本文摘要：冷鏈物流在行業(yè)內(nèi)外的受重視程度與日俱增，已實現(xiàn)了門到門的快捷便利的物流運輸[1]。冷鏈物流過程逐步規(guī)范，冷鏈物流企業(yè)日益發(fā)展，冷鏈物流信息技術(shù)水平也在不斷提高。消費者購買生鮮是一個即時需求，對配送時間要求很高，在這種情況下，新零售模式異軍突起，其打造的
冷鏈物流在行業(yè)內(nèi)外的受重視程度與日俱增，已實現(xiàn)了“門到門”的快捷便利的物流運輸[1]。冷鏈物流過程逐步規(guī)范，冷鏈物流企業(yè)日益發(fā)展，冷鏈物流信息技術(shù)水平也在不斷提高。消費者購買生鮮是一個即時需求，對配送時間要求很高，在這種情況下，新零售模式異軍突起，其打造的生鮮電商平臺致力于為消費者提供高頻次、隨時購隨時享的消費模式。這種運營模式的難點在于末端配送，由于生鮮在最后一公里呈現(xiàn)小批量、多批次、即時性的個性化需求，這對末端配送提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，也增加了運營成本。在追求時效和安全的前提下怎樣優(yōu)化末端配送成為企業(yè)長久發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)[2 - 3]。生鮮農(nóng)產(chǎn)品易腐爛，因此對配送條件要求高的特點使得生鮮電商最后一公里的配送效率成為研究熱點[4]。
目前，冷鏈末端配送從起始點到消費點的流動儲存效率和效益無法得到控制和整合，冷鏈發(fā)展的滯后在一定程度上影響了食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于針對多種多樣的生鮮貨品的配送設(shè)施、包裝要求和規(guī)格等水平較低，生鮮貨品常常與普通恒溫的商品同處共同的配送空間，從而導(dǎo)致配送環(huán)節(jié)的生鮮商品質(zhì)量損失較大[5 - 6]。另外，常用的簡易篷布食品周轉(zhuǎn)箱的抗壓性與堅固程度也不能得到保證，因此運輸過程中箱內(nèi)食品因裝置破損而損壞、傾灑的情況時有發(fā)生。食品運輸過程中，因外部環(huán)境和溫度的變化，物流箱內(nèi)外溫度會受到較大的影響，實時的溫度監(jiān)測就顯得尤為必要。
配送過程中，多次打開箱蓋時，空氣中的灰塵或細(xì)菌會進(jìn)入到箱內(nèi)，對食品安全造成威脅�？傮w來說，當(dāng)前的生鮮電商配送及運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的設(shè)施設(shè)備建設(shè)有待進(jìn)一步完善。末端配送設(shè)備不僅僅是從單純的加冰泡沫箱發(fā)展到可自動調(diào)控溫度的物流箱，還應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的食品衛(wèi)生需求被賦予更多功能。設(shè)計了多溫調(diào)控食品冷鏈自清潔物流箱，它具有自主調(diào)控溫度和一鍵殺菌消毒的功能，可廣泛用于生鮮冷鏈?zhǔn)称分苻D(zhuǎn)，進(jìn)一步提高冷鏈物流服務(wù)水平，保障食品安全。
1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理
1. 1 整體結(jié)構(gòu)物流箱包括箱體、消殺模塊、監(jiān)測模塊、冷熱存儲模塊和移動電源。使用 SolidWorks 進(jìn)行建模。消殺模塊設(shè)置在箱體和頂蓋上，用于箱體內(nèi)部的消毒殺菌; 監(jiān)測模塊設(shè)置在箱體的底部，用于檢測食品湯汁泄露; 冷熱存儲模塊設(shè)置在箱體的內(nèi)部; 移動電源設(shè)置在箱體上，與消殺模塊、冷熱存儲模塊及監(jiān)測模塊電性連接。
