CN116471565A - 集装箱自适应网络通信系统 - Google Patents

Abstract

集装箱自适应网络通信系统采用主从自适应网络通信和系统自适应网络通信，实现多种类多品牌的冷藏集装箱在集装箱船舶及码头上自动识别和优化网络通信。在通信主机对冷藏集装箱从机的一对多主从网络通信上，搜索和计算主从通信质量，在数据中心与主机的一对多系统网络通信上，搜索和计算系统通信质量，依据最优的主从通信质量建立主从自适应网络通信，依据最优的系统通信质量建立系统自适应网络通信。针对船舶的货舱和堆场的仓库，依据冷藏集装箱的堆放坐标和风机风管出入口坐标，计算温场矩阵，采用AI自动化控制风机启停和调速，实现风机节能超过50%。

Description

集装箱自适应网络通信系统

技术领域

本发明涉及互联网和新能源领域，尤其涉及智慧海洋、冷链物流子领域，特别是集装箱中的冷藏集装箱的通信及管理系统的应用。

背景技术

市场需求方面

随着人们生活质量的提高，对于冷链物流的要求也飞速发展。作为国际大物流的集装箱船舶，也在往冷藏集装箱船舶方向急速推进。现在，不仅仅是新造的集装箱船舶中冷藏集装箱的比例越来越高，就连老旧的纯干箱集装箱船舶，也在进行改装，以适应冷藏集装箱的运输。所以，冷藏集装箱船舶的市场需求量增幅很大。

技术及知识产权现状

对于冷藏集装箱的船舶用的监测技术，虽然起源很早，但是发展缓慢。目前仍在执行的国际标准主要有ISO 10368（Freight thermal containers — Remote conditionmonitoring），它是基于三十年前的窄带电力线载波通信PLC（Power Line Communication，英文简称PLC）技术，在船舶领域中，又称为PCT（Power cable transmission，英文简称PCT）技术。我们经过详细的专利检索，发现相关技术不仅停滞不前，并且相关专利几乎全部过保护期。

涉及到本发明申请的几项技术如下：

CAN总线网络，控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）双绞线，信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。CAN通讯距离最大是10公里（设速率为5Kbps），或最大通信速率为1Mbps（设通信距离为40米），CAN总线上的节点数可达110个。通信介质可在双绞线，同轴电缆，光纤中选择。

RS485串行总线，RS-485总线标准规定了总线接口的电气特性标准即对于2个逻辑状态的定义：正电平在+2V～+6V之间，表示一个逻辑状态；负电平在-2V～-6V之间，则表示另一个逻辑状态；数字信号采用差分传输方式，能够有效减少噪声信号的干扰。RS485总线采用屏蔽双绞线，两端120欧姆电阻。

发明人团队经过研究和长期的船舶领域创新实践，并且参与了以中国船舶行业大厂为主导的《智能船舶国际标准》的起草，发明了《集装箱自适应网络通信系统》，旨在以新颖的现代自适应网络通信技术，全面兼容ISO 10368标准，升级了相关技术。同时结合我们在实际的集装箱船舶上的大量实验，证明了本发明申请的工业实用性。

在发明人团队以往的发明专利中，涉及本发明申请的早期专利有10个，它们是：《一种区块链货舱通风节能方法与系统》、《一种工业数据中心系统与工作方法》、《一种冷藏集装箱群的测控方法与系统》、《一种串口多级充放电电源的设计方法与电路》、《一种串口通信模块》、《一种集群网络工作方法与系统》、《一种过充复位的方法与系统》、《带磁隔离和电隔离及天线的抗EMI线路板》、《面向人体网络的软件路由手机系统》、《面向人体网络的手机机载无线路由系统》，本申请是发明人团队在本细分领域中的深化研究和发明，以构建一个专利知识产权保护池。

现有技术的不足

1、采用PLC电力线载波通信技术，抗干扰能力弱，尤其是对于变频电机产生的干扰，几乎无法实现可靠通信；

2、对于有集装箱船舶应用，由于在船舶电站的配电状态中，一个集装箱堆放区域通常采用一个供电变压器，而现有的PLC电力线载波通信技术，很难使得通信跨越变压器，使得通信组网变得困难；

