一种物联网铁路运输集装箱

摘要

一种物联网铁路运输集装箱，所述物联网铁路运输集装箱具有箱内环境调控系统，其特征在于，所述箱内环境调控系统包括微控制器模块、环境温湿度测量模块、环境温度调节控制模块、环境湿度调节控制模块、环境温湿度故障诊断模块、警告输出模块、串口通讯模块、键盘显示模块；所述箱内环境调控系统还包括硬件抗干扰设备，所述硬件抗干扰设备包括并联在供电端上的压敏电阻和在直流电源系统中加入的瞬态抑制保护二极管。本发明大大提高了铁路集装箱对生物质材料内部仓储运输温度和湿度控制的精度，减少了冻害，大大节约了铁路运输成本。此外，本发明提高了设备的抗干扰能力，提高了集装箱环境控制的精度。

权利要求

1.一种物联网铁路运输集装箱进行生物质运输的方法，其特征在于，所述物联网铁路运输集装箱具有箱内环境调控系统，所述箱内环境调控系统包括微控制器模块、环境温湿度测量模块、环境温度调节控制模块、环境湿度调节控制模块、环境温湿度故障诊断模块、警告输出模块、串口通讯模块、键盘显示模块；所述箱内环境调控系统还包括硬件抗干扰设备，所述硬件抗干扰设备包括并联在供电端上的压敏电阻和在直流电源系统中加入的瞬态抑制保护二极管；所述物联网铁路运输集装箱分为上下两层，所述上下两层分别进行箱内环境温度和湿度的检测与控制；所述环境温湿度测量模块包括T分度热电偶传感器、湿度传感器、24位高精度Σ‑△模数转换器AD7710和低温补偿部，所述低温补偿部包括数字温度传感器DS18B20；所述环境温度调节控制模块和所述环境湿度调节控制模块的控制输出采用带达林顿输出的光电耦合器件TIL113驱动固态继电器,所述固态继电器为交流过零触发型固态继电器,所述固态继电器通过导通和断开来控制环境温度调节控制模块和环境湿度调节控制模块的动作；环境温度调节控制模块包括加热体，环境湿度调节控制模块包括湿度调节轴流风机；

所述箱内环境调控系统按照设定好的环境温湿度调节工艺曲线进行自动控制,两支T分度热电偶分别检测物联网铁路运输集装箱上层和下层温度,所述微控制器模块根据当前温度和设定的温度值,根据基于卡尔曼滤波的模糊自适应PID控制算法,得到控制输出量,通过调节加热体加热时间的占空比控制物联网铁路运输集装箱上层和下层温度；湿度调节轴流风机按照环境温湿度调节工艺曲线设定的时间定时动作；所述箱内环境调控系统通过环境温湿度故障诊断模块检测加热体和湿度调节轴流风机的工作状态,并将当前的温度信息、控制输出信息、报警信息通过通讯方式传给上位机；所述加热体为六个，分成两组,单独检测每组加热体的工作状态,通过检测加热体和湿度调节轴流风机的工作电流来实时检测加热体和湿度调节轴流风机的工作状况,当检测到加热体和湿度调节轴流风机工作异常时,所述箱内环境调控系统控制所述警告输出模块中的声光报警器输出报警信号；所述环境温湿度故障诊断模块包括电流互感器,采样电阻，运算放大器，所述运算放大器选择低功耗双运放器件LM358，后级两个运放共同构成精密全波整流滤波电路；其中所述箱内环境调控系统的经验公式为：其中1.42为实验得出的经验系数，400为实验得出的经验常数，70为迟滞时间经验常数，x为时间变量，T(x)为关于时间的函数；

所述湿度调节轴流风机的控制经验公式为：

其中z为湿度调节轴流风机的调节速度，其小于湿度调节轴流风机的最大许用速度，Z为湿度调节轴流风机的正常工作速度，q为经验补偿系数，pi为经验控制系数，c为控制常数；Ti为经验比例参数。

说明书

一种物联网铁路运输集装箱

技术领域

[0001] 本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种用于生物质运输的铁路运输集装箱。属于IPC分类体系中的B65D90/00；B65D90/48。

