航空集装箱用主动式温度控制系统及控制方法与流程

本发明涉及航空技术领域，尤其涉及一种航空集装箱用主动式温度控制系统及控制方法。

背景技术：

经济的发展和人民生活水平的日益提高，消费者对温度敏感型产品的需求由数量型向质量型转变，即对温度敏感型产品的要求更加注重安全性、科学性、经济型。如肉、水产品、花卉产品、快餐原料、医药保健、生物技术产品(疫苗、实验室试剂、器官等)、工业样本等航空冷链运输货品需求将急剧增加。

公开资料显示，发达国家温度敏感型产品的冷藏运输率已超过60％，其中美国、日本、西欧等国家和地区超过80％，而中国还不足20％。中国的温度敏感型产品物流环节的损耗率平均为25％，而温控集装箱在民航业的使用能够使温度敏感型产品的损耗降低至10％～5％。这些总量超过万吨的温度敏感型产品，都需要冷链物流运输，而需要民航冷链物流运输的占了相当大的比例。

集装箱货物丢失现象严重，特别是贵重物品的丢失会给相关所有人造成重大损失，如何保障货物在物流过程中的安全成为行业的痛点和难点。据现有统计数据显示，相关操作管理人员的激情犯罪所引起的货物丢失比例高达50％。

海关跨境运输、快速通关等领域要求对集装箱进行位置和状态信息进行监控，传统机械铅封智能靠简单的物理手段防止非法开启，标识简单，容易复制，防伪能力差，且不具有自动识别能力，需要人员现场手工记录，流程操作繁琐，管理落后，影响工作效率。

被动式温控集装箱，通常用干冰、液氮等作制冷剂以保持货物鲜度，但是其温度控制精度低，无法控制货舱湿度，且一般不记录工作过程中的温湿度等信息，同时无法在运输过程中定位集装箱的位置，一般仅用于低附加值货物如水果、蔬菜、海鲜等货物运输；

主动式温控集装箱，带有压缩机等制冷设备进行主动制冷，能保持恒定温度，以运输高附加值的生物制品、药品等为主。其技术难度高，适航流程复杂、耗时长、投入大，市场需求愈发旺盛，故研制与之配套的一套控制系统已经迫在眉睫。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种航空集装箱用主动式温度控制系统及控制方法，可解决被动式温控集装箱无法精确调整货舱内温湿度，提高货物运输过程中的安全性，为高附加值货物运输快速通关和货物信息追踪提供解决思路。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种航空集装箱用主动式温度控制系统，包括：空调系统、传感器系统、报警系统、显示面板、集装箱位置追踪器、电池系统和主控制系统；

所述空调系统，用于实现集装箱的货舱区和温控系统区的制冷和制热，以及除湿和加湿，对货舱区和温控系统区进行分区控制，或仅对货舱区进行控制；

所述传感器系统，用于检测货舱区以及集装箱所处环境的温湿度，检测集装箱箱门开关状态，以及记录集装箱箱门开锁相关信息；

所述报警系统，主要用于结合所述显示面板在紧急情况下进行提示和发出警报，并对所述主动式温度控制系统中的系统及零部件的状态进行监控；

所述显示面板，主要用于设置货舱区的目标控制温度和湿度，以及实现集装箱相关信息的输入与查询；

所述集装箱位置追踪器，用于确定和跟踪集装箱的位置；

所述电池系统，用于为所述主动式温度控制系统提供动力；

所述主控制系统，用于将所述主动式温度控制系统中的系统及零部件进行集成或互联，实现各种信号的收发，对不同的指令或状态进行响应，使得货舱区温度和湿度维持在设定范围内。

进一步的，所述传感器系统主要由智能锁、门位置传感器和温湿度传感器组成；所述智能锁用于记录开锁相关信息，包括开锁时间、开锁方式和钥匙信息，并将所述开锁相关信息发送给所述主控制系统进行备份存储；当有人强行拆除和打开集装箱门体外壳时，所述智能锁自动发出防拆报警音或上传报警信号给所述主控制系统触发所述报警系统运作，同时在所述显示面板上进行提示；所述温湿度传感器布置在货舱区和温控系统区，用于检测货舱区以及集装箱所处环境的温湿度；所述门位置传感器用于检测集装箱箱门开关状态，若检测到箱门未关闭，则通过所述控制系统触发所述报警系统提示关门，或在所述显示面板上进行提示。

