CN110071816B - 一种串口通信模块 - Google Patents

Abstract

基于串行通信接口通信及自供电的信号通信模块，由插头、取电电路、分级供电电路、MCU电路、通信电路和壳体构成。取电电路包括限制输入电缆、极性转换电路、稳压输出电路和输入保护电路，取电电路从串口的通信信号线(例如TxD)上的用于通信的电信号获取电能，在不影响串口通信的情况下，通过限流、限压、限频及相关处理，完成信号通信和自取电。所述串口通信模块还包括嗅探逻辑，在输入端连接冷藏集装箱的时候，能够自动识别集装箱的品牌型号，并且把信息通过通信电路，完成与外部逻辑通信。该模块应用于集装箱船舶、陆地集装箱运输车辆、集装箱码头、集装箱堆场，作为集装箱远程测控的核心设备。

Description

一种串口通信模块

技术领域

本发明涉及信息技术领域，尤其是涉及智能设备和传感器网络领域，特别是集装箱管理系统。

背景技术

根据集装箱群的远程测控此前业内已有的研究成果，发明人经过检索研究，发现如下：

201610292973.6，《一种集装箱远程集中监控系统及方法》，该专利申请的无线采集点不能自动识别集装箱品牌，并且采用锂电池供电，没有采用人工智能的方法收集和使用历史数据，只是采用控制原理，依据当前数据控制集装箱。

201610505244.4，《一种集装箱的有线远程监控系统及其方法》；CN201610505265.6，《一种集装箱的无线远程监控系统及其方法》；201620679597.1，《一种集装箱的有线远程监控系统》；201620679600.X，《一种集装箱的无线远程监控系统》；201710364765.7，《一种基于自组网的集装箱无线巡检系统》；201720572237.6，《一种基于自组网的集装箱无线巡检系统》；201620410931.3，《一种多功能集装箱安全监控装置》；这些来自于同一批发明人的专利申请的主要是解决集装箱地理定位及其管理。

201810474650.8，《一种基于Zigbee的远洋集装箱智能组网测控系统》，主要是采用 Zigbee实现船载集装箱数据采集和报警。

201420550548.9，《基于Zigbee组网技术的集装箱信息采集系统》，主要是用于集装箱的汽车运输。

201510713670.2，《面向集装箱船的制冷功率平衡控制方法及其控制系统》；CN201810318351.5，《一种集装箱船全船功率平衡控制系统及控制方法》；201810318357.2，《一种集装箱船功率平衡调度方法》；201621326636.6，《一种冷藏插座箱及集装箱控制系统》，这些都是解决船载集装箱功率平衡问题。

201510845782.3，《冷藏箱监控系统》，采用不同的控制回路模式，采集终端与中控模块有线连接，中控箱包括继电器，来控制集装箱。

申请号201410054366.7，《一种自取电的RS232与红外通信接口转换电路》，提出用RS232的DTR和TxD信号端供电，用于红外38KHz的发射电路中。实际上，由于DTR 的输出最大电流是60mA。而TxD是用于发送数据，在不影响数据发送的情况下，只能提供 6mA以下的电流。同时，在3线制的RS232端口中，没有DTR端子，没有采用多级电源设计，所以所以该申请在微功率电源设计上，不具备明显的优势。

申请号201510204268.1，《无源四路RS232串口集线器》，虽然提出采用TxD和RxD取电，但是并未给出设计方法和电路。此外，该申请采用4路RS232端口取电，所提供的电流是单个RS232端口的4倍。没有采用多级电源设计，所以所以该申请在微功率电源设计上，依然不具备明显的优势。

申请号201710149880.2，《RS232-485无源转换器的供电电路》，该申请除了采用TxD 和RxD取电，还采用TRS和DTR取电，无法在3线制的RS232中使用，没有采用多级电源。

申请号201520648984.4，《一种带串口取电的转换电路》，采用的是9线制的RS232取电，没有多级电源。

现有技术的不足表现在于：

1、电力载波PLC方式抗干扰性差，控制数量有限。

2、硬件联网方式，布线复杂，成本高。

3、单级电源供电效率低。

本发明的意图在于：1、通过设计一种多级充放电电源，第一级作为低电压的主电源，采用小电容快速充电，以便于主电路尽快进入工作状态。第二级或者后一级就可以采用高电压给大电容充电，免去了充电端高电压电能的浪费，存储足够的电能，满足主电路在做大电流脉冲供电需求(例如蓝牙通信)。2、设计出通过采用3线制串口的数据发送端TxD的信号取电，以适应某些3线制RS232接口的应用。3、利用WSN传感器网络技术，实现抗干扰，节省成本；控制灵活的冷藏集装箱通信模块。

