专利名称：一种船舶运输危险品集装箱智能监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集装箱监测系统。
背景技术：
随着国际上对集装箱运输的大力推进和对集装箱运输特别是危险货物集装箱运输安全、效率的重视程度的不断提升，国际上投入了大量的资金用于危险货物集装箱自身安全性、智能化的技术装备研究，国内也越来越认识到发展该领域的重要性，相关装备的研制具有一定的技术基础。现有集装箱监测系统中前端安装在集装箱上的智能标签一般包含有传感器部分和无线传输部分，传感器部分包含用于感测诸如温度、湿度、振动等货物运输环境的集装箱箱内环境状态的传感器，无线传输部分用于主动或被动的将传感器部分感知的信号传送给安装在集装箱运输载体(轮船、火车)本地监控平台或远程监控中心。有的集装箱监测系统还带有位置获取模块，如GPS接收器。如美国Mvi公司的有源标签含一个GPS接收器和几个感应器，分别追踪标签的位置和集装箱内部温湿度及箱门开启的时间。当标签位于GPRS/ GSM蜂巢基站的信号范围内时，标签发送其位置和感应器数据到一个后端系统，顾客可登录该系统获取信息。德国Hellmann Worldwide Logistics开发的kcureSystem集装箱监控系统，其主体为信息通讯装置，内附监测设备，装设在每个集箱的正门内侧。所有数据经由通讯装置传送至人造卫星，然后直接传至保安中心。然而，现有集装箱智能监控系统中安装在集装箱上的监控模块要么采用的是射频识别(RFID)技术，通过主动或被动方式将传感器模块感测到的集装箱状态信息传递给读写器，或者采用的是直接将数据经由GPRS/GSM基站或卫星传递给监控中心，因此不能实现集装箱之间的互联，当集装箱在堆场或者船舱内部堆叠，造成某些集装箱被其它集装箱遮蔽导致不在RFID读写器直接视线内，从而不能进行通讯；或者是GPRS/GSM信号、卫星信号被遮挡不能进行通讯。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种可以实现集装箱箱与箱之间组网通信、具有GPRS/GSM与卫星通信自动切换功能从而实现高可靠性通信的船舶运输危险品集装箱智能监控系统。本发明的技术解决方案是一种船舶运输危险品集装箱智能监测系统，包括船上自动监测系统、远程传输系统和监控中心；所述的船上自动监测系统包括安装在集装箱箱门上的监测终端、布设在船舱中的中继终端以及负责数据汇聚的汇聚终端，监测终端实时感知船上集装箱的状态，汇聚终端直接从监测终端或者通过中继终端从监测终端获取船上集装箱的状态信息；汇聚终端通过网关和路由器将状态信息传输到船上的本地监控中心， 本地监控中心进行状态信息的本地处理并根据处理结果在状态参数值超过预定值时报警； 远程传输系统利用GPRS/GSM网络或者卫星信号将汇聚终端获取的状态信息传送至远程监控中心，远程监控中心对获取的状态信息进行本地处理，实时显示船上集装箱的状态，并根据处理结果在状态参数值超过预定值时报警。所述的监测终端包括传感器、多通道ADC、RFID标签、ZigBee无线通信模块和监测终端主控单元；传感器感知集装箱内部的状态信息，多通道ADC将状态信息由模拟信号转换为数字信号，RFID标签内存储与手持式RFID读写器进行通信而获取的集装箱箱号以及集装箱箱内的货物信息，监测终端主控单元读取RFID标签中存储的信息，通过ZigBee无线通信模块发送到船上的本地监控中心，实现集装箱箱号与ZigBee无线通信模块的64位 IEEE地址所代表的监测终端的设备编号的绑定，监测终端主控单元还定期地读取多通道 ADC转换来的传感器数字信号，并通过ZigBee无线通信模块发送到船上的本地监测中心， 实现集装箱状态的监测。所述的中继终端包括ZigBee无线通信模块和中继终端主控单元；中继终端主控单元在中继终端系统启动并成功加入网络后，读取ZigBee无线通信模块接收的状态信息并按状态信息中所含目的地址通过ZigBee无线通信模块将接收到的状态信息进行转发。所述的汇聚终端包含ZigBee无线通信模块、汇聚终端主控单元、TCP/IP网络接口或者RS232/485串口 ；汇聚终端主控单元读取ZigBee无线通信模块所接收的状态信息并将状态信息经过TCP/IP网络接口或RS232/485串口发送到本地监控中心。