专利名称：用于监控集装箱以保证其安全性的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及监控集装箱安全性的方法和系统。尤其是，但不局限于，监控贯穿供应链中的联合运输货物集装箱的方法和系统，以便阻止或防范如恐怖事件、非法入侵，偷盗，货物掺假或其它非法事件等紧急问题。
背景技术：
遍及世界的绝大多数船运货物都通过称为联合运输货物集装箱的东西船运。在这里所用的术语“集装箱”包括任何一种可对无线电频率信号屏蔽的集装箱(不论是否附加了轮子)，包括但不局限于联合运输货物集装箱。最普通的联合运输货物集装箱被认为是国际标准化组织(ISO)干燥联合运输集装箱，意思是它们符合特殊的尺寸的、机械和其它由ISO发布的标准，通过鼓励兼容标准的集装箱、处理设备、远洋船舶、铁路设备和遍及全世界用于货物水路传输的所有方式的长途运输设备的发展和使用来促进全球贸易。目前有多于1200万个这样的集装箱和许多更专业的集装箱，例如携带易腐烂商品的冷藏集装箱在全世界流通。美国每年单独接收大约600万个已装货集装箱，差不多每天17000个，接近每年接收的所有货物的总价值的一半。
因为国际上船运的所有货物的将近90％都在集装箱中传送，集装箱运输已经成为世界经济的脊梁。
全世界运输的集装箱的绝对量要实施逐个实际检查是不现实的，事实上进入美国的集装箱中仅有2％到3％被实际检查过。恐怖分子生物的、辐射的或爆炸性的设备通过货物集装箱引入的风险是很高的，考虑到集装箱在世界贸易中的重要性，这样的事件对国际经济造成的后果可能是灾难性的。
即使充足的资源被投入到实施所有集装箱的实际检查工作中去，这样的任务还是会引起严重的经济后果。
例如光是耽搁的时间就能够引起工厂的倒闭以及在给顾客运送货物的过程中不必要和高代价的耽搁。
目前的集装箱设计未能提供合适的机制来建立和监视集装箱的安全性或它们的内容物。典型的集装箱包括一个或多个门搭扣机制，其允许插入塑料或金属的指示“封条”或螺栓栅栏的传统“封条”来保护集装箱的门。传统使用的门搭扣机制很容易被破坏，例如，通过在安装于门外的搭扣的联接螺栓上钻孔。通过使用普通的切割工具和非常简单的复制封条的替换，目前使用的传统的封条也很容易被破坏。
最近提出的更高级的解决方案是电子封条(“e-seal”)。这些e-seal等价于传统的门封并通过相同的、虽然不牢固的门搭扣机制，作为集装箱的附件应用于集装箱，但这些e-seal还包括诸如无线电或无线电反射设备等可以传输e-seal序列号的电子设备，以及e-seal安装后被切割或损坏的信号。然而，所述e-seal不能与集装箱的内部或内容物通信，也不能将涉及集装箱的内部或内容物的信息传送到其它设备。
所述e-seal典型的采用低功率无线电收发机或利用无线电频率反向散射技术，把信息从e-seal标签传输到安装在例如终端门上的读卡器上。无线电频率反向散射涉及基于组合雷达的相对昂贵的窄带高功率无线电技术和无线电广播技术。无线电反向散射技术需要读卡器传输具有较高发射机功率(也就是，0.5-3W)的无线电信号，具有被调制或编码的数据的信号从e-seal被反射或向后散射回到读卡器。
此外，当前e-seal的应用使用完全开放的、未加密的和不安全的空中接口和协议，允许e-seal相对容易的剽窃和伪造。目前的e-seal也仅在低于1GHz的本地授权的频率带宽上起作用，由于目前世界上的许多国家中其无线电规则不允许它们的使用，使得很难在全球贸易涉及联合运输集装箱时实现。
此外，e-seal从入侵的可替换形式的角度或涉及集装箱内容物的角度来监视集装箱的安全性方面是无效的，因为集装箱可以通过种种方法被破坏或危害，而传统访问集装箱内部的方法仅是通过集装箱的门。例如，生物制剂可以通过集装箱的标准气孔被插入到集装箱中，或集装箱的侧壁可以被刺穿来提供通路。尽管传统的封条和e-seal提供了安全监视集装箱的门一种形式，但两者都可被损坏。传统的封条和e-seal通常仅仅悬挂在集装箱的门搭扣上，在集装箱处理例如轮船装卸工作时，它们都被暴露在物理损害下。此外，传统的封条和e-seal都不可监视集装箱的内容物。
利用多传感器来监视集装箱内部物来覆盖多种可能的问题和/或危险状态是必要的。例如，集装箱可以被用于航运危险的、辐射的材料，比如炸弹。在这样的方案中，为了检测这样严重的危险的存在，无线传感器将是需要的。不幸地是，恐怖分子威胁并不限于威胁的单个种类。化学和生物武器两者都已经被大量使用并对公众产生严重的威胁。因此，两种类型的检测器可能都是需要的，而且特定情况、辐射、气体和生物传感器可以被认为是适当的。这种传感器的使用的一个问题是，当传感器置于集装箱的内部时，这种检测的数据究竟如何传输到外部世界。因为标准的联合运输集装箱是采用对于无线电信号不透明的钢材制造的，除非数据传输被编址，否则事实上不可能拥有一个可靠的系统可用于从完全置于这样的集装箱中的传感器传输数据。如果数据可以从完全部署在联合运输集装箱中的传感器有效地传输，例如温度、光、易燃气体、蛋白质(生物测定传感器)运动、无线电活动、生物和其它状态的状态和/或安全参数可以被监视。此外，这样的传感器的安装的完整性是关键的并且需要比上述提到的允许插入塑料或金属的指示“封条”或螺栓栅栏的传统“封条”来保护集装箱门的门搭扣机制更成熟的监视系统。