进一步的，所述智能锁为电子密码锁、感应锁、生物信息锁和机械锁中的一种或某几种的组合。

进一步的，所述报警系统主要由声光报警装置组成，能够结合所述显示面板在紧急情况下提醒相关人员，所述紧急情况包括控制故障、货舱温湿度超限、箱门未关、违规开门、电量不足和所述智能锁被破坏。

进一步的，所述显示面板用于实现集装箱相关信息的输入与查询时，所述集装箱相关信息包括装载货物、航班信息、收发货人承运人信息、通关信息和控制系统参数；所述显示面板采用触屏、非触屏的显示屏或者两者结合操作方式；所述显示面板为线性可更换单元，能够在故障或者需要检修时进行更换。

进一步的，所述集装箱位置追踪器采用GPS、北斗卫星导航系统、基于移动运营网的基站的定位、WiFi、蓝牙、红外中的一种或某几种方式。

进一步的，所述电池系统主要由电池、充电模块、调压模块、电源管理模块和散热模块构成，所述电池用于为所述主动式温度控制系统提供动力，所述充电模块用于以公共电源或电源车为所述电池充电，所述调压模块用于将所述电池的电压调压为所述空调系统和控制电路所需的电压，所述电源管理模块用于将电源有效分配给所述主动式温度控制系统的所有系统及零部件，所述散热模块配合所述电源管理系统用于所述电池的温度控制。

进一步的，所述主控系统包括数据系统，所述数据系统包括数据存储单元以及具备存储功能的数据传输单元；所述数据存储单元为硬盘、闪存、U盘、CF卡、SD卡、MMC卡、SM卡、记忆棒、xD卡中的一种或某几种的组合，用于各种信息的存储、记录和加密；所述数据传输单元为WIFI、zigbee、RFID、蓝牙、RF、USB中的一种或某几种的组合，用于数据的上传读取及输入。

进一步的，还包括故障诊断系统，所述故障诊断系统用于对所述主动式温度控制系统的运行状态和异常情况做出判断，并根据判断为故障恢复提供依据；同时将故障类型和故障位置及时发送到所述主控制系统，并在所述显示面板显示和报警。

进一步的，还包括自检系统，所述自检系统包括上电自检和周期自检方式，所述上电自检主要在开机时对所述主动式温度控制系统内部的障碍进行自动检测、诊断和隔离，将采集的故障信息送到所述主控制系统来统一处理，或各主要分机自检并处理；所述周期自检主要检测告警信息，周期发送检测命令，分别检测以后上报，所述主控制系统根据上报信息做出逻辑判断给出自检通过信息，或给出告警信息同时启动所述报警系统。

一种航空集装箱用主动式温度控制方法，包括：

将预冷合格后的货物装入集装箱的货舱区中，并关闭集装箱箱门上的所述智能锁；

通过所述显示面板设置货舱区的目标控制温度和湿度；

所述主控制系统获取所述门位置传感器发送的信号，判断集装箱箱门是否关闭，若检测到箱门未关闭，则所述主控制系统通过所述显示面板或所述报警系统提示操作管理人员正确关闭箱门；

所述主控制系统检测所述智能锁是否正确关闭并工作，若所述智能锁未正确关闭或工作，则所述主控制系统通过所述显示面板或所述报警系统提示操作管理人员关闭所述智能锁或更换所述智能锁；

所述主控制系统获取所述温湿度传感器发送的信号，判断货舱区以及集装箱所处环境的温湿度是否超出设定范围；若集装箱所处环境的温湿度超出设定范围，则所述主控制系统通过所述显示面板或所述报警系统提示操作管理人员重新将货物预冷或转移集装箱存放位置；若货舱区的温度高于设定范围，则所述空调系统启动制冷模式，反之则启动制热模式；若货舱区的湿度高于设定范围，则所述空调系统启动除湿模式，反之启动加湿模式。

