专利名称：监测集装箱以维护其安全性的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种监测集装箱安全性并跟踪它的位置的方法和系统，尤其是涉及但不限于一种监测联运货物集装箱的安全性并在整个供应链上都跟踪它以阻止或防止比如恐怖主义这样的紧急问题，还有非法移民、货物盗窃或掺假、以及其他的不正当行为。
相关技术的发展过程运送到全世界的大规模货物用称作联运货物集装箱的东西来运送。如在此所用的，“集装箱”这个词包括任何射频信号不能透过的容器(不管是否附装轮子)，包括但不限于联运货物集装箱。已知最普通的联运货物集装箱为国际标准化组织(ISO)干货联运集装箱，意味着它们满足由ISO颁发的某个特定的尺寸、机械或其他标准，在全世界对于所有的货物水陆运输模式都推广兼容性标准化的集装箱、搬运装备、远洋船舶、铁路装备和公路装备的开发和使用以促进全球贸易。目前有超过一千二百万个这样的集装箱在全世界实际流通，还有许多更专用的集装箱，比如装易腐商品的冷藏集装箱。光美国就每年接收大概六百万个已载货集装箱，或者每天大概17,000个，差不多是每年接收的所有货物总价值的一半。
既然所有国际运送货物的大概90％都装在集装箱里挪动，所以集装箱运输已经成为世界经济的骨干。
在世界范围运输的集装箱的纯数量使个体实查不切实际，进入美国的集装箱实际上只有大概2％到3％被实体检查。恐怖分子的生物、放射性或爆炸设备经由货物集装箱引入的风险很高，就集装箱在世界贸易中的重要性来说，这种事件给国际经济带来的后果可能是灾难性的。
即使投入充足的资源努力进行所有集装箱的实查，但这样做会造成严重的经济后果。光时间延误就可能例如导致工厂倒闭和货物向顾客运送中不期望和费钱的延迟。
目前集装箱的设计无法提供可以胜任建立和监测集装箱或其内容物安全性的机构。典型的集装箱包括一个或多个箱门搭扣机构，允许插入塑料或金属的指示性“封条”或螺栓栏传统的“封条”以保护集装箱的门。传统上使用的箱门搭扣机构非常容易失效，例如在从附装着搭扣的门出来的搭扣联接门栓上钻孔。使用普通刀具并且用相当容易复制的封条替换从而目前使用着的传统封条本身也很容易失效。
近来提出的更高级的解决方案是一种电子封条(“e封条”)。这些e封条相当于惯常用的箱门封条并经由同样的箱门搭扣机构作为集装箱的附件应用到集装箱上，虽然这种箱门搭扣机构不牢固，但它们包括一种电子设备，比如无线电或无线电反射设备，可以发射e封条的序列号和e封条被安装后是否凿坏或损坏的信号。然而，e封条不能与集装箱的内部或内容物通信，不向另一个设备发射与集装箱的内部或内容物有关的信息。
该e封条典型地或是采用低功率无线电收发机或是使用射频反向散射技术从e封条金属箍向读出器传送信息，读出器安装在例如中转站(terminal)闸门上。射频反向散射涉及到使用把雷达和无线电广播技术结合起来的比较昂贵的窄带高功率无线电技术。无线电反向散射技术要求读出器发送一个有相对校高发射功率(即0.5-3W)的无线电信号，该信号和来自e封条的调制或编码数据一起被反射或反向散射到读出器上。
此外，e封条目前使用完全开放、未加密并且不安全的空中接口和协议容许比较容易对e封条进行黑客攻击和伪造e封条。目前的e封条还只运作在本地授权的低于1GHz的频段上，既然在全世界的国家无线电规则目前不允许它们在许多国家中使用，这就使它们在涉及联运集装箱的全球贸易中的实施变得不切实际。
进一步讲，既然访问集装箱内部仅有的传统方式是通过集装箱的门，既然集装箱会被用各种各样的办法打破或造成危险，出于入侵的变换形式或对集装箱内容物关心的立场e封条在监测集装箱安全性上是无效的。例如，生物制剂可能通过集装箱的标准通气孔注入集装箱，也可能集装箱的侧壁被凿通给人访问。虽然传统封条和e封条提供一种监测集装箱门的保护形式，但是两者都易受到破坏。传统封条和e封条典型地只悬挂在集装箱的箱门搭扣上，在这里它们在集装箱搬运比如运送装载和卸载期间暴露于实体损害之下。不仅如此，传统封条和e封条不能监测集装箱的内容物而且不能与来自其他传感器的数据对接(既然集装箱由无线电信号不能透过的钢铁制造)也不能向外界发射该数据，该传感器可以放在集装箱内部，譬如温度、光、易燃气体、移动或放射性传感器(无需修改集装箱门或壁)。
除上述以外，经由箱门运动来监测集装箱的完整性比较复杂。虽然集装箱被构造得结构合理，既在各个集装箱内又依靠集装箱互相堆叠来装运沉重载货，但是每个集装箱还被设计成容纳横向负载以容纳(尤其是)远洋运输中固有的动态应力和运动，这些是在集装箱运送期间典型遇到的。目前的ISO标准对于典型集装箱允许相互之间由横向负载引起的垂直轴上的运动量为40毫米。因此，以保持两个集装箱门之间物理接口之间紧固的相互关系为基础的保护措施一般是不切实际的。
因此，提供一种用于如下功能的方法和系统是有利的(i)以节省成本的、总是可以用的还可靠的形式来监测集装箱门相对集装箱结构的运动；(ii)给其他安全性传感器规定一个到达外界接收机的数据路径，该传感器放在集装箱内检测危险或非法的货物入侵或出现的变换方式；(iii)同时还为了安全性和物流效率的原因提供一种跟踪集装箱运输运动的装置。
发明概述这些和其他缺点被本发明的实施例所克服，本发明提供一种有效可靠地监测集装箱和它的内容物以及跟踪集装箱以保持其安全性的方法和系统。更具体地，发明的一方面包括一种监测集装箱状况的设备。该设备包括感应集装箱至少一种状况的装置，向集装箱外边一个位置发射与至少一种感应到的状况相关的信息的装置，和解释至少一种感应到的状况的装置。用来解释的装置适于布置在集装箱里面。感应到的状况可以是感应到的压力，感应装置可以是压力传感器。可替换地，感应到的状况可以是感应到的光或感应到的运动，感应装置可以分别是光传感器或运动传感器。
