一种集装箱环境状态的智能感知装置的制作方法

1.本实用新型属于智能监测设备技术领域，尤其是涉及一种集装箱环境状态的智能感知装置。


背景技术：

2.随着社会的发展，运输业也在飞快的进步，目前大规模运输货物通常会使用到集装箱，将货物装在密封的集装箱内，长时间运输，集装箱内温度和湿度等环境参数也会发生变化，以及在运输中集装箱过度倾斜，都可能会导致货物在运输过程中发生损坏。
3.然而在集装箱运输过程中，集装箱所处的环境状态对很难被运输公司、货主和客户直观掌握。
4.随着传感技术和物联网技术的高速发展，现代工业对集装箱在途运输中的状态信息提出了智能感知和在线监测的要求；
5.因此，如何在运输过程对集装箱环境状态进行监视；已经成为本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本实用新型提供一种至少解决上述部分技术问题的集装箱环境状态的智能感知装置，通过该装置可以对集装箱在途运输的环境状态进行智能监测感知。
7.本实用新型实施例提供了一种集装箱环境状态的智能感知装置，该装置包括：壳体、主板、供电电源和显示屏；其中：
8.所述壳体的内部横向分为两部分，一部分安装所述主板，另一部分安装所述供电电源；所述显示屏镶嵌安装于所述壳体的表面；
9.所述供电电源与所述主板电连，所述显示屏连接所述主板；
10.所述主板上集成设置有；控制模块、定位模块、传感器组合模块和物联网模块；其中：
11.所述定位模块、所述传感器组合模块和所述物联网模块分别与所述控制模块连接；所述控制模块对所述定位模块及所述传感器组合模块采集的数据进行处理，获取集装箱环境状态信息，通过所述物联网模块发送于服务器。
12.进一步地，所述控制模块为开源微控制器mcu,支持freertos操作系统。
13.进一步地，所述定位模块为正点原子gps+北斗atk1218-bd的双定位模块，定位模块外接有源天线，自带后备电源。
14.进一步地，所述传感器组合模块包括：温湿度传感器、烟雾传感器和倾斜传感器。
15.进一步地，所述物联网模块为gprs模块和/或nb-iot模块，所述gprs模块和所述nb-iot模块的核心模组上皆具有io口、网络指示端口和服务器连接端口。
16.进一步地，所述主板上还集成设置有电源转换模块，所述电源转换模块与所述供电电源连接，所述电源转换模块将所述供电电源的电进行转换分别输出于所述主控模块和
所述nb-iot模块。
17.进一步地，所述主板上还集成设置有存储模块，所述存储模块采用512mfalsh芯片，所述存储模块与所述控制模块连接，通讯方式为spi。
18.进一步地，该装置还包括rfid射频识别模块，所述rfid射频识别模块安装于集装箱的表面，所述rfid射频识别模块与所述主板连接，通过rfid射频识别模块读取或写入智能感知装置的id。
19.进一步地，该装置还包括光电开关，所述光电开关与所述主板连接，所述光电开关安装在集装箱门处感知集装箱的门状态。
20.进一步地，所述主板上还集成设置有报警模块，所述报警模块与所述控制模块连接，当控制模块获取的数据超出预设阈值时，通过所述报警模块进行报警提醒。
21.与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：
22.(1)本实用新型提供的一种集装箱环境状态的智能感知装置，具有集装箱定位、环境感知、和物联网的功能，便于有效监测运输过程中集装箱的环境状态信息。
23.(2)本实用新型提供的一种集装箱环境状态的智能感知装置，基于北斗+gps导航、温湿度传感、倾斜传感、rfid等技术，通过soc技术将各个功能模块高度集成化，实现对位置、温度、湿度、烟雾、姿态和门状态监测等多种环境参数的采集，以及有助于对货物运输过程环境智能感知的信息进行可视化处理，便于实现集装箱在途运输环境的可视化监测。
24.(3)本实用新型提供的一种集装箱环境状态的智能感知装置，该装置的主板和电源并排设置，减小了装置的厚度，结构紧凑，便于安装；并有利于装置散热，同时提高了装置的安全性。
25.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
26.下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