发明内容

本发明的目的是提供一种串口通信模块，可用于例如冷藏集装箱的信号通信和测控系统和其它串口的通信系统。

本发明的目的是采用如下技术方案实现的：

一种串口通信模块，包括但不限于依次连接的插头、取电电路、MCU电路、通信电路和壳体。所述取电电路通过与所述MCU(Microcontroller Unit；MCU，微控制单元)电路共享所述插头所连接的串行通信接口信号并获取电源，供所述模块使用。所述MCU电路完成对所述串行通信接口的信号处理，并通过所述通信电路与外部逻辑通信。

本方案的目的之一是设计一种串口自供电的WSN通信模块，把串口的信号转换成无线电信号传输给上行的网络。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

所述取电电路包括但不限于相互连接的限制输入电路、极性转换电路、稳压输出电路，输入端保护电路。

所述限制输入电路包括但不限于：实现限制输入端电流不超过I0的限流、限制输入端电压的绝对值不超过U0的限压和限制滤波频率F避开F0的限频的整流滤波电路，并且限制输入端为串行通信接口。其中，所述限压为：18V≥U0≥1V。所述限流为：20mA≥I0≥0.1mA。所述限频为：F0－ΔF≥F≥F0+ΔF，F为所述信号的频率，ΔF为偏移频率。

所述串行通信接口的类型包括但不限于：RS232、RS422、RS485、USB，连接端子至少包括TxD(发送数据端)、RxD(接收数据端)、GEN(地)。

所述极性转换电路包括但不限于无论U0是正还是负，都能够使得所述取电电路输出正电压，包括但不限于采用电荷泵电路。

所述稳压输出电路包括但不限于升压电路、降压电路、稳压电路，输出稳压电压为直流 U1、最大持续供电电流为I1的输出。

所述输入端保护电路包括但不限于过压保护、过流保护、静电释放的ESD保护、电磁兼容性的EMC保护。

这里所说的串口，主要是指RS232、RS422、RS485，尤其是3线制(TxD、RxD、GEN) 的RS232口，由于这种3线制的RS232口普及率较高，本发明提供的这种设计，就是试图将这些设备纳入WSN无线传感器网络来应用和管理。至于其它类型的串口，可以参照本发明选用。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括嗅探逻辑；所述嗅探逻辑由所述MCU电路实现，所述MCU电路从所述插头获取所述串口的信号，通过自动嗅探或人工指定，来获得所述串口的特征参数，所述特征参数包括但不限于所述串口连接设备的固有属性参数和运行参数，包括但不限于集装箱的品牌、型号、 ID号、位置信息、固有属性参数和运行参数。

所述自动嗅探，包括但不限于存储于所述MCU电路中的特征参数库，所述MCU电路依据所述特征参数库向所述插头发送指令，并依据所述串口对于所述指令的回复判断包括但不限于所述集装箱的特征参数。

所述人工指定，所述MCU电路依据用户人工在所述外部逻辑或通过所述模块上的选择逻辑或者通过配置终端进行选择包括但不限于所述集装箱的特征参数。

所述特征参数包括但不限于通过所述外部逻辑或所述配置终端进行刷新和升级。

作为本发明的一个重要应用，冷藏集装箱是一个很大的市场。只是由于冷藏集装箱没有细化的技术标准，各个品牌的产品没有统一的通信协议。本发明采用嗅探逻辑对冷藏集装箱进行嗅探，以便确认其品牌型号。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

所述通信电路接受所述MCU电路的管理，包括但不限于WSN电路和天线和RFID/NFC电路和天线和条码/二维码。

所述WSN(Wireless Sensor Networks,WSN，无线传感器网络)电路和天线与所述外部逻辑通信，完成所述模块与外界的通信工作。所述WSN电路包括但不限于ZigBee、Bluetooth、 WIFI、WLAN、IrDA、UWB、HomeRF、Z-Wave、Insteon、RFID、LPWAN、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、3G、4G、5G、6G、7G、8G、nG、WAP、NB-IoT、LoRa其中之一或组合的电路和天线。