另一方面，本发明涉及一种电子保护集装箱的方法。该方法包括步骤选择一个集装箱来封闭，在集装箱内布置一个电子保护设备，向服务器发射一个请求，并且响应于接收到该请求，由服务器生成一个数学上唯一的密钥。该方法还包括步骤由服务器加密该密钥，向布置在集装箱内的设备发射唯一的加密后的密钥，由该设备使用加密后的密钥以计算一个唯一的结果并由该设备保存该唯一结果。
另一方面，本发明涉及一种确定集装箱安全性突破(security breach)是否发生了的设备。该设备包括检测由集装箱门施加的压力的装置和建立基线压力值的装置。基线压力值与从至少两个压力检测中算出的平均值有关。该设备还包括限定压力门限的装置和从压力门限和检测到的压力来确定安全性突破是否发生了的装置。
另一方面，本发明涉及一种检测集装箱的安全性突破的方法。该方法包括步骤把压力传感器紧挨着结构构件和集装箱门放置，经由位于集装箱内的数据单元来监测压力传感器，由数据单元基于由压力传感器感应到的压力上的变化来确定门的安全性突破是否发生了，由数据单元把确定步骤的结果传送给互操作地连接到数据单元上并紧挨着集装箱位于其外部的天线，并且与传送步骤相关的信息由天线发射。
另一方面，本发明涉及一种检查这种类型的先前电子保护了的集装箱的安全状态的方法，这种类型的集装箱其中布置着保护设备。该方法包括步骤由读出器向与集装箱关联的设备发射设备质询(challenge)，由该设备生成对设备质询的设备响应并且由该设备向读出器发射该设备响应。该方法还包括步骤由读出器向服务器发射服务器质询，由服务器生成对该服务器质询的服务器响应并且由服务器向读出器发射该服务器响应。该方法还包括把服务器响应和设备响应作比较的步骤。如果服务器响应和设备响应相等，就断定从集装箱被电子封闭以来没发生过安全性突破。
另一方面，本发明涉及一种确定集装箱安全性突破是否发生了的设备。该设备包括一种感应集装箱至少一种状况的装置，为感应到的状况建立基线值的装置，限定感应到的状况值门限的装置，和从感应到的状况值门限和感应到的状况来确定安全性突破是否发生了的装置。
另一方面，本发明涉及一种确定集装箱和它的内容物的安全性状况的设备。该设备包括检测集装箱和它的内容物的状况的装置和建立基线状况值的装置。基线状况值与集装箱和它的内容物在运输期间所经受的状况上的正常波动有关。该设备还包括限定状况门限的装置和从状况门限和检测到的状况来确定集装箱的安全性状况的装置。
另一方面，本发明涉及一种检测集装箱和它的内容物的安全性状况的方法。该方法包括步骤把传感器放到集装箱内，经由位于集装箱内的数据单元监测该传感器，并且由该数据单元基于传感器感应到的数值上的感应变化来确定安全性状况是否发生了。该方法还包括步骤由数据单元把确定步骤的结果传送给天线，该天线互操作地连接到数据单元上并且相对集装箱位于一个位置从而向集装箱外边的一个地方发射数据，并且由该天线发射与传送步骤相关的信息。
附图简述结合附图并参照下面本发明示范性实施例的详细说明可以取得对本发明的示范性实施例更彻底的理解，附图中
图1A是根据本发明一个实施例图示说明系统中各个组件之间的通信的图形；图1B是图示说明一个示范性供应链的图形；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透视局部剖面图；图2E是根据本发明一个实施例的设备的第二透视局部剖面图；图2F是根据本发明一个实施例的设备的正视图；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是集装箱上所安装的图2F设备的正视图；图2K是集装箱上所安装的图2F设备的透视图；图3A是根据本发明一个实施例的读出器的示意图；图3B是根据本发明原理的读出器的图形；
图4是根据本发明一个实施例的图1A系统的第一应用场景；图5是根据本发明一个实施例的图1A系统的第二应用场景；图6是根据本发明一个实施例的图1A系统的第三应用场景；图7是根据本发明一个实施例的图1A系统的第四应用场景；图8是图示说明根据本发明一个实施例的集装箱保护处理的图形；图9是图示说明根据本发明一个实施例的集装箱安全性检验处理的图形；图10是图示说明根据本发明一个实施例的门传感器校准处理的流程图。
本发明示范性实施例的详细说明已经发现，以下所述、所示和说明的这种类型的集装箱安全性设备可以放置在集装箱里并固定其上，用来有效地监测该集装箱及其内容物的完整性和状况。下面将作更详细的定义，一种根据本发明原理的设备被构造成设置在集装箱的预定构造部分内而且在集装箱框和沿该框的箱门区域之间的传统接口上延伸，集装箱的预定构造部分一般表明由例行的装载和搬运而造成最小的结构上的运动。弹性胶垫传统上放在门周围并在接口区域上延伸以确保集装箱不漏水并因而保护货物不受天气损害。该设备适合用来(a)不用工具易于安装；(b)自供电的信号间歇发射；(c)感应相对箱门弹性封条施加的压力从而发射它的偏移，该偏移表示集装箱的门运动，其中包括入侵。
图1A是一个图示说明根据本发明原理的系统的各个组件之间的通信的图形。该系统包括设备12、至少一种读出器16、服务器15和软件中枢(software backbone)17。设备12确保集装箱10被保护之后没被突破过。集装箱10由读出器16保护并跟踪。每个读出器16可以包括用来与服务器15进行通信的硬件或软件，比如在GSM、CDMA等上发射数据的调制解调器或者把数据下载到个人计算机上的电缆，该个人计算机在互联网上向服务器15发射数据。用来从读出器16向服务器15发射数据的各种传统装置可以在读出器16内或作为独立设备实现。可以把读出器16配置为手持读出器16(A)、移动读出器16(B)或者固定读出器16(C)。手持读出器16(A)可以与例如移动电话、个人数字助理或膝上型计算机协同运作。移动读出器16(B)基本上是一个有GPS接口的固定读出器，典型地用在移动装置中(例如，在使用现有的GPS、AIS或类似的位系统的卡车、火车或轮船上)用与手持读出器16(A)类似的方式来保护、跟踪并确定集装箱的完整性。在固定装置中，比如港口或发运场(shipping yard)的那些装置，固定读出器16(C)典型地安装在起重机或闸门上。读出器16主要担当设备12和服务器15之间的中继站。