除上面提到的之外，集装箱的完整性的监视通过门运动可能相对复杂。尽管集装箱结构合理地构造并携带很重的负载，包括单个集装箱以及依靠集装箱相互层叠，每个集装箱还被设计成调节横向的负载来调节(尤其是)海洋传输固有的动态应力和移动，并且这种应力和移动在集装箱的航运中常常遇到。目前用于典型的集装箱的ISO标准可以允许由于横向负载相对于其它集装箱的垂直轴上的运动最多为40毫米。因此，基于保持两个集装箱门之间的物理接口的紧密关系的安全方法一般是不实际的。
因此，比较有利的作法是提供一种方法及系统以用于(1)以低廉的成本、永久可行而且可靠的方式来监视集装箱门相对于集装箱结构的运动；(2)提供一种数据路径或网关，其用于放置在集装箱内的多个传感器来检测其它方式的入侵，危险的存在或非法内容物，并传送到外部的接收机。
发明内容
上述这些以及其它的缺点被本发明的具体方案所克服，本发明提供了有效并可靠地监视集装箱以保持其安全性的方法和系统。特别地，本发明的一个方面包括一个设备用于监视集装箱的状况。该设备包括一个传感器，用于检测集装箱的门与集装箱构架间的距离或角度值。该设备同样包括一个微处理器，以建立一个与由至少两个警告值而计算出的平均值相关的基线值。该微处理器同样适于设立一个警报门槛，并由警报门槛及长度或角度值来确定是否安全已经遭到破坏。
在另一方面，本发明涉及一种用于确定是否集装箱的安全已遭到破坏的设备。该设备包括一个传感器用于检测集装箱及其内容物的至少一个距离状态以及一个角度状态。同样包括一个微处理器用于从传感器接收该至少一个距离状态以及一个角度状态。该微处理器同样设置一个可接受的距离状态及角度状态值的范围，使得可接受的状态值与在集装箱及其内容物在运输过程中的一般经验下所检测到的条件的波动相关。一个固定的状态值以及检测状况被微处理器利用以确定集装箱的安全状况。
在另一方面，本发明涉及一种用于检测集装箱的安全是否遭到破坏的方法。该方法包括以下步骤临近集装箱的结构部件以及门放置一个临近传感器，该临近传感器获得一个检测数值，并且通过放置在集装箱内的数据单元将检测数值转换成为一个距离值，基于该距离值确通过数据单元确定是否发生了门的安全性破坏。并且通过该数据单元，将确定步骤的结果传送给可共同操作性连接到数据单元的天线，该天线临近集装箱的外部放置。通过该天线将传送步骤的信息发送出去。
在另一方面，本发明涉及一种用于检测集装箱的安全是否遭到破坏的方法。该方法包括以下步骤检测集装箱的门与集装箱构架间的距离或角度值，建立一个与由至少两个警告值而计算出的平均值相关的基线值。该方法同样包括定义一个门槛值；并且通过该门槛值及检测值确定是否已经发生了安全性的破坏。
附图简述对本发明的具体实施方式
的更完整的理解将结合以下附图并参考随后的具体实施方式
来实现，其中
图1A是图示根据本发明实施例的系统元件之间的通信的图表；图1B是图示一个典型的供应链的图表；图2A是根据本发明一个实施例的设备的示意图；图2B是根据本发明一个实施例的设备的俯视图；图2C是根据本发明一个实施例的设备的侧视图；图2D是根据本发明一个实施例的设备的第一切除透视图；图2E是根据本发明一个实施例的设备的第二切除透视图；图2F是根据本发明一个实施例的设备的主视图；图2G是根据本发明一个实施例的设备的后视图；图2H是根据本发明一个实施例的设备的仰视图；图2I是根据本发明一个实施例的设备的俯视图；图2J是装在集装箱上的图2F的设备的主视图；图2K是装在集装箱上的图2F的设备的透视图；图3A是根据本发明一个实施例的读卡器的示意图；图3B是根据本发明原理的读卡器图表；图4是根据本发明实施例的图1A的系统的第一应用方案；图5是根据本发明实施例的图1A的系统的第二应用方案；图6是根据本发明实施例的图1A的系统的第三应用方案；图7是根据本发明实施例的图1A的系统的第四应用方案；图8是图示根据本发明实施例的集装箱保护程序的图表；图9是图示根据本发明实施例使用的集装箱安全性检查程序的图表；图10是图示根据本发明实施例的门传感器校准程序的流程图；图11是图示根据本发明实施例的报警值的范围计算的流程图；图12是图示根据本发明的一个实施例的干预计算的流程图。
具体实施例方式
已经发现下面阐述、显示和描述的这一类型的集装箱安全设备，可以定位在集装箱中而且对集装箱是可靠的，以用于对其完整性、状态以及内容物的有效检测。正如下面将要详细说明的，根据本发明原理的设备定位在集装箱的预定的结构部分内，以用于显示最小的结构上的移动。所述移动产生于该集装箱由于常规装载、处理和通过沿着传统的集装箱构架和门之间接口的延伸。弹性垫圈通常围绕所述门放置并通过接口区域延伸，以保证该集装箱是防水的而且保护商品不受气候影响。该设备适于(a)简单的无工具安装；(b)自供电间歇性信号传输；(c)传感相对于弹性门密封件的压力，以传输用于指示集装箱门的移动的偏差，其中包括入侵。
图1A是说明根据本发明原理的系统元件之间的通信的图表。该系统包括设备12、至少一种读卡器16、服务器15以及软件中枢17。设备12保证在集装箱10被保护之后该集装箱不被破坏。集装箱10由读卡器16保护和跟踪。每个读卡器16可以包括用于与服务器15通信的硬件或软件，例如用于通过GSM、CDMA等传输数据的调制解调器或用于下载数据到PC的电缆，该PC通过网络传输数据到服务器15。各种用于从读卡器16到服务器15传输数据的装置可以被应用到读卡器16中或成为一个单独的设备。该读卡器16可以被配置成一个手持读卡器16(A)、移动读卡器16(B)或固定读卡器16(C)。手持读卡器16(A)可以例如结合移动电话、个人数字助理或便携式电脑。移动读卡器16(B)基本上是一个带有GPS接口的固定读卡器，典型的使用在移动装置中(例如使用现有的GPS、AIS或类似的定位系统的卡车、火车或轮船)以类似于手持读卡器16(A)的方式来保护、跟踪和确定集装箱的完整性。在固定装置中，例如在港口或航运码头，固定读卡器16(C)典型的安装在起重机或门上。该读卡器16主要地作为设备12和服务器15之间的中继站服务。
