一种基于物联网的智能保温箱控制系统和方法

本发明属于制冷控制，具体涉及一种基于物联网的智能保温箱控制系统和方法。

背景技术：

1、冷链物流对食品的安全与品质保障至关重要，以冷藏专用车、专用仓储等为代表的公路运输占据主导地位。然而，目前的冷链物流面临着运力不足、全程控温精度欠佳、追溯体系不健全等问题。冷藏车无法混合运输最佳保存温度差异大的产品，所以在小批量运输时就会造成运力资源浪费。

2、现有的解决方案，如车载温度检测系统，虽能进行温度监测，但无法依赖于冷藏车的温度调控能力，无法缓解冷链物流运力不足的问题；蓄冷式保温箱受限于相变材料的特性，难以确保精准且长途的温度控制。传统冷藏车应用的压缩机制冷技术，功能单一，仅限于制冷，因此在冬季无法进行精确的温度调节。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于物联网的智能保温箱控制系统和方法，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。

2、为了实现上述目的1，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于物联网的智能保温箱控制系统，包括设备层、网络层、平台层和应用层；

4、所述设备层集成有控制器、温度传感器、半导体制冷片、nb-iot网络模块、led屏幕、蜂鸣器；

5、所述网络层通过基站和nb-iot网关实现平台层与设备层之间的数据交换；

6、所述平台层包括云服务器和数据中心，数据中心用于存储来自网络层的保温箱温度及位置数据，云服务器用于分析和处理数据；

7、所述应用层允许用户通过电脑网页或手机app访问数据中心中存储的保温箱温度及位置信息，并通过云服务器向保温箱发送用户设置的温度。

8、进一步地，所述控制器选用stm32f407zgt6，用于执行储存的计算机程序，实现对保温箱的控制。

9、进一步地，所述温度传感器选用pt100温度传感器，其数量设置为两个，分别用于检测保温箱内的实际温度和半导体制冷片表面的温度。

10、进一步地，所述半导体制冷片选用tec1-12706型半导体制冷片。

11、进一步地，所述nb-iot网络模块选用bc20模块，不仅用于搭建远程通讯网络，实现远程通讯，还能实现定位。

12、进一步地，所述led屏幕使用串口与控制器进行通讯，用于显示保温箱状态信息；

13、所述蜂鸣器使用控制器io电平控制开启和关闭，用于发出报警信息。

14、为了实现上述目的2，本发明采用如下技术方案：

15、一种基于物联网的智能保温箱控制方法，采用如上所述的一种基于物联网的智能保温箱控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

16、步骤1：初始化控制器和远程终端，远程终端为电脑网页端或手机app，分别建立控制器和远程终端与云平台的连接；

17、步骤2：采集保温箱的实际温度信息和位置信息，并显示在led屏幕上；

18、步骤3：将温度信息和位置信息上传到数据中心，同时云平台接收用户通过远程终端下达的温度控制指令；

19、步骤4：设计串级模糊pid算法，根据保温箱实际温度和用户设定的理想温度，通过串级模糊pid算法，调节stm32输出的pwm信号占空比，通过外围驱动电路调节半导体制冷模块的制冷量，实现保温箱温度的精确调节；

20、步骤5：监测保温箱的状态信息，如果保温箱在某一位置t时间内不动或者保温箱实际温度t时间内没有调节到用户设定的目标值，则远程终端和保温箱蜂鸣器同时发出报警信息。

21、进一步地，所述步骤4中，所述串级模糊pid算法由外环和内环组成，外环使用pid控制器，内环使用p控制器，同时使用模糊控制器对pid控制器和p控制器的参数进行调节，其中外环模糊控制器为两输入三输出结构，内环模糊控制器为两输入单输出结构。

22、进一步地，将目标温度与保温箱实际温度的差值记为第一误差值e1，将第一误差值e1和第一误差变化率ec1输入到外环模糊控制器中，外环模糊控制器输出△kp1、△ki、△kd，并将△kp1、△ki、△kd分别与pid控制器初始的比例调节参数、积分调节参数、微分调节参数相加，得到调整后的kp1、ki、kd参数，pid控制器根据调整后的参数和第一误差值e1输出控制量；将该控制量与半导体制冷片温度的差值记为第二误差值e2，将第二误差值e2和第二误差变化率ec2输入到内环模糊控制器中，内环模糊控制器输出△kp2，并将△kp2与p控制器初始的比例调节参数相加，得到调整后的kp2，p控制器根据调整后的参数和第二误差值e2输出控制量，通过该控制量对pwm信号占空比进行调节，从而调节半导体制冷片的制冷量。

23、进一步地，设置e1、ec1、e2、ec2、△kp1、△kp2、△ki、△kd的模糊子集为{nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}＝{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，并使用三角隶属函数进行隶属度的计算。