服务器15保存安全性事务细节的记录，比如箱门事件(譬如安全性突破、集装箱安全性检查、保护集装箱和解除集装箱的戒备)、位置以及任何想要附加的外围传感器信息(譬如温度、运动、放射性)。服务器15与软件中枢17一道，可以被授权方访问以便确定最新所知的集装箱10的位置，对任意数量的集装箱做完整性询问或者执行其他的管理活动。
设备12经由短程无线电接口与读出器16通信，比如利用直接序列扩谱原理的无线电接口。无线电接口可以使用例如蓝牙或任何其他运作在免许可的工业科研医学(ISM)频段上的短程低功率无线电系统，它运作在譬如2.4GHz周围。根据特定解决方案的需要，提供有关的无线电距离，比如可达100m的无线电距离。
读出器16可以经由譬如使用TCP/IP的网络13与服务器15通信，可以经由任何适当的技术，比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)、太平洋数字蜂窝系统(PDC)、宽带局域网(WLAN)、局域网(LAN)、卫星通信系统、自动识别系统(AIS)或者Mobitex。服务器15可以经由任何适当的有线或无线技术与软件中枢17通信。软件中枢17适合于经由服务器15、读出器16和设备12来支持实时监视业务，比如跟踪并保护集装箱10。服务器15和/或软件中枢17适合于保存信息，比如标识信息、跟踪信息、箱门事件和其它数据，这些数据是由设备12以及互操作地连接到设备12上的任何附加的外围传感器所发射的。软件中枢17还允许被授权方经由用户接口访问所保存的信息，可以经由例如互联网来访问该用户接口。
现在参照图1B，有一个图说明从点(A)到(I)的示范性供应链的流程2。首先参照点(A)，集装箱10被发货人等等装满货物。在点(B)，已载货集装箱经由高速路或火车运输而运送到装船的港口。在点(C)，集装箱在像海运场这样的装载港口上进闸门。
在点(D)，集装箱被装载到承运人操作的轮船上。在点(E)，集装箱被承运人运送到卸货港口。在点(F)，集装箱从船上卸货。随着在点(F)卸货之后，在点(G)集装箱装载到卡车上并从卸货港口出门。在点(H)，用与点(B)类似的方式把集装箱经由陆路运送到期望的位置。在点(I)，一旦到达期望的位置，集装箱就被收货人卸载。
对本领域普通技术人员来说将显而易见，在流程2的各点内有许多次集装箱的安全性因为没有目视或其他传统检测而可能受到危及。此外，在点(H)集装箱的内容物被卸载之前，集装箱内容物的状况可能对于在流程2中涉及的各方中的任何一方都是完全未知的。
图2A是一个设备12的框图。设备12包括天线20、射频/基带单元21、微处理器(MCU)22、存储器24和门传感器29。设备12还可以包括接口28用来连接附加的传感器以监测集装箱的各种内部状况，比如温度、振动、放射性、气体检测和移动。设备12还可以包括可选的电源26(譬如电池)；然而，可拆卸的或远程放置的其他电力装置也可以被设备12利用。当电源26包括电池(如其中所示)时，电源26包括在设备12中有助于延长电池寿命，这是依靠电源26处于集装箱10内而使电源26受到的温度波动更小。电源26出现在集装箱10内的好处在于篡改或损害电源26的能力降低。设备12还可以可选地包括用来直接与读出器16对接的连接器。例如，连接器位于集装箱10的外壁上供读出器16访问。然后读出器16经由电缆或其他直接接口连接起来从设备12上下载信息。
微处理器22(装配着一个内部存储器)从门传感器29上鉴别门事件，包括，例如集装箱安全性请求、集装箱解除戒备请求和集装箱安全性检查。鉴别出的门事件还包括危及集装箱10的内容物的安全性突破，比如在集装箱10被保护之后打开箱门。可以把箱门事件做上时间标记并保存在存储器24中用来向读出器16发射。箱门事件可以立即发射、周期性发射或者响应来自读出器16的询问而发射。其中所示的门传感器29是压感类型的，尽管它可以是例如可替换的接触传感器、接近度传感器或其他任何适当类型的检测两个表面之间相对运动的传感器。因而这里所用的压力传感器这个词包括但不限于这些其他的传感器类型。
提供天线20用来与读出器16进行数据交换。尤其是，可以交换各种信息，比如状态和控制数据。可以用唯一标识集装箱10的代码给微处理器22编程。该代码可以是例如国际标准化组织(ISO)集装箱标识码。微处理器22还可以保存其他物流数据，比如提货单(B/L)，机械封条号码、有时间标记的读出器标识等等。专门的日志文件被生成，以便跟踪历史连同箱门事件一起被恢复。为了标识目的，代码从设备12向读出器16发射。射频/基带单元21把微处理器信号从基带上变频成射频以便向读出器16发射。
设备12可以经由天线20接收一个来自读出器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以提取，例如箱门事件、温度读数、安全性突破或其他保存的信息，以便把所提取的信息转发给读出器16。读出器16还向设备12发送安全性或解除戒备请求。当集装箱10被读出器16保护时，给设备12的MCU 22编程以便在门传感器29检测到集装箱被保护之后压力上的资料改变时就发出听得见或看得见的警报。设备12还可以把安全性的突破记成存储器24中的日志用来向读出器16发射。如果读出器16向设备12发送一个解除戒备请求，就可以给微处理器22编程，以便从记录箱门事件日志或者从门传感器29或互操作地连接到设备12上的其他传感器接收信号的工作中解脱出来。
还可以对微处理器22编程来为电源26实现电力管理技术以避免任何不必要的电力损耗。尤其是，一种选择是一个或多个时间窗经由天线20来规定从而激活设备12中的部件来交换数据。在规定的时间窗外边，设备12被设置进入休眠模式以避免不必要的电力损失。这种休眠模式在设备运作时间中占显要部分，结果设备12可以被操作几年都不需要更换电池。
