一种监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端及其安装结构的制作方法

本实用新型涉及物联网终端，尤其涉及一种监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端及其安装结构。

背景技术：

随着世界物流行业的不断发展，传统集装箱已经由“标准化”开始向“智能化”发展，通过安装集装箱上的传感装置，可实现对集装箱的位置、箱门开闭状态、内部温湿度和气体(种类、浓度)等参数进行自动检测，并通过移动通信运营商、无线网络传输或卫星通信等方式传送给集装箱管理平台系统，为货主、航运企业等集装箱运输业务链条中各个环节提供基础数据，实现集装箱物流运输的全程监测。

在可采集的集装箱参数中，集装箱箱门的开闭状态是重要的参数之一。在集装箱物流运输过程中，尤其是涉及到海关的进出口检验检疫环节，集装箱在集装箱堆场、保税区等区域流转时，集装箱箱门的开闭状态必须进行严格监控。此外集装箱空箱在堆放或运输过程中，常发生集装箱箱门未关闭的情况，会导致小动物等进入集装箱便溺污染集装箱，或者在运输过程中因为集装箱箱门未关闭导致交通事故。

因此在集装箱物流行业的各个环节，都需要能够对集装箱的箱门开闭状态进行实时监控，传统方法是在箱门上安装机械或电子施封锁将箱门锁死，但是对于空箱的箱门如果加装施封锁或导致作业量急剧增加。

目前集装箱箱门开闭检测技术是通过在集装箱厢壁和箱门上安装行程开关或者门磁开关，通过箱门对开关的机械或电磁信号的触发来实现开闭检测。无论行程开关还是门磁开关，其检测距离都较短，因此无论行程开关还是门磁开关都要安装在靠近箱门的厢壁边缘。我国现行国家标准《集装箱外部尺寸和额定质量》(gb1413—2008)中集装箱各种型号的外部尺寸、极限偏差公差为5～10mm，因此在实际应用中，行程开关或电磁开关的安装时需要根据箱体来调节安装位置才能保证检测的可靠性。此外由于行程开关或霍尔传感器需要安装在集装箱厢壁边缘，容易在集装箱的装卸货物作业中容易因磕碰导致损坏。此外由于行程开关或电磁开关必须安装在箱门附近，因此某些应用场景需要在集装箱内进行布线。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端及其安装结构。

本实用新型提供了一种监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端，包括天线、通过无线通信的无线通信单元、处理器和对门进行红外测距的红外测距装置，其中，所述红外测距装置、无线通信单元分别与所述处理器连接，所述无线通信单元与所述天线连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述红外测距装置包括测距单元，所述测距单元包括驱动芯片、红外发射管、放大芯片和红外接收管，所述处理器的输出端与所述驱动芯片的输入端连接，所述驱动芯片的输出端与所述红外发射管连接，所述红外发射管发射的红外信号被门反射后被所述红外接收管接收，所述红外接收管的输出端与所述放大芯片的输入端连接，所述放大芯片的输出端与所述处理器的输入端连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述测距单元有两组并分别监测左侧门和右侧门。

作为本实用新型的进一步改进，所述物联网终端还包括电池，所述电池分别与所述无线通信单元、处理器、红外测距装置连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述无线通信单元为nb-iot通信单元、lora通信单元、wi-fi通信单元中的任意一种。

作为本实用新型的进一步改进，所述无线通信单元通过射频线缆与所述天线连接，所述天线为外置的独立天线。

作为本实用新型的进一步改进，所述物联网终端还包括检测可见光的光电二极管，所述光电二极管与所述处理器连接。

本实用新型还提供了一种物联网终端的安装结构，包括上述中任一项所述的监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端。

