基于光伏- 温差发电驱动状态云监测的恒温冷链寄递包装盒设计研究

朱建伟

（贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

1 研制背景及意义

数字经济背景催生了电商网购业务的爆发式增长，人民美好生活需要使冷链产业链呈现美好前景。根据国家统计局、农业农村部及智研咨询数据分析，我国生鲜农产品物流规模由2015 年的10152 亿元增至2020 年的12910 亿元，冷链物流规模由2015 年的1800 亿元增至2020 年的40150 亿元，2019 年冷链物流中果蔬、肉制品、水产品占60%以上。人民群众食品安全意识显著增强，对流通安全愈加关注，冷链物流的服务水平和质量成为社会持续关注的焦点[1]。

冷链的核心不是“冷”，而是相对“恒温”。冷链物流商品具有品类多、短保、易损腐的特性，因此对仓储、运输中的温度有着不同的恒温要求。如速冻肉类等需要在-18℃～-25℃的冷冻环境下运输,温度过低会造成细胞液大量流失，影响食品原有的鲜度和风味；温度过高会造成大量细菌、酵母菌和霉菌等的生长和繁殖，加速肉食品的变质和腐烂。蔬菜、水果和花卉等需要在2℃～8℃的冷藏环境下运输，温度过高会导致水分流失、过熟，加速变质；温度过低会使产品细胞内部发生酶促褐变导致其表面发黑变暗，出现“冻伤”。巧克力和糖果等需要在15℃～20℃的恒温环境下运输，温度过高会导致此类商品融化，极大地降低口感；温度过低会使巧克力和糖果失去原来的醇厚香味和口感，且易于细菌的生长繁殖，容易发霉变质。因此，维持恒温对于冷链商品保质具有重要意义[2]。

然而，当前冷链物流行业标准化程度低、脱冷或伪冷链现象严重。第一，冷链物流运输过程缺少状态监测，而物流企业为了节省成本，往往会在运输过程忽略持续供冷，造成物流过程中的冷链“断链”无法保证冷链运输实现“恒温”。第二，冷链商品常常依靠内部的冷袋来维持冷藏效果，冷袋制冷效果会随时间持续降低，运输商品内部的恒温状态极易受到破坏，而冷链运输过程和终端配送环节缺少必要的恒温控制系统。第三，现有冷藏车多为配备冷柜的大型运输车，灵活性差，不适宜新零售浪潮下种类繁多的小规模冷链商品的运输配送。冷链运输过程状态监测及恒温控制的问题亟待解决[3]。

2 设计方案

本设计文为实现冷链物流运送周期内生鲜保鲜状态监测设计了保鲜状态智能云监测系统，同时为了实现该系统的自供电设计了光伏发电- 半导体温差发电模块；为实现冷链寄递包装盒的可循环使用选用了性能优良的ABS 塑料材质作为外壳材料；为最大程度降低物流运输中的能量损失选择在内壁选择贴附隔热铝箔+高硅氧耐火纤维布作为保温隔热材料，起到了阻燃、隔热保温的作用；考虑到运输过程中会出现物流延误等突发情况设计了恒温控制模块，最大程度的保障了物流运输过程中冷链寄递食品的质量。

2.1 系统组成

本设计主要由外包装，内壁保温层，充气缓冲气囊，保鲜状态智能云监测系统、光伏- 半导体温差发电系统组成。作品系统结构设计见图1，寄递包装盒云监测系统及恒温控制系统模块硬件原理框图如图2 所示。

图1 冷链寄递包装盒系统结构设计图

图2 冷链寄递包装盒云监测系统及恒温控制系统模块硬件原理框图

2.2 材料选择

本包装盒外壳材料选用了ABS 塑料材质。ABS 塑料化学性能稳定，具有很好的低温抗冲击性能，采用该种材料作为外包装可满足冷链长距离运输的低温环境要求，可克服快件运输、派送过程的各类物理机械碰撞。同时由于该材料具有易加工成型的特点，可针对当前冷链快件数量需求庞大的现状，较易地实现大批量化生产，是生产冷链寄递包装盒外壳的理想材料。本包装盒内壁选用隔热铝箔+高硅氧耐火纤维布作为内壁保温隔热材料。