1. 2 工作原理通過分析市場需求，綜合已廣泛應(yīng)用的物流箱功能，結(jié)合消費者對冷鏈末端配送的意見反饋，設(shè)計出多溫調(diào)控的食品冷鏈自清潔物流箱�；� SolidWorks 軟件，可直觀反映物流箱的整體結(jié)構(gòu)，計算出物流箱底板最大屈服應(yīng)力為 5. 05 e + 08 N /m2，最大承載重量為100 kg。通過 Proteus 模擬仿真，物流箱內(nèi)部可以實現(xiàn)自動升降溫，保證箱內(nèi)兩側(cè)都處于設(shè)定溫度之內(nèi)。根據(jù)相應(yīng)的食品衛(wèi)生需求，裝置被賦予監(jiān)測傾漏、殺菌消毒、溫度調(diào)控等功能，為消費者提供了更好的服務(wù)。
1. 2. 1 外觀及材料箱體內(nèi)外表面采用 Toyal Lotus 材料。Toyal Lotus是具有拒水性的功能性包裝材料，該拒水功能是通過對包裝材料表面進(jìn)行物理化學(xué)處理，使其形成像荷葉一樣的分形結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)與水的接觸角度為 170°以上的超拒水性，在密封材料表面形成含有微米級別的微細(xì)空氣的拒水膜，從而形成超拒水性的表面狀態(tài)[7]，使物流箱具有極強的拒水性和密封性。
1. 2. 2 內(nèi)體自清潔物流箱內(nèi)頂部設(shè)有紫外線殺菌燈，采用規(guī)格為 15 W的普通型紫外線殺菌燈，其輻射強度≥20 um /cm2。被紫外線消毒燈照射 5 min 左右即可將箱體內(nèi)所的細(xì)菌等殺死，以保障外賣箱內(nèi)部的安全衛(wèi)生。
1. 2. 3 物流運輸防傾倒監(jiān)測物流箱設(shè)有預(yù)防監(jiān)測泄漏系統(tǒng)，食品可以受到有效緩沖保護(hù)，以防出現(xiàn)灑漏的情況影響食品品質(zhì)。物流箱內(nèi)部設(shè)有滑道槽及可拆卸的橫縱隔板，可放置不同大小的食品，以防灑漏。
1. 2. 4 溫度監(jiān)控物流箱內(nèi)部空間采用冷熱分離式，分離隔板的兩側(cè)安置半導(dǎo)體制冷片，穩(wěn)定冷熱兩區(qū)域餐品的溫度，實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。物流箱通過溫度傳感器實時監(jiān)測箱體內(nèi)的溫度，經(jīng)單片機處理后的溫度數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷溫度高低，從而采取相應(yīng)的措施，保持箱內(nèi)食品溫度恒定。
2 物流箱主要機構(gòu)設(shè)計
本產(chǎn)品可應(yīng)用于生鮮冷鏈物流市場，也適用于家庭，要求箱體能夠方便運輸，具有一定的容量和耐用性，能夠重復(fù)多次使用，需具有便于清潔、殺菌消毒、冷熱分隔、防傾倒和溫度調(diào)控等功能。針對以上需求，可從物流箱主要機構(gòu)和多溫調(diào)控系統(tǒng)兩個方面進(jìn)行設(shè)計與研究。
2. 1 物流箱的主要機構(gòu)外觀結(jié)構(gòu)。
箱體外部安裝有萬向輪，通過六角頭螺栓固定在箱體的底部，減震裝配體設(shè)置在萬向輪的內(nèi)部，有利于萬向輪的承重，提高箱體的穩(wěn)定性，防止因顛簸引起的食品撒漏。箱體外部設(shè)有三節(jié)拉桿，由拉桿下橫條、拉桿外管、外管包邊、拉桿中管、中管包邊、拉桿內(nèi)管、拉桿把手、拉桿上橫條組成，收縮時體積小，可調(diào)節(jié)性更換，調(diào)節(jié)高度更方便。
檢測模塊。箱體檢測模塊包括底板、彈簧、折疊支架和重力傳感器。底板設(shè)置在箱體的底部，彈簧的一端與底板的底部連接，彈簧的另一端與箱體的底端內(nèi)壁連接，折疊支架設(shè)置在箱體內(nèi)壁上，重力傳感器設(shè)置在底板的底部，彈簧起到緩沖的作用，避免過度傾斜，保證食品配送過程中不會發(fā)生食品灑露，減少損失，重力傳感器用于檢測食品是否泄露，當(dāng)食品泄露到底板上時，重力傳感器會發(fā)出報警信號。冷熱存儲模塊。箱體冷熱存儲模塊包括隔熱板、半導(dǎo)體制冷器、溫度傳感器和控制器。