所述的远程传输系统利用远程通信智能切换模块实现信号切换，所述的远程通信智能切换模块包括一个GPRS/GSM信号强度比较器、一个控制卫星通信模块使能信号的与门以及一个控制GPRS/GSM通信模块使能信号的与门；所述GPRS/GSM信号强度比较器用于比较GPRS/GSM信号强度与预设阈值的大小；所述控制卫星通信模块使能信号的与门的两路输入信号分别为GPRS/GSM信号强度比较器的输出信号取反后的信号以及GPRS/GSM通信模块中用于指示是否正在进行数据传输的传输状态检测信号；所述控制GPRS/GSM通信模块使能信号的与门的两路输入信号分别为GPRS/GSM信号强度比较器的输出信号以及卫星通信模块中用于指示是否正在进行数据传输的传输状态检测信号。本发明专利与现有技术相比的优点在于(1)本发明危险品集装箱智能监测系统中安装在集装箱箱门上的监测终端与中继终端、汇聚终端组成无线传感器网络，将集装箱监测终端采集的集装箱内部信息直接或者以多跳通信的方式传递给船上本地监控中心，实现了船舱内集装箱堆积情况下的监测信号传输，解决了现有集装箱监测系统中直接采用RFID或GPRS/GSM、卫星作为通信模块时当信号被集装箱或船体遮蔽不能直接接收RFID读写器信号、GPRS/GSM基站信号、卫星信号而造成的通信暂时中断问题，具有通信可靠性高的特点；(2)本发明危险品集装箱智能监测系统中监测终端的RFID标签能够记录手持式 RFID读写器写入的集装箱箱号等信息，通过与ZigBee无线通信模块的64位IEEE地址相对应，实现集装箱箱号与监测终端的绑定，方便了后台的数据处理、存储等操作；(3)本发明危险品集装箱智能监测系统通过采用了一种GPRS/GSM和卫星通信智能切换模块，使得在同时存在GPRS/GSM和卫星信号时且GPRS/GSM信号强度大于一定阈值时，优先地选择GPRS/GSM网络进行数据传输，在没有GPRS/GSM信号时自动切换到卫星通信中，从而实现船上集装箱状态数据的可靠、低成本传输。
图1为本发明的系统框架图；图2为本发明监测终端组成示意图；图3为本发明监测终端的工作流程图；图4为本发明中继终端组成示意图；图5为本发明中继终端的工作流程图；图6为本发明汇聚终端组成示意图；图7为本发明汇聚终端的工作流程图；图8为本发明监测终端进行一次监测的工作流程图；图9为本发明远程通信智能切换模块电路原理图。
具体实施例方式本发明提供一种可以实现集装箱箱与箱之间组网通信、具有GPRS/GSM与卫星通信自动切换功能从而实现高可靠性通信的危险品集装箱智能监控系统，该系统中安装在集装箱箱门上的监测终端可以通过其上的RFID标签进行集装箱箱号与其上ZigBee无线通信模块的64位IEEE地址所代表的监测终端设备编号的自动绑定，并通过无线传感器网络以多跳传输的方式，将采集的数据路由到船上本地监测中心。本发明系统总体上包括三部分船上自动监测系统、远程传输系统和监控中心 (包括本地和远程两部分)，总体结构框架如图1所示。安装在集装箱箱门上用于感测箱内环境信息的监测终端、布设在集装箱周围用于中继信号的中继终端以及汇聚信息的汇聚终端通过其上的ZigBee无线通信模块组成无线传感器网络，终端之间可以通过直接传输或多跳传输的方式进行通信，从而当某个集装箱上的监测终端不能直接与汇聚终端进行通讯时，可以通过该监测终端的邻居终端向汇聚终端多跳传输，实现集装箱监测数据的可靠传输。感测的集装箱状态信息通过网关和路由器传输到船上本地监控中心，进行信息的本地处理并根据处理结果在相关数值超过预定值时报警。集装箱状态信息也通过远程通信智能切换模块选择经过GPRS/GSM基站网络或卫星传输到远程监控中心，从而实现远程监控，并向授权人员提供危险品集装箱状态信息在线查询等附加功能。如图2所示，监测终端包括用于感知集装箱内部状态信息的传感器模块、用于实现传感器模拟信号到数字信号转换的多通道ADC、存储器、报警装置、电源模块(电池)、时钟电路、复位电路、用于与手持式RFID读写器进行通信来存储集装箱箱号以及在某些情况下存储装载在集装箱箱内货物信息的RFID标签、用于集装箱监测终端组网从而通过多跳传输的方式进行集装箱监测终端通信的基于ZigBee技术的无线通信模块、用于控制整个监测终端工作的主控单元。