CN108346263A - 基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统及方法 - Google Patents

基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统及方法，该系统包含若干个传感器节点，设置在集装箱内；传感器节点设有声波标签和传感器组件；声波读写装置与传感器节点连接，录入和读取声波标签的信息；计算机终端，与声波读写装置连接；计算机终端在集装箱装船时控制声波读写装置使声波读写装置激活声波标签并将该集装箱的基本信息录入声波标签内；当在船运输时，若集装箱箱内部环境的各个参数超过设定的临界值时，计算机终端控制声波读写装置以激活声波标签发出声波信号，声波读写装置读取到该声波信号后，触发计算机终端的船舶报警系统。本发明便于船员及时采取救援及逃生等应急措施，对海上运输安全具有重要意义。

Description

基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统及方法
技术领域
本发明涉及一种危险警报系统领域，特别涉及一种基于声波识别技术(SWID)的集装箱船危险品运输警报系统及方法。
背景技术
随着信息化进程的加快，自动识别技术被不断完善、开发并应用于各个领域，典型的包括射频识别(RFID)技术、条形码技术、光学识别技术、IC卡和生物特征识别技术等，由于读取方式、距离、成本、环境适应性等多种因素的限制，在上述自动识别技术中，RFID技术应用范围较广。然而，当其涉及海水、地层、金属等非空气介质时，一般采用超高频(UHF)射频识别技术增加环境的适应性，但始终无法摆脱电磁干扰、波导效应、镜像效应等外部环境带来的损耗，尤其在集装箱堆存空间，无法实现信息的有效传输，从而限制了RFID技术在集装箱运输领域的使用。
而声波识别技术(SWID)具有相当的潜在优势，由于其运作机理是依靠声波传播，并不依赖无线电波，有效地解决了电磁干扰、波导效应、镜像效应等外部环境因素导致的传输问题。
另一方面，世界70％以上的化学危险品都是通过海上集装箱进行运输的。在实践中，由于包装不当、绑扎不牢、漏报瞒报等问题严重，危险品泄漏及燃爆事故屡见不鲜，造成了大量的人命及财产损失。尤其是在超大型集装箱船运输的当下，船舶大小与船员人数之间的巨大差异，加上货主为节省运费在托运时隐瞒不报，导致危险品事故的排查及救治难度骤增，船员甚至无法及时采取逃生措施。因此，急需设计一套行之有效的超大型集装箱船危险品运输警报系统，从技术上和经济上解决集装箱危险品运输的安全问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统及方法，可以在危险品发生泄漏及燃爆危害之前及时发现并发出警报；它采用声波识别(SWID)技术，结合温度、湿度及气体浓度传感器，在集装箱堆存空间内进行信息的录入和读取，从而对超大型集装箱船运输危险品提供警报功能。
为了达到上述目的，本发明公开了一种基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统，包含：
若干个传感器节点，其设置在集装箱内部，用于探测集装箱内部环境；所述传感器节点设置有声波标签和传感器组件；
声波读写装置，其与所述传感器节点通信连接，用于录入和读取所述声波标签的信息；
计算机终端，其与所述声波读写装置连接；所述计算机终端在集装箱装船时可控制声波读写装置，使声波读写装置激活所述声波标签并将该集装箱的基本信息录入所述声波标签内；当在船运输时，若集装箱箱内部环境的各个参数超过设定的临界值时，所述计算机终端控制所述声波读写装置，以激活所述声波标签发出声波信号，所述声波读写装置读取到该声波信号后，触发所述计算机终端的船舶报警系统，向全船发出警报。
优选地，所述声波读写装置设置在集装箱船的甲板两侧，每间隔一贝位距离安装两个声波读写装置；
所述声波读写装置设有天线和读写器；
所述声波读写装置通过所述天线与所述声波标签进行通信，所述读写器对所述声波标签的信息执行读写操作。
