冷藏集装箱微环境检测与控制系统开发*

张兵，阳军军，曹广忠，张保祥，周受钦

(1.深圳大学 深圳市电磁重点控制实验室，深圳 518052；2.深圳中集智能科技有限公司)



冷藏集装箱微环境检测与控制系统开发*

张兵1，阳军军1，曹广忠1，张保祥2，周受钦2

(1.深圳大学 深圳市电磁重点控制实验室，深圳 518052；2.深圳中集智能科技有限公司)

摘要:分析了冷链物流装备技术现状，开发了一套冷藏集装箱内部微环境检测与控制系统，给出了系统结构和微环境参数(包括温度、湿度、通风量和气压)的控制方法，介绍了系统的软硬件设计，并对系统参数的控制策略作了深入分析和实验测试。实验结果表明，该系统适用于水果蔬菜类农产品的远程保鲜运输，具有重要的应用价值。

关键词:冷藏集装箱；环境参数控制；温度与湿度；气压；风量

引言

中国冷链物流装备技术现状：缺乏对农产品属性及适宜的物流特性的细致了解；物流装备核心技术开发滞后；农产品运输装备大多套用非生命商品的运输技术与方法；缺乏对运输全程的环境感知与调控。因此，造成在农产品运输过程中不能达到有效的保鲜，损失极大。在远程运输过程中，保持适宜、相对稳定的温湿度是保证鲜活的农产品质量和外观品质最为关键的两个因素，提供合适的通风量是温湿度快速、均匀调节的重要条件[1]。

本文开发了冷藏集装箱微环境检测与控制系统，针对不同属性的农产品均可以调控出合适的温湿度、风量和气压参数，在农产品运输全过程中可以进行实时环境监测，减少农产品的损耗，达到良好的保鲜效果。

1试验装置及方法

冷藏集装箱微环境检测与控制系统的主要任务是实现对冷藏箱内部的温度、湿度、风量和气压4个环境参数的感知与调控，达到对远程运输农产品保鲜防腐的目的。图1所示为冷藏集装箱内部器件安装结构图，冷藏箱长14 m、宽2.2 m、高2.4 m，箱壁为约20 cm厚的夹层结构，具有较好的保温隔热效果[2]。

1为超声波加湿器水箱；2为超声波加湿器；3、6、8、9、10、13为温湿度传感器；4为加湿器水雾出口；5为冷藏集装箱；7为送风道；11为箱内压力传感器；12为箱外压力传感器；14为压力风机；15为除湿器；16为除湿器出风口；17为开利冷机；18、19为风量传感器；20为开利冷机风扇出风口图1　冷藏集装箱内部器件安装结构图

系统硬件结构图如图2所示，其中6路温湿度传感器、2路压力传感器和2路风量传感器组成检测单元,相互串联形成RS485通信网络，负责实时采集冷藏箱内部的温湿度、冷藏箱内外空气压力和冷藏箱内部循环风道的通风量变化信息，主控制器STM32使用串口2与传感器通信，采用基于RS485传输的modbus RTU协议完成数据传输，获取传感器的数值。温度调节由开利冷机完成，主控制器采用基于RS232总线的私有通信协议设置参考温度值，通过发送冷机私有通信协议可以设定冷机温度,获取冷机状态、出风口与回风口温度；加湿器和除湿器负责冷藏箱内部的湿度调控，主控制器通过控制两个继电器得电和失电来控制加湿器和除湿器的起停；两个风机PWM调速器用来驱动两个风机，实现箱内外气压平衡以及空气更新;变频器用来驱动冷机的自带风扇从而调节风道通风量，两个风机PWM调速器和一个变频器相互串联形成RS485通信网络，主控制器使用串口3与之通信，采用基于RS485传输的Modbus RTU协议完成数据传输和参数的设置。

图2　系统硬件结构图

系统的设定单元是车载通信机，负责根据运输农产品的保鲜要求下发温湿度、气压和风量值，以及接收主控制采集的10路传感器实时值。主控制器使用串口1与车载通信机通信，采用基于RS485的私有协议，通过此通信协议车载通信机可以下发参数设置命令、获取传感器的测量数值，在与车载通信机通信过程中，主控制器为从机，等待车载通信机的命令以决定控制操作或者返回测量数据[3]。