进一步的，所述制冷模式根据制冷压缩机类型分为定频制冷和变频制冷，所述制冷模式采用定频制冷时，使用两台或多台压缩机实现分档制冷，依据货舱区目标温度与货舱区实际温度的差值判定启动压缩机的数量以及启动关闭压缩机的时机。

进一步的，在所述空调系统中蒸发器的进、出口位置设置温度传感器，配备电子膨胀阀，通过所述主控系统的电子膨胀阀控制策略，自动调节所述蒸发器的过热度；所述电子膨胀阀控制策略包括：通过所述蒸发器进、出口位置设置的温度传感器，检测所述蒸发器进、出口温度，同时对进出口温度波动设定一个容许的范围，作为判断是否需要对目标过热度及PID参数进行调节的参数；若波动超出设定的上限值或下限值，则调节所述电子膨胀阀的开度，否则不需要调节，如此不断循环，形成一个闭环控制，使所述蒸发器的过热度能够始终稳定在设定值附近。

进一步的，所述主控系统设置有冷凝器风机控制策略，所述冷凝器风机控制策略包括：根据所述空调系统中冷凝器的压力反馈来控制所述空调系统中风机的启动和停止，当冷凝压力高于预设压力上限值时启动风机，当冷凝压力低于预设压力下限值时关闭风机。

进一步的，所述主控系统设置有防货物丢失策略，包括：

方法一：校验所述门位置传感器状态触发时间是否晚于开锁时间，主要用于所述智能锁被物理破坏且所述智能锁未报警情况下的货物丢失；

方法二：校核所述门位置传感器触发时集装箱位置是否在可开箱区域，主要用于集装箱在运输途中的货物丢失；

方法三：结合方法一和方法二，不仅校验所述门位置传感器状态触发时间是否晚于开锁时间，而且同时校核所述门位置传感器触发时集装箱位置是否在可开箱区域。

进一步的，所述主控系统设置有货物跨境运输、快速通关策略，包括：集装箱通过所述主控系统与海关联网实现实时查询，到达海关后通过智能手持终端或固定式阅读器对所述智能锁实时解封操作及状态查询，实现海关快速通过转关。

本发明的有益效果在于：

本发明通过智能锁、门位置传感器、温湿度传感器等获取的参数，以及使用显示面板所设置温湿度为主控制系统提供控制来源，主控制系统控制空调系统实现精确制冷；当温度控制系统出现故障时启动故障诊断系统给出故障解决方案；运输过程中违规开门、货舱或环境温湿度超出设置范围、电量太低或电源系统故障等情况时触发报警系统，提醒相关人员处理；通过自检系统在开机时确定温度控制系统的完整性和初始设置的准确；通过显示面板进行设置以及相关信息的显示和查询，并可实现对货舱区和温控系统区进行分区域控制。

附图说明

图1是本发明航空集装箱用主动式温度控制系统示意图之一；

图2是本发明航空集装箱用主动式温度控制系统示意图之二；

图3是本发明航空集装箱用主动式温度控制系统示意图之三；

图4是本发明电池系统方案图；

图5是本发明上电自检原理图；

图6是本发明周期自检原理图；

图7是本发明上电流程图；

图8是本发明故障系统工作原理图；

图9是本发明温控原理图；

图10是本发明防丢失方法一原理图；

图11是本发明防丢失方法二原理图；

图12是本发明防丢失方法三原理图；

图13是本发明快速通关原理图；

图14是本发明空调系统控制原理图；

图15是本发明电子膨胀阀自动调节原理图；

图16是本发明冷凝器风机控制原理图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-16为本发明航空集装箱用主动式温度控制系统及控制方法的实施例，具体如下：