优选地，所述计算机终端设置在船舶驾驶台内；
所述计算机终端包含计算机和船舶报警系统，所述计算机用于显示出集装箱的基本信息，所述船舶报警系统用于向全船发出警报。
优选地，所述声波标签设有：
接收和发送装置，用于接收和发送集装箱内的声波信号；
信号转换模块，其与所述接收和发送装置及所述传感器组件中的各个传感器连接；所述信号转换模块用于声波能量与电能之间的相互转换，并为所述接收和发送装置及各个传感器供电；
信号传输模块，其分别连接于信号转换模块、传感器组件以及接收和发送装置；所述信号传输模块用于将传感器组件所获得的数据转换成声波，并通过所述接收和发送装置进行传输。
优选地，所述传感器组件设有检测模块、读取电路模块、存储模块和通信模块；所述检测模块检测集装箱的内部环境，并与所述读取电路模块连接，所述读取电路模块读取所述检测模块获取的数据，并将该获取的数据存储在所述存储模块中；所述通信模块与所述信号传输模块连接，用于接收所述信号传输模块输出的信号，对所述检测模块进行控制；所述通信模块还用于将所述存储模块的数据输出给所述信号传输模块。
优选地，当在船运输时，若集装箱内部环境的各种参数超过设定的临界值时，触发所述检测模块，将该集装箱内部环境的各种参数信息传输至所述读取电路模块，所述读取电路模块将读取到的数据传输至所述存储模块，再经由所述通信模块输出至信号传输模块后将电信号转换成声波信号，经由接收和发送装置将声波信号发送至声波读写装置，再传输至所述计算机终端的船舶报警系统，向全船发出警报。
优选地，所述传感器组件包含温度传感器、湿度传感器和气体浓度传感器，分别用于获取集装箱内部的温度、浓度和气体浓度；所述检测模块设有温度检测模块、湿度检测模块和气体浓度检测模块。
本发明还提供了一种采用如上文所述的基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统的集装箱船危险品运输报警方法，该方法包含以下过程：
将集装箱船危险品进行装箱时，预先设定好传感器节点中的传感器组件的各个临界值；
将传感器节点设置在集装箱内部，用于集装箱内部环境的探测；
装箱完毕后关紧箱门，传感器节点处于休眠状态；
当集装箱装船时，通过计算机终端来控制声波读写装置，以使声波读写装置激活传感器节点中的声波标签并将该集装箱的基本信息经由录入声波标签内，传感器节点再次休眠；
当在船运输时，若集装箱箱内部环境的各个参数超过设定的临界值时，通过所述计算机终端控制所述声波读写装置，激活所述声波标签发出声波信号，所述声波读写装置读取到该声波信号后，触发所述计算机终端的船舶报警系统。
优选地，所述传感器组件设有检测模块、读取电路模块、存储模块和通信模块；当在船运输时，若集装箱内部环境的各种参数超过设定的临界值时，触发所述检测模块，将该集装箱内部环境的各种参数信息传输至所述读取电路模块，所述读取电路模块将读取到的数据传输至所述存储模块，再经由所述通信模块输出至信号传输模块后将电信号转换成声波信号，经由接收和发送装置将声波信号发送至声波读写装置，再传输至计算机终端的船舶报警系统，向全船发出警报。
优选地，所述集装箱船危险品为次氯酸钙；当运输次氯酸钙时，集装箱箱内温度不超过44℃，相对湿度不超过80％，氯气浓度接近于0。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统是一个传感器网络系统，适用于超大型集装箱船危险品的运输警报，该系统的网络体系结构是由位于集装箱内部的传感器节点、位于甲板的声波读写装置和位于船舶驾驶台的计算机终端三部分组成。传感器节点基于声波识别(SWID)技术，兼具有温度、湿度以及气体浓度监测功能，通过SWID标签与温度、湿度以及气体传感器相结合，负责集装箱内部环境的探测，并将传感器记录的箱内环境数据以及装船时录入SWID标签的集装箱信息(箱型、箱位及货种信息)传输至声波读写装置，再通过电缆，传输至位于驾驶台内的计算机终端。海上运输期间，集装箱箱内环境超过设定温度、湿度以及气体浓度时，将激活SWID标签发出信号，声波读写装置读取到信息后，触发驾驶台计算机终端的报警装置，便于船员及时采取救援及逃生等应急措施，对海上运输安全具有重要意义。