27.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
28.图1为本实用新型实施例提供的智能感知装置的正面结构侧视图。
29.图2为本实用新型实施例提供的智能感知装置的底面结构侧视图。
30.图3为本实用新型实施例提供的智能感知装置的外壳结构分解图。
31.图4为本实用新型实施例提供的智能感知装置的功能结构框图。
32.图5为本实用新型实施例提供的微控制器mcu的电路图。
33.图6为本实用新型实施例提供的定位模块的电路图。
34.图7为本实用新型实施例提供的温湿度传感器的电路图。
35.图8为本实用新型实施例提供的烟雾传感器的电路图。
36.图9为本实用新型实施例提供的倾斜传感器的电路图。
37.图10为本实用新型实施例提供的gprs模块的电路图。
38.图11为本实用新型实施例提供的gprs外围电路结构框图。
39.图12为本实用新型实施例提供的nb-iot模块的电路图。
40.图13为本实用新型实施例提供的nb-iot外围电路结构框图。
41.图14为本实用新型实施例提供的存储模块的电路图。
42.图15为本实用新型实施例提供的rfid射频识别模块的电路图。
43.图16为本实用新型实施例提供的光电开关的电路图。
44.图17为本实用新型实施例提供的报警模块的电路图。
45.其中，图1中：1-壳体；2-显示屏。
具体实施方式
46.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
47.需要说明的是，在本实用新型的描述中术语“安装”、“相连”和“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
48.需要进一步说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”和“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
49.参见图1-3所示，本实用新型实施例提供了一种集装箱环境状态的智能感知装置，该装置包括：壳体1、主板(安装在壳体内部未示出)、供电电源(安装在壳体内部未示出)和显示屏2；
50.其中，壳体1可采用金属或工程塑料制成，考虑到坚固耐用性，优选的采用金属材料，例如铝合金；壳体1内分为两部分，一部分(图1左部分)安装主板，另一部分(图1右部分)安装供电电源；如此设置有利于减小装置的厚度，便于安装，节约集装箱空间，也有利于散热；显示屏2镶嵌安装于壳体1的表面；显示屏2优选的采用lcd液晶屏，成本低，故障率低；供电电源可采用镍镉、镍氢和锂离子等电池中任一种，考虑重量和容量，优选的采用可充电锂离子电池，供电电源与主板连接，为其工作供电，显示屏2在壳体1内通过排线连接主板，主板具有电源监控功能，供电电源的电量及电压可通过显示屏2进行显示，便于用户了解供电电源的状态。
51.该装置的主板上集成设置有；控制模块、定位模块、传感器组合模块和物联网模块；其中：
52.如图4所示，定位模块、传感器组合模块和物联网模块分别与控制模块连接；控制模块对定位模块及传感器组合模块采集的数据进行处理，获取集装箱环境状态信息，并通过物联网模块发送于服务器，用户可利用终端设备连接服务器，进行信息查看。
53.本实施例中，控制模块为开源微控制器mcu；开源微控制器mcu可采用mega2560；mega2560的电路如图5所示；mega2560是一款易用型开源控制器，硬件资源丰富，具有4路
uart、6路外部中断、6个定时器、15路pwm波，16路10位ad、1路i2c接口、1路spi接口、io口数高达70个，支持freertos操作系统。该控制器小体积、低成本、低功耗，有助于降低本实用新型的智能感知装置的体积及功耗，进而便于本装置安装于集装箱内。该控制器的硬件规格参数如下：
54.⑴
微控制器核心：mega2560(处理速度可达20mips)；
55.⑵
外部输入电压：dc+7v～+12v(建议)；
56.⑶
外部输入电压(极值)：dc+6v≤vin≤+20v；
57.⑷
输出电压：dc+5v/+3.3v；
58.⑸
数字信号i/o接口数：54(其中14个pwm输出接口)；