作为本实用新型的进一步改进，所述物联网终端安装在集装箱厢壁上，所述红外测距装置实时监测所述物联网终端与所述集装箱的箱门之间的距离。

作为本实用新型的进一步改进，所述物联网终端安装在集装箱厢壁的凹陷部分上。

作为本实用新型的进一步改进，所述物联网终端的天线通过吸波材料安装在集装箱厢壁的凹陷部分上。

本实用新型的有益效果是：通过上述方案，能够有效的检测集装箱箱门的开闭状态，同时具有易于安装，不容易损坏，兼容性强的特点，非常适合智能集装箱领域的应用。

附图说明

图1是本实用新型一种监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端的工作示意图。

图2是本实用新型一种监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端的工作示意图。

图3是本实用新型一种监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端的示意图。

图4是本实用新型一种监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端的安装示意图。

图5是本实用新型一种监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端的天线的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

随着智能集装箱概念的提出，集装箱被要求具有自我感知开闭状态或温湿度等参数的能力，并通过无线网络传送给后台管理系统。对于保有量巨大的传统集装箱，需要通过额外安装相应的传感装置来实现参数检测。其中集装箱箱门开闭状态检测一般通过安装行程开关或电磁检测来实现，由于这类检测器件基于机械或电磁信号的变化实现检测，因此必须要安装在集装箱箱门处，存在有安装精度要求、容易损坏等诸多问题。

区别于使用传统的行程开关或电磁检测开关存在的不足，本发明实施例公开了一种利用红外测距技术来实现集装箱箱门检测的装置。

如图1至图5所示，一种监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端100，包括天线103、通过无线通信的无线通信单元102、处理器101和对门进行红外测距的红外测距装置，其中，所述红外测距装置、无线通信单元102分别与所述处理器101连接，所述无线通信单元102与所述天线103连接。

如图1至图5所示，所述红外测距装置包括测距单元，所述测距单元包括驱动芯片104、红外发射管105、放大芯片107和红外接收管106，所述处理器101的输出端与所述驱动芯片104的输入端连接，所述驱动芯片104的输出端与所述红外发射管105连接，所述红外发射管105发射的红外信号被门反射后被所述红外接收管106接收，所述红外接收管106的输出端与所述放大芯片107的输入端连接，所述放大芯片107的输出端与所述处理器101的输入端连接。

如图1至图5所示，所述测距单元有两组并分别监测左侧门和右侧门。

如图1至图5所示，所述物联网终端还包括电池108，所述电池108分别与所述无线通信单元102、处理器101、红外测距装置连接。

如图1至图5所示，所述物联网终端100还包括检测可见光的光电二极管，所述光电二极管与所述处理器102连接。

如图1至图5所示，当集装箱处于开门状态时，在某些情况下，开启的箱门被强烈的阳光直接照射，导致红外发射管105发射的红外信号被阳光中的红外线淹没而无法检测到信号的脉冲边缘，导致无法测距。在极端情况下，阳光通过折射等方式照射在物联网终端100上，影响测距功能。针对此类特殊情况，物联网终端100包括一个可检测可见光的光电二极管，当光电二极管检测到强烈的光照时，即使测距数据出现异常，由此判别为箱门处于开启状态。

如图1至图5所示，一种物联网终端的安装结构，包括上述中任一项所述的监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端100。

如图1至图5所示，所述物联网终端100安装在集装箱厢壁200上，所述红外测距装置实时监测所述物联网终端100与所述集装箱的箱门201之间的距离。

如图4所示，所述物联网终端100安装在集装箱厢壁200的凹陷部分202上。

如图5所示，所述物联网终端100的天线103通过吸波材料300安装在集装箱厢壁200的凹陷部分202上，吸波材料300又称吸波件或者吸波层。

红外测距系统原理：

驱动红外发射管105向测距目标发射红外信号，同时输入计时器作为计时启动信号。由测距目标反射回来的红外线被红外接收管106接收，转换为脉冲信号，经过放大器放大后输入计时器作为计时器的停止信号，计时器测量启动信号和停止信号的时间，通过下面的公式计算出测试距离：

式中：l——待测距离；

c——光速；

t——计时器计时时间，即红外光在被测试距离上往返传输所需要的时间。

红外测距系统具有原理简单、成本低、功耗小等特点，缺点是测试距离近，容易受日光的干扰，随着激光测距技术的发展，逐渐被取代，但是由于其成本低，功耗小的特点，在很多机电系统中仍被广泛应用。