服务器15存储安全事项细节的记录，例如门事件(例如安全性破坏、集装箱安全性检查、保护集装箱和卸载集装箱)、位置以及任何附加的想要的外围传感器信息(例如温度、移动、辐射)。该服务器15结合软件中枢17，对授权用户是可存取的，以便确定集装箱10的最后已知位置、对任意数量的集装箱作出完整性查询或执行其它管理操作。
设备12通过使用诸如直接序列扩频原理的无线接口的短距离无线接口与读卡器16通信。该无线接口可以使用例如蓝牙或任何其它短距离、低功率的系统，该系统在无需登记的工业、科学和医学(ISM)频带内操作，例如在大概2.4GHz内操作。取决于对特殊解决方案的需要，对应的无线电射程被提供，例如大于100m的无线电射程。
读卡器16可以通过例如使用TCP/IP的网络13与服务器15通信，通过任何合适的技术，例如通用移动电信系统(UMTS)、全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、局域网(LAN)、卫星通信系统、自动识别系统(AIS)或Mobitex。服务器15可以通过任何适当的有线或无线技术与软件中枢17通信。该软件中枢17适于支持实时的监视服务，例如通过服务器15、读卡器16和设备12跟踪和保护集装箱10。服务器15和/或软件中枢17适于存储信息，例如识别信息、跟踪信息、门事件以及其它由设备12和与设备12共同操作相连的附加外围传感器传输的数据。该软件中枢也允许通过用户接口为授权用户访问已存储信息，该接口可以通过例如网络访问。
现在参考图1B，示出了从节点(A)到(I)的一个典型的供应链的流程2。首先参考节点(A)，集装箱10由托运人等装入了货物。在节点(B)，装载好的集装箱通过高速公路或铁路运输运到港口。在节点(C)，该集装箱在诸如航运码头的装载港口入关(gate in)。
在节点(D)，集装箱装载到由运输商操作的轮船上。在节点(E)，集装箱被运输商运送到卸货的港口。在节点(F)，集装箱从轮船上卸货。在节点(F)卸货之后，在节点(G)集装箱被装货到卡车上并从卸货的港口出关(gateout)。在节点(H)，集装箱以与该节点(B)类似的方式通过陆地运输到期望地点。在节点(I)，在到达期望地点的基础上，集装箱由收货人卸载。
图2A是设备12的框图。所述设备12包括天线20、RF/基带单元21、微处理器(MCU)22、存储器24和门传感器29。该设备12还可以包括接口28，用于附加传感器的连接以监视集装箱的各种内部状态，例如温度、振动、辐射、毒气检测和移动。该设备12还可以包括可选电源26(例如电池)；然而，其它可拆卸和远程电源也可以被设备12使用。当电源26包括电池时(如图所示)，在设备12中的电源26的包含物能帮助延长电池寿命，因为电源处于集装箱10的内部可以让电源26处于较小的温度波动。电源存在于集装箱中有利于减小对电源26的损坏或破坏能力。该设备12还可选的包括用于直接与读卡器16接口的连接器。例如，连接器可以位于集装箱10的外壁，用于读卡器16的访问。然后该读卡器16可以通过电缆或其它直接接口连接到从设备12下载的信息。
微处理器22(配备了内部存储器)从门传感器29识别门事件，包括，例如，集装箱安全性请求、集装箱卸载请求和集装箱安全性检查。被识别的门事件也包括可能危害集装箱10的内容物的安全性破坏，诸如在集装箱10关闭之后又打开门。该门事件可以加入时间戳并存储在存储器24中用于传输到读卡器16。该门事件可以立即或周期性传输，或响应来自读卡器16的询问而传输。这里显示的门传感器属于压力传感器类型，但它也可以是，例如，可替换的接触传感器、接近传感器或检测两个表面的相对运动的任何其它合适类型的传感器。这里用到的压力传感器的术语包括但不局限于这些其它传感器类型。
天线20用于与读卡器16进行数据交换。特别是各种信息，例如状态和控制数据，可以进行交换。微处理器22可以由唯一标识集装箱10的编码来编程。该编码可以是，例如，国际标准化组织(ISO)集装箱识别码。所述微处理器22还可以存储其它逻辑数据，诸如提货单(B/L)、机械封条号、带有时间戳的读卡器识别等。可以生成一个特别的日志文件，使得历史记录以及门事件可以恢复。该编码也可以为了识别的目的从设备12传输到读卡器16。该RF/基带单元21从基带信号上变频微处理器信号到RF信号，用于传输到读卡器16。
设备12可以通过天线20接收来自读卡器16的完整性询问。响应该完整性询问，微处理器22然后可以访问存储器来提取，例如，门事件、温度读取、安全性破坏或其它存储的信息，以便传递提取的信息到读卡器16。读卡器16也可以发送一个安全性或解除请求到设备12。当集装箱10由读卡器16保护后，在传感器29检测到集装箱受保护之后的一个压力上的物理变化时，设备12的MCU22可以编程为发出一个能听见或能看见的警报。设备12还可以记录安全性破坏到存储器24中，用于传输到读卡器16。如果读卡器16发送一个解除请求给设备12，该微处理器22可以编程为从记录的门事件中分离，或从门传感器29或其它与设备12交互性连接的传感器接收信号中分离。
微处理器22还可以编程为实现功率控制技术，用于使电源26避免不必要的功率消耗。尤其是，可选的为一个或多个时间窗口通过天线20被指定，用于设备12中元件的激活以交换数据。在定义的时间窗口之外，设备12可以设置为进入睡眠模式以避免不必要的功率流失。这样的睡眠模式可以得出设备操作时间的有效部分，因此该设备12可以操作多年而不需要更换电池。