传感器感知集装箱内部的状态信息，多通道ADC将状态信息由模拟信号转换为数字信号，RFID标签内存储与手持式RFID读写器进行通信获取的集装箱箱号以及集装箱箱内货物信息，主控单元读取RFID标签中存储的信息，通过ZigBee无线通信模块发送到船上本地监控中心，实现集装箱箱号与ZigBee无线通信模块的64位IEEE地址所代表的监测终端的设备编号相绑定，然后获取对应的数字状态信息。为了便于与外界组网，所述监测终端在实施上分为三部分置于集装箱箱门外侧的RFID标签和ZigBee无线通信模块天线部分；置于集装箱箱门内侧的其余部分；连接二者的线缆部分以及支撑结构部分。为了避免所述监测终端上RFID标签和ZigBee无线通信模块的射频干扰，所述监测终端上RFID标签的频率应避开ZigBee模块采用的2. 4GHz频率，选用其它频率如 433MHz。监测终端的工作流程如图3所示。在监测终端操作系统启动后，首先对各硬件模块进行初始化操作并在出错的时候进行硬件错误报警；如果初始化成功，则开中断，初始化网络协议并申请加入由汇聚终端建立的ZigBee无线传感器网络。为了降低功耗，实现长时间监测，所述监测终端打开计数器后便进入休眠模式；当采样间隔时间到达后，监测终端从休眠模式转入采样模式，并通过多通道ADC将传感器模块的模拟信号转换为数字信号并读入主控单元；主控单元在信号超过阈值后，进行本地报警，然后将数据通过ZigBee无线通信模块发送出去。监测终端在完成一次集装箱状态信息采集并成功传输后，又一次进入休眠状态，直至有停止系统运行的外部中断出现为止。其中，在监测终端开中断后，就可以响应手持式RFID读写器的写入操作引起的中断，在RFID标签上记录集装箱箱号等信息；然后主控单元读取RFID标签中存储的集装箱箱号等信息，由ZigBee无线通信模块发送到船上本地监控中心，实现每个监测终端ZigBee无线通信模块全球唯一的64位IEEE地址所代表的监测终端设备编号与集装箱箱号的绑定，方便数据处理等后续操作。如图4所示，中继终端包括存储器、报警装置、电源模块(电池)、时钟电路、复位电路、用于转发监测终端数据的基于ZigBee技术的无线通信模块、用于控制整个中继终端工作的主控单元。主控单元在中继终端系统启动并成功加入网络后，读取ZigBee无线通信模块接收的数据并按数据所含目的地址通过ZigBee无线通信模块进行转发。中继终端布设在船舶中离地面一定距离的地方(1. 5米以上)，以减小信号衰减，增强网络连通性。中继终端的工作流程如图5所示。在中继终端操作系统启动后，首先对各硬件模块进行初始化操作并在出错的时候进行硬件错误报警；如果初始化成功，则开中断，初始化网络协议并申请加入由汇聚终端建立的ZigBee无线传感器网络。随后，中继终端监听无线数据包。当接收到数据包后，首先判断是否需要进行本地数据处理并进行相应操作，在需要继续转发时进行后续转发操作；当接收到的数据包不需要本地处理时，直接转发。在转发阶段，通过读取路由表信息，确定转发数据包目标地址，据此更改数据包目标地址并对数据包进行分装，然后通过ZigBee无线通信模块转发数据包。当转发完成后，又转入监听数据包步骤，直至有停止系统运行的外部中断出现为止。如图6所示，汇聚终端包括存储器、报警装置、电源模块、时钟电路、复位电路、用于转发数据的基于ZigBee技术的无线通信模块、用于控制整个汇聚终端工作的主控单元、 用于与船上本地监控中心进行通信的TCP/IP网络接口或者RS232/485串口。主控单元控制整个汇聚终端的运行，通过读取ZigBee无线通信模块所接收的数据并将数据经过TCP/ IP网络接口或RS232/485串口发送到本地监控中心。由于汇聚终端长期持续工作，因此采用线缆供电。汇聚终端的工作流程如图7所示。在汇聚终端操作系统启动后，首先对各硬件模块进行初始化操作并在出错的时候进行硬件错误报警；如果初始化成功，则开中断，初始化网络协议并建立ZigBee无线传感器网络。随后，汇聚终端监听无线数据包。当接收到数据包后判断发送方式，根据判断结果调用RS232/485或TCP/IP发送模块并发送到船上本地监控中心。