背景技术

[0002] 在物联网技术中，为了保证疫情的有效防控，为此物流和运输技术都出现了突飞猛进的发展，其中对于疫苗的调配、药品的运输、肉类、蔬菜、水果、禽蛋、食用菌等运输，仅仅靠公路运输已经无法满足需要，为此，我国大面积推广高速铁路，随之带来了物联网和物流技术的飞速发展。在夏季物流运输中，由于温度高、湿度大，对于疫苗、药品、肉类、蔬菜、水果、禽蛋、食用菌等运输需要采用冷藏车厢，

[0003] 本发明通过国家知识产权局官网政务检索服务系统进行了详细检索，得到了如下现有技术，现对这些现有技术做简单介绍，以便更好的了解本发明的发明构思，展现本发明的技术优势和技术特点。

[0004] 1、现有技术CN212333554U公开了一种物资集装箱内部环境监测装置，包括支撑柱、齿条、安装箱、动力装置、转动轴、齿轮、控制器、支撑板和电源；齿条设置在第一条形槽槽底；安装箱与第一条形槽槽壁滑动连接；动力装置设置在安装箱箱壁内侧，动力装置的转轴与转动轴底部传动连接；转动轴顶部与安装箱内壁转动连接；齿轮与转动轴键连接，齿轮穿过第二条形槽与齿条啮合；支撑板设置在安装箱侧面；支撑板上设有温度传感器和蜂鸣报警器；控制器和电源均设置在安装箱内。本实用新型中，通过设置能够左右移动的温度传感器，对集装箱内部温度进行有效检测，且温度异常时，蜂鸣报警器能够报警，方便快速检修；同时集装箱外部的显示屏能观察集装箱内的物资是否发生松动。但该现有技术没有对湿度进行检测，同时该现有技术对生物质运输未曾披露；

[0005] 2、现有技术EP3526529B1公开了一种冷藏集装箱，该冷藏集装箱包括限定内部的集装箱壳体，一种可操作以保持对内部温度的控制的空调器，以及一种本地控制器，该本地控制器被配置成基于从相邻的冷藏集装箱摄取的废热在一时间窗内使空调器开和关循环。但该现有技术存在如上述分析所述的极寒天气下的生物质运输问题；

[0006] 3、现有技术CN212212237U公开了一种集装箱豆芽种植用温湿度控制系统，包括连接在集装箱内部的温度调节机构和湿度调节机构，集装箱外部连接有与温度调节机构和湿度调节机构均电连接的PLC控制器和温湿度显示器。该控制系统实现了对集装箱内部的温度和湿度的调节功能，使集装箱内部种植的豆芽始终处于最佳的生长环境中，缩短了豆芽的生长周期，提高了生产厂家的产量，同时也避免了豆芽在种植过程中出现的腐败变质的情况。但该现有技术主要用于豆芽的培育，而非储运，且仍然无法解决本发明之前提出的生物质储运问题。

[0007] 4、现有技术CN109335354B公开了一种冷链专用集装箱系统，包括集装箱、周转箱、辊道，所述辊道沿集装箱长方向排列，且辊道通过液压油缸与集装箱连接，所述周转箱下部设有导向槽，周转箱通过导向槽与辊道连接，所述集装箱内设有多颗定位钉，集装箱通过定位钉与周转箱连接。本发明通过周转箱区分不同的储藏不同的产品，并且可以根据货物的数量来增减箱体的数量，使用的时候较为灵活，同时周转箱内通过运输车辆上的冷冻机所提供冷冻盐水进行降温，不同的箱体可以单独控制温度，便于运输不同保温需求的产品，集装箱可由常规的集装箱进行改装而成，使其可以运载冷链运输所用的周转箱，降低设备的采购成本。但该现有技术存在如上述分析所述的极寒天气下的生物质运输问题。