尤其是，根据本发明，设备12利用“睡眠”模式来达到电源26的经济利用。在睡眠模式中，设备12的电路部分是关闭的。例如，除传感器29和用于测量睡眠时间周期tsleep的时间测量单元(例如微处理器22内的计数器)之外的所有电路都关闭。在一个典型的实施例中，当已经过了睡眠时间周期或当门传感器检测到一个门事件，设备12的保留电路供电。
当设备12接收来自读卡器16的信号，该设备12保持只要需要就与读卡器16通信。如果设备12没有接收来自读卡器16的信号，该设备12将只在需要保证在被称之为无线信号的时间周期或呼吸(sniff)“周期”(“tsniff”)内没有信号存情况下保持激活。
在tsniff到达时，设备12再次断电，除非时间测量单元和门传感器29，在发生一个门事件或经历了另一个睡眠时间周期之后再次激活设备12。
在一个典型的实施例中，读卡器信号时间周期远远短于(例如在若干数量级上小于)睡眠时间周期，以使得设备的寿命相应的相对于“持续启动”方案得到延长(例如在若干数量级上)。
睡眠时间周期和读卡器时间周期(循环时间)之和得到一个时间上的低限，设备12和读卡器16必须到达这个限制以保证读卡器16知道设备12的存在。所涉及的时间周期将被称为经过时间(“tpass”)。
然而经过时间(“tpass”)通常受特定情况控制。该经过时间在某些情况下可以很长(例如在货运集装箱上的设备12正在与运送集装箱10的卡车前部或底盘的读卡器16通信的好几个小时)，或在另一些情况下可以很短(例如当在集装箱10上的设备12高速经过固定读卡器16(C)的零点几秒)。典型的对于所有应用，每个设备12将在其寿命内，有些情况有较大的经过时间而有些情况有较小的经过时间。
因此所述睡眠时间周期通常这样来选择，该睡眠时间周期与最短可能经过时间一致(“tpass，min”)。即，关系式Tsleep≤tpass，min-tsniff可以根据设备的各种操作状态来实现。睡眠时间周期以取决于设备的特定情况的动态方式分配给设备(例如，在生命周期内)。
读卡器16与设备12通信时，该读卡器16根据读卡器16的位置和功能，来自设备12的数据或其它在读卡器16中可获取的信息来重新编程设备12的睡眠时间周期。
例如，如果装有设备12的集装箱10通过起重机或拖车定装载于卡车、或其它合适的交通工具上，该合适的交通工具装有读卡器16，而卡车和拖车没有装配任何读卡器16。期望卡车以相对高的速度行驶经过位于港口出口或集装箱卸载站的固定读卡器16(C)。因此，在交通工具上的读卡器16(C)需要编程设备12为短的睡眠时间周期(例如～0.5秒)。
上面描述的总体思想的一个分支可以是，根据情况，读卡器16可以编程睡眠周期序列到设备12中。例如，当集装箱10装载到轮船上，对于设备12来说当在海上行驶时每小时唤醒一次就足够了。然而，一旦轮船预计要接近目的港口了，可能就要求较短的睡眠周期以保证卸载集装箱10的起重机上的读卡器16能够与设备12建立连接。在轮船上用于装载集装箱10的起重机上的读卡器16可以这样编程设备12首先，持续3天每小时唤醒一次，然后每10秒唤醒一次。
在另一个方案中，读卡器16与设备12移到一起而且可以根据物理位置修改睡眠时间周期。例如，可以假设集装箱10上的设备12和用于拉集装箱10的卡车的读卡器16可以在拉集装箱的过程中相互持续不断的通信。只要集装箱10离目的地足够的远，读卡器16可以编程设备12在延长的时间间隔(例如一个小时)内睡眠。当读卡器16装有全球定位系统(GPS)接收机或其它定位设备时，该读卡器就可以确定什么时候该集装箱10接近其目的地。一旦集装箱接近其目的地，读卡器16可以编程设备12更频繁的(例如每秒)唤醒。
上面描述的电源管理方法已经参考通过海运、公路、铁路或航空等运输方式的货运集装箱或其它货物的运输情况中的设备12进行了解释，本领域内技术人员可以理解以上描述的电源管理方法，也可以应用到例如动物运输、公路收费机机动车识别和防盗，以及贮备管理和供应链管理。
现在参考图2B，示出了设备12的第一透视图。该设备12包括包含数据单元100(未示出)的外壳25、从外壳延伸的支撑臂102，以及有一个角度关系从支撑臂向外延伸的天线臂104。如下所述，外壳25的大小、支撑臂102的长度和天线臂104的配置是仔细挑选出来与通用集装箱兼容的。外壳25、支撑臂102和天线臂104典型的模铸在聚氨酯材料23或类似物中以保护其不受环境影响。
仍然参考图2B，支撑臂102的材料23的一部分被切除以示出其中至少一个磁体27和其上至少一个门传感器29的布局。磁体27允许如下将要描述的集装箱中设备12的增强的稳定性，同时门传感器29检测沿着如下将要描述的集装箱的密封垫圈的压力的变化。
设备12的第二透视图如图2C所示，进一步示出了支撑臂102中的磁体27的布局。磁体27位于在支撑臂102中形成的相应的孔27A中，而且以利于设备12的安装的方式粘贴到其上。
现在参考图2D，设备12的俯视图在任何模铸材料23被应用之前被示出。用这种方法，电源26、数据单元100、天线20的位置显示得更加清楚。设备12包括数据单元100和电源26、微处理器22(未示出)、存储器24(未示出)和可选接口28(未示出)。支撑臂102从数据单元100延伸出来而且包括孔27A来容纳至少一个磁体27以及支撑表面，门传感器29附加在该表面上。从支撑臂102延伸的是天线臂104，用于支撑天线20。