隔熱板設(shè)置在箱體內(nèi)部中間，將箱體內(nèi)部分隔為冷食品存放區(qū)和熱食品存放區(qū)。溫度傳感器用于檢測箱體的內(nèi)部溫度，將溫度信號傳輸?shù)?LCD 顯示屏進(jìn)行實時溫度顯示，并傳輸?shù)娇刂破�，將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷溫度高低。由于半導(dǎo)體制冷器本身具有制冷和加熱的功能，因此可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，箱體一端將會產(chǎn)生制冷效應(yīng)，另一端會產(chǎn)生制熱效應(yīng)，可以穩(wěn)定冷熱兩區(qū)域餐品的溫度，實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)。
2. 2 多溫調(diào)控系統(tǒng)
2. 2. 1 多溫調(diào)控電路的原理
為使物流箱能夠?qū)崿F(xiàn)保冷和保熱的功能，在箱體中部增設(shè)隔板，以 AT89C51 單片機作為核心，根據(jù)半導(dǎo)體制冷的工作原理，選取了以 TEC1 - 03103 半導(dǎo)體制冷芯片為關(guān)鍵制冷部件的多功能送餐箱設(shè)計方案。
利用 AT89C51 單片機作為控制單元，防水封裝溫度傳感器 DS18B20 雙路采集箱內(nèi)實際溫度數(shù)據(jù)，并利用 LCD 液晶屏顯示箱體內(nèi)兩側(cè)實時溫度，利用鍵盤設(shè)置箱內(nèi)兩側(cè)溫度，進(jìn)而實現(xiàn)溫度檢測與控制之間的協(xié)調(diào)工作[8]。通電后，若實時溫度與設(shè)定溫度產(chǎn)生偏差，則系統(tǒng)會自動進(jìn)行升溫或降溫的調(diào)節(jié)。
2. 2. 2 多溫調(diào)控電路的設(shè)計
多溫調(diào)控電路包括溫度檢測電路、按鍵控制電路、溫度顯示電路及半導(dǎo)體制冷電路。溫度檢測電路。物流箱溫度控制系統(tǒng)選用的是DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，用于采集箱內(nèi)兩側(cè)實時溫度數(shù)據(jù)[8]，測溫范圍為 - 55℃ ～ + 125℃，固有測溫誤差 1℃。該溫度傳感器采取外部電源供電，使用中不需要任何外圍元件，輸出數(shù)字信號，具有體積小、成本低、抗干擾能力強、精度高等特點，且電路結(jié)構(gòu)較為簡單[8]，可將采集到的箱體內(nèi)保熱端溫度數(shù)據(jù)傳送到單片機 P1. 6 處理，將箱體內(nèi)保冷端的溫度數(shù)據(jù)傳送到單片機 P1. 7 處理。按鍵控制電路�？刂齐娐酚涉I盤輸入，包括開機鍵( on) 、關(guān)機鍵( off) 、設(shè)置鍵( set) 、升溫鍵( up) 和降溫鍵( down) 5 個按鍵[8]。
通電后，可利用設(shè)置鍵分別設(shè)置箱體內(nèi)兩側(cè)達(dá)到的溫度上下閾值，若實際采集溫度與系統(tǒng)設(shè)置溫度閾值有偏差，系統(tǒng)會自動控制半導(dǎo)體芯片進(jìn)行升溫或降溫調(diào)節(jié)，使溫度處于設(shè)定范圍內(nèi)。溫度顯示電路。采用 LCD1602 顯示箱內(nèi)兩側(cè)的實時溫度，利用 AT89C51 單片機驅(qū)動，利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制。半導(dǎo)體制冷材料。半導(dǎo)體制冷也稱熱電制冷，它利用特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 P - N 結(jié)，形成熱電偶對，產(chǎn)生珀爾帖效應(yīng)，從而達(dá)到制冷和制熱的效果[9]。
3 物流箱的仿真分析