所述RFID/NFC电路和天线和条码/二维码与配置终端通信，完成所述模块与所述串口连接的配置和初始化工作。

所述通信电路与所述外部逻辑的连接还包括有线连接。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

所述壳体依据所述插头，包括但不限于单插头壳体、双插头壳体、插座式壳体。所述壳体均采用防水密封设计，材质用非金属制造。所述单插头壳体，是在所述壳体上包括一个对外连接串口的所述插头，包括但不限于5芯、4芯、3芯及多芯。所述双插头壳体，是在所述壳体上包括2个品种的对外连接串口的所述插头，包括但不限于5芯、4芯、3芯及多芯。所述插座式壳体，是在所述壳体上安装多芯插座，通过一根以上的连接线和所述插头，连接多个串口。所述壳体包括但不限于防水开关、防水显示窗，所述插头插座包括但不限于防水盖。

很多冷藏集装箱品牌都采用DIN(Deutsches Institut für Normung e.V.德国标准化学会)标准的串口插座，常见的是3芯和5芯。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于分级供电电路和分级用电电路。所述分级供电电路与所述稳压输出电路的 U1端连接，所述分级供电电路包括但不限于可充放电的电路1和电路2，所述电路1包括但不限于充电电容C1、第一充电口、第二充电口、输出K值的开关输出口和稳压输出值为V1 的电路1输出口。所述电路2包括但不限于充电电容C2、充电口、开关输入口和稳压输出值为V2的电路2输出口。所述U1端连接所述电路1的所述第一充电口和所述电路2的所述充电口。所述电路2输出口连接所述电路1的所述第二充电口，所述电路1的所述开关输出口与所述电路2的所述开关输入口相连。所述电路2接受K值控制，当所述电路1完成对于所述电容C1的充电之前，输出K＝0，阻止所述电路2对于所述电容C2的充电；当所述电路1 完成对于所述电容C1的充电之后，输出K＝1，开始所述电路2对于所述电容C2的充电；当所述V2大于V1时，所述电路2通过所述输出口和所述电路1的所述第二充电口的连接，开始给所述电路1充电；电压和电容数值之间的关系是：V2＞V1，C2＞C1。

所述分级用电电路包括但不限于用电1和用电2，所述用电1包括所述模块中的核心应用电路，具体包括但不限于MCU、时钟、检测电路；所述用电2包括所述模块中非核心用电电路，包括但不限于无线发射和接收、信号灯、喇叭。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于电池、显示器、插头诊断逻辑。所述电池包括长寿命干电池、可充电电池和充电电路、太阳能电池。所述显示器包括液晶显示器。所述插头诊断逻辑是通过所述电池、所述显示器和所述MCU电路实现，以完成对于所述插头的连通性检测和通过所述显示器显示、通过所述通信电路报警。所述充电电路连接所述电路1的输出口V1、所述电路2的输出口V2、所述取电电路的稳压输出电路U1的其中之一或其组合，为所述电池充电。

作为一个选项之一，所述插头诊断逻辑采用在插头引线上串联低阻值电阻，采用MCU 的ADC或者GPIO来探测该电阻上是否有电压和电流，以此来判断其是否连通。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于防盗逻辑，所述防盗逻辑是在插头诊断逻辑发现所述插头与所述串口已经脱离连接之后，由所述MCU电路产生心跳信号，通过所述WSN电路发往所述外部逻辑，当所述心跳信号被所述外部逻辑判断为越界时，由所述外部逻辑发出防盗报警。

作为一个选项之一，在应用现场，建立基于本发明模块的无线接收电子围栏，通过无线定位来确定所述模块是否越界，以便报警。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于外部逻辑管理。所述外部逻辑包括但不限于所述模块之外的与所述模块通信的设备：包括但不限于移动终端及终端软件、智能手机及APP软件、数据中心及网络、云计算、区块链。所述外部逻辑管理，包括但不限于所述外部逻辑对于一个以上所述模块的连接、通信、应用、管理、操作。

作为应用的实际例子，本模块可以构成手机版的流程集装箱平板车用管理系统，有平板车的司机在自己的手机上管理和测控平板车上的流程集装箱。也可以构成集装箱船的，以及集装箱码头、堆场版的流程集装箱群的测控系统。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括外部供电、连接到所述MCU电路的传感器、连接到外部传感器接口的传感器。

所述外部供电，由外部电路向所述模块供电，包括POE(Power Over Ethernet，以太网供电)供电。所述外部传感器接口，包括设置在所述壳体上的传感器接口，对内连接MCU电路，对外连接外部传感器。所述传感器，包括地球经纬度传感器、GPS传感器、北斗传感器、环境参数传感器。