本发明实施例公开了一种基于红外测距原理进行箱门开闭状态检测的物联网终端100。物联网终端100包括红外发射管105和红外接收管106，红外发射管105发射的红外信号经集装箱的箱门201反射后被红外接收管106接收，物联网终端100通过对红外信号发射和被接收到的时间差进行测量，计算出物联网终端100与集装箱的箱门201间的距离，当箱门201处于关闭或开启状态时，箱门201与物联网终端100间的距离的测量数据不同，由此判断箱门201的开闭状态，甚至开启的角度。

本发明实施例设计采用红外测距而非单纯红外反射检测的原因在于，箱门201处于未完全关闭状态时也会产生红外反射信号，导致检测结果出错。而采用红外测距的方式，可精确测量集装箱的箱门201到物联网终端100的距离，当距离超过限定值时认为箱门201处于未完全关闭(锁紧)状态。

集装箱处于关闭状态时内部为黑暗环境，红外测距技术可以很好应用，因此可以可靠地检测出箱门是否关闭。当箱门201处于开启状态时，设计上需要考虑外部干扰(如日光被反射进集装箱)情况，通过特定逻辑来滤除干扰。

处理器101通讯用于对整个系统的控制处理。基于物联网终端降低成本和功耗等因素，处理器101同时进行发射信号的驱动，接收信号的检测和飞行时间测量的功能。

无线通信单元102实现物联网终端100与后台系统的通讯功能。基于用户的应用场景和需求的不同，可以选择nb-iot、lora和wi-fi等通信技术，首选为nb-iot模块。无线通信单元102通过数据总线与处理器101进行通信，接收控制指令和交换传输数据。

无线通信单元102的天线103使用外置的独立天线，基于成本、可靠性、安装方式等因素考虑，采用pcb板状天线，外部加装pvc塑料外壳对天线和线缆接口进行防护。天线103与无线通信单元102间通过射频线缆连接。在应用中，物联网终端100安装在集装箱内部，天线103安装在集装箱外部合适位置(避免碰撞且易于收发无线信号)，连接两者的射频线缆通过集装箱的通风口穿出。

驱动芯片为普通开关三极管，驱动极连接处理器101的io管脚。通过io管脚的高低电平状态控制开关三极管的导通与截至，进而控制红外发射管的通断电，实现红外光的可控发射。

放大芯片107为运算放大器，输入端连接红外接收管，将红外接收管106检测到的红外信号放大后输入给处理器101的io管脚。

作为红外发射和接收电路的另一个方案，可选用红外遥控设备中使用的专用红外收发驱动芯片，此类芯片内置驱动电路和运算放大器，单芯片即可实现红外信号的发射和接收，减少外部元器件的使用。

物联网终端100中由红外发射管105和红外接收管106组成的测距单元有两组，发射时分别照射在左右箱门上，实现对两侧箱门状态的监测，被避免相互干扰，两组红外测距模块采用时分模式轮流发射，分别测量左右门的距离。

对于有多个箱门的特殊用途的集装箱，只需要设计带有相应数量红外测距模块的型号的物联网终端，红外测距模块的方向可调即可实现箱门开闭检测。而使用行程开关或电磁开关，需要安装相应数量的检测装置，同时涉及在箱体内的布线问题。而本发明实施例只需要单一设备即可实现多个箱门的检测。

光电管检测物联网终端是否处于强光照射的环境。光电管采用普通光电二极管，并通过三极管对检测信号进行放大后输入到处理器的ad转换管脚。

物联网终端101使用内置的电池108供电，终端内器件选型采用低功耗型号，设计中采用休眠等方式实现低功耗设计。常规锂电池可以支持4～5年，根据用户需求可选择可充电或可更换电池的设计。

为平衡结构强度和厚度，集装箱钢板一般采用瓦楞形状的钢板。物联网终端设计为条状，正好安装在钢板的凹陷部分202，避免在集装箱装卸作业时被货物碰撞。物联网终端100与钢板间采用粘结方式，要求终端的红外发射管105和接收管要求高出瓦楞的凹陷深度。