实施例1

本实施例提供一种航空集装箱用主动式温度控制系统，如图1-3所示，包括箱体1，箱体1为全密封结构，箱体1凸出部分为温控系统区10，空间规整部分为货舱区20。温控系统区10设置有显示面板101、上电开关102、电源开关103、空调系统104、电池系统105、环境温度传感器106、环境湿度传感器107、集装箱GPS追踪器108、主控制系统109等零部件。货舱区20设置有智能锁201、电感应门位置传感器202、货舱温度传感器203、货舱湿度传感器204等零部件。

具体的，显示面板101带操作按钮用于数据的输入及相关信息的查询，并安装了声光一体报警灯，具备报警功能。主控制系统109上整合了数据存储单元闪存卡、蓝牙模块和wifi模块、5G模块。空调系统104具有3台定频压缩机，温差2℃内，只需启动一台压缩机；温差2℃～6℃内，需启动两台压缩机；温差大于6℃时，需启动三台压缩机。此外，电池系统105如图4所示。

更为具体的，相关参数可设置为：集装箱工作环境温度范围：-30℃～+50℃；集装箱工作环境温度范围：0～100％；集装箱温度控制范围：-5℃～+30℃；集装箱湿度控制范围：0～60％；集装箱温度控制精度：±2℃；集装箱温度控制精度：20％；环境温度传感器106、货舱温度传感器203测量精度为±0.1℃；环境湿度传感器107、货舱湿度传感器204精度为±2％。可选的，将温控集装箱置于冷库超过6小时，冷库中温度范围为0℃～10℃。此外，货物的运输要求一般为温度5℃±5℃，湿度要求0～70％。

实施例2

本实施例在实施例1基础上，该航空集装箱用主动式温度控制系统中，还设置有自检系统(包括上电自检、周期自检)和故障诊断系统，如图5-8所示，其工作原理和流程如下：

操作管理人员打开上电开关102，电池系统105中电源管理模块(BMS模块)上电，触发电池系统105自检，BMS模块上报电池状态；

操作管理人员打开电源开关103，主控制系统109得电，并引导各子系统配电及自检上报状态；

主控制系统109根据需要存储相关信息，待各个模块上报数据后将所有自检数据发送至面板并显示；若需自检模块未上报数据，主控制系统109将下发自检命令给该模块，并等待回应；

系统自检成功并开始运行后，触发周期自检，每个周期自动下发自检命令给各模块。如图8所示，故障诊断系统根据周期自检情况判断整个系统是否有控制故障、温度超限、箱门未关、违规开门、电量不足、智能锁故障(或被破坏)等情况。

实施例3

本实施例在实施例1基础上，提供一种航空集装箱用主动式温度控制方法，如图9所示，温度控制原理如下：

操作管理人员通过显示面板101设置箱内目标温度为温度5℃±3℃、湿度为0～40％并确认上传主控制系统109，主控制系统109获取后，判定控制要求未超出范围；

操作管理人员将预冷合格的货物装入货舱区20，关闭箱门及智能锁201；智能锁201将关门时间、智能锁201相关信息上传主控制系统109并存储；

箱门关闭，触发电感应门位置传感器202上传信号给主控制系统109，判定集装箱关闭正常；

若经环境温度传感器106测量实时温度为8℃，经环境湿度传感器107测量实时湿度为20％，主控制系统109获取相关信息后，判定集装箱工作环境正常；

若经货舱温度传感器203测量实时温度为9℃，货舱湿度传感器204测量实时湿度为30％；主控制系统109获取后，判定集装箱初始工作温度超出货舱设置温度范围，在显示面板201上显示温度超限报警、声光报警灯闪烁并发出警报音提醒附近操作管理人员，启动空调系统104中的2个压缩机制冷。主控制系统109立即向集装箱GPS追踪器108询问位置信息，待集装箱GPS追踪器108返回位置信号后，主控制系统109记录超限温度值、超限温度发生时间、超限温度发生位置、集装箱相关信息(电量、制冷系统工作状态等)等并加密存储，通过数据传输模块向上层物流信息管理系统发出警报，提醒相关人员；