通过外接电源和GPS、北斗类的传感器，可以实现集装箱的全球定位管理。

有益效果

与现有技术相比，本发明实现了发明意图，具有以下有益效果：

1、采用分级充电，提高了取电的效率；采用错峰供电，大幅度提高了主电源在大电流脉冲供电时的性能。

2、能够从串口获取电源，尤其是从3线制的RS232的TxD端获取电源，实现低功耗的微型串口设备的自供电，无需外部供电。

3、高抗干扰，自动识别串口设备(如集装箱)型号，自动完成通信。

附图说明

图1：模块概念框图

图2：串口通信模块结构图

图3：单插头通信模块壳体

图4：双插头通信模块1壳体

图5：双插头通信模块2壳体

图6：套接式通信模块壳体

图7：多输入通信模块壳体

图8：万能串口通信模块

具体实施方法

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行描述。

本发明的具体实施方式如下：

具体实施例一：冷藏集装箱用无线传感器模块

一、模块结构图说明

如图1是本发明的串口通信模块的概念框图，图2是本发明的串口通信模块的结构图。

101是串口设备例如冷藏集装箱的RS232插座，102是输入端保护电路，103是取电电路， 104是多级电源，105是MCU电路，106是通信电路，107是WSN天线，例如选择位BLE 蓝牙天线，107是NFC天线，在106中，支持BLE蓝牙和NFC。109是外部逻辑，例如微基站、智能手机、终端设备。其中，V1是多级电源中的主电源，供MCU电路、通信电路、 WSN天线使用。

在图2中，203取电电路包括限制输入电路、极性转换电路、稳压输出电路。多级电源包括204电路1和205电路2。此外，还包括207嗅探逻辑、211传感器和212显示器。

二、电路说明

图2是本发明在“冷藏集装箱用无线传感器模块”应用的实施例的结构图。

一种串口通信模块，包括但不限于依次连接的插头、取电电路、MCU电路、通信电路和壳体。所述取电电路通过与所述MCU电路共享所述插头所连接的串行通信接口信号并获取电源，供所述模块使用。所述MCU电路完成对所述串行通信接口的信号处理，并通过所述通信电路与外部逻辑通信。

本方案的目的之一是设计一种串口自供电的WSN通信模块，把串口的信号转换成无线电信号传输给上行的网络。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

所述取电电路包括但不限于相互连接的限制输入电路、极性转换电路、稳压输出电路，输入端保护电路。

所述限制输入电路包括但不限于：实现限制输入端电流不超过I0的限流、限制输入端电压的绝对值不超过U0的限压和限制滤波频率F避开F0的限频的整流滤波电路，并且限制输入端为串行通信接口。其中，所述限压为：18V≥U0≥1V。所述限流为：20mA≥I0≥0.1mA。所述限频为：F0－ΔF≥F≥F0+ΔF，F为所述信号的频率，ΔF为偏移频率。

所述串行通信接口的类型包括但不限于：RS232、RS422、RS485、USB，连接端子至少包括TxD、RxD、GEN。

所述极性转换电路包括但不限于无论U0是正还是负，都能够使得所述取电电路输出正电压，包括但不限于采用电荷泵电路。

所述稳压输出电路包括但不限于升压电路、降压电路、稳压电路，输出稳压电压为直流 U1、最大持续供电电流为I1的输出。

所述输入端保护电路包括但不限于过压保护、过流保护、静电释放的ESD保护、电磁兼容性的EMC保护。

这里所说的串口，主要是指RS232、RS422、RS485，尤其是3线制(TxD、RxD、GEN) 的RS232口，由于这种3线制的RS232口普及率较高，本发明提供的这种设计，就是试图将这些设备纳入WSN无线传感器网络来应用和管理。至于其它类型的串口，可以参照本发明选用。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括嗅探逻辑；所述嗅探逻辑由所述MCU电路实现，所述MCU电路从所述插头获取所述串口的信号，通过自动嗅探或人工指定，来获得所述串口的特征参数，所述特征参数包括但不限于所述串口连接设备的固有属性参数和运行参数，包括但不限于集装箱的品牌、型号、 ID号、位置信息、固有属性参数和运行参数。