附图说明
图1本发明传感器节点集装箱内部安装位置图；
图2本发明的基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统示意图；
图3本发明的传感器节点运行流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统及方法，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1和图2所示，本发明提供一种基于声波识别(SWID)技术的集装箱船危险品运输警报系统，它是一个传感器网络系统，可适用于超大型集装箱船危险品的运输警报。该传感器网络系统的网络体系结构包含若干个传感器节点、声波读写装置和计算机终端。其中，若干个传感器节点位于集装箱内部；声波读写装置位于甲板上；计算机终端位于船舶驾驶台内。
传感器节点基于声波识别(SWID)技术，兼具有温度、湿度以及气体浓度监测功能。传感器节点由声波标签(SWID标签)与传感器组件(例如温度、湿度以及气体传感器)组成，通过SWID标签与温度、湿度以及气体浓度传感器相结合，负责集装箱内部环境的探测。此外，由于集装箱运输环境复杂，该集装箱内温度与湿度变化不稳定，为避免错误警报，需要集装箱内温度、湿度以及气体浓度同时到达设定条件，因而将温度、湿度以及气体浓度传感器三者结合。
声波读写装置(SWID读写装置)包含天线和读写器，负责录入和读取SWID标签的信息，即进行SWID标签的信息读写操作。该声波读写装置安装在超大型集装箱船甲板两侧，每隔一个贝(bay)位(长度相当于20英尺集装箱)安装两个声波读写装置，通过天线与SWID标签进行通信。其中，装船时，声波读写装置根据积载方案和舱单将集装箱基本信息(例如箱型、箱位及货种等信息)录入SWID标签，危险发生时读取SWID标签的信息(传感器记录的箱内环境数据)，再通过电缆与驾驶台内的计算机终端相连接。
计算机终端通过电缆连接各个声波读写装置对声波读写装置进行操控，用于初始信息的录入和报警信息的读取。计算机终端由计算机与船舶报警系统组成，可通过计算机显示出箱型、箱位及货种等基本信息，并通过船舶报警系统向全船发出警报。海上运输期间，集装箱箱内环境超过设定温度、湿度以及气体浓度时，将激活SWID标签发出信号，声波读写装置读取到该信号后，触发驾驶台内的计算机终端的船舶报警系统，便于船员及时采取救援及逃生等应急措施，对海上运输安全具有重要意义。
集装箱内部的传感器节点基于SWID技术，通过安装在集装箱箱体两侧横梁上部的温度、湿度及气体浓度传感器3对集装箱内环境进行监测，如图3所示，传感器节点内部设置有：
接收和发送装置1，用于接收和发送集装箱内的声波信号；
信号转换模块2，其与接收和发送装置1及各传感器相连接；信号转换模块2用于声波能量与电能之间的相互转换，为接收和发送装置1及各个传感器进行供电；
温度、湿度及气体浓度传感器3，用于获取集装箱内部的温度、浓度和气体浓度；
信号传输模块4，其分别连接于信号转换模块2、温度、湿度及气体浓度传感器3以及接收和发送装置1；信号传输模块4用于将温度、湿度及气体浓度传感器3所获得的数据转换成声波，然后经接收和发送装置1进行传输。
其中，接收和发送装置1、信号转换模块2和信号传输模块4均是声波标签的组成部分。
温度、湿度及气体浓度传感器3的各个传感器的工作原理相同。其中，各温度、湿度及气体浓度传感器3设有温度、湿度及气体浓度检测模块31、读取电路模块32、存储模块33和通信模块34。
具体地，以温度传感器为例，该温度传感器包括温度检测模块、读取电路模块32、存储模块33和通信模块34。温度检测模块用来检测集装箱内部环境的温度，并与读取电路模块32相连接，由读取电路模块32读取温度检测模块获得的温度数据，并将温度数据存储在存储模块33中；通信模块34与信号传输模块4相连接，一方面用于接收信号传输模块4输出的信号，对温度检测模块进行控制，另一方面用于将存储模块33的数据输出给信号传输模块4。