当转发完成后，又转入监听数据包步骤，直至有停止系统运行的外部中断出现为止。图8所示为本发明监测终端安装在集装箱上进行一次危险品集装箱运输监测的工作流程。通过手持式RFID读写器在所述监测终端写入箱号信息并与ZigBee无线通信模块的唯一 64位IEEE地址绑定，实现监测数据与箱号的对应。在运输过程中，监测终端周期的采集箱内环境状态信息并上传至监测中心，实现危险品集装箱运输的全程监测。具体步骤如下所述步骤Sl 在港口或码头集装箱装船前，将所述监测终端安装在待运输集装箱箱门上，并开启终端，进入工作状态。步骤S2 通过扫描或者手动输入等方式，在手持式RFID读写器上输入集装箱箱号。步骤S3 在某些必要的情况下，利用手持式RFID对装入集装箱的货物的RFID标签进行扫描，读取箱内所装载货物信息。步骤S4 将步骤S2以及必要情况下S3步骤中在手持式RFID标签中所输入的集装箱箱号以及集装箱货物信息写入监测终端RFID标签中。步骤S5 监测终端中的主控单元从RFID标签中读取集装箱箱号以及某些必要情况下集装箱货物信息，并连同ZigBee芯片自身所具有的全球唯一的64位IEEE地址所代表的监测终端的设备编号经过ZigBee无线通信模块发送到船上本地监控中心。步骤S6 船上本地监控中心将集装箱箱号与ZigBee芯片的64位IEEE地址所代表的监测终端设备编号进行绑定，实现采样数据与集装箱箱号的对应。步骤S7 监测终端定期将包含有设备编号的数据发送给船上本地监控中心，并通过远程传输系统发送到远程监控中心，从而实现危险品集装箱运输过程中的在线监控。步骤S8 当集装箱到达目的地后，卸下监测终端，等待下一次重复使用。本实施例中的远程传输系统位于甲板上利于接收无线电信号的地方，通过线缆经过路由器与船载本地监控中心相连，同时通过GPRS/GSM或者卫星通信实现前端数据的远程可靠传输。其中采用了一种GPRS/GSM和卫星通信智能切换模块，使得在同时存在GPRS/ GSM和卫星信号并且GPRS/GSM信号强度大于预设阈值时，优先地选择GPRS/GSM网络进行数据传输，而在没有GPRS/GSM信号时自动切换到卫星通信中，从而实现了船上集装箱状态数据的可靠、低成本传输。图9所示为本发明所述远程通信智能切换模块电路原理图。该模块由一个GPRS/ GSM信号强度比较器、一个控制卫星通信模块使能信号的与门以及一个控制GPRS/GSM通信模块使能信号的与门构成。GPRS/GSM信号强度比较器用于比较GPRS/GSM信号强度与预设阈值的大小，当GPRS/GSM信号强度高于该预设阈值时，比较器输出为高。控制卫星通信模块使能信号的与门的两路输入信号分别为前述GPRS/GSM信号强度比较器的输出信号取反后的信号以及GPRS/GSM通信模块中用于指示是否正在进行数据传输的传输状态检测端信号(例如可以采用GPRS/GSM通信芯片SIM300中的数据载波检测端的输出信号)。当GPRS/ GSM信号强度低于预设阈值并且GPRS/GSM通信模块中没有数据正在传输时，使能卫星通信模块。控制GPRS/GSM通信模块使能信号的与门的两路输入信号分别为前述GPRS/GSM信号强度比较器的输出信号以及卫星通信模块中用于指示是否正在进行数据传输的传输状态检测端信号。当GPRS/GSM信号强度高于预设阈值并且卫星通信模块中没有数据正在传输时，使能GPRS/GSM通信模块。通过使能相关通信模块，将数据总线上的集装箱状态信号传输到远程监控中心。上述阈值通过下式确定阈值=参考电压* R1/(R1+R2)其中，Rl、R2大小根据GPRS/GSM通信质量经过试验确定。前端数据最后经过GPRS/GSM地面基站或卫星信号的固定地面站汇集到远程中央控制中心的服务器，并进行统一处理。在远程中央控制中心，通过大屏幕显示各个船只的位置信息，提供每个船只上各个集装箱状态信息并进行实时报警等功能。船载本地监测中心过对监测终端、中继终端以及汇聚终端组成的无线传感器网络所传回数据的处理，全面监测所运危险货物介质和箱体状态，实现本地信号的处理和预警。