CN108140139A - 集装箱追踪系统 - Google Patents
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Abstract
所述多个金属集装箱布置有在其之间具有间隙(G)的基本上平行的壁(12)，以及至少一个RF发射器，其具有位于所述间隙(G)内的天线(1)，并且被配置为激发横向于平行侧面(12)的横向电磁(TEM)波。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于的运输集装箱，诸如联运货物集装箱，的RF(射频)追踪装置。
背景技术
诸如联运货物集装箱之类的运输集装箱，通常包括长度从8英尺到56英尺(2.4到17米)，高度从8英尺到9英尺6英寸(2.4到2.9米)不等的标准化可重复使用的矩形钢箱，符合ISO 6436。这种集装箱被广泛用于货物在海上和陆地上的运输，因此希望能够识别各个集装箱，跟踪它们的位置和/或从它们接收状态信息。
现有的用于集装箱跟踪的无线解决方案在自由空间条件下工作良好，但是当集装箱位于一堆集装箱中时，例如在码头环境或船上，情况就不太好。
专利公开号US-A-7414571公开了一种低频发射器标签，其利用堆叠中的集装箱之间的间隙中的近场行为。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了根据权利要求1所述的RF标签。根据本发明的另一方面，提供了根据权利要求14所述的集装箱追踪系统。
当集装箱被堆叠时，本发明的实施例可以使用由集装箱壁创建的通道，来创建类似于传输波导的传播环境。在上述环境中对射频传播的研究和调查表明，当使用正确的传播方法时，射频辐射路径可以通过集装箱堆叠来增强。集装箱堆叠内的通道像波导一样起到引导RF辐射的作用，从而产生有利的RF辐射环境。
当集装箱在封闭的环境中紧密间隔时，例如船体或船的甲板，屏蔽外壳为无线电波的传播形成高度反射的环境。
在特定条件下，电磁波可能在堆叠或相邻集装箱的间隔之间非常有效地传播。相邻集装箱的壁形成平行板传输线(或波导)，其中壁的范围趋于无穷大。实际上，集装箱的尺寸是有限的，但与实际频率的波长相比(0.35m在868MHz)，这些集装箱的尺寸是很大的。因此，集装箱壁和间隙可以被认为近似于平行板传输线。
如果间隙大于半波长，则平行板传输线可以支持波导型模式(横向电-TE和/或横向磁-TM)。然而，典型的集装箱间距远小于半波长，这就排除了TE和TM波的支持。
发明人已经发现，平行壁之间的间隔可以远小于半波长，并且仍然支持RF传播，但是只有在平行集装箱壁之间激发横向电磁(TEM)波时。TEM波的传播需要电场分量垂直于平行板(即集装箱壁)。因此，放置在近距离集装箱壁之间的RF标签应该具有天线，该天线主要产生与集装箱壁成直角的电场。与集装箱壁平行的平面天线设计(例如，通常用于RFID应用的印刷环形天线设计)与用于该目的的TEM波的产生完全不兼容。一个合适的天线的例子可能是垂直于墙壁的短单极子。
平行板传输线的衰减常数很低，尽管可能使用钢制集装箱壁(钢在UHF和微波频率下是有损耗导体)。换句话说，集装箱壁之间的RF能量传输可以是非常有效的，并且可以覆盖集装箱船舱内的大容积(舱室)。
可以插入紧密间隔的平行板之间的天线应该相对紧凑。此外，为了激发平行板之间的TEM波，天线应产生垂直于平行板的显著电场。优选地，天线应该能够针对单个集装箱(即开放式传播)或平行板场景(即传输线)有效地操作，而不会由于失谐而引起性能的显着差异。
放置在相邻或堆叠的集装箱之间的RF标签应该是小型的。其占地面积可能主要由电路板和/或电池尺寸决定，而其高度将受限于有限的可用空间(可能小于或等于典型的集装箱波纹的深度)。
本发明的一个实施例包括倒L型或倒F型天线，该天线能够放置在平行板之间，并且产生垂直于平行板的相当大的电场分量，由此激发期望的TEM波。
TEM波的电场分量相对于两个平行板成直角，从而在相邻和/或堆叠的集装箱之间提供RF能量的有效传播。
本发明的各个方面依据所附权利要求来限定。
附图的简要说明
现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1a和1b分别示出了本发明实施例中的倒L型天线及其模拟辐射图的模型；