2系统控制方案

2.1温度和湿度控制

在农产品运输过程中，温度是能否达到保鲜效果的决定性因素[4]。传统的运输车利用冷机进行温度控制都是采用原始的就地控制方式，只能在冷机的操作面板上进行操作，并且不能对冷机内部的工作状态和参数进行读取，造成在运输过程中温度不能灵活调节，与其他参数的联合调节也无法进行。本系统中，采用基于RS232的私有通信协议，通过发送冷机私有通信协议可以设定冷机温度、获取冷机工作状态。在运输车行驶过程中，可以直接通过车载通信机远程设置温度值，并且可以读取冷机的工作状态，为后面系统做湿度和风量控制提供了参考。

相对湿度是保障农产品运输品质的关键因素之一。目前，有关农产品运输中加湿系统的研究和应用较少，在有湿度调节的运输箱体内常采用高压雾化和地板洒水方式加湿。相对而言，高压雾化加湿效率较高，但是设备体积大、成本高，且喷头易被杂质堵塞；而地板洒水方式则存在无法控制相对湿度的不足[5]。超声波雾化加湿由于具有成本低、液滴细小、雾化效果易控制等优点，目前已得到较为广泛的应用。本系统在传统只具有单一超声波加湿系统上添加了除湿系统，这样可以使得相对湿度在0～100%之间任意可调。

合理的控制逻辑和超声波加湿器、除湿器的结构安装设计均是影响湿度调节效果的关键因素。

由关系式ΔRH×mT=Q(其中ΔRH为相对湿度变化量、mT是温度T下空气中饱和水量随温度T的变化，Q为加(除)湿量)可知，在不同温度下，相同的相对湿度变化量，所需要的加湿量或除湿量不同。为了减少超声波加湿器和除湿器的工作时间，提高系统的工作效率，研究出了如表1所列的控制规则。

表1　湿度控制策略状态表

如图1所示，为了使湿度调节更快、更均匀，系统将除湿器的出风口延伸到冷机风扇的送风口，超声波加湿器的水雾出口延伸至送风道距离冷机风扇出风口的3 m处，远离风扇出风口是为了避免由于水雾出口气体压力过高，导致水雾无法进入送风道。

2.2风量控制

对于冷藏集装箱微环境控制系统，风道的送风量也是一个很重要的参数，决定了温湿度调节的均匀程度，能有效防止出现局部温湿度参数过高或过低的情况。

系统中风道的送风量来源于开利冷机自带风扇运转产生的风量。当冷机停止工作时，冷机风扇停转，风道没有循环风，此时湿度调节就会出现加湿器附近局部滴水、湿度控制不均匀。为解决这个问题，对开利冷机风扇的供电线路进行了改造，如图3所示。

图3　冷机风扇供电线路图

在冷机风扇的电源线上并联一个三相380 V外接电源，各线路与风扇之间均接入常开继电器，通过控制继电器1、2的开断交替供电。控制器通过软件查询冷机的工作标志位，可以判断冷机当前是工作在运转状态还是待机状态。当软件查询到冷机工作在运转状态时，控制器发出控制指令使继电器1闭合、继电器2断开；当软件查询到冷机工作在待机状态时，控制器发出控制指令使继电器1断开、继电器2闭合。这样经过改造后，系统运转时冷机风扇总是处在运转状态，解决了湿度调节局部滴水、控制不均匀的问题。

2.3气压控制

冷藏集装箱内的气压控制主要有两大作用：第一，平衡冷藏集装箱内外气压，防止箱内出现因发生物理反应造成的气压过低或过高的现象；第二，保证箱内的空气新鲜，当检测到箱内的二氧化碳浓度过高时，系统中的进气装置和出气装置就会同时打开，进行换气以降低二氧化碳浓度，使得农产品有更好的保鲜效果。

图4所示为气压控制风机、风门的安装设计结构图，图5为从单侧看的气压调节装置实物图。送风或者出风调节装置均由一个气压风门和风机组成，主要区别是安装的位置刚好相反。例如，出风装置是风机安装在冷藏箱的内侧面，风门安装在冷藏箱的外侧面，两个风门采用电动推杆进行推拉控制，风机采用的是PWM调速器进行调速控制。当给电动推杆反向24 V电压时，推杆向内收缩风门打开，同时相应的风机启动，进行气压调节；给电动推杆正向24 V 电压时，推杆向外升风门关闭，同时相应的风机停转。