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种船舶运输危险品集装箱智能监测系统，其特征在于包括船上自动监测系统、 远程传输系统和监控中心；所述的船上自动监测系统包括安装在集装箱箱门上的监测终端、布设在船舱中的中继终端以及负责数据汇聚的汇聚终端，监测终端实时感知船上集装箱的状态，汇聚终端直接从监测终端或者通过中继终端从监测终端获取船上集装箱的状态信息；汇聚终端通过网关和路由器将状态信息传输到船上的本地监控中心，本地监控中心进行状态信息的本地处理并根据处理结果在状态参数值超过预定值时报警；远程传输系统利用GPRS/GSM网络或者卫星信号将汇聚终端获取的状态信息传送至远程监控中心，远程监控中心对获取的状态信息进行本地处理，实时显示船上集装箱的状态，并根据处理结果在状态参数值超过预定值时报警。
2.根据权利要求1所述的一种船舶运输危险品集装箱智能监测系统，其特征在于所述的监测终端包括传感器、多通道ADC、RFID标签、ZigBee无线通信模块和监测终端主控单元；传感器感知集装箱内部的状态信息，多通道ADC将状态信息由模拟信号转换为数字信号，RFID标签内存储与手持式RFID读写器进行通信而获取的集装箱箱号以及集装箱箱内的货物信息，监测终端主控单元读取RFID标签中存储的信息，通过ZigBee无线通信模块发送到船上的本地监控中心，实现集装箱箱号与ZigBee无线通信模块的64位IEEE地址所代表的监测终端的设备编号的绑定，监测终端主控单元还定期地读取多通道ADC转换来的传感器数字信号，并通过ZigBee无线通信模块发送到船上的本地监测中心，实现集装箱状态的监测。
3.根据权利要求1所述的一种船舶运输危险品集装箱智能监测系统，其特征在于所述的中继终端包括ZigBee无线通信模块和中继终端主控单元；中继终端主控单元在中继终端系统启动并成功加入网络后，读取ZigBee无线通信模块接收的状态信息并按状态信息中所含目的地址通过ZigBee无线通信模块将接收到的状态信息进行转发。
4.根据权利要求1所述的一种船舶运输危险品集装箱智能监测系统，其特征在于 所述的汇聚终端包含ZigBee无线通信模块、汇聚终端主控单元、TCP/IP网络接口或者 RS232/485串口 ；汇聚终端主控单元读取ZigBee无线通信模块所接收的状态信息并将状态信息经过TCP/IP网络接口或RS232/485串口发送到本地监控中心。
5.根据权利要求1所述的一种船舶运输危险品集装箱智能监测系统，其特征在于所述的远程传输系统利用远程通信智能切换模块实现信号切换，所述的远程通信智能切换模块包括一个GPRS/GSM信号强度比较器、一个控制卫星通信模块使能信号的与门以及一个控制GPRS/GSM通信模块使能信号的与门；所述GPRS/GSM信号强度比较器用于比较GPRS/ GSM信号强度与预设阈值的大小；所述控制卫星通信模块使能信号的与门的两路输入信号分别为GPRS/GSM信号强度比较器的输出信号取反后的信号以及GPRS/GSM通信模块中用于指示是否正在进行数据传输的传输状态检测信号；所述控制GPRS/GSM通信模块使能信号的与门的两路输入信号分别为GPRS/GSM信号强度比较器的输出信号以及卫星通信模块中用于指示是否正在进行数据传输的传输状态检测信号。
全文摘要
一种船舶运输危险品集装箱智能监测系统，包括船上自动监测系统、远程传输系统和监控中心三部分。船上自动监测系统利用安装在集装箱箱门上的监测终端、中继终端以及负责数据汇聚的汇聚终端实现船上集装箱状态的实时感知，并将采集的集装箱状态信息通过远程传输系统传送给远程监控中心，通过对数据的分析，实现前端所采集集装箱状态信息的处理、报警等功能。本发明通过基于ZigBee技术的集装箱监测终端的组网解决了现有集装箱监测系统中直接采用RFID或GPRS/GSM、卫星作为通信模块时当信号被遮蔽而造成的通信暂时中断问题，具有可靠性高、通信成本低、易于监测的特点，为危险品集装箱智能监测提供了一种有效的解决方案。
文档编号H04L29/08GK102223413SQ20111016552
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年6月20日
发明者倪鹏, 冯安, 卢成, 曹文胜, 李丹东, 李清洲, 薛旭, 许世博, 邓延洁, 郭刚 申请人:交通运输部水运科学研究所, 北京航天控制仪器研究所