所述自动嗅探，包括但不限于存储于所述MCU电路中的特征参数库，所述MCU电路依据所述特征参数库向所述插头发送指令，并依据所述串口对于所述指令的回复判断包括但不限于所述集装箱的特征参数。

所述人工指定，所述MCU电路依据用户人工在所述外部逻辑或通过所述模块上的选择逻辑或者通过配置终端进行选择包括但不限于所述集装箱的特征参数。

在类似于冷藏集装箱平板车运输的小规模用户方面，由于多数情况下用户是采用智能手机和APP软件来配置，此时的特征参数就可以直接在智能手机上设定。在类似于集装箱船舶、集装箱码头、集装箱堆场等大规模用户方面，可以选择自动嗅探方式确定集装箱的特征参数。

所述特征参数包括但不限于通过所述外部逻辑或所述配置终端进行刷新和升级。

作为本发明的一个重要应用，冷藏集装箱是一个很大的市场。只是由于冷藏集装箱没有细化的技术标准，各个品牌的产品没有统一的通信协议。本发明采用嗅探逻辑对冷藏集装箱进行嗅探，以便确认其品牌型号。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

所述通信电路接受所述MCU电路的管理，包括但不限于WSN电路和天线和RFID/NFC电路和天线和条码/二维码。

所述WSN电路和天线与所述外部逻辑通信，完成所述模块与外界的通信工作。所述WSN 电路包括但不限于ZigBee、Bluetooth、WIFI、WLAN、IrDA、UWB、HomeRF、Z-Wave、Insteon、 RFID、LPWAN、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、3G、4G、5G、6G、7G、8G、nG、WAP、 NB-IoT、LoRa其中之一或组合的电路和天线。

WSN的选择，可以依据应用场景来确定。例如，作为集装箱船舶、集装箱码头、集装箱堆场等短距离高密集的应用，可以选择ZigBee、Bluetooth、WIFI、LoRa等短距离无线网络。作为远距离的集装箱跟踪服务，就可以选用GSM、GPRS、CDMA、TDMA、3G、4G、5G、 6G、7G、8G、nG等无线公网，此时由于应用的能耗较大，必须选用外部供电。

所述RFID/NFC电路和天线和条码/二维码与配置终端通信，完成所述模块与所述串口连接的配置和初始化工作。

所述通信电路与所述外部逻辑的连接还包括有线连接。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

所述壳体依据所述插头，包括但不限于单插头壳体、双插头壳体、插座式壳体。所述壳体均采用防水密封设计，材质用非金属制造。所述单插头壳体在所述壳体上包括一个对外连接串口的所述插头，包括但不限于5芯、4芯、3芯及多芯。所述双插头壳体，是所述壳体上包括2个品种的对外连接串口的所述插头，包括但不限于5芯、4芯、3芯及多芯。所述插座式壳体，是在所述壳体上安装多芯插座，通过一根以上的连接线和所述插头，连接多个串口。所述壳体包括但不限于防水开关、防水显示窗，所述插头插座包括但不限于防水盖。

很多冷藏集装箱品牌都采用DIN(Deutsches Institut für Normung e.V.德国标准化学会)标准的串口插座，常见的是3芯和5芯。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于分级供电电路和分级用电电路。所述分级供电电路与所述稳压输出电路的 U1端连接，所述分级供电电路包括但不限于可充放电的电路1和电路2，所述电路1包括但不限于充电电容C1、第一充电口、第二充电口、输出K值的开关输出口和稳压输出值为V1 的电路1输出口。所述电路2包括但不限于充电电容C2、充电口、开关输入口和稳压输出值为V2的电路2输出口。所述U1端连接所述电路1的所述第一充电口和所述电路2的所述充电口。所述电路2输出口连接所述电路1的所述第二充电口，所述电路1的所述开关输出口与所述电路2的所述开关输入口相连。所述电路2接受K值控制，当所述电路1完成对于所述电容C1的充电之前，输出K＝0，阻止所述电路2对于所述电容C2的充电；当所述电路1 完成对于所述电容C1的充电之后，输出K＝1，开始所述电路2对于所述电容C2的充电；当所述V2大于V1时，所述电路2通过所述输出口和所述电路1的所述第二充电口的连接，开始给所述电路1充电；电压和电容数值之间的关系是：V2＞V1，C2＞C1。

