冷却的应用范围迅速扩大，且其散热过程无需机械、无噪声、使用可靠，可以取代耗水量巨大及结构复杂的水冷系统[8]。此外，热管散热器可将发热元件集中布置，从而设计者可以将散热部分移到外部，提高设备的安全可靠性和应用范围。

本系统采用带热管散热器的风扇，使用24V的直流电压电机驱动。当电压不大于24V时，通过增加或缩短电压时间来加快或减慢散热器的转速。设计中也可使用PWM的方法控制电机速度，只要其频率合适，就可像直流电压一样控制直流电机的转速。

■ 3.4 采用阀门式热量阻断装置

本装置从现有的改进半导体热电冰箱的温度控制技术出发，不更改或完善温度计测点以及计算路径，因为这些改进措施并不能完全消除冷量或热量的回流，而是利用大量的温度测点与频繁的设备启停来控制温度，不但可能导致压缩机损坏，而且增加了设备成本。

因此本储物柜加了阻断热电制冷冷热量回流的阀门，该阀门装于半导体与石墨烯蓄热片之间。当储物柜达到商品的储存温度时，热电制冷模块停止工作，为防止热量回流，阀门断开导热回路，当柜体温度上升，机组启动时，阀门会自动打开导热回路，使制冷工作继续进行[9-10]。阀门的具体方案可有前后推拉式直流电阀门，利用电场原理，相接触的阀门电荷相反时，异性相吸，阀门贴合，电路启动，制冷模块开始工作。机组停机时，阀门带相同电荷，同性相斥，阀门阻断，热量传递通道关闭，热量无法回流到箱体中。

■ 3.5 利用物联网技术控制储物柜

本储物柜利用先进的物联网技术，储物柜与大型冷藏物流车及快递员终端手机都进行有效联网，物联网传输模块与控制器电连接，控制器通过物联网传输模块与云端服务器连接。控制器将各冷藏单元的柜体内温度实时反馈至云端服务器，以方便维护人员查看；工作人员可通过服务器了解大型物流车中各种冷藏或冷冻食品的物流信息及保存要求，提前向控制器下发指令，控制各冷藏单元的柜体内温度，从而在对应产品投放前即调整好该产品所需温度，尽可能降低产品变质的可能性，保证产品质量。

4 总结

本文提供了电商生鲜物品快递配送的全新思路，希望能弥补目前生鲜配送存在的缺陷以及满足一些特殊冷藏品的储存要求，比如即便顾客不在家，由于热电制冷冷藏柜的轻便易携，也可以将冷藏柜放置于菜鸟驿站，不会因为顾客取货不及时导致物品腐坏，这也为将来半导体制冷器在各行业的更为广泛应用提供支持。