特别地，按照本发明，设备12利用“休眠”模式来取得电源26的经济效用。在休眠模式下，设备12的电路部分被断开。例如，所有的电路都被断开，门传感器29和时间测量单元(譬如微处理器22中的计数器)除外，后者测量休眠时段tsleep。在典型的实施例中，当休眠时段期满时或者当门传感器29感应到箱门事件时，设备12的其余电路就加电。
当设备12收到一个来自读出器16的信号时，只要需要，设备12就仍然保持与读出器16通信。如果设备12没收到来自读出器16的信号，设备12就只在为确保在称作无线电信号时段或嗅探“时段”(“tsniff”)的时段期间没有信号出现而必要的情况下保持激活。
tsniff一到，设备12就再次断电，但时间测量单元和门传感器29除外，它们运作以便无论是箱门事件发生了还是另一个休眠时段期满了之后再次叫醒设备12。
在典型的实施例中，读出器信号时段比休眠时段短得多(譬如少几个数量级)，以便设备的寿命据此相对于“总是开着”的情形延长(譬如几个数量级)。
休眠时段和读出器信号时段的总和(“周期时间”)对设备12和读出器16必须达到的时间施加更低的限制，以确保读出器16意识到设备12的出现。有关的时段将被称作通过时间(“tpass”)。
然而，通过时间(“tpass”)通常取决于特定的情形。通过时间在某些情形中非常长(譬如当货物集装箱上的设备12与卡车头或装着集装箱10的底盘上的读出器16通信时是许多小时)，在其他情形下又非常短(譬如当集装箱10上的设备12正高速经过固定读出器16(C)时为一秒钟的若干分之一)。对于所有应用来说典型的是，设备12中每一个都在它寿命期间有时处于有较大通过时间的情形有时处于有较小通过时间的情形。
因此通常把休眠时段选择得与可以想到的最短的通过时间(“tpass，min”)兼容。换句话说，根据设备的每个运作状况应该满足关系-tsleep≤tpass，min-tsniff根据设备的特定状况(譬如在它寿命周期内)把休眠时段以动态模式分配给设备。
每当读出器16与设备12通信时，读出器16都鉴于读出器16的位置和功能、从设备12中读出的数据或者在读出器16中可以得到的其他信息，把设备12的休眠时段重新编程。
例如，如果装配着设备12的集装箱10被千斤索(toplifter)、跨运车或其他适当的车辆放置在卡车上，该适当的车辆装配着读出器16，而卡车和拖车没有装配任何读出器16。可以预料卡车较高速地驾驶经过在港口或集装箱装卸站的出口处的固定读出器16(C)。因此，车上的读出器16(C)需要用短暂的休眠时段对设备12编程(譬如～0.5秒)。
以上概述的想法的进一步的衍生是，根据情形，读出器16把休眠时段的序列编程到设备12中。例如，当集装箱10被装载上船的时候，轮船在海上时设备12只要一小时醒来一次就够了。然而，一旦预料到轮船接近目的港口，就可能需要更短的休眠时段来确保卸载集装箱10的起重机上的读出器16建立与设备12的联系。把集装箱10装载上船的起重机上的读出器16可能把设备12编程如下首先，有三天是一小时醒来一次，然后每十秒钟醒来一次。
在另一种场景下，读出器16连同设备12一起移动并且可能根据地理位置修改休眠时段。例如，可假设集装箱10上的设备12和拖拽集装箱10的卡车的读出器16可以在拖拽着集装箱10的时候不断地互相通信。只要集装箱10离它的目的地足够远，读出器16就把设备12编程为在延长的时间间隔休眠(譬如一个小时)。当给读出器16配备全球定位系统(GPS)接收机或其他定位装备时，读出器可以确定何时集装箱10接近它的目的地。一旦集装箱接近目的地，读出器16就把设备12编程为醒来得更频繁(譬如每秒钟)。
虽然上述电力管理方法是就设备12在航海、公路、铁路或航空运输中卡车搬运货物集装箱或其他运输货物的环境下来解释的，但本领域技术人员应当理解，上述电力管理方法还可以应用到例如动物的卡车搬运、用于收取公路通行费的车辆标识和偷盗防护上，还可用到贮备管理和供应链管理上。
参照图2B，有设备12的第一透视图示出。设备12包括机壳25，容纳着数据单元100(未示出)、由其上伸出的支撑臂102和与之有某个角度关系的伸出其外的天线臂104。如下面将叙述的，机壳25的大小、支撑臂102的长度和天线臂104的配置被谨慎选择以便与传统的集装箱兼容。机壳25、支撑臂102和天线臂104典型地在聚氨酯材料23等内成型以保护它们不受环境损害。
仍然参照图2B，支撑臂102的材料部分23被剖开以图示说明放置至少一个磁铁27在其中和至少一个门传感器29在其上。当门传感器29检测到沿着下面论述的集装箱的封闭胶垫(未示出)的压力变化时，磁铁27允许对下面所述的集装箱内的设备12加强保护。
设备12的第二个透视图在图2C中图示说明，进一步图示说明在支撑臂102中磁铁27的放置。磁铁27位于在支撑臂102上形成的对应孔27A内并且被焊接到支撑壁上，这样便于设备12的安装。
现在参照图2D，在应用成型材料23中的任何一种以前图示说明设备12的俯视图。这样，更清楚地示出电源26、数据单元100和天线20的位置。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开始延伸并且包括孔27A以收容至少一个磁铁27，以及门传感器29附着其上的支撑面。从支撑臂102开始延伸的是用来支撑天线20的天线臂104。
现在参照图2E，在应用成型材料23中的任何一种以前图示说明设备12的侧视图。如图所示的，支撑臂102从数据单元100向上和向外延伸。支撑臂102相对较细并且基本上是水平的，尽管其他配置也可以用。如图2E中更清楚地表示的，天线臂104从支撑臂102开始有角度的延伸。