若以湿度传感器为例，该湿度传感器包含湿度检测模块、读取电路模块32、存储模块33和通信模块34。湿度检测模块用来检测集装箱内部环境的湿度，并与读取电路模块32相连接，由读取电路模块32读取湿度检测模块获得的湿度数据，并将湿度数据存储在存储模块33中；通信模块34与信号传输模块4相连接，一方面用于接收信号传输模块4输出的信号，对湿度检测模块进行控制，另一方面用于将存储模块33的数据输出给信号传输模块4。
若以气体浓度传感器为例，该气体浓度传感器包含气体浓度检测模块、读取电路模块32、存储模块33和通信模块34。气体浓度检测模块用来检测集装箱内部环境的气体浓度，并与读取电路模块32相连接，由读取电路模块32读取气体浓度检测模块获得的气体浓度数据，并将气体浓度数据存储在存储模块33中；通信模块34与信号传输模块4相连接，一方面用于接收信号传输模块4输出的信号，对气体浓度检测模块进行控制，另一方面用于将存储模块33的数据输出给信号传输模块4。
在本发明的一个优选实施例，以常见的危险化学品次氯酸钙运输为例。
如图1所示，在次氯酸钙进行装箱时，预先设定好温度、湿度及气体浓度传感器(此处用氯气浓度传感器)的临界值(运输次氯酸钙时，集装箱箱内温度不得超过44℃，相对湿度不超过80％，氯气浓度接近于0)。此外，由于集装箱内部空间较大，需将两个传感器节点固定在集装箱的两侧横梁上部，其中一个传感器节点设置在靠近箱门处，另一个传感器节点设置在远离箱门处，从而最大限度地监测集装箱内的温度、湿度及氯气浓度，装箱完毕后关紧箱门，传感器节点处于休眠状态(由图3中的信号转换模块2供电)。
在该集装箱装船时，如图2所示，操作人员通过计算机终端来操纵声波读写装置，通过声波读写装置激活传感器节点中的SWID标签并将该集装箱的箱型、箱号、装船位置、货物种类等基本信息经由录入SWID标签内，随后传感器节点再次休眠(由图3中的信号转换模块2供电)。
在运输过程中，如图3所示，当箱内温度、湿度和氯气浓度超过设定的临界值时，触发传感器中的检测模块(即温度传感器的温度检测模块、湿度传感器的湿度检测模块以及气体浓度传感器的气体浓度检测模块)，将温度、湿度和氯气浓度信息传输至读取电路模块32，读取电路模块32将读取到的数据传输至存储模块33，再经由通信模块34输出至信号传输模块4，通过信号传输模块4将电信号转换成声波信号，经由接收和发送装置1将声波信号发送至外部声波读写装置，再通过电缆传输至计算机终端(显示在计算机屏幕上)，同时触发船舶报警系统，向全船发出警报。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统，其特征在于，包含：
若干个传感器节点，其设置在集装箱内部，用于探测集装箱内部环境；所述传感器节点设置有声波标签和传感器组件；
声波读写装置，其与所述传感器节点通信连接，用于录入和读取所述声波标签的信息；
计算机终端，其与所述声波读写装置连接；所述计算机终端在集装箱装船时可控制声波读写装置，使声波读写装置激活所述声波标签并将该集装箱的基本信息录入所述声波标签内；当在船运输时，若集装箱箱内部环境的各个参数超过设定的临界值时，所述计算机终端控制所述声波读写装置，以激活所述声波标签发出声波信号，所述声波读写装置读取到该声波信号后，触发所述计算机终端的船舶报警系统，向全船发出警报。
2.如权利要求1所述的基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统，
其特征在于，
所述声波读写装置设置在集装箱船的甲板两侧，每间隔一贝位距离安装两个声波读写装置；
所述声波读写装置设有天线和读写器；
所述声波读写装置通过所述天线与所述声波标签进行通信，所述读写器对所述声波标签的信息执行读写操作。
3.如权利要求1所述的基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统，
其特征在于，
所述计算机终端设置在船舶驾驶台内；
所述计算机终端包含计算机和船舶报警系统，所述计算机用于显示出集装箱的基本信息，所述船舶报警系统用于向全船发出警报。
4.如权利要求1所述的基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统，