59.⑹
模拟信号输入接口数：16；
60.⑺
i/o接口电流：40ma；
61.⑻
flash容量：256kb；
62.⑼
sram静态存储容量：8kb；
63.⑽
eeprom存储容量：4kb。
64.本实施例中，定位模块为正点原子gps+北斗atk1218-bd的双定位模块，定位模块的电路如图6所示；定位模块外接有源天线，天线从壳体侧面小圆孔伸出，模块自带后备电源；可保存星历数据，掉电后半小时以内重新上电，可在几秒内定位，实现秒定。
65.本实施例中，主板集成的传感器组合模块包括：温湿度传感器、烟雾传感器和倾斜传感器；其中：
66.温湿度传感器采用贴片数字式温湿度传感器sht20，温湿度传感器的电路如图7所示，温湿度传感器技术参数如下：
67.⑴
传感器供电2.4v～5.5vdc；
68.⑵
测量精度：温度
±
0.3℃，湿度
±
4.5％rh；
69.⑶
检测量程：-40℃～+123.8℃，功耗，80uw；
70.⑷
通讯协议采用i2c通讯。
71.烟雾传感器采用mq-k1气体传感器，烟雾传感器的电路如图8所示，烟雾传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(sno2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。对不同种类不同浓度的敏感气体有不同的电阻值，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、烟雾等的探测；传感器特设m3固定安装孔，使用宽电压lm393比较器，信号干净，波形好，驱动能力强。具有灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单的优点。
72.倾斜传感器采用gy-25倾斜度模块，电路如图9所示。其工作原理，是通过陀螺仪与加速度传感器经过数据融合算法最后得到直接的角度数据。此倾斜度模块以串口ttl电平全双工方式与上位机进行通信，该传感器串口输出格式，体积小、功耗小、有助于降低本实用新型的智能感知装置的体积及功耗。
73.本实施例中，物联网模块为gprs模块或nb-iot模块，也可以将这两个模块同时安装集成在主板上；其中：
74.gprs模块通过搭建外围相关电路可以实现串口与互联网通过gprs、4g网络相互传
输数据，gprs模块的电路如图10所示，gprs模块外围电路结构如图11所示。通过设置mqtt参数，包括clientid，服务器ip，服务器端口，用户名，密码以及推送订阅的主题等，即可实现mqtt的连接。
75.该模块能够实现http组包功能，提供了get和post两种模式，可以自行配置url，header等参数，由dtu进行组包发送，实现一些串口设备与http服务器的快速通讯。
76.gprs模块的主芯片上有2个io口，网络指示(netmode)和服务器连接(link)端口。网络指示(netmode)，有网络连接建立时此脚输出高电平，没有网络连接时此脚输出低电平(1.8v电压阈)。服务器连接端口，建立连接后输出高电平，未建立连接时输出低电平(1.8v电压阈)。微控制器mcu通过观察这两个端口进行电平检测，判断装置的工作状态。
77.nb-iot模块通过搭建外围相关电路可实现串口与互联网通过nb-iot网络相互传输数据的功能，nb-iot模块电路图如图12所示，nb-iot模块外围电路如图,13所示。通过设置mqtt参数，包括clientid，服务器ip，服务器端口，用户名，密码以及推送订阅的主题等，即可实现mqtt的连接。
78.nb-iot模块的主芯片上有2个io口，网络指示(netmode)和服务器连接(link)端口，有网络连接建立时此脚输出高电平，没有网络连接时此脚输出低电平(3.0v电压阈)。指示服务器连接端口，建立连接后输出高电平，未建立连接时输出低电平(3.0v电压阈)。微控制器mcu通过观察这两个端口进行电平检测，判断装置的状态。
79.进一步地，本实施例中，主板上集成设置有电源转换模块，考虑到智能感知装置的扩展性，电源转换模块可采用市场上常用具有多路输出的电源转换模块；电源转换模块与供电电源连接，电源转换模块将供电电源的电转换为5v和12v分别输出于微控制器mcu和nb-iot模块。