现在参照图2F，有一个在应用成型材料23以后设备12的正视图示出。图示说明设备12，其中成型后的材料23形成封装设备12的机壳25。成型材料23从天线臂104开始延伸，跨过支撑臂102并围绕数据单元100。在此示出的特定形状和配置只是设备12的一个实施例，在此不表明对设备12确切形状的限定。
现在参照图2G，有一个根据图1A的设备12的后视图示出。在图2H和2I中，为了图示说明起见，天线臂104的角度配置用更简化的格式照样示出，图2H和2I是设备12的仰视图和俯视图。
图2J图示说明集装箱10上安装的设备12的正视图。集装箱10被示出为集装箱10的门202在打开位置以便更详细地示出设备12的方位。把设备12架设到与集装箱10的门202相邻的区域上。设备12可以经由磁性连接(如先前图示说明的)、粘着连接或任何其他适当的连接而架设到集装箱10的垂直梁204上。从图2J可见，架设设备12以便在门202关闭时天线臂104位于集装箱10外部之上，门传感器29位于支撑臂102内，直接挨着箱门202的一部分，并且数据单元100位于集装箱10的内部之上。设备12可以经由门传感器29来检测压力的偏移以确定是否发生了箱门事件(譬如压力的相对和/或绝对变化)。设备12可以如先前所述经由天线20向服务器15发射与门202的状态相关的数据。此外，接口28可以连接到任何数量的外部传感器208上以便捕捉与集装箱10的内部状况有关的信息并把经由传感器208获得的信息发射给服务器15。
仍然参照图2J，设备12在集装箱10内定向以便把数据单元100布置在一般为C形的凹槽或沟道206内。包括门传感器29的支撑臂102横跨它和箱门的一部分之间的垂直梁204而延伸。当门202关闭时，压力在门传感器29上保持。当门202打开时，压力解除，由此警告微处理器22箱门事件发生了。保存在存储器24中的电子密钥被擦除或更改为指示“破坏”封条或篡改事件。
图2K是图2D的设备12安装在集装箱10上的透视图。设备12被示出为附着到垂直梁204上以便支撑臂102内的门传感器29(未示出)与垂直梁204相邻，天线臂104置于集装箱10的铰链沟道区域中，并且数据单元100置于集装箱10的C沟道206里面。在此更清晰地示出，天线臂104从支撑臂102上突出到一个与集装箱10的铰链部分充分接近的区域以便在箱门202关闭时留在集装箱10的外部。
把数据单元100放在集装箱10内部之上，从而篡改和/或损害设备12的机会减少了。因为数据单元100布置在C沟道206中，就算集装箱10的内容物在运输期间会移位，内容物也不可能撞击或损害设备12。
虽然上述实施例示出为单一单元，包括至少一个传感器和用来与读出器16通信的天线20，但是可以把本发明实现为几个单元。例如，把光、温度、放射性等传感器置于集装箱10里面的任何地方。传感器测量读数并经由蓝牙或任何短程通信系统向天线单元发射该读数，天线单元把该读数或其他信息转发给读出器16。传感器可以与天线单元距离远并且和它分开。此外，上述实施例图示说明了设备12，它包括用来确定是否发生了安全性突破的门传感器29。然而，可以采用种类不限的传感器代替门传感器29或附加与门传感器29一起来确定安全性突破。例如，光传感器可以感应到集装箱10里面光线上的波动。如果光线超过预定门限或落到该门限以下，那么确定发生了安全性突破。可以通过类似的方式来利用温度传感器、放射性传感器、易燃气体传感器等等。
设备12还可以触发集装箱10的物理锁定。举例说，当读出器16经由保护请求来保护集装箱10的内容物进行运送时，微处理器22可以通过激励电磁门锁或其他这种物理锁定机构来启动对集装箱10的锁定。一旦集装箱经由保护请求保护起来，集装箱10就在物理上锁定起来阻止偷窃或篡改。
如图3A所示，读出器16包括短程天线30、微处理器36、存储器38和电源40。如上面参照图2A所述的，短程天线30实现到达设备12的无线短程低功率通信链路。读出器16可以包括一个设备或独立地附着到其上，该设备实现到达集装箱远程监视系统(譬如根据GSM、CDMA、PDC或DAMPS无线通信标准或使用有线LAN或无线局域网WLAN、Mobitex、GPRS、UMTS)的链路。本领域技术人员将理解，任何这样的标准对本发明都不具约束力，附加的可以得到的无线通信标准也可以应用于读出器16的远程无线通信。在陆地移动通信系统不可用的情况下，例子包括卫星数据通信标准，像Inmarsat、铱星(Iridium)、Project 21、奥迪赛系统(Odyssey)、全球星(Globalstar)、ECCO、Ellipso、氚系统(Tritium)、Teledesic、空间之路(Spaceway)、Orbcom、Obsidian、ACeS、Thuraya或Aries。
读出器16可以包括或附着于卫星定位单元34，对上面装载着集装箱10的车辆进行定位。例如，读出器16可以是附着到卡车、轮船或铁路机动车上的移动读出器16(B)。定位单元34的提供是可选的，在不必跟踪和定位集装箱10的情况下可以省略。举例说，固定读出器16(C)的位置是已知的；因此，不需要卫星定位系统。一种定位的解决方法可能是使用卫星定位系统(譬如GPS、GNSS或GLONASS)。另一种解决方法可能是利用移动通信网络对读出器16进行定位。这里，定位技术中的某些是单纯基于移动通信网络的(譬如EOTD)，其他那些依靠基于卫星和移动通信网络结合的定位技术(譬如辅助的GPS)。
读出器16中的微处理器36和存储器38考虑了读出器16和设备12以及上面所解释的远程监视系统之间数据交换的控制，还考虑了这样交换后的数据的保存。读出器16的部件运作所需的电力通过电源40提供。
图3B是一个根据本发明原理的手持读出器16(A)的图形。手持读出器16(A)被示出为从移动电话16(A1)上拆开。手持读出器16(A)(如先前所述)经由例如短程直接序列扩谱无线电接口与设备12通信。一旦手持读出器16(A)和设备12在互相近距离范围之内(譬如＜100m)，设备12和手持读出器16(A)就互相通信。手持读出器16(A)被用于经由与设备12的通信来电子保护集装箱或解除其戒备。手持读出器16(A)还可以被用于从设备12获得附加信息，比如来自集装箱10里面的附加传感器的信息或来自门传感器29的读数。