[0008] 通过上述现有技术的介绍，本领域技术人员可以知道，目前现有的集装箱存在以下几种特点：

[0009] (1)对于农副产品的运输，仍然也冷藏式集装箱为主，缺少应对极寒天气状况的物流储运设备的研究；

[0010] (2)对于温度和湿度虽然有调节控制的现有技术，但仍多采用粗放的控制方式，缺少对各工况实验条件下数据的拟合和数学经验公式的推导；

[0011] (3)对于有温度和湿度控制的集装箱，则缺乏对集装箱内部上下温度或湿度差值的关注；

[0012] 也就是说，申请人通过检索现有技术发现，目前现有的上述现有的集装箱要么为冷藏室集装箱要么对环境温度控制不精确，或者对集装箱内部上下环境温度的关注不足。因而，能否克服上述缺点，这是目前没有现有技术提出的，也就是说，尽管这些现象在实际集装箱运输中存在，但却很少有人注意从技术方案上来提出解决该技术问题的相关技术手段，即经过检索，现有技术曾给出过技术启示，也未曾有人发现过类似的技术手段。

[0013] 因此，设计一种能够解决上述技术问题的物联网铁路运输集装箱是目前是亟需解决的问题。

[0014] 此外，在申请人之前研发的技术方案中，已经提出了一种生物质物联网的铁路运输集装箱，并进行了相关的专利布局(以期对该技术做更好的全方位保护)。但在研究过程中发现，尽管进行了大批量实验和工况分析，并拟合了相关经验公式，但经验公式的拟合较为困难，后经研究分析发现，主要对与干扰信号的处理不够，因此，本发明在之前专利布局的基础上着重对信号抗干扰设备进行进一步研究。

发明内容

[0015] 针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种物联网铁路运输集装箱，所述物联网铁路运输集装箱具有箱内环境调控系统，所述箱内环境调控系统包括微控制器模块、环境温湿度测量模块、环境温度调节控制模块、环境湿度调节控制模块、环境温湿度故障诊断模块、警告输出模块、串口通讯模块、键盘显示模块；所述箱内环境调控系统还包括硬件抗干扰设备，所述硬件抗干扰设备包括并联在供电端上的压敏电阻和在直流电源系统中加入的瞬态抑制保护二极管。

[0016] 进一步地，所述物联网铁路运输集装箱分为上下两层，所述上下两层分别进行箱内环境温度和湿度的检测与控制；所述环境温湿度测量模块包括T分度热电偶传感器、湿度传感器、24位高精度Σ‑△模数转换器AD7710和低温补偿部，所述低温补偿部包括数字温度传感器DS18B20；所述环境温度调节控制模块和所述环境湿度调节控制模块的控制输出采用带达林顿输出的光电耦合器件 TIL113驱动固态继电器,所述固态继电器为交流过零触发型固态继电器,所述固态继电器通过导通和断开来控制环境温度调节控制模块和环境湿度调节控制模块的动作；

[0017] 进一步地，环境温度调节控制模块包括加热体，环境湿度调节控制模块包括湿度调节轴流风机；

[0018] 进一步地，本发明还提供一种物联网铁路运输集装箱进行生物质运输的方法，其特征在于，所述箱内环境调控系统按照设定好的环境温湿度调节工艺曲线进行自动控制,所述两支T分度热电偶分别检测物联网铁路运输集装箱上层和下层温度,所述微控制器模块根据当前温度和设定的温度值,根据基于卡尔曼滤波的模糊自适应PID控制算法,得到控制输出量,通过调节加热体加热时间的占空比控制物联网铁路运输集装箱上层和下层温度；湿度调节轴流风机按照环境温湿度调节工艺曲线设定的时间定时动作；所述箱内环境调控系统通过环境温湿度故障诊断模块检测加热体和湿度调节轴流风机的工作状态,并将当前的温度信息、控制输出信息、报警信息通过通讯方式传给上位机。

[0019] 进一步地，所述加热体为六个，分成两组,单独检测每组加热体的工作状态,通过检测加热体和湿度调节轴流风机的工作电流来实时检测加热体和湿度调节轴流风机的工作状况,当检测到加热体和湿度调节轴流风机工作异常时,所述箱内环境调控系统控制所述警告输出模块中的声光报警器输出报警信号。