现在参考图2E，设备12的侧视图在任何模铸材料23被应用之前被示出。如图所示，支撑臂102从数据单元100向上和向外延伸。该支撑臂102是相对薄的而且是完全水平的，尽管其它的配置也是可行的。如图2E中更加清晰的示出，天线104从支撑臂102成角度的延伸出来。
现在参考图2F，设备12的侧视图在模铸材料23应用之后被示出。该设备12与形成封装设备12的外壳25的模铸材料23一起被示出。该模铸材料23从天线臂104穿过支撑臂102并沿着数据单元100延伸。这里示出的特殊形状和配置是设备12的一个实施例但不局限于这里建议的设备12的精确形状。
现在参考图2G，示出了根据图1A的设备12的后视图。天线臂104的角度配置同样以更简单的形式示出，为了在图2H和2I中图示的目的，这两幅图呈现了设备12的仰视和俯视图。
图2J示出了安装在集装箱10上的设备12的主视图。该集装箱10示出了打开位置的集装箱10的门202，以更详细的显示设备12的方位。该设备12安装在与集装箱10的门202相邻的区域。该设备12可以通过磁连接(如前所述)、胶连接和其它合适的连接安装到集装箱10的垂直梁204上。如图2J所示，设备12这样安装以便当门202关闭时，天线臂104位于集装箱10的内部，门传感器29位于支撑臂102中直接与门202相邻，而且数据单元100位于集装箱10的内部。设备12可以通过门传感器29检测压力的偏离，以确定是否出现门事件(例如相对的或绝对的压力变化)。该设备12可以通过天线20传输对应于门202的状态的数据到前面描述的服务器15。另外，接口28可以连接到任何数量的传感器208以捕捉对应于集装箱10的内部环境的信息，而且通过传感器单元208获得的信息被传输到服务器15。
还是图2J，设备12定向在集装箱10中以便数据单元100放置在一个通常为C形的凹槽或通道206中。该支撑臂102包括门传感器29，延伸穿过位于其中间的垂直梁204以及门202的一部分。当门202关闭时，压力保持在门传感器29。当门202打开时，压力被释放，从而警告微处理器22门事件发生了。存储在存储器24中的电子安全密钥将被擦除或改变以表示“破坏”封条或干预事件。
图2K示出了安装于集装箱10内的图2D的设备12的透视图。该设备12显示的是连接到垂直梁204上，以使得在支撑臂102内的门传感器29(未示出)连接到垂直梁204上，该天线臂104被放置在集装箱10的铰链槽区域内，并且数据单元100放置在集装箱10的C槽206内。如这里所清楚显示的，天线臂104从支撑臂102伸出至一个与集装箱10的沟部分临近的区域，以便在门202关闭时保持在集装箱10的外部。
通过放置数据单元100到集装箱10内部，破坏和/或损坏设备12的机会就减小了。因为数据单元100放置在C-通道206中，尽管集装箱10的内容物可以在传输期间上升，但是该内容物不太可能冲击或损坏设备12。
尽管上面的实施例示出，作为用于与读卡器16通信的包括至少一个传感器和天线20的单个单元，本发明也可以实施为多个单元。例如，光线、温度、辐射等可以放置在集装箱10内部的任何位置。传感器读出其读数并通过蓝牙或任何短距离通信系统传输到天线单元，该天线单元中继该读数或其它信息到读卡器16。该传感器可以是远程的并独立于天线单元。另外，以上实施例示出了设备12包括用于确定是否有安全性破坏存在的门传感器29。但是，不受限制的种类的传感器可以被应用来取代或与门传感器29一起确定安全性破坏。例如，光线传感器可以检测集装箱10内的光的波动。如果光线超出或低于预定的门槛值，则确定存在安全性破坏。温度传感器、辐射传感器、易燃气体传感器等可以以相同的方式被应用。
设备12还可以触发集装箱10的物理锁定。例如，当读卡器16通过一个安全性请求用于保护船运集装箱10的内容物，微处理器22可以通过激活电子门锁或其它这样的物理锁定机制来启动集装箱10的锁定。一旦集装箱通过安全性请求来保护，该集装箱就被物理锁定以防止被盗或破坏。
如图3A所示，读卡器16包括短距离天线30、微处理器36、存储器38和电源40。短距离天线30实现与前面参考图2A描述的设备12的无线短距离、低功率通信。该读卡器16可以包括或单独连接到远程集装箱监控系统(例如根据GSM、CDMA、PDC或DAMP无线通信标准或使用有线LAN或无线局域网WLAN、Mobitex、GPRS、UMTS)的设备。本领域技术人员将会理解任何这样的标准对本发明是无约束的，而且附加可行的无线通信标准也可以应用到读卡器16的长距离无线通信。其例子包括卫星数据通信标准，诸如Inmarsat、Iridium、Project 21、Odyssey、Globalstar、ECCO、Ellipso、Tritium、Teledesic、Spaceway、Orbcom、Obsidian、ACeS、Thuraya或Aries，在陆地移动通信系统不可用的情况下使用。
读卡器16可以包括或附加到用于定位装载集装箱10的交通工具的卫星定位单元34。例如，读卡器16可以是附加到卡车、轮船或铁路车辆上的移动读卡器16(B)。定位单元34的提供是可选的，而且在不需要跟踪和定位集装箱10的情况下可以忽略。例如，固定读卡器16(C)的位置可以是已知的；因此，卫星定位信息是不需要的。一种定位的方法可以是使用卫星定位系统(例如GPS、GNSS和GLONASS)。另一种方法是可以利用移动通信系统的读卡器16的定位。在这里，一些定位技术可以完全基于移动通信网络(例如EOTD)而另一些依赖于基于卫星和移动通信网络的组合的定位技术(例如辅助GPS)。