图3B中所示的手持读出器16(A)适合用于与示出为16(A1)的移动电话或PDA对接。然而，如本领域技术人员所领会的，手持读出器16(A)可以是独立单元，也适合用于与例如个人数字助理或者手持或膝上型计算机对接。读出器16从移动电话抽运功率，并且利用蓝牙或任何类似接口与移动电话通信。
现在将就图4-8来描述对于设备12和读出器16的应用附加的应用情形。在提到读出器16(B)附着到不同的运输或被运输单元上以及从上面拆开的范围内，任何可解决问题的附着都被本发明充分覆盖(譬如电磁固定、由螺丝、横挡、挂钩、滚针轴承、搭锁架设来实行的机械固定、进一步有任何种类的可以电子完成的附着，譬如电磁铁，或者进一步有可逆的化学加固物，比如胶带、透明胶带、胶水、涂浆胶带)。
图4示出设备12和读出器16的第一种应用场景。如图4所示与公路运输有关的一种选择是把读出器16固定到大门或运送仓库或沿着供应链上的任何地方。在这种情况下，当集装箱10被卡车拖拽出了运送区域时，读出器16可以容易地与集装箱10的设备12通信。另一种选择是提供读出器16作为如上所述的手持读出器16(A)，然后或是在卡车离开该区域时扫描设备12或是在对集装箱10进行监视期间在卡车的驾驶室内载有手持读出器16(A)。
图5示出设备12和读出器16与铁路运输有关的第二个应用场景。特别地，图5示出第一个例子，读出器16沿着铁路线可附着地固定从而向位于读出器16射程内的那些集装箱进行短程无线传送。然后读出器16可以完成与铁路线上运输的集装箱10的设备12中的任一设备或所有设备的短程通信。
同样的原理适用于图6所示的集装箱监视部件的第三个应用场景。这里，对于在海洋运输期间要被标识、跟踪或监测的每个集装箱，必须有读出器16提供在附着到集装箱10上的设备12的射程内。第一种选择是根据无线通信单元的附着方案来修改装载方案。可替换地，读出器16在集装箱轮船上的分布根据装载方案来确定，该装载方案是根据其他约束条件和参数确定的。再有，用来监视集装箱的读出器16灵活的附着/拆开允许避免任何不为运营者产生收益的固定资产。换句话说，一旦不必再监视集装箱，读出器16就可以容易地从集装箱轮船上拆下来，或是用在一个不同的集装箱轮船上或是用在任何其他运输设备上。读出器16还可以被连接到基于VHF通信或者Inmarsat卫星的AIS上，这两种都是航海船舶常用的。
上面就全球、地区或本地的长途运输描述了本发明的监视部件的应用，下面在限制区内的应用将就图7来解释。
特别地，限制区内短程和远程无线通信的划分应用到所有车辆和设备12上，无论它们是如何在像集装箱中转站、集装箱港口或制造场地这样的限制区内搬运集装箱10的。限制区包括这种中转站的进门和出门以及任何种类的搬运车辆，比如顶卸式装载机、侧卸式装载机、前伸式码垛机、移动式集装箱吊运车、集装箱运输拖车、起重机、集装箱跨运车等等。
典型来说不是只使用单个读出器16来搜索一个特定的集装箱的；而是，众多读出器16遍布在中转站上并且每次集装箱10被例如起重机或码垛机搬运时它们都接收状态和控制信息。换句话说，当集装箱经过读出器16时，该事件被用于更新相关的状态和控制信息。
图8图示说明了根据本发明一个实施例的保护处理的流程图。首先，在步骤800，读出器16向设备12请求标识。在步骤802，设备12把标识发射给读出器16，以及，在步骤804，读出器16选择集装箱10来保护。在步骤806一个请求从读出器16向服务器15发送。在步骤808，服务器15生成一个密钥并用一个加密代码加密该密钥。在步骤810，加密后的密钥经由读出器16发射到设备12上以便保护集装箱10。在步骤812，密钥被解密并保存在设备12中。类似的流程被启动以解除集装箱10的戒备。在读出器16的范围内，当集装箱10经过时被自动保护起来，或者是用户在某一时刻把特定挑选的集装箱10保护起来或解除戒备。
图9图示说明根据本发明一个实施例的安全性检查处理。在步骤900，读出器16向所讨论的集装箱10发射一个质询。在步骤902，集装箱10的设备12使用密钥和加密代码生成一个响应。在步骤904，响应从设备12向读出器16发送。在步骤906，读出器16还向服务器15发送一个质询。对服务器15和设备12的质询基本上同时或在时间交替点上发射。服务器15在步骤908和910分别利用密钥和加密代码来生成并发送一个响应给读出器16。在步骤912，读出器16确定响应是否相等。如果响应相等，那么集装箱10仍然被安全保护。可替换地，如果响应不相等，那么发生了集装箱10的安全性突破(即箱门事件)。与保护和解除戒备处理类似，在读出器16的范围内，当集装箱10经过时安全性检查自动执行，或者是用户在运输中的任一时刻启动安全性检查。
现在参照图10，图示说明一个对门传感器29进行的校准和滤波处理的流程图。在步骤1000，门传感器29被激活以便每0.5秒感应一个当前压力值，尽管可以实现其它时间增量。在步骤1002，当前压力值从门传感器29上读取。在步骤1004，多个读数(X)各个之间有30微秒的时距，这些读数被累加起来以便在步骤1006计算一个平均压力值。在步骤1008，确定箱门是否打开。如果平均值高于一个在以下步骤1012先前的迭代中所计算的打开门限，就认为箱门打开。如果箱门打开，那么流程进行到步骤1010，在这一步平均压力值被加到一个慢速低通滤波器上以得到未附着任何压力的传感器的值(上限参考值)。如果在步骤1008确定箱门关闭，那么流程进行到步骤1012，在这一步使用来自步骤1010的上限参考值和从步骤1020和步骤1024(以下所述)从先前的迭代得来的有戒备的界限(limit)参考值来计算打开、关闭和篡改门限。打开、关闭和篡改门限被用来在步骤1008和1022确定箱门打开还是关闭的，以便在步骤1022打开和篡改门限中无论哪一个被超过，就断定发生了安全性突破。