80.主板上还集成设置有存储模块，存储模块与控制模块(微控制器mcu)连接，存储模块采用512m falsh芯片，通讯方式为spi。存储模块的电路如图14所示；当mcu监测到智能感知装置与服务器断开时，将温湿度、位置等信息数据存储于存储器中，当再次连接服务器时，将存储的数据上传于服务器，避免由于断网时，数据的丢失。
81.进一步地，本实施例提供的智能感知装置还包括rfid射频识别模块，其电路如图15所示；优选的可将rfid射频识别模块安装于集装箱的外表面，rfid射频识别模块与主板的控制模块(微控制器mcu)通信连接，便于用户使用手持终端通过rfid射频识别模块可以读取或写入智能感知装置的id。
82.进一步地，本实施例提供的智能感知装置还包括光电开关，光电开关安装在集装箱门处，通过导线从壳体的导线孔(图1中的大圆孔)穿过连接主板，用于感知集装箱的门状态；光电开关选用e3f-ds10c4，光电开关的电路图如图16所示：该光电开关采用反射光电红外线感应接近，电器输出npn(常开)，检测距离可调，感应灵敏精准，工作原理为当无物体遮挡时开关总是处于开路状态，有物体遮挡时开关处于闭路状态。
83.进一步地，本实施例提供的智能感知装置的主板上还集成设置有报警模块，报警模块优选采用5v高音蜂鸣器，报警模块的电路如图17所示；报警模块与控制模块连接，当控制模块获取的数据超出预设阈值时，例如倾斜角度超过25度、门被开启，或电池电量低于百分之十等，报警模块进行鸣叫报警提醒，并将异常数据通过物联网模块上传至服务器，同时通过服务器推送报警信息至用户端，以提升人员及货物的安全性及避免造成经济损失。
84.本实施例中各模块与控制模块之间的连接关系可从相应的电路图及结构图中获取，基于各个具体型号器件的说明书，进行适应性的连接即可，在此不作过多赘述。
85.下面对本实用新型提供的一种集装箱环境状态的智能感知装置的工作方式进行详细介绍：
86.智能感知装置工作时，通过北斗+gps获取集装箱的位置信息；通过温湿度传感器获取集装箱的温湿度；通过烟雾传感器获取集装箱的烟雾情况；通过倾斜传感器，获取集装箱的姿态信息；通过光电开关，获取集装箱的门状态信息；获取到的位置信息、温湿度、烟雾、姿态、门状态信息等通过微控制器mcu处理后，通过nb-iot或者gprs模块以mqtt或者http协议传输给服务器或后台服务器，正常数据可以采用定时方式传输，例如每10分钟传输一次，一旦数据异常，进行实时传输及存储于服务器。并且，当mcu监测到智能感知装置与服务器断开时，将数据存储于存储器中，当再次连接服务器时，将存储的数据上传于服务器。
87.用户使用智能手持终端通过rfid获取智能感知装置的id(每台智能感知装置具有唯一的id)，数据上传给服务器需要包括智能感知装置的id；通过id可以识别是那台装置设备。其中，涉及的数据传输和交互，均是基于现有相关软件或程序实现，并非是属于本实用新型的创新。
88.需要说明的是，本实用新型提供的智能感知装置不局限于集装箱的环境状态的感知监测，也可安装应用于轮船、汽车和飞机等运载工具中进行环境状态智能感知。本实用新型提供的智能感知装置也可加装太阳能电池板和电源管理模块连接供电电源(电池)，通过太阳能电池板将太阳能转化为电能为供电电源充电，提升供电电源的续航能力。
89.还需要说明的是，本实用新型提供的智能感知装置的外壳侧面小圆孔为天线孔，大圆孔为导线孔，方孔为刷机接口；其他未详述部分属于现有技术，在此不再赘述。
90.本实用新型提供的一种集装箱环境状态的智能感知装置，基于北斗+gps导航、温湿度传感、姿态传感器、rfid等技术，通过soc技术将各个功能模块高度集成化，实现对位置、温度、湿度、烟雾检测、姿态、门状态监测等多种环境参数的采集以及对货物运输过程环境智能感知的信息可视化处理，构建出实效性强，时域、空域、地域全方位一体化智能感知系统装置，通过该装置便于提高企业对集装箱在途运输环境的可视化监测。
91.以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。
92.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。