[0020] 进一步地，所述箱内环境调控系统的经验公式为：

[0021] 其中1.42为实验得出的经验系数，400为实验得出的经验常数，70为迟滞时间经验常数，x为时间变量，T(x)为关于时间的函数；

[0022] 在实际物联网铁路运输集装箱的运输过程中,可在运输之前，对集装箱进行试验，采用测量数据而后作图拟合的方法得到上述各个参数。

[0023] 当然，在实际储运过程中，物联网铁路运输集装箱箱内环境控制系统是一个复杂的时变系统,在工作过程中,被控对象的三个模型参数会根据环境和控制过程的变化而改变,在物联网铁路运输集装箱运输的不同阶段,受到外界环境的温度和湿度的影响，对物联网铁路运输集装箱内部的湿度和温度的要求也不同, 物联网铁路运输集装箱的内部环境参数会逐渐改变,即被控对象的数学模型会不断变化。

[0024] 进一步地，所述湿度调节轴流风机的控制经验公式为：

[0025]

[0026] 其中z为湿度调节轴流风机的调节速度，其小于湿度调节轴流风机的最大许用速度，Z为湿度调节轴流风机的正常工作速度，q为经验补偿系数，pi为经验控制系数，c为控制常数；Ti为经验比例参数；

[0027] 进一步地，所述环境温湿度故障诊断模块包括电流互感器,采样电阻，运算放大器，所述运算放大器选择低功耗双运放器件LM358，后级两个运放共同构成精密全波整流滤波电路。

[0028] 本发明大大提高了铁路集装箱对生物质材料内部仓储运输温度和湿度控制的精度，减少了冻害，大大节约了铁路运输成本。此外，本发明提高了设备的抗干扰能力，提高了集装箱环境控制的精度。

附图说明

[0029] 图1为本发明的系统硬件结构框图。

[0030] 图2为本发明的热电偶测量电路图。

[0031] 图3为本发明的固态继电器内部结构图。

[0032] 图4为本发明的加热体控制电路图。

[0033] 图5为本发明的集装箱结构布置示意图。

[0034] 图6为本发明环境温湿度故障诊断模块中的电流检测电路图。

具体实施方式

[0035] 以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

[0036] 实施例1：

[0037] 在本实施例中，涉及一种物联网铁路运输集装箱，所述物联网铁路运输集装箱具有箱内环境调控系统，所述箱内环境调控系统包括微控制器模块、环境温湿度测量模块、环境温度调节控制模块、环境湿度调节控制模块、环境温湿度故障诊断模块、警告输出模块、串口通讯模块、键盘显示模块；所述箱内环境调控系统还包括硬件抗干扰设备，所述硬件抗干扰设备包括并联在供电端上的压敏电阻和在直流电源系统中加入的瞬态抑制保护二极管；

[0038] 进一步地，所述物联网铁路运输集装箱分为上下两层，所述上下两层分别进行箱内环境温度和湿度的检测与控制；所述环境温湿度测量模块包括T分度热电偶传感器、湿度传感器、24位高精度Σ‑△模数转换器AD7710和低温补偿部，所述低温补偿部包括数字温度传感器DS18B20；所述环境温度调节控制模块和所述环境湿度调节控制模块的控制输出采用带达林顿输出的光电耦合器件 TIL113驱动固态继电器,所述固态继电器为交流过零触发型固态继电器,所述固态继电器通过导通和断开来控制环境温度调节控制模块和环境湿度调节控制模块的动作；

[0039] 进一步地，环境温度调节控制模块包括加热体，环境湿度调节控制模块包括湿度调节轴流风机；

[0040] 进一步地，本发明还提供一种物联网铁路运输集装箱进行生物质运输的方法，其特征在于，所述箱内环境调控系统按照设定好的环境温湿度调节工艺曲线进行自动控制,所述两支T分度热电偶分别检测物联网铁路运输集装箱上层和下层温度,所述微控制器模块根据当前温度和设定的温度值,根据基于卡尔曼滤波的模糊自适应PID控制算法,得到控制输出量,通过调节加热体加热时间的占空比控制物联网铁路运输集装箱上层和下层温度；湿度调节轴流风机按照环境温湿度调节工艺曲线设定的时间定时动作；所述箱内环境调控系统通过环境温湿度故障诊断模块检测加热体和湿度调节轴流风机的工作状态,并将当前的温度信息、控制输出信息、报警信息通过通讯方式传给上位机。