若经货舱温度传感器203测量实时温度为8℃时，主控制系统109关闭显示面板上的显示报警、声光报警灯，不再提醒附近操作管理人员；

若经货舱温度传感器203测量实时温度为6℃时，主控制系统109关闭一个压缩机；

若经货舱温度传感器203测量实时温度为5℃时，主控制系统109关闭所有压缩机。

实施例4

本实施例在实施例1基础上，该航空集装箱用主动式温度控制系统中，设置有货物防丢失记录策略，如图10-12所示，其原理如下：

当集装箱运输过程中，若有未经合法授权的操作管理人员试图破坏智能锁201，智能锁201立即向主控控制系统109发送防拆报警信号，主控制系统109立刻在显示面板101上显示集装箱智能锁201非法拆卸报警，声光报警灯闪烁并发出警报音提醒附近操作管理人员；

主控制系统109立即向集装箱GPS追踪器108询问位置信息，待GPS追踪器108返回位置信号后，主控制系统109记录报警时间、GPS定位信息、集装箱信息并加密存储，在显示面板101上显示，且通过数据传输模块向上层物流信息管理系统发出警报，提醒相关人员。

实施例5

本实施例在实施例1基础上，该航空集装箱用主动式温度控制系统中，设置有货物跨境运输、快速通关策略，如图13所示，其原理如下：

相关操作管理人员在货物装箱后，将海关清关所需数据，如货物清单、收发货法人、收发货地址、收发货报关代理公司、货代公司、智能锁开锁密码等报关信息按海关要求及数据格式通过WiFi接口输入主控制系统109进行加密并存储，其中集装箱的主控制系统109的蓝牙模块等已经在海关备案并按相关要求做过配对测试；相关操作管理人员在线上向海关提交预清关申请，海关回复同意预清关申请。

具体的，集装箱运输到海关仓库待清关，海关工作人员通过手持设备向集装主控制系统109发出蓝牙配对及数据传输要求；海关人员获取相关信息后确认需要开箱检查，海关人员通过手持设备查看智能锁201开锁密码，并进行开箱操作；海关人员查验货物与货物清单是否一致，并关箱，锁上智能锁201；智能锁201将开、关锁时间，开锁密码及智能锁等相关信息、门位置传感器202上传开、关箱触发信号给主控制系统109；

主控制系统109向集装箱GPS追踪器108询问位置信息，待GPS追踪器108返回位置信号后，主控制系统109，主控制系统记录相应信息并加密存储。

实施例6

本实施例在实施例1基础上，该航空集装箱用主动式温度控制系统中，主控制系统109对空调系统104的控制具体可采用多功能控制板卡实现，如图14所示，该多功能控制板卡包括电池301、熔断电阻302、开关303、LED304、风扇305、温度控制器306、可调电阻307和固定电阻308。

具体控制原理为：首先初始化检查内部各个参数，包括数字开关量是否在正确的赋值，模拟量输出值是否对应在设备启动数值上，检查各个报警点是否正常等等。初始化完成后，再检测主控制系统109采集的所有状态参数，根据温度设定值选择冷藏工作模式，进入冷藏降温流程。为了保护设备及减小启动负荷冲击，各个设备会按照既定步骤分步启动，首先启动空调系统104中的风机，再延时启动压缩机，接着延时打开主供液电磁阀、经济器电磁阀和电子膨胀阀，各项设备启动完成后就会正式进入温度控制器306的控制范围工作。温度控制器306根据采集反馈参数进行计算后(比较送风温度与设定温度的偏差和偏差变化率)，跳转到不同的工作模式，每种工作模式对应压缩机控制模块、电子膨胀阀控制模块、冷凝器风机控制模块等一个或多种组合的不同工作状态，利用多种算法控制器动态调节某一个模块或多个模块的值，逐步与系统所需制冷量相匹配，再实时读取传感器的值与当前值相匹配，这样循环往复动态控制箱内温度。