其特征在于，
所述声波标签设有：
接收和发送装置(1)，用于接收和发送集装箱内的声波信号；
信号转换模块(2)，其与所述接收和发送装置(1)及所述传感器组件中的各个传感器连接；所述信号转换模块(2)用于声波能量与电能之间的相互转换，并为所述接收和发送装置(1)及各个传感器供电；
信号传输模块(4)，其分别连接于信号转换模块(2)、传感器组件以及接收和发送装置(1)；所述信号传输模块(4)用于将传感器组件所获得的数据转换成声波，并通过所述接收和发送装置(1)进行传输。
5.如权利要求1所述的基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统，
其特征在于，
所述传感器组件设有检测模块、读取电路模块(32)、存储模块(33)和通信模块(34)；
所述检测模块检测集装箱的内部环境，并与所述读取电路模块(32)连接，所述读取电路模块(32)读取所述检测模块获取的数据，并将该获取的数据存储在所述存储模块(33)中；
所述通信模块(34)与所述信号传输模块(4)连接，用于接收所述信号传输模块(4)输出的信号，对所述检测模块进行控制；所述通信模块(34)还用于将所述存储模块(33)的数据输出给所述信号传输模块(4)。
6.如权利要求5所述的基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统，
其特征在于，
当在船运输时，若集装箱内部环境的各种参数超过设定的临界值时，触发所述检测模块，将该集装箱内部环境的各种参数信息传输至所述读取电路模块(32)，所述读取电路模块(32)将读取到的数据传输至所述存储模块(33)，再经由所述通信模块(34)输出至信号传输模块(4)后将电信号转换成声波信号，经由接收和发送装置(1)将声波信号发送至声波读写装置，再传输至所述计算机终端的船舶报警系统，向全船发出警报。
7.如权利要求5所述的基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统，
其特征在于，
所述传感器组件包含温度传感器、湿度传感器和气体浓度传感器，分别用于获取集装箱内部的温度、浓度和气体浓度；
所述检测模块设有温度检测模块、湿度检测模块和气体浓度检测模块。
8.一种采用如权利要求1-7任意一项所述的基于声波识别技术的集装箱船危险品运输警报系统的集装箱船危险品运输报警方法，其特征在于，该方法包含以下过程：
将集装箱船危险品进行装箱时，预先设定好传感器节点中的传感器组件的各个临界值；
将传感器节点设置在集装箱内部，用于集装箱内部环境的探测；
装箱完毕后关紧箱门，传感器节点处于休眠状态；
当集装箱装船时，通过计算机终端来控制声波读写装置，以使声波读写装置激活传感器节点中的声波标签并将该集装箱的基本信息经由录入声波标签内，传感器节点再次休眠；
当在船运输时，若集装箱箱内部环境的各个参数超过设定的临界值时，通过所述计算机终端控制所述声波读写装置，激活所述声波标签发出声波信号，所述声波读写装置读取到该声波信号后，触发所述计算机终端的船舶报警系统。
9.如权利要求8所述的集装箱船危险品运输报警方法，其特征在于，
所述传感器组件设有检测模块、读取电路模块(32)、存储模块(33)和通信模块(34)；
当在船运输时，若集装箱内部环境的各种参数超过设定的临界值时，触发所述检测模块，将该集装箱内部环境的各种参数信息传输至所述读取电路模块(32)，所述读取电路模块(32)将读取到的数据传输至所述存储模块(33)，再经由所述通信模块(34)输出至信号传输模块(4)后将电信号转换成声波信号，经由接收和发送装置(1)将声波信号发送至声波读写装置，再传输至计算机终端的船舶报警系统，向全船发出警报。
10.如权利要求8所述的集装箱船危险品运输报警方法，其特征在于，
所述集装箱船危险品为次氯酸钙；
当运输次氯酸钙时，集装箱箱内温度不超过44℃，相对湿度不超过80％，氯气浓度接近于0。
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