图4　气压调节装置安装结构图

图5　气压调节装置实物图

3实验结果与分析

本文关于湿度控制做了加湿和除湿测试，在外界环境为10 ℃时湿度设定值为95%和外界环境为22 ℃时湿度设定值为90%进行了加湿测试，实验数据每3 min记录一次，实验结果如图6和图7所示。可以看出，湿度的增长速度随时间呈先增大后减小的变化趋势，原因主要有两点：一是加湿器在刚启动时的加湿效率低于正常工作的加湿效率；二是冷藏箱内循环风道的通风量在刚开始加湿时小于正常工作的通风量，造成水雾不能快速扩散。相对湿度的控制精度在±2%，符合农产品运输要求。

图6　环境温度为10 ℃时湿度设定95%加湿曲线

图7　环境温度为22 ℃时湿度设定90%加湿曲线

在环境温度为20 ℃时，相对湿度设定为50%，对系统进行除湿测试，实验数据每6 min记录一次，实验结果如图8所示。除湿的时间相对于加湿时间要慢，主要是由于除湿器是靠蒸发器冷凝进行的，反应慢，加湿使超声波雾化效率高。

图8　环境为20 ℃时湿度设定50%除湿曲线

在环境温度为23 ℃时温度设定值为10 ℃和环境温度为28 ℃时温度设定值为15 ℃做了两组测试，实验数据每3 min记录一次，实验结果如图9和图10所示。由曲

图9　环境温度为23 ℃时温度设定值为10 ℃降温曲线

图10　环境温度为28 ℃时温度设定值为15 ℃降温曲线

线图可以看出,温度响应时间基本在15 min左右，控制精度为±2 ℃，能够达到农产品运输的保鲜要求[6]。

结语

参考文献

[1] 赵晓峰,朱瑞祥,马辉,等.基于ARM的农产品冷藏车环境检测系统设计[J] .传感器与微系统,2009(2):98-100.

[2] 韩小腾,陆华忠,吕恩利,等.用高压雾化加湿系统湿度调节特性的试验[J] .农业工程学报,2011(7):332-336.

[3] 徐书芳,王金海,宫玉龙.基于RFID冷链运输监测网络的研究与设计[J] .电子技术应用,2013,39(7):69-73.

[4] 杨海燕,金正涛,李伟光.大型船舶蔬菜保鲜技术研究[J] .中国水运,2009(3):6-8.

[5] 郭嘉明,吕恩利,陆华忠,等.保鲜运输车厢用超声波加湿装置的设计与试验[J] .西北农林科技大学学报,2013(6):181-187.

[6] 肖新清,齐林,张雷,等.面向鲜食葡萄冷链物流的无线实时监测系统[J] .电子技术应用,2013,39(8):77-80.

张兵、阳军军、张保祥(硕士)，研究方向为嵌入式计算机技术；曹广忠(教授)，研究方向为先进控制理论及其应用、磁悬浮技术、嵌入式系统应用；周受钦(教授级高级工程师)，研究方向为物联网、嵌入式系统应用。

Micro Environment Detection and Control System for Reefer Container

Zhang Bing1,Yang Junjun1,Cao Guangzhong1,Zhang Baoxiang2,Zhou Shouqin2

(1.Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control,Shenzhen University,Shenzhen 518052,China;

2.CIMC Intelligent Technology Co.,Ltd.)

Abstract：An internal environment detection and control system of reefer container is developed after analyzing the current situation of cold chain logistics equipment technology.The control method of the system structure and micro environmental parameters including temperature,humidity,air volume and pressure are presented,the software and hardware design are introduced,and the deep analysis and experimental measurement for the control strategy of the system parameters are carried out.The experiment results indicate that the system is suitable for the remote preservation transportation for agricultural products such as fruits and vegetables,and it has application value.

Key words:reefer container;environment parameter control;temperature and humidity;pressure;air volume

收稿日期：(责任编辑：薛士然2015-07-23)

中图分类号:TP23

文献标识码:A

基金项目：*国家科技支撑计划(2014BAH23F04)；深圳市科技计划项目(JCYJ20140418182819160)。