安装时只需要将物联网终端100通过贴装方式安装在集装箱内部箱顶波纹钢板的凹槽内即可。

无线通信的天线103安装在集装箱外部侧面厢壁上，同样安装在集装箱厢壁200的钢板的凹陷部分202处来防止集装箱装卸、运输作业中的碰撞。无线通信的天线103与集装箱厢壁200间使用厚度为1～2厘米的吸波材料300进行隔离来减少集装箱厢壁金属对无线通信天线的干扰，吸波材料300的作用如下：

1：增加天线102与金属平面间的间距(集装箱厢壁)，由此减少对天线的干扰；

2：通过吸波材料300吸收金属平面方向的电磁波，减少由于无线反射和折射效应对信号的影响。

为降低系统功耗，处理器101采用睡眠+周期性唤醒工作模式。处理器101被芯片内置定时器唤醒后，通过io口驱动红外发射管105发射红外线脉冲，同时启动内部计数器，当放大器输出的反射的红外脉冲出发处理器的io中断后，处理器101停止内部计数器并读取计数器寄存器的数值，将其换算为时间后计算出物联网终端100与箱门201间的检测距离值，当该数据等于预先存储的关门判决阙值时，判断为关闭状态，否则判断为开门状态，通过预先测量的计算公式计算开门角度。

为保证测距数据的可靠性，以500ms的间隔连续测试10组数据，去掉异常偏大后偏小数据后计算平均值。为避免相互干扰，物联网终端100的两组测距单元轮流进行测距。

测距完成后，处理器101通过无线通信单元102将数据传送给后台系统进行展现、存储和告警。

物联网终端100安装完成并上电启动后关紧集装箱箱门，物联网终端100通过红外测距方式分别测量物联网终端100到箱门201的距离并存储在内部。在后续运行中以该数据作为集装箱关门的判别标准，由于箱门201关闭紧密程度会变化，以及密封橡胶老化，箱门轴销磨损和变形等因素，测量距离会在使用中发生变化，因此物联网终端100在实际判别时会允许0.5厘米的偏差。此外物联网终端100支持自动校准功能。当集装箱箱门处于关闭状态时，物联网终端100会长期周期性的测试到一个较稳定的数据，将数据通过简单的平均计算即获得物联网终端100与箱门201间的距离，该数值自动存储到物联网终端内部作为判别集装箱箱门开闭状态的基准。通过自动校准功能，可以有效减少集装箱由于长期使用导致箱门部分结构发生的变化对状态判别的影响。

本发明实施例公开的物联网终端能够有效的检测集装箱箱门的开闭状态，同时具有易于安装，兼容性强的特点，非常适合智能集装箱领域的应用。

本实用新型提供的一种监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端及其安装结构，物联网终端100安装在集装箱内部适当位置，红外发射管105发射的红外线被箱门201反射后再被红外接收管106接收，处理器101通过测量红外信号的发射和接收时间差来测量装置与箱门201间的距离d0、d1，通过d0、d1距离的变化来检测集装箱箱门的开闭状态。

本实用新型提供的一种监测集装箱箱门开闭状态的物联网终端及其安装结构，相对于使用行程开关或门磁开关优势在于：

1、安装时不需要特定的安装位置，对安装位置的偏差也无要求，物联网终端100在安装完成后通过自动检测可自动调节箱门的开闭状态检测限值；

2、物联网终端100可安装在集装箱深处，并且体积较小，可以安装在箱顶波纹钢板的凹槽内，有效防止装卸货物作业中的磕碰；

3、可检测箱门的关闭、半开或全开等多种状态，甚至可精确检测开门角度；

4、常规集装箱箱门至少有两扇，某些特殊规格有多扇箱门，行程开关或门磁开关需要根据箱门数量安装多处，涉及安装、布线等诸多问题，本发明实施例公开的物联网终端只需要安装一个，安装方便且成本低。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。