所述分级用电电路包括但不限于用电1和用电2，所述用电1包括所述模块中的核心应用电路，具体包括但不限于MCU、时钟、检测电路；所述用电2包括所述模块中非核心用电电路，包括但不限于无线发射和接收、信号灯、喇叭。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于电池、显示器、插头诊断逻辑。所述电池包括长寿命干电池、可充电电池和充电电路、太阳能电池。所述显示器包括液晶显示器。所述插头诊断逻辑是通过所述电池、所述显示器和所述MCU电路实现，以完成对于所述插头的连通性检测和通过所述显示器显示、通过所述通信电路报警。所述充电电路连接所述电路1的输出口V1、所述电路2的输出口V2、所述取电电路的稳压输出电路U1的其中之一或其组合，为所述电池充电。

作为一个选项之一，所述插头诊断逻辑采用在插头引线上串联低阻值电阻，采用MCU 的ADC或者GPIO来探测该电阻上是否有电压和电流，以此来判断其是否连通。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于防盗逻辑，所述防盗逻辑是在插头诊断逻辑发现所述插头与所述串口已经脱离连接之后，由所述MCU电路产生心跳信号，通过所述WSN电路发往所述外部逻辑，当所述心跳信号被所述外部逻辑判断为越界时，由所述外部逻辑发出防盗报警。

作为一个选项之一，在应用现场，建立基于本发明模块的无线接收电子围栏，通过无线定位来确定所述模块是否越界，以便报警。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于外部逻辑管理。所述外部逻辑包括但不限于所述模块之外的与所述模块通信的设备：包括但不限于移动终端及终端软件、智能手机及APP软件、数据中心及网络、云计算、区块链。所述外部逻辑管理，包括但不限于所述外部逻辑对于一个以上所述模块的连接、通信、应用、管理、操作。

作为应用的实际例子，本模块可以构成手机版的流程集装箱平板车用管理系统，有平板车的司机在自己的手机上管理和测控平板车上的流程集装箱。也可以构成集装箱船的，以及集装箱码头、堆场版的流程集装箱群的测控系统。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括外部供电、连接到所述MCU电路的传感器、连接到外部传感器接口的传感器。

所述外部供电，由外部电路向所述模块供电。所述外部传感器接口，包括设置在所述壳体上的传感器接口，对内连接MCU电路，对外连接外部传感器。所述传感器，包括地球经纬度传感器、GPS传感器、北斗传感器、环境参数传感器。

通过外接电源和GPS、北斗类的传感器，可以实现集装箱的全球定位管理。

除了上述说明之外，本领域内的中级技术人员应该想到，本发明的应用范围不仅局限于上述实施例的说明和方案的组合，对于非临床集装箱应用，对于其它的串口设备的通信应用，可依此类推。基于本发明思路的其它应用和其它方案组合，也属于本发明的保护范围。

三、壳体及外结构说明

图3是单插头冷藏集装箱信号通信模块壳体，它将三芯的DIN插头与模块的外壳安装到一起，支持三芯的冷藏集装箱插座。

图4是双插头通信模块1壳体，即壳体左右均由插头的设计，其中，左边的插头是三芯的DIN插头，右边的插头是五芯的DIN插头，可支持两种插座。

图5是双插头通信模块2壳体，即一个三芯和一个五芯的插头分叉安装在模块壳体上，以适应两种规格的插座的需求。

图6是套接通信模块壳体，它是在图3的基础上，套接一个插头转换器，把三芯转换成为五芯。

图7是多输入通信模块壳体，它通过多分枝的702转接电缆，由703多个插头连接多个冷藏集装箱的插座。

图8是万能串口通信模块，它是采用三级充放电电路的设计，由806电路3的输出口V3，既可以引向805电路2的第二充电口，也可以引向804电路1的第二充电口，V3还可以做某部分电路的专用电源。其中，电池采用长寿命锰充电电池或者长寿命的聚碳酸二氟锂电池。电池的作用可以用来检测串口接插件的连通性和其它应用。

依此类推，本发明的接插件选用类型，包括但不限于图示所列的实施例，通信模块的应用选择，包括但不限于冷藏集装箱，实际上在其它工业产品、商业产品、民用产品等方面，都可以适用，这里只是举例说明而已，并非是对于本发明的限制。