读卡器16中的微处理器36和存储器38允许读卡器16和设备12以及上面描述的远程监控系统之间的数据交换控制，还允许存储这些交换信息。用于读卡器16的元件操作的必要电源通过电源40提供。
图3B是根据本发明的原理的手持读卡器16(A)的框图。手持读卡器16(A)示为从移动电话16(A1)分离出来。该手持读卡器16(A)通过诸如短距离直接序列扩频无线接口与设备12通信(如前所述)。一旦读卡器16(A)与设备12在相互很近的范围内(例如＜100m)，该设备12和手持读卡器16(A)就可以相互通信了。该手持读卡器16(A)可以通过与设备12的通信用于电子保护或卸载集装箱。该手持读卡器16(A)还可以用于从设备12获取附加信息，例如来自集装箱10内的附加传感器的信息或来自门传感器29的读数。
图3B所示的手持读卡器16(A)适合与16(A1)所示的移动电话或PDA相接。但是本领域技术人员可以理解的是，读卡器16(A)可以是独立的单元或者也可以适合与诸如个人数字助理或手持或膝上电脑相接。读卡器16吸取来自移动电话的电源并利用蓝牙或其它类似的接口与移动电话通信。
设备12和读卡器16的附加应用方案将参考图4-8描述。至于读卡器16(B)相对于不同的运输和被运输单元的安装和拆卸，任何可用的安装都很好的覆盖在本发明内(例如磁体固定，和通过螺丝、横杆、挂钩、球状物、搭扣安装的物理固定，进一步包括任何类型的电子可实现的安装，例如电磁体，或进一步为可逆化学固定物，诸如胶带、透明胶带、胶水、浆糊带)。
图4展示了设备12和读卡器16的第一个应用方案。如图4所示，一个涉及公路运输的选择是将读卡器16固定到门上或者航运仓库或者在供应链中的任意地方。在这样的状况下，当集装箱10由卡车牵引退出航运区域时，读卡器16可以很容易地与集装箱10的设备12进行通信。另一个选择是将读卡器16作为上述的手持读卡器16(A)来供应，当卡车离开该区域时不是扫描设备12就是在集装箱10的监视过程中在卡车舱里携带手持读卡器16(A)。
图5展示了设备12和读卡器16涉及铁路运输的第二个应用方案。图5展示了第一个例子，其中读卡器16被沿着铁路线依附固定，用于与到达读卡器16可及范围内的那些集装箱进行短距离无线通信。读卡器16可以实现与任何或所有在铁路上运输的集装箱10的设备12进行短距离无线通信。
相同的原理应用于集装箱监视部分的第三个应用方案，如图6所示。此处，对于每一个在海洋运输过程中被识别、跟踪、或监视的集装箱，都必须在设备12的可及范围内把读卡器16放到集装箱10中。第一个选择将会是依据无线通信单元的附件方案而修改加载方案。换句话说，读卡器16在集装箱船舱上的分布是依据加载方案确定的，而加载方案又是由其它的限制和参数确定的。此外，用于集装箱监视的读卡器16的灵活的依附和分离可以避免任何固定资产给操作员带来的税收。换句话说，一旦集装箱的监视不再需要，读卡器16可以很容易地从集装箱的船舱和被使用的不同的集装箱的船舱或任何其它的传输设备中分离出来。读卡器16也可以被连接到AIS，该AIS基于VHF通信，或国际海事卫星，这两者常常被用于海运交通工具。
上述涉及长距离的全球、区域或本地运输的本发明的监视部分已被描述，依据图7，关于限制区域的应用将会在下面进行阐述。
实际上，关于限制区域的短距离和长距离的无线通信的分离被应用于所有的交通工具和具有限定区域，例如集装箱终端、集装箱港口或任何制造地点的操作集装箱10的设备12。这些限定的区域包括这种终端的输入门和输出门、任何种类的处理机器、例如顶层装载机、侧面装载机、延伸堆垛机、运输拖车、拖车、起重机、跨车等等。
特殊的集装箱并不是仅指典型的使用单个读卡器16来搜索；而是，每次集装箱10通过，例如，起重机和堆垛机处理时，多个读卡器16遍布终端并且接收状态和控制信息。换句话说，当集装箱经过读卡器16时，该事件被用于更新相关的状态和控制信息。
图8阐述了依据本发明具体实施的保护过程的流程图。首先，在步骤800，设备12通过读卡器16请求标识。在步骤802，设备102传输示识到读卡器16，并且在步骤804，读卡器16选择容器10来保护。在步骤806，一个请求从读卡器16被传送到服务器15。在步骤808，服务器15产生安全密钥并用加密编码给安全密钥加密。在步骤810，加密的安全密钥通过读卡器16被传送到设备12用于保护集装箱10。在步骤812，安全密钥被解密并被存储在设备12中。一个相似的过程可以被启动用于解除集装箱10。当集装箱10经过读卡器16的范围时，它可以被自动保护，或每次用户可以保护或解除所选的特殊的集装箱10。
图9阐述了依据本发明具体实施的安全检查过程。在步骤900，读卡器16向集装箱10发送一个询问。在步骤902，集装箱10的设备12利用安全密钥和加密编码产生一个应答。在步骤904，应答从设备12被发送到读卡器16。在步骤906，读卡器16也向服务器15发送一个询问。对服务器15和设备12的询问实际上可以被同时或及时交替地传输。在步骤908和910，服务器15分别利用安全密钥和加密编码产生并发送应答给读卡器16。在步骤912，读卡器16确定应答是否相等。如果应答相等，那么集装箱10仍然被安全地保护。换句话说，如果应答不相等，集装箱10的安全破坏(也就是，门事件)已经发生。与保护和解除过程类似，当集装箱10经过读卡器16的范围时，安全检查可以被自动执行，或用户可以在运输的任何时间启动安全检查。