在步骤1014，确定设备12目前是否在有戒备的状态下(即集装箱10是否被保护了)。如果设备12没有戒备，那么在步骤1016使用来自步骤1012的打开和关闭门限来更新箱门状态。如果设备12有戒备，那么在步骤1018确定设备12是否先前有戒备。如果设备12先前没有戒备，那么在步骤1020，把有戒备的界限参考值设置到来自步骤1006的当前平均压力值上。在步骤1022，确定当前压力值是否超过打开或篡改界限。如果来自步骤1006的平均值没有超过打开或篡改界限，那么在步骤1024把来自步骤1006的平均值插入滤波器中以得到有戒备的界限参考值。如果来自步骤1006的平均值超过打开或篡改界限，那么在步骤1026确定该状况是否持续。如果该状况持续(即状况不断地发生了2秒或2秒以上)，那么在步骤1028设置篡改警报以警告系统和/或用户发生了安全性突破。
虽然本发明的一个或多个实施例在附图中图示说明了而且在上述详细说明中说明了，但是应当理解本发明不限于所公开的一个或多个实施例，而是能够进行无数的重新排布、修改和置换，却不脱离以下权利要求所限定的发明。
权利要求
1.一种用来监测集装箱状况的设备，该设备包括用来感应集装箱至少一种状况的装置；用来把与至少一种所感应的状况相关的信息发射到集装箱外边一个地方上的装置；用来解释至少一种所感应的状况的装置；并且其中用来解释的装置适于布置在集装箱里面。
2.权利要求1所述的设备，其中，所述集装箱包括至少一个门并且该设备适合相对于集装箱架设在门区域和集装箱的相邻区域之间。
3.权利要求2所述的设备，其中，所述集装箱的相邻区域包括垂直梁和相邻的C沟道，用来架设该设备至少一部分的集装箱内的地方包括跨过垂直梁和相邻的C沟道的区域。
4.权利要求3所述的设备，其中，至少一种所感应的状况包括所感应的门靠在集装箱该区域上的压力，并且用来感应的装置包括至少一个压力传感器，适于在门和集装箱该区域之间延伸。
5.权利要求4所述的设备，其中，所述集装箱门进一步包括胶垫，并且所感应的压力包括门胶垫靠在压力传感器上的压力。
6.权利要求1所述的设备，其中，至少一种所感应的状况包括所感应的光，并且其中用来感应的装置包括布置在集装箱里面的光传感器。
7.权利要求1所述的设备，其中，至少一种所感应的状况包括所感应的移动，并且其中用来感应的装置包括布置在集装箱里面的移动传感器。
8.权利要求1所述的设备，其中，至少一种所感应的状况包括所感应的放射性，并且其中用来感应的装置包括布置在集装箱里面的放射性传感器。
9.权利要求1所述的设备，其中，用来发射信息的装置布置出了传感器并且适合置于集装箱门的外面。
10.权利要求1所述的设备，进一步包括用来接收信息的装置。
11.权利要求1所述的设备，进一步包括用来对接集装箱里面至少一个外围传感器的装置。
12.权利要求11所述的设备，其中，至少一个外围传感器包括压力传感器、光传感器、放射性传感器、温度传感器、移动传感器、易燃气体传感器、氨传感器、二氧化碳传感器、火灾传感器、烟雾传感器、噪声传感器、湿度传感器和数码相机中的至少一个。
13.权利要求1所述的设备，其中，用来解释的装置包括至少一个该设备的电源。
14.一种电子保护集装箱的方法，该方法包括步骤选择一个集装箱来保护；在集装箱内布置一个电子保护设备；向服务器发射一个请求；响应于接收到该请求，由服务器生成一个数学上唯一的密钥；由服务器加密该密钥；向该布置在集装箱内的设备发射唯一的加密后的密钥；由该设备使用加密后的密钥以计算一个唯一的结果；并且由该设备保存该唯一结果。
15.权利要求14所述的方法，其中，选择一个集装箱来保护的步骤包括步骤选择这种类型的联运集装箱来电子保护，该集装箱具有至少一个与该集装箱有枢轴关系的门；以及把该设备布置在集装箱内。
16.权利要求14所述的方法，其中，选择一个集装箱来保护的步骤包括步骤由读出器选择一个集装箱来保护。
17.权利要求14所述的方法，其中，选择一个集装箱来保护的步骤包括步骤允许至少一个被授权方访问软件中枢；以及由该至少一个被授权方经由该软件中枢选择一个集装箱来保护。
18.权利要求14所述的方法，其中，在集装箱内布置该电子保护设备的步骤包括步骤把该电子保护设备与门相邻放置用来感应门相对集装箱的枢轴关系。
19.权利要求14所述的方法，其中，在集装箱内布置该电子保护设备的步骤包括步骤保护集装箱里面的至少一个传感器；以及保护与集装箱相关的至少一个发射机，该发射机在允许向集装箱外面的一个地方进行无线电传输的一个位置上。
20.权利要求19所述的方法，其中，保护集装箱里面至少一个传感器的步骤包括步骤保护集装箱里面的光传感器。
21.权利要求19所述的方法，其中，保护集装箱里面至少一个传感器的步骤包括步骤保护集装箱里面的移动传感器。
22.权利要求19所述的方法，其中，保护集装箱里面至少一个传感器的步骤包括步骤保护集装箱里面的温度传感器。
23.一种用来确定集装箱的安全性突破是否发生了的设备，该设备包括用来检测集装箱门所施加的压力的装置；用来建立基线压力值的装置，该基线压力值与从至少两个压力检测中算出的平均值有关；用来限定压力门限的装置；以及用来从压力门限和检测到的压力来确定安全性突破是否发生了的装置。
24.权利要求23所述的设备，其中，用来限定压力门限的装置把至少两个所感应的压力值累加起来并从至少两个所感应的压力值中计算一个平均压力值。
25.权利要求23所述的设备，其中，用来限定压力门限的装置计算一个可接受压力值的窗口，该可接受压力值的窗口限定一个在集装箱运送期间所经受的没有指示安全性突破的压力值范围。
26.一种检测集装箱的安全性突破的方法，该方法包括步骤把压力传感器与结构构件和集装箱门相邻放置；经由位于集装箱内的数据单元来监测压力传感器；由数据单元基于压力传感器所感应的压力上的变化来确定门的安全性突破是否发生了；由数据单元把确定步骤的结果传送给互操作地连接到数据单元上并与集装箱相邻位于集装箱外部的天线；以及由天线发射与传送步骤相关的信息。