图2a和2b分别示出了在自由空间中由倒L天线产生的电场的模拟phi和theta分量。
图3显示了自由空间中倒L型天线的模拟回波损耗。
图4显示了平行金属板之间的倒L型天线的模拟回波损耗。
图5是本发明实施例中包含天线的RF标签的示意图。
图6是将RF标签安装到集装箱侧面的示意图。
图7是与多个RF标签一起使用的系统架构的图。
具体实施方式
天线设计
图1至4示出了本发明实施例中的倒L形天线的性能。
图1a示出了倒L形天线1，其包括基本上垂直于地平面2(即，在图1a和1b所示的z方向)上延伸的第一部分1a，和基本上平行于地平面2延伸的第二部分1b即在x方向上)。如下面进一步描述的，地平面2可以包括用于将其他部件连接到天线1的PCB(印刷电路板)。
图1b显示了倒L天线1的模拟辐射图。模拟峰值的天线增益大约为2.7dBi。图1b中所示的天线辐射图涉及总的电场强度，其不能提供对天线极化的了解。图2a和2b分别示出了天线1在自由空间中产生的电场的模拟phi和θ分量(球面坐标)。从θ分量(如图2b所示)，存在相当大的电场分量，该电场分量将垂直于地平面2产生，并且因此适于在与地平面2平行的两个平行板之间激发TEM波。
图3显示了改进的倒L型天线的模拟回波损耗。该设计显示了非常好的阻抗匹配到50欧姆。在10dB回波损耗下的带宽大约是600MHz，这是很大的。
考虑了另一种倒F天线设计，其中包含一个匹配部分，使阻抗匹配达到50欧姆。然而，通过调整地平面2的馈电点位置和尺寸，使用较简单的倒L天线实现了良好的匹配。作为一个例子，PCB具有80×60mm的尺寸(在x和y方向上)，并且天线导线可以具有垂直方向(在z方向上)大约20mm和水平方向(在x方向上)大约12mm的尺寸，距离角落的馈点位置大约为12x10毫米(在x和y方向)。
平行板的影响
倒L型天线1在自由空间中的模拟回波损耗非常好。但是，这种设计在放置在两个间隔很近的金属板之间时也必须具有良好的匹配性。
图4显示了倒L形天线1位于间距为40mm的平行板之间的模拟回波损耗。与天线设计在自由空间相比，2.4GHz的回波损耗并不算好，但是匹配是足够的。有一个轻微的向下频移，但比另一个倒F天线少得多。
模拟回波损耗中的额外响应是将天线1放置在平行板之间的结果。然而，这些额外响应不影响天线1在感兴趣的频率上的操作。
实验-自由空间性能
将连接到2.4GHz的射频源的倒L形天线1放置在非导电台上用于支撑。具有9.5dBi增益的接收天线连接到频谱分析仪，并且位于倒L天线1的0.5m处。在2.4GHz时超过0.5m的自由空间路径损耗是34.0dB。
将倒L形天线1在方位角旋转，在频谱分析仪上测量接收天线的峰值功率。使接收天线“达到峰值”以测量最高功率水平，因此获得最大的增益。使接收天线也旋转，以测量单独的垂直和水平极值。Friis传输公式被用来确定天线增益。测量结果列于下表1中。倒L天线的峰值测量增益为2.5dBi，这与峰值模拟增益2.7dBi一致。
表1 倒L天线的测量自由空间增益
实验–平行板性能
然后重复测量，但倒置的L天线1放置在两个平行板之间。结果在下表2中给出。测量板间的峰值天线增益为+9.0dBi，比自由空间高6.5dB。因为TEM波偏振相对于平行板是垂直的，所以水平偏振的增益减小。
表2-两个平行板之间的倒L天线的测量增益
结论
上述模拟和实验表明，在甲板下环境中，相邻/堆叠的集装箱之间的窄间隙中可发生有效的传播。这得出了一个实际的天线的设计，该设计是高效的，当放置在两个紧密间隔的平行板之间时不明显失谐，并且产生垂直于平行板的显著的电场分量。
放置在两个平行板之间的天线的设计是重要的，因为天线必须在两个紧密间隔的板之间激发TEM波。TEM波可以在两个钢制平行板之间以低损耗有效地传播。
总体而言，上述发现显示，运输集装箱可以通过射频标签进行监控，不仅适用于甲板上的箱子，也适用于位于集装箱船舱内深处的集装箱和标签的情况，只要合适的天线或基站设置于给定的保持室内。
标签设计
上面描述的天线设计可以被包含在用于安装在集装箱上的射频标签7中，例如，如图5和6所示。射频标签(RF标签)7包括连接到天线1的收发器4和处理器6。收发器4可以包括集成电路(IC)，优选地安装在印刷电路板PCB上形成接地平面2。在仅需要单向传输的情况下，收发器4可以替代为发射器。处理器6可以包括低功率微处理器，优选地也安装在印刷电路板PCB上。可选地，可以向处理器6提供一个或多个状态输入(如虚线所示)，例如，提供RF标签7和/或附接到标签7的集装箱的状态信息。