3. 1 溫度控制電路仿真分析溫度控制電路中，使用電磁繼電器代替 TEC1 -03103 半導(dǎo)體制冷芯片模擬升降溫，使用 Keil 軟件編寫成 hex 文件，鏈接 Proteus 進(jìn)行調(diào)試編譯，仿真物流箱箱體內(nèi)兩側(cè)溫度調(diào)控。
當(dāng)箱體內(nèi)溫度不在設(shè)定范圍內(nèi)，即超過設(shè)定溫度的上限或下限，蜂鳴器會發(fā)出警報，半導(dǎo)體制冷芯片對箱體進(jìn)行升降溫處理，直至溫度下降到設(shè)定溫度范圍內(nèi)，警報解除。由上述仿真實驗可知，對箱體內(nèi)兩側(cè)進(jìn)行雙路溫度采集并顯示，通過 TEC1 - 03103 半導(dǎo)體制冷芯片進(jìn)行升降溫，可保證箱內(nèi)兩側(cè)都處于設(shè)定溫度之內(nèi)，物流箱滿足多溫調(diào)控的需求，可以正常使用。
3. 2 溫度場模擬
3. 2. 1 數(shù)學(xué)模型建立按照物流箱設(shè)計需求，該產(chǎn)品需滿足大部分冷鏈?zhǔn)称返馁A藏條件，傳熱學(xué)和空氣動力學(xué)是本次設(shè)計仿真的重要實驗基礎(chǔ)[11]，運用 ANSYS Workbench 軟件進(jìn)行仿真，設(shè)置環(huán)境是理想環(huán)境狀態(tài)下。冷藏內(nèi)部空間為自然空氣，空氣自然流動且不可壓縮。為方便計算，忽略箱蓋縫隙影響，箱蓋與箱體視作一個整體，箱內(nèi)部空間為一個整體，箱內(nèi)氣體濕度均設(shè)置為正常狀態(tài)下的自然流動，忽略箱體內(nèi)外的熱輻射，主要制冷來源即隔板半導(dǎo)體制冷器的熱量傳導(dǎo)與對流。
3. 2. 2 仿真過程
使用 ANSYS 2021R2 軟件進(jìn)行仿真，由于物流箱為對稱結(jié)構(gòu)，為簡化仿真過程，選取箱體一側(cè)進(jìn)行溫度場仿真。在 SolidWorks 中抽象出空間形狀，為長方體，設(shè)置材料屬性為空氣，考慮到半導(dǎo)體制冷片安裝在箱體中央隔板處，將物流箱一側(cè)劃分從右至左溫度呈現(xiàn)梯度增加，自然對流換熱系數(shù)一般為 5 ～ 10 W/( m2K) ，箱內(nèi)粗 略 計 算 為 10 W /( m2K) 。
3. 2. 3 結(jié)果分析
由仿真結(jié)果可見，箱體內(nèi)一側(cè)溫度從右至左溫度較為均勻，最低溫度為 12℃，最高溫度為 12. 032℃，平均溫度為 12. 019℃，符合箱體內(nèi) 12℃ ～ 14℃的溫度設(shè)置范圍，說明該物流箱設(shè)計合乎實際情況，初步仿真實驗良好，可滿足使用需求。
4該設(shè)計選擇
冷鏈物流末端配送的物流箱為研究對象，針對市場中的物流箱溫度不可控、衛(wèi)生安全得不到保障、遇到?jīng)_擊導(dǎo)致食品傾倒灑漏等問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
外體采用 Toyal Lotus 材料，使物流箱具有極強的拒水性和密封性，為食品安全提供保障; 使用紫外線燈，有效殺菌消毒，為內(nèi)體清潔環(huán)境提供保證; 底盤安裝重力傳感器和緩沖裝置，以免食品傾倒造成灑漏情況; 選擇 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器、單片機、半導(dǎo)體制冷材料進(jìn)行溫度控制，并進(jìn)行實時檢測與調(diào)節(jié)，滿足溫度可調(diào)控功能。針對各項功能進(jìn)行相應(yīng)的仿真實驗，實驗效果良好，較好地解決了冷鏈物流末端物流箱結(jié)構(gòu)不合理、衛(wèi)生安全差、溫度控制不當(dāng)?shù)葐栴}，有效提高了溫控精度與工作效率，增加了便捷性與安全性。
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作者：高靖萱
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