其中，压缩机控制模块的工作原理为：空调系统104中压缩机直接接收多功能控制板卡输出的模拟量标准电流信号，根据该信号调节压缩机频率。在系统需要的制冷量增大时，通过控制模块输出的电流信号增大，提高压缩机转速，反之则输出的电流控制信号减小，压缩机转速降低。这种控制方式简单，信号平滑连续，工作稳定。为了使压缩机转速在任何情况下都能平滑过渡，不至于产生过大的负荷阶跃，可以通过变频器设定一个缓冲时间长度，在压缩机转速从最小到最大或者从最大到最小的过程中，最少用时15秒，并设定输出给压缩机的电流信号每一个整数值上运行15秒，这两项措施一方面可以起到保护压缩机的作用，另外一方面还能避免因为电子膨胀阀的流量调节不及时而造成系统工作不平稳。此外，设定在任何情况下压缩机启动后最少运转2分钟，防止压缩机启停过于频繁造成损坏。

主控制系统109对压缩机的控制根据温度控制器306接线模式有所不同。如图14所示，当温度控制器306接在C和E时，若控制电路无任何电阻，将以定速2000rpm控制压缩机内部电机旋转；当温度控制器接在C时，则可以根据实际制冷要求调节速率；当电阻307和电阻308安装后，可调节控制电路电流进而控制压缩机的其他固定速率在2000到3500rpm的范围内变化。

如图15所示，电子膨胀阀控制模块的工作原理为：在空调系统104内部，在蒸发器的进、出口位置设置温度传感器s1、s2，检测蒸发器进、出口温度t1、t2，同时对进出口温度波动设定一个容许的范围，作为判断是否需要对目标过热度及PID参数进行调节的参数。若波动超出规定的上限值或下限值，则调节电子膨胀阀的开度，否则不需要调节。如此不断循环，形成一个闭环控制，使蒸发器过热度能够始终稳定在设定值附近。具体的，对压缩机控制的同时改变蒸发器风速，使得压缩机和蒸发器协同工作达到较高效率。

冷凝器风机控制模块的作用是通过强制空气对流与冷凝器发生热交换，控制冷凝器压力保持在合理范围内。冷凝压力是制冷剂在冷凝器中的工作压力，冷凝器的工作特点是持续有压缩机排气进入并带进能量，又有冷却空气不断的从冷凝器中带走能量，使高温高压气体工质经过冷却而转化成液体流出冷凝器。如果冷凝器换热效果不佳，冷凝压力就会升高，使压缩机的压缩比增大，导致压缩机排气量降低，制冷量降低。冷凝压力高，还将导致压缩机功耗增大，如若长期保持在较高压力，还会使压力容器以及高压管路产生安全隐患。冷凝压力如果升高到安全保护设定点，还会使机组经常出现压力保护而停机，无法正常工作运行。如果冷凝器冷却过度，就会导致冷凝压力过低，节流装置前后的压差变小，通过节流装置的制冷剂流量就会下降，对蒸发器的供液量就下降(大量液态工质聚集于冷凝器内，单位质量循环量减少)，蒸发压力温度降低，制冷量下降，回气过热度增加，压缩机吸气比容增大，排气过热度提高，压缩机工作温度提高，工况恶化，油质劣化。同时过度的冷凝器冷却液造成了冷凝风机的运转能量浪费。因此空调系统104运行的冷凝压力直接影响到制冷性能和机组综合能耗，是非常重要的一个系统控制参数。

如图16所示，冷凝器风机控制模块的工作原理为：使运行使用的环境温度范围存在高温区与低温区，将冷凝器风机设定为启停控制，即根据冷凝器压力反馈来控制风机的启动和停止，当冷凝压力高于1000kPa时启动风机，当冷凝压力低于800kPa时关闭风机。

此外，主控制系统109还具有风扇305控制和LED 304状态显示，风扇305为固定速率，LED305显示状态的方式为次数闪烁。具体可为：每隔一定时间t(t小于等于500ms)闪烁一次，之后停留10s以上为熄灭状态。从熄灭状态到开始闪烁状态记录次数为1，以闪烁状态到长时间熄灭状态记录为最后一次N。根据N的不同定义，可以做出如下状态：终端电路断开、电机错误、电机堵转、风扇电流过载断开、电池保护断开。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是有线连接，也可以是无线连接。