27.权利要求26的方法，进一步包括由读出器接收来自天线的信息；以及由读出器向服务器转发该信息。
28.一种给其中具有安全性设备的被电子保护的集装箱解除戒备的方法，该方法包括步骤选择一个集装箱来解除戒备；向服务器发射解除戒备请求；响应于接收到该解除戒备请求，由服务器生成解除戒备密钥；由服务器加密该解除戒备密钥；把加密后的解除戒备密钥发射给与该集装箱相关联的设备；由该设备解密加密后的解除戒备密钥；并且由该设备保存解密后的解除戒备密钥。
29.权利要求28所述的方法，其中，选择一个集装箱来解除戒备的步骤包括步骤由读出器选择一个集装箱来解除戒备；以及确定不需要进一步的与集装箱的电子保护有关的信息。
30.权利要求29所述的方法，进一步包括步骤从把被解除戒备的集装箱的设备所感应的至少一种状况记成日志中解脱出来。
31.权利要求28所述的方法，其中，选择一个集装箱来解除戒备的步骤包括步骤允许被授权方访问软件中枢；以及由该被授权方中至少一个经由该软件中枢选择一个集装箱来解除戒备。
32.一种检查这种类型的先前电子保护了的集装箱的安全状态的方法，这种类型的集装箱其中布置着保护设备，该方法包括步骤由读出器向与该集装箱相关联的设备发射设备质询；由该设备生成对该设备质询的设备响应；由该设备向读出器发射该设备响应；由读出器向服务器发射服务器质询；由服务器生成对该服务器质询的服务器响应；由服务器向读出器发射服务器响应；比较服务器响应和设备响应；并且其中，如果服务器响应和设备响应相等，就断定从集装箱被电子保护以来没发生过安全性突破。
33.一种用来确定集装箱的安全性突破是否发生了的设备，该设备包括用来感应集装箱至少一种状况的装置；用来给所感应的状况建立基线值的装置；用来限定所感应状况的值门限的装置；以及用来从所感应状况的值门限和感应到的状况来确定安全性突破是否发生了的装置。
34.权利要求33所述的设备，其中，集装箱是这种类型的，具有至少一个门相对该集装箱以枢轴架设，而且其中该设备适合用来置于门和集装箱之间从而感应门靠到设备上所施加的压力。
35.权利要求34所述的设备，其中，用来建立基线压力值的装置包括至少一个压力值在对集装箱进行电子保护的时候存在。
36.权利要求35所述的设备，进一步包括用来发射所感应的集装箱的状况的装置。
37.权利要求36所述的设备，其中，用来发射信息的装置布置出了压力传感器并且适合置于集装箱门的外面。
38.权利要求33所述的设备，其中，至少一种所感应的状况包括所感应的光，并且其中用来感应的装置包括布置在集装箱里面的光传感器。
39.权利要求33所述的设备，其中，至少一种所感应的状况包括所感应的移动，并且其中用来感应的装置包括布置在集装箱里面的移动传感器。
40.权利要求33所述的设备，其中，用来感应一种状况的装置包括压力传感器、光传感器、放射性传感器、温度传感器、移动传感器、易燃气体传感器、氨传感器、二氧化碳传感器、火灾传感器、烟雾传感器、噪声传感器、湿度传感器和数码相机中的至少一个。
41.一种用来监测这种类型的集装箱的状况的设备，这种类型的集装箱具有至少一个以枢轴架设其上的门，该设备包括用来感应集装箱门的运动的装置；用来发射与所感应的集装箱门运动相关的信息的装置；用来解释所感应的门运动的装置；其中用来解释的装置被布置在集装箱里面；以及其中用来发射的装置相对于集装箱布置以便把所感应的门运动发射到集装箱外面的一个地方。
42.一种用来确定集装箱和它的内容物的安全性状况的设备，该设备包括用来检测集装箱和它的内容物的状况的装置；用来建立基线状况值的装置，该基线状况值与集装箱和它的内容物在运输期间所经受的状况上的正常波动有关；用来限定状况门限的装置；以及从状况门限和检测到的状况来确定集装箱的安全性状况的装置。
43.权利要求42所述设备，其中，用来检测状况的装置包括压力传感器、光传感器、放射性传感器、温度传感器、移动传感器、易燃气体传感器、氨传感器、二氧化碳传感器、火灾传感器、烟雾传感器、噪声传感器、湿度传感器和数码相机中的至少一个。
44.一种检测集装箱和它的内容物的安全性状况的方法。该方法包括步骤把传感器放到集装箱内；经由位于集装箱内的数据单元监测该传感器；由数据单元基于传感器所感应的数值上的感应变化来确定安全性状况是否发生了；由数据单元把确定步骤的结果传送给天线，该天线互操作地连接到数据单元上并且相对于集装箱位于一个位置从而向集装箱外边的一个地方发射数据；由该天线发射与传送步骤相关的信息。
45.一种检测集装箱的安全性突破的方法，该方法包括步骤把传感器放在集装箱里面；经由位于集装箱内的数据单元来监测该传感器；由数据单元基于传感器所感应的状况上的变化来确定门的安全性突破是否发生了；由数据单元把确定步骤的结果传送给互操作地连接到数据单元上并与集装箱相邻位于集装箱外部的天线；以及由天线发射与传送步骤相关的信息。
46.一种用来监测集装箱的状况并跟踪该集装箱的设备，该设备包括用来感应集装箱至少一种状况的装置；用来把与集装箱的位置和至少一种所感应的状况相关的信息发射到集装箱外边一个地方上的装置；用来解释至少一种所感应的状况的装置；以及其中用来解释的装置适于布置在集装箱里面。
全文摘要
一种集装箱和内容物监测系统包括设备、读出器、服务器和软件中枢。该设备与读出器通信以便确定集装箱的安全性和/或位置，该设备附着到该集装箱上。读出器把来自设备的信息发射给服务器。该设备基于位于集装箱上或集装箱中的至少一个传感器来确定是否发生了安全性状况。
文档编号G08C25/00GK1701348SQ03825176
公开日2005年11月23日 申请日期2003年9月17日 优先权日2002年9月17日
发明者H·波曼, E·桑贝里, S·埃克斯特伦 申请人:全套海运安全公司