处理器6控制收发器4周期性地发送包括RF标签7的识别，事件时间和诸如状态数据的消息信息的数据。这些传输可以是UNB(超窄带)传输，该UNB(超窄带)传输至少包括基本上唯一识别标签的标签ID，以及可选的消息数据(包含例如上述状态信息)，事件定时数据和/或错误校正数据。用于这些传输的频谱可以是为RFID通信保留的频谱，例如，865-868MHz或2446-2454MHz。
还提供电源(未示出)，用于向收发器4和处理器6提供电力。电源优选为电池，可以是可充电电池，以延长标签的使用寿命，但是当前可用的可充电电池在一年内自放电明显。对于低维护是重要的集装箱跟踪等应用，可以使用保存期限长的非可充电电池，例如锂金属原电池等。
如图6所示，RF标签7可以包括壳体10。优选地，RF标签7是独立的并且包括壳体10内的所有需要的部件，例如电池。为了能够在上述“平行板”模式中使用，RF标签7可以被固定到集装箱的侧壁12，使得天线1将位于相邻集装箱的平行壁12之间的间隙G中，并且接地面2大致平行于侧壁12。在侧壁12是波纹的情况下，RF标签7可以固定在波纹内，以避免损坏。
系统架构
图7示出了用于集装箱跟踪的系统结构的示例图，其中可以使用RF标签7。如上所述，RF标签7周期性地将数据发送到一个或多个基站14，基站14例如可以安装在船舱内或船的甲板上，在码头侧或在集装箱存储设施处。
基站14与基站14中的中央通信系统16通信；这通常是通过有线连接完成的。中央通信系统16通过卫星终端18和卫星20与卫星地球站22通信，卫星地球站22与跟踪数据库24通信。以这种方式，跟踪数据库24存储由RF标签发送的数据，以及可选地由系统的其他部分，例如基站14或中央通信系统，添加的附加位置和/或状态数据。跟踪数据库24可以由集装箱跟踪应用程序26查询。
替代实施例
可以想到许多替代性实施例，但这些实施例仍落入由权利要求限定的本发明的范围内。可以理解的是，在此公开的任何和所有新颖的主题及其组合都被保护。除非相反说明，每个实施例的特征可以与其他特征相结合。
Claims (12)
1.一种用于集装箱追踪的射频(RF)标签，所述RF标签具有天线，所述天线被布置成相对于所述天线的接地平面激发横向电磁(TEM)波。
2.根据权利要求1所述的RF标签，其特征在于，其中所述天线包括单极天线。
3.根据前述任意权利要求所述的RF标签，其特征在于，所述天线包括倒L型天线。
4.根据权利要求1或2所述的RF标签，其特征在于，其中所述天线包括倒F型天线。
5.根据前述任意权利要求所述的RF标签，其特征在于，其中所述接地平面包括印刷电路板(PCB)。
6.根据前述任意权利要求所述的RF标签，其特征在于，所述RF标签包括与所述天线连接的射频发射器和用于控制所述射频发射器发射与所述射频标签有关的数据的处理器。
7.根据前述任意权利要求所述的RF标签，其特征在于，所述RF标签安装在集装箱的金属壁上，使得所述接地平面基本平行于所述侧壁。
8.根据权利要求7所述的RF标签，其特征在于，其中所述集装箱包括联运货物集装箱。
9.根据权利要求7或8所述的RF标签，其特征在于，其中，所述天线被布置为在所述集装箱的金属壁和相邻集装箱的金属壁之间的基本上平行的间隙内激发所述TEM波。
10.一种集装箱追踪系统，包括根据权利要求7至9中的任一项所述的多个RF标签，至少一个基站，用于与所述多个RF标签进行RF通信，以及追踪数据库，用于通过所述至少一个基站从所述RF标签接收追踪信息。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，其中所述至少一个基站通过卫星与所述追踪数据库通信。
12.一种集装箱追踪系统，包括多个金属集装箱，所述多个金属集装箱布置有在其之间具有间隙的基本上平行的壁，以及至少一个RF发射器，其具有位于所述间隙内的天线，并且被配置为激发基本上垂直于所述平行壁的横向电磁波。
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