具体实施例二：通用串口通信模块

该实施方式是本发明的另外一种应用——通用串口通信模块。可用于基于串行通信接口的通信，例如工业控制、信号采集等应用。

如图8所示，这是一种基于3线制RS232的TxD端取电的三级电源供电、带长寿命可充电纽扣电池的，与前述实施方式相比，相同之处不予复述，差异之处在于：

本实施例中，采用三级电源供电，引入了如图8中的806的电路3，此外还引入了809的长寿命电池，所述长寿命电池包括不可充电的电池和可充电的电池。具体差异与下所述：

1、包括但不限于第三极电源供电。

如图8中的电路3，它的PA端接受V0的充电，产生的输出电压V3送电路2的第二充电口，为电路2充电。也可以在电路1上增加第三充电口，将电路3的V3引向电路1的第三充电口。在PB端，接受来自MCU形成的K2控制，在电路2充电完成之前，K2＝0，阻止电路3充电，当电路2充电完成后，K2＝1，开始电路3的充电。电路3的电容为C3。

2、包括电池供电。

所述电池供电，如图8中的809。所述电池包括但不限于干电池或可充电电池，当采用所述可充电电池时包括充电电路。

所述电池的电压为V00，所述电压之间的关系是：V1＞V00。

在这里，可以选择长寿命纽扣电池，推荐产品的供电是μA量级，寿命可达9.5年，此时V00的电压标称为3V，低至1.8V仍然可以工作。

所述电池包括可充电的纽扣电池，并采用一个充电电路，从V1引入充电电源，这样，在由本电源供电的设备在存储时，可以在低功耗液晶显示器上显示设备的状态，并且存储上一次应用的部分信息，还可以在通过接插件插入串口时，做串口的检测电路的供电。

在本实施例中，采用不可充电的BR3032型号的聚碳酸二氟锂电池，该电池的存储电量是3V/500mAH，标准放电电流是30μA，供液晶显示器和低功耗MCU使用。如果按照存储时放电6μA计算，理论计算可以存储9.5年。

还可以采用可充电的锰充电锂电池，型号是ML2020，存储电量是3V/45mAH，标准放电电流是120μA，如果按照存储时放电6μA计算，理论计算一次充电可以存储11个月。

Claims (10)

1.一种串口通信模块，包括插头、取电电路、分级供电电路，MCU电路、嗅探逻辑、通信电路和壳体；

所述取电电路通过与所述MCU电路共享所述插头所连接的串行通信接口信号并获取电源，供所述模块使用；

所述MCU电路完成对所述串行通信接口的信号处理，并通过所述通信电路与外部逻辑通信；

所述嗅探逻辑由所述MCU电路实现，用于确定所述串行通信接口的特征参数；

所述分级供电电路包括可充放电的电路1和电路2；

所述电路1包括充电电容C1、第一充电口、第二充电口、输出K值的开关输出口和稳压输出值为V1的电路1输出口；

所述电路2包括充电电容C2、充电口、开关输入口和稳压输出值为V2的电路2输出口；

所述电路2接受K值控制，当所述电路1完成对于所述电容C1的充电之前，输出K=0，阻止所述电路2对于所述电容C2的充电；当所述电路1完成对于所述电容C1的充电之后，输出K=1，开始所述电路2对于所述电容C2的充电；

当所述V2大于V1时，所述电路2通过所述电路2的输出口和所述电路1的第二充电口的连接，开始给所述电路1充电；

电压和电容数值之间的关系是：V2＞V1，C2＞C1。

2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述取电电路包括相互连接的限制输入电路、极性转换电路、稳压输出电路和输入端保护电路；

所述限制输入电路包括：实现限制输入端电流不超过I ₀ 的限流、限制输入端电压的绝对值不超过U ₀ 的限压和限制滤波频率F避开F ₀ 的限频的整流滤波电路，并且限制输入端为所述串行通信接口，其中，所述限压为：18V≥U ₀ ≥1V；所述限流为：20mA≥I ₀ ≥0.1mA；所述限频为：F ₀ －ΔF≥F≥F ₀ ＋ΔF，F为所述信号的频率，ΔF为偏移频率；所述串行通信接口的类型至少包括RS232、RS422、RS485、USB，连接端子包括TxD、RxD、GEN；

所述极性转换电路包括无论U ₀ 是正还是负，都能够使得所述取电电路输出正电压，包括采用电荷泵电路；

所述稳压输出电路包括升压电路、降压电路、稳压电路，输出稳压电压为直流U ₁ 、最大持续供电电流为I ₁ 的输出；

所述输入端保护电路包括过压保护、过流保护、静电释放的ESD保护、电磁兼容性的EMC保护。

3.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，

所述MCU电路从所述插头获取所述串口的信号，通过自动嗅探或人工指定，来获得所述串口的特征参数，所述特征参数包括所述串口连接设备的固有属性参数和运行参数，包括集装箱的品牌、型号、ID号、位置信息、固有属性参数和运行参数；