[0041] 进一步地，所述加热体为六个，分成两组,单独检测每组加热体的工作状态,通过检测加热体和湿度调节轴流风机的工作电流来实时检测加热体和湿度调节轴流风机的工作状况,当检测到加热体和湿度调节轴流风机工作异常时,所述箱内环境调控系统控制所述警告输出模块中的声光报警器输出报警信号。

[0042] 进一步地，所述箱内环境调控系统的经验公式为：

[0043]

[0044] 其中1.42为实验得出的经验系数，400为实验得出的经验常数，70为迟滞时间经验常数，x为时间变量，T(x)为关于时间的函数；

[0045] 在实际物联网铁路运输集装箱的运输过程中,可在运输之前，对集装箱进行试验，采用测量数据而后作图拟合的方法得到上述各个参数。

[0046] 当然，在实际储运过程中，物联网铁路运输集装箱箱内环境控制系统是一个复杂的时变系统,在工作过程中,被控对象的三个模型参数会根据环境和控制过程的变化而改变,在物联网铁路运输集装箱运输的不同阶段,受到外界环境的温度和湿度的影响，对物联网铁路运输集装箱内部的湿度和温度的要求也不同, 物联网铁路运输集装箱的内部环境参数会逐渐改变,即被控对象的数学模型会不断变化。

[0047] 进一步地，所述湿度调节轴流风机的控制经验公式为：

[0048]

[0049] 其中z为湿度调节轴流风机的调节速度，其小于湿度调节轴流风机的最大许用速度，Z为湿度调节轴流风机的正常工作速度，q为经验补偿系数，pi为经验控制系数，c为控制常数；Ti为经验比例参数。

[0050] 实施例2：在本实施例中，与实施例一相同，对于所述箱内环境调控系统的经验公式 获取主要采用如下方式：

[0051] 采用飞升曲线测量方法，测得铁路集装箱温度控制的飞升曲线，即可得到相关的数学模型参数。获得飞升曲线时，需要断开控制器,手动调节使集装箱的温度稳定工作在实际要求的工况值附近，然后给对象一个阶跃信号，对象的输出也随之发生变化，最后稳定在一个值，然后通过上位机记录下数据即可得到飞升曲线；接着通过作图的方法得到上述经验参数1.42、400、70(这是本领域公知的数学方法和作图方法，故此处不再赘述)。当然，由于集装箱在实际中所处的环境系统是一个复杂的时变系统，在集装箱实际储运过程中，上述的三个参数会根据环境和控制过程的变化而会微调，此时，根据实际运输环境再进行相应的实验进行确定即可，例如，在东北地区进行相关实验或者在南方地区进行相关实验即可(这是本领域所公知的实验方法)。

[0052] 实施例3：在本实施例中，与实施例一、二相同，其中，所述湿度调节轴流风机的控制经验公式为：

[0053]

[0054] 其中z为湿度调节轴流风机的调节速度，其小于湿度调节轴流风机的最大许用速度；

[0055] Z为湿度调节轴流风机的正常工作速度，即湿度调节轴流风机周围未存放生物质等材料或者集装箱为空旷的状态时(例如此时湿度调节轴流风机的位置到最近的生物质材料的距离≥1米时)，其初始值≥0，小于湿度调节轴流风机的最大许用速度；