3 电路设计

本冷链寄递包装盒电路设计主要包括光伏发电- 半导体温差发电电路和保鲜状态智能云监测系统电路及恒温控制系统三部分。

光伏电池发电是利用光射入半导体所引起的光电效应而实现。本设计配备太阳能充电电池与温差发电电路实现并联。太阳能充电板为锂电池充电电路提供能量输入, 考虑到太阳能电板的输出电压会随光强度不同而变化，在设计时采用降压稳压模块以保证了充电电压的稳定[4]。半导体温差发电电路由温差发电模块、稳压模块和充电模块三部分组成。将半导体温差发电片嵌入箱体壁面，包装盒内外环境温差使半导体发电片产生电势实现保鲜状态监测系统的供电[5]，半导体温差发电电路设计见图3。

图3 半导体温差发电电路设计

温差发电是利用塞贝克效应（seebeck effect）把热能转化为电能。选用一定数量的SP1848-27145 半导体温差发电片串联构成半导体温差发电模块。稳压模块选用美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路LM317，在合适的电压范围内，可使温差发电模块产生的电压得到良好的稳定效果。本设计采用TP4056 充电管理模块，经实验测试锂电池输出电压是3.7V，而整个保鲜状态监测系统需要电压是5V，因此设计文选用DC-DC 升压模块将0.9V-5V范围输入电压升至5V-12V，完全满足了保鲜状态监测控制系统的用电需求[6]。

保鲜状态智能云监测系统硬件电路主要包括单片机、温湿度传感器、液晶显示器、报警器ATK-M751 无线数据传输模块5 部分，其核心部件为ATK-M751 无线数据传输模块，该系统能够实时精准采集记录冷链物流运输全过程箱体内部温度、湿度状态参数。该系统配备一张开通GPRS 功能的SIM卡，通过数据流量将温湿度数据按照设置间隔自动实时上传至远端服务器，可远程在线设置设备终端参数（设备记录间隔，上传间隔，报警间隔，报警上下限，关机，校准时间），远端服务器支持固定IP 和DNS 两种方式[7]。用户消费者、冷链电商、物流调度均可通过网页/微信/手机APP 登录云平台，随时访问查看、分析冷链寄递商品状态，同时可以根据实际需要设置报警的上下限，系统会识别显示超限数值记录，可在数据超限后发送提醒短信。

恒温控制系统主要由STM32F4 微控制器及其最小系统组成，该系统可在冷链寄递箱内部温湿度超出预设值时通过控制制冷/制热、加湿器工作来实现箱内温湿度的调节响应。制冷制热模块基于帕尔帖效应设计而成，模块核心部件为半导体制冷片,既可用来制冷又可通过改变电流方向作制热用。由于制冷/制热响应负载额定工作电流和电压较高，不能直接由控制器直接控制，本设计文加设了继电器模块，通过STM32F4 控制继电器的开关来实现对半导体制冷片的控制。实际生产制造时可根据箱体不同规格相应的改变制冷片的数量。半导体制冷片的实际工作电流为7A，实际工作电压是12V，能在小范围的空间迅速制冷，具有体积小、功率低、成本低的优势[8]。

4 性能分析

本包装盒外壳采用的ABS 塑料化学性能稳定，具有很好的低温抗冲击性能，很好的满足冷链长距离运输的低温环境要求，可克服快件运输、派送过程的各类物理机械碰撞，可循环使用60 次以上。内壁保温隔热材料选用的隔热铝箔+高硅氧耐火纤维布保温效果优良，极大程度的降低了物流运输过程中的包装盒内外的能量交换。光伏发电- 半导体温差发电电路可在运输过程中实现电能的转换和储存，将0.9V-5V 范围输入电压升至5V-12V 输出，其蓄电池蓄能功能可保障至少96 小时的状态监测系统的供电需求。保鲜状态监控及记录系统可精准实现运送过程中保鲜状态的全过程监测及记录反馈；恒温控制系统可应对物流延误等突发情况实现恒温控制，方便调节制冷速率，确保冷链食品在运输全过程状态优良。

5 结论

本文针对当前冷链物流运输途中冷链产品保鲜状态监测和恒温控制缺失，包装盒不可循环使用、环境污染严重的“痛点”，通过对光伏发电和温差发电的合理设计及应用，设计出一款可循环使用的新型冷链寄递包装盒，实现了“两供电”、“两供冷”和“云监测”五大应用功能。该设计以可再生能源利用为基础，以5G 数据通信科技为核心，依托冷链数据云端布局及配送网络，实现了冷链物流运输环境的智能温控，保证了冷链物流运输全流程可视，可为消费者提供高品质、高时效的冷链物流服务，最大程度地保证了运输途中冷链产品的安全及高效物流调度，可推动形成全程温控、标准规范、运行高效、安全绿色的高品质冷链物流服务，有望在各冷链寄递网点实现全覆盖，应用前景广阔，对发展低碳经济、保护环境、减少碳排放意义重大。