所述自动嗅探，包括存储于所述MCU电路中的特征参数库，所述MCU电路依据所述特征参数库向所述插头发送指令，并依据所述串口对于所述指令的回复判断包括所述集装箱的特征参数；

所述人工指定，所述MCU电路依据用户人工在所述外部逻辑或通过所述模块上的选择逻辑或者通过配置终端进行选择包括所述集装箱的特征参数；

所述特征参数通过所述外部逻辑或所述配置终端进行刷新和升级。

4.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述通信电路接受所述MCU电路的管理，包括无线传感器网络WSN电路和天线以及RFID/NFC电路和天线和条码/二维码；

所述WSN电路和天线与所述外部逻辑通信，完成所述模块与外界的通信工作；

所述RFID/NFC电路和天线和条码/二维码与配置终端通信，完成所述模块与所述串口连接的配置和初始化工作；

所述通信电路与所述外部逻辑的连接还包括有线连接；

所述WSN电路包括ZigBee、Bluetooth、WIFI、WLAN、IrDA、UWB、HomeRF、Z-Wave、Insteon、RFID、LPWAN、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、3G、4G、5G、6G、7G、8G、nG、WAP、NB-IoT、LoRa其中之一或组合的电路和天线。

5.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述壳体包括单插头壳体、双插头壳体或插座式壳体；

所述壳体均采用防水密封设计，材质用非金属制造；

所述单插头壳体，是在所述壳体上包括一个对外连接串口的所述插头，包括5芯、4芯、3芯及多芯；

所述双插头壳体，是在所述壳体上包括2个品种的对外连接串口的所述插头，包括5芯、4芯、3芯及多芯；

所述插座式壳体，是在所述壳体上安装多芯插座，通过一根以上的连接线和所述插头，连接多个串口；

所述壳体还包括防水开关、防水显示窗。

6.根据权利要求2所述的模块，其特征在于，还包括分级用电电路；

所述分级供电电路与所述稳压输出电路的U ₁ 端连接；所述U ₁ 端连接所述电路1的所述第一充电口和所述电路2的所述充电口，所述电路2输出口连接所述电路1的所述第二充电口，所述电路1的所述开关输出口与所述电路2的所述开关输入口相连；

所述分级用电电路包括用电1和用电2；

所述用电1包括所述模块中的核心应用电路，具体包括MCU、时钟、检测电路；

所述用电2包括所述模块中非核心用电电路，包括无线发射和接收、信号灯、喇叭。

7.根据权利要求6所述的模块，其特征在于，包括电池、显示器、插头诊断逻辑；

所述电池包括长寿命干电池、可充电电池和充电电路、或太阳能电池；

所述显示器包括液晶显示器；

所述插头诊断逻辑是通过所述电池、所述显示器和所述MCU电路实现，以完成对于所述插头的连通性检测和通过所述显示器显示、通过所述通信电路报警；

所述充电电路连接所述电路1的输出口V1、所述电路2的输出口V2、所述取电电路的稳压输出电路U ₁ 的其中之一或其组合，为所述电池充电。

8.根据权利要求7所述的模块，其特征在于，包括防盗逻辑；

所述防盗逻辑包括在插头诊断逻辑发现所述插头与所述串口已经脱离连接之后，由所述MCU电路产生心跳信号，通过无线传感器网络WSN电路发往所述外部逻辑，当所述心跳信号被所述外部逻辑判断为越界时，由所述外部逻辑发出防盗报警。

9.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，包括外部逻辑管理；

所述外部逻辑管理，用于对所述模块和外部逻辑进行连接、通信、应用、管理以及操作中的至少一种；所述外部逻辑包括所述模块之外的与所述模块通信的设备、数据中心及网络、云计算以及区块链中的至少一种。

10.根据权利要求1或7所述的模块，其特征在于，包括外部供电、连接到所述MCU电路的传感器和连接到外部传感器接口的传感器；

所述外部供电，由外部电路向所述模块供电，包括POE供电；

所述外部传感器接口，包括设置在所述壳体上的传感器接口，对内连接MCU电路，对外连接外部传感器；

其中，传感器，包括地球经纬度传感器、GPS传感器、北斗传感器或环境参数传感器。

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