[0056] q为经验补偿系数，其值由湿度调节轴流风机的本身性能和最大许用速度来计算或调整；

[0057] pi为经验控制系数，其中由于湿度调节轴流风机需要安装在长方体或正方体的壳体中，即壳体具有6个面，而根据实际工况需要对风机壳体的安装位置有所调整，则其中i就是风机壳体第i个面与生物质材料或者生物质材料承托体(如托盘或架体)的距离pi，本领域技术人员可知，由于铁路集装箱的长度较长，因而湿度调节轴流风机的数量也需要兼顾整个集装箱的长度而进行调整，如风机壳体挨着集装箱上部或顶部的表面由于和生物质材料的具体肯定≥1m，故pi＝1；而壳体的其他表面与生物质材料的具体ti＜1m时，pi＝实际距离，单位为m；

[0058] c为控制常数，根据不同的使用工况和工作环境略有不同，本实施例中c 取1.2(主要在北方地区实验获得)；

[0059] Ti为经验比例参数，其根据第i壳体表面相对于生物质材料的位置对湿度调节轴流风机工作状态的影响性能进行设置。

[0060] 如图5所示，在本实施例中，取集装箱最中部的湿度调节轴流风机为例，如图所示，湿度调节轴流风机的最大许用速度为3500，Z＝1600，q＝100，单位 r/min；其中壳体顶面距离生物质材料最远，因而影响因素较小，此时p1＝1，壳体底面距离生物质材料最近，此时p2＝0.5，其余四个面也按照集装箱的最大存储量进行堆垛，pi也为0.5，i＝3，4，5，6；Ti为经验比例参数，根据各表面的影响程度不同，分别为T1＝0.5,T2＝1, i＝3，4，5，6；将上述各数值带入公式中，可得到湿度调节轴流风机的调节速度z＝1982.12r/min。

[0061] 大大提高了铁路集装箱对生物质材料内部仓储运输温度和湿度控制的精度，减少了冻害，大大节约了铁路运输成本。

[0062] 实施例4：在本实施例中，与实施例一、二、三相同，其主要电路结构如图2‑4所示，而电路图作为本领域技术人员和工程技术人员通用的语言这是本本领域可明了的，故不做过度阐释。

[0063] 实施例5：在本实施例中，与实施例一、二、三、四相同，其主要电路结构如图6所示，为了保证系统稳定可靠运行,在硬件设计上主要采取了以下抗干扰措施：

[0064] 首先选用了电源系统滤波及保护措施；即选用隔离变压器,减少初次线圈和次级线圈之间的寄生电容,减少电源系统中高频噪声的影响。在供电端并上压敏电阻,来减少电源波动的影响。

[0065] 其次，还可选用低通滤波器,滤除电源系统中的高次谐波,采用多级滤波的方法。在直流电源系统中加入瞬态抑制保护二极管,对电源系统中出现的浪涌和尖峰信号能起到良好的抑制作用。所有的集成元器件的附近就近加旁路电容,系统中不同功能的电路模块采用独立供电,减小电源系统的相互耦合。

[0066] 再次，还可选用光电耦合隔离措施，即，光电耦合隔离器件可以实现信号之间的电气隔离。光电耦合具有很强的抗干扰能力,可以有效的抑制尖峰脉冲和各种噪声的干扰,系统硬件设计可以提高过程通道中的信噪比。系统在通讯部分和控制输出部分都选用了光电耦合隔离器件。

[0067] 此外，在本实施例中还对元器件的合理布局和布线进行了规划。主要是设计电路板时将强电和弱电分开,数字和模拟分开。布线时强弱分离,数字和模拟分离,应减少分布电容的影响。

[0068] 最后，在本实施例中还采用了接地技术。在控制系统中,接地是抑制干扰的重要方法。对于低频电路,采用一点接地,数字地和模拟地分开,增大地线面积。

[0069] 电流检测的基本原理和过程主要是使用电流互感器将电流按照一定的比例缩小,然后经过一个采样电阻,将电流转换为电压,最后通过精密全波整流滤波电路,将交流电压转换为一定范围内的直流电压进行转换,最终由软件得到当前的工作电流。电流检测的核心部分是精密全波整流滤波电路如图4、6所示。至于其余部分，电路图作为本领域技术人员和工程技术人员通用的语言这是本本领域可明了的，故不做过度阐释。

[0070] 上述实施例并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域所属技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应纳入本发明的权利要求书确定的保护范围内。