24、进一步地，所述外环模糊控制器和内环模糊控制器使用重心法进行解模糊运算，其公式为：

25、

26、式中，μn(x)为模糊集合的隶属函数，u为外环模糊控制器或内环模糊控制器输出的精确值，x为模糊域内的值。

27、本发明带来的有益技术效果：

28、1、对保温箱的温度和位置进行实时监控和记录，使得用户无论身处何地，都能随时掌握产品的实时状态，为物流信息的追溯提供了强有力的支持。

29、2、借助先进的远程操控功能，用户可以轻松预设保温箱的目标温度，实现个性化的温度管理。

30、3、保温箱应用的串级模糊pid控制算法，则能够针对用户设定的温度目标，智能地调控半导体制冷系统，确保箱内温度始终维持在用户期望的精准范围内。

31、4、应用半导体制冷技术进行制冷，和传统的压缩机制冷相比，减少了噪音，同时制冷过程不需要制冷剂的参与，减少了环境污染。

32、5、相较于仅具备制冷功能的压缩制冷技术，半导体制冷技术则更为先进，它不仅能够制冷，还能制热。能够实现精确控温，满足不同场合、不同需求的温度调节要求。

技术特征：

1.一种基于物联网的智能保温箱控制系统，其特征在于，包括设备层、网络层、平台层和应用层；

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能保温箱控制系统，所述控制器选用stm32f407zgt6，用于执行储存的计算机程序，实现对保温箱的控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能保温箱控制系统，其特征在于，所述温度传感器选用pt100温度传感器，其数量设置为两个，分别用于检测保温箱内的实际温度和半导体制冷片表面的温度。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能保温箱控制系统，其特征在于，所述半导体制冷片选用tec1-12706型半导体制冷片；

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能保温箱控制系统，其特征在于，所述led屏幕使用串口与控制器进行通讯，用于显示保温箱状态信息；

6.一种基于物联网的智能保温箱控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的一种基于物联网的智能保温箱控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种基于物联网的智能保温箱控制方法，其特征在于，所述步骤4中，所述串级模糊pid算法由外环和内环组成，外环使用pid控制器，内环使用p控制器，同时使用模糊控制器对pid控制器和p控制器的参数进行调节，其中外环模糊控制器为两输入三输出结构，内环模糊控制器为两输入单输出结构。

8.根据权利要求7所述的一种基于物联网的智能保温箱控制方法，其特征在于，将目标温度与保温箱实际温度的差值记为第一误差值e1，将第一误差值e1和第一误差变化率ec1输入到外环模糊控制器中，外环模糊控制器输出△kp1、△ki、△kd，并将△kp1、△ki、△kd分别与pid控制器初始的比例调节参数、积分调节参数、微分调节参数相加，得到调整后的kp1、ki、kd参数，pid控制器根据调整后的参数和第一误差值e1输出控制量；将该控制量与半导体制冷片温度的差值记为第二误差值e2，将第二误差值e2和第二误差变化率ec2输入到内环模糊控制器中，内环模糊控制器输出△kp2，并将△kp2与p控制器初始的比例调节参数相加，得到调整后的kp2，p控制器根据调整后的参数和第二误差值e2输出控制量，通过该控制量对pwm信号占空比进行调节，从而调节半导体制冷片的制冷量。

9.根据权利要求8所述的一种基于物联网的智能保温箱控制方法，其特征在于，设置e1、ec1、e2、ec2、△kp1、△kp2、△ki、△kd的模糊子集为{nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}＝{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，并使用三角隶属函数进行隶属度的计算。

10.根据权利要求9所述的一种基于物联网的智能保温箱控制方法，其特征在于，所述外环模糊控制器和内环模糊控制器使用重心法进行解模糊运算，其公式为：

技术总结
本发明公开了一种基于物联网的智能保温箱控制系统和方法，系统包括设备层、网络层、平台层和应用层；设备层集成有控制器、温度传感器、半导体制冷片、NB‑IOT网络模块、LED屏幕、蜂鸣器；网络层通过基站和NB‑IOT网关实现平台层与设备层之间的数据交换；平台层包括云服务器和数据中心，数据中心用于存储来自网络层的保温箱温度及位置数据，云服务器用于分析和处理数据；应用层允许用户通过电脑网页或手机APP访问数据中心中存储的保温箱温度及位置信息，并通过云服务器向保温箱发送用户设置的温度。本发明应用的串级模糊PID控制算法，能够针对用户设定的温度目标，智能地调控半导体制冷系统，确保箱内温度始终维持在用户期望的精准范围内。

技术研发人员：陈广庆,辛金泽,魏军英,刘婷
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/2