现在参照图10，说明了与门传感器29相连的校准和滤波过程的流程图。该流程1000起始于步骤1002。在步骤1002，门传感器29被激活来每隔0.5秒检测集装箱的门与构架间的距离，尽管其它时间增量也可以实现。在步骤1004，距离从门传感器29中被读取。传感器获得一个模拟数值，然后在步骤1006，转换为数据距离值。在本实施例中距离值的分辨率为0.1mm，尽管也可使用其它分辨率。
在一个替代实施例中，门传感器29检测门及构架间打开的角度。在步骤1004由门传传感器29所读到的角度值，在步骤1006转换成为数据距离值。在该实施例中距离值的分辩率为0.1mm，尽管也可使用其它分辨率。同样，在一些实施例中，门传感器29可以包括一个用于感测角度的传感器以及用于感测距离的传感器。无论使用哪一种类型的门传感器，该过程之后持续至步骤1008。
在步骤1008，首先确定是否门传感器29当前处于待命状态(即是否门传感器所安装在其上的集装箱已经过安全处理)。如果门传感器29没有处于待命状态，那么门的状态在步骤1010更新。由步骤1010，监测过程转至步骤1012，在那里监测过程结束。如果门传感器29处于待命状态，然后在步骤1014确定门传感器29是否是先前调试好的。如果门传感器29不是先前调试好的，那么在步骤1016，设置一个调试的参考值。该调试的参考值是在设备校准过程中设置的，并且作为一个参考值用于确定门传感器29的状态。如果门传感器29已经被调试好了，那么在步骤1018该新的距离值(来自步骤1006)被加入到该调试好的参考值中。
从步骤1016及步骤1018，执行过程转至步骤1020。在步骤1020，当基于破坏所带来的距离值发生周期性变化时，报警值及报警次数增加。这将在下面参考附图11进行详细的描述。
现在转向附图11，将进一步描述基于破坏所产生的报警极限值的增加。破坏发生在集装箱在海上进行船运时。由于船的移动，集装箱位置变换并且距离值周期性变化。在海上的运动是慢的，周期性的运动，其与开门的动作是有很大区别的。图11列出了一个用于增加或降低报警极限的子程序1100，以使得破坏动作不会产生一个错误的报警。
在第1101步，子程序开始计算delta值，此delta值是这样计算的先得到1006步中图10的距离值与就绪参考值之差，然后除以集装箱之前的传感器上配置的值limit_2_delta。在某设备上，limit_2_delta被设置为4mm(尽管还可以用其它值)。1102步计算delta的平均值，1104步计算delta绝对值的平均值。由于delta可能是负数，delta绝对值的平均值与delta的平均值可能不同。例如，如果推压实际是周期性的，若值的变化呈正弦波，那么delta的平均值将是0，而绝对值的平均值则是正弦波的振幅。
接着在1106步，用delta绝对值的平均值减去delta平均值的绝对值来计算增量，如果在1108步确定了此增量小于1，那么处理过程继续到1110步，并用增量乘以2mm来计算增长范围。在其它具体设备上可以用别的值。如果在1108步判断出增量大于1，那么处理过程继续到1112步，并将增长范围设置为2mm。在某些设备上在1112步还可以用2mm以外的其它值。
计算完增长范围后，子程序返回到图10的主程序中的第1022步。在1022步，把增长范围加到就绪参考值上来创建警戒上限。同时在这步，用就绪参考值减去增长范围来创建警戒下限。在1024步，将运行一个干预子程序，这会在图12的参考中讲述。
现在来看图12，这里解释了一个干预计算子程序1200。在这个子程序中用到了一对距离和时间范围。然而，别的数量合适的距离时间范围对也可以使用。干预计算子程序在1202步初始化。在这步判断距离值是否低于警戒范围，如果距离值不低于警戒范围，则在1204步清除第一个计数器；如果距离值低于警戒范围，则在1206步为第一个计数器加1。
在执行完1204或1206步之后，处理过程前进到1208步。在这步判断距离值是否高于警戒上限。如果距离值不高于警戒上限，就在1210步清除第二个计数器；如果距离值高于警戒上限，就在1212步给第二个计数器加1。在第1210或1212步之后，执行1214步并判断第一个计数器是否大于第一时间的值，在这步还会判断第二个计数器的值是否大于第二时间的值。第一和第二时间值是在配置门的传感器29时预设在上面的值。如果第一个计数器的值大于第一时间值或者第二个计数器的值大于第二时间值，就在1216步决定干预。如果第一个计数器的值不大于第一时间值并且第二个计数器的值不大于第二时间值，则子程序结束。
尽管本发明的具体实施已经在附图和前面的详述中得到阐述，可以理解的是本发明并不局限于该公开的具体实施，还包括以下权利要求所定义的不脱离本发明的各种重新组合、修改和替代。
权利要求
1.一种用于监视是否集装箱已发生安全性破坏的设备，所述设备包括一种传感器用于检测集装箱的门以及集装箱构架间的距离或角度值；一种微处理器用于建立一个基线值，该基线值与至少两个探测值的计算平均值相关，该微处理器同样适用于定义一个探测门槛值，并且由该探测门槛值以及该距离或角度值确定集装箱是否发生了安全性破坏。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述微处理器计算一个可接受数值的窗口，该可接受数值的窗口定义一个集装箱在船运过程中不被安全性破坏的经验距离及角度值范围。
3.如权利要求2所述的设备，其中微处理器对比该计算值与一个预定的极限值。
4.如权利要求2所述的设备，其中微处理器包括至少一个计数器。
5.如权利要求4所述的设备，其中至少一个计数器包括一个第一计数器和一第二计数器，其中第一计数器与第一时间值比较，第二计数器与第二时间值比较。
6.如权利要求5所述的设备，其当距离或角度值低于设定的低限时，第一计数器增加；当距离或角度值高于设定的高限时，第二计数器增加。
7.如权利要求1所述的设备，其中传感器用于检测集装箱的门及集装箱构架间的距离及角度值。
8.如权利要求1所述的设备，其中传感器进一步包括选自于以下传感器组中的一个或多个压力传感器、光传感器、放射传感器、温度传感器、运动传感器、易燃气体传感器、氨传感器、二氧化碳传感器、火传感器、烟传感器、噪音传感器、湿度传感器以及数码相机。
9.一种检测集装箱安全性破坏的方法，该方法包括检测集装箱门及集装箱构架间的距离或角度；建立一个基线值，该基线值与至少两个探测值的计算平均值相关，该探测值是距离或角度值；确定一个门槛值；由该门槛值以及该探测值确定是否发生了安全性破坏。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括计算一个可接受的探测值的窗口，该可接受的探测值的窗口定义出一个集装箱在船运过程中，不指示安全性破坏的可接受的经验探测值范围。
11.如权利要求9所述的方法，其中可接受的探测值范围包括一个上限以及一个下限，并且该方法包括将计算值与所述上限以及下限相比较。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括如果计算值低于下限则第一计数器增加，如果计算值高于上限则第二计数器增加。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括比较第一计数器与一个第一时间值以及比较该第二计数器与一个第二时间值。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述的计算一个可接受值窗口包括计算检测值与参照值之间的差异，并将该差异标准化为一个预定的值。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括计算该差异的平均值。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括计算该差异的绝对平均值。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括基于该差异的平均值及该差异的绝对值的平均值计算一个增加因子。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括基于该增加因子计算一个极量增量。
19.如权利要求9所述的方法，其中传感器包括检测集装箱门以及集装箱构架间的距离及角度的传感器。
20.如权利要求9所述的方法，其中检测进一步包括选自于以下检测组中的一个或多个检测压力、检测光、检测放射性、检测温度、检测运动、检测易燃气体、检测氨、检测二氧化碳、检测火、检测烟、检测噪音、检测湿度以及通过数码相机获得数字图像。
21.一种检测集装箱安全性破坏的方法，该方法包括在靠近集装箱的门及构架处放置一个临近传感器以获得一个检测数值；将所述的检测数值通过位于集装箱内的数据单元转换成为距离值；基于该距离值，通过数据单元确定是否已经发生了门的安全性破坏；通过数据单元，传送该确定步骤的结果至一个天线，该天线彼此协作的连接到数据单元，并且放置在临近集装箱的外部；通过天线传送信息至通信步骤。
22.如权利要求21的方法，进一步包括通过一个读卡器接收来自于天线的信息；通过读卡器传送该信息至服务器。
23.如权利要求21所述的方法，其中该临近传感器检测集装箱的门及集装箱的构架间的距离或角度中的一种。
24.一种用于检测集装箱及其内容物的安全状况的设备，该设备包括一个传感器用于检测集装箱以及内容物的至少一个距离状况或角度状况；以及一个微处理器用于接收来自集装箱的至少一个距离状况或角度状况，以便建立一个可接受状况数值的范围，所述可接受状况数值的范围与集装箱及其内容物在运输过程中通常检测到的状况的波动相关，该微处理器同样由定义的可接受状况的门槛值以及检测到的状况值来确定集装箱的安全状况。
25.如权利要求24所述的设备，进一步包括一个计数器，其中在所检测到数值超出可接受的数值范围时，该计数器响应的检测值将增加。
26.如权利要求25所述的设备，其中至少一个计数器包括一个第一计数器和一个第二计数器，其中第一计数器与第一时间值比较，第二计数器与第二时间值比较。
27.如权利要求26所述的设备，其中，当距离或角度值低于设定的低限时，第一计数器将增加；当距离或角度值高于设定的高限时，第二计数器将增加。
28.如权利要求24所述的设备，其中微处理器将该检测值与预定的极限数值相比较。
全文摘要
集装箱以及内容物的监视系统，包括设备、读卡器、服务器以及软件中枢。所述设备与读卡器通信以便确定带有该设备的集装箱的安全性。所述读卡器将来自于该设备的信息传送给服务器。传感器检测集装箱的门及其构架间的距离或角度值，并将所检测的数值传送给所述设备。该设备基于计算出的平均值得到一个基线值。该设备同样可得到一个探测门槛值。基于所检测的数值以及该探测门槛值，该设备能确定集装箱以及内容物是否安全。
文档编号B65D90/00GK1934595SQ200580009579
公开日2007年3月21日 申请日期2005年3月23日 优先权日2004年3月24日
发明者斯蒂格·埃克斯特伦 申请人:全套海运安全公司