3、部分冷藏集装箱采用了无线电组网通信技术，这样就造成了PLC电力线载波通信和无线电组网通信混合，现有的技术无法解决这种混合通信的兼容；

4、主机的上行网络（即系统网络）尤其是在集装箱船舶应用上，存在着上行通信方式不统一，从而造成全部系统组网不便的困难；

5、无论是集装箱船舶的货舱还是码头集装箱仓库，采用的都是常开式大功率风机降温，没有节能设计。

发明的目的、意图和贡献

基于对上述背景技术和现有技术的不足的分析，发明人创新了本发明专利申请——《集装箱自适应网络通信系统》，本发明的主要目的包括：

1、设计实现了多种集装箱从机和主机之间的主从自适应网络通信；

2、设计实现了多种主机之间的系统自适应网络通信；

3、设计实现了基于冷藏集装箱温场矩阵的货舱或仓库的风机的节能的AI自动化控制，大幅度降低了系统能耗。

本发明的主要意图和主要贡献包括：

1、构建一套主从自适应网络通信和系统自适应网络通信，自动解决多种集装箱的通信和管理；

2、通过温场矩阵AI控制的方式，实现节能可达50%。

发明内容

1、本发明的核心思路

（1）通过主从自适应网络和系统自适应网络完成优选组网通信；

（2）通过系统自带的温场矩阵基础实现风机节能。

现有的冷藏集装箱作为网络从机，其上行通信方式有多种，例如基于ISO 10368的PLC/PCT电力线载波通信、基于短距无线网的通信、基于检修口读出故障码等等。由于集装箱是处于全球流动状态的，因此无论是对于集装箱堆场还是对于集装箱船舶，集装箱的上行通信方式的不确定，对于集装箱的管理和维护，都带来了极大的不便。此外，对于集装箱堆场和集装箱船舶，采用通信主机来对集装箱进行组网，由于电磁环境的复杂和多变，即便是主机之间的组网或者主机和数据中心之间的组网，都存在通信不可靠的现状。因此，发明一种可靠有效的组网通信方式，是必要的。

另外，无论是对于冷藏集装箱船舶还是冷藏集装箱堆场仓库，都是采用大功率风机进行冷藏集装箱外部降温，现有技术中，这种风机都是全时开机的，没有进行节能设计。

本发明申请，依据现有的冷藏集装箱内部的不同上行通信方式，采用自适应下行通信方式，建立自适应主从自适应网络，以便于主机与冷藏集装箱从机建立有效通信。同时，主机与主机或主机与数据中心之间，依据主机不同的上行通信方式，建立系统自适应网络。通过主从自适应网络和系统自适应网络，使得多种冷藏集装箱和多种通信主机之间构成有效的通信网络，完成全部网络通信。此外，由于全部网络通信的构成，在冷藏集装箱堆放的船舶货舱内，或者地面仓库内，对于通风的风机，建成风机节能系统。

在实际的集装箱船舶上以及集装箱堆放码头工程上，本发明通过了实际测试，证明了自适应网络通信的有效性，同时在货舱节能的效果上，节能比例达到50%。

2、本发明的实现步骤

本发明的目的、意图和贡献是采用如下技术方案的工作步骤实现的。

2.1、基础结构

本发明作为集装箱自适应网络通信系统，包括但不限于从机、主机、主从自适应网络、集装箱信息，其中：

S1000步骤：从机以符合集装箱内部设备通信协议的方式对下连接集装箱内部设备，以获取集装箱信息，从机对上连接主机，以构成主从自适应网络，实现主机和从机之间的网络通信。

S2000步骤：主从自适应网络具体但不限于包括：一个主机位于集装箱外部，依据自身具备的下行网络所包括的主从通信种类，依据主从通信种类依次搜索一个以上的从机，确定搜索到的从机以及相应的主从通信种类，依次计算以获得从机的主从通信质量，在获得的主从通信质量中选出最优主从通信质量，以其所对应的主从通信种类，建立主机与从机之间的网络通信，或，依据设定建立主机与从之间机的网络通信。

S3000步骤：主从通信内容包括但不限于主机对从机发出的指令、从机执行指令、从机提交给主机的集装箱信息和从机信息。

2.2、主从自适应网络一

在前述基础方案的基础上，本发明还包括主从自适应网络，包括以下的一种或者多种组合实现：

优选地，S2010步骤：主从通信种类包括但不限于无线电通信或电力线载波通信或总线型有线网络通信的一种或其组合。

优选地，S2020步骤：从机对上连接至少包括无线电通信或电力线载波通信或总线型有线网络通信中的一种。

优选地，S2030步骤：主机包括但不限于无线电通信或电力线载波通信或总线型有线网络通信中的一种或其组合，以便与系统中包括的全部主从通信种类方式的从机实现网络通信。

优选地，S2040步骤：无线电通信包括但不限于短距离无线电通信，电力线载波通信还包括窄带方式、宽带方式、扩频方式，总线型有线网络通信包括但不限于CAN总线方式、RS485总线方式，载波线路包括但不限于单相交流电、三相交流电。

进一步地，S2050步骤：主从通信质量包括但不限于主机和从机网络连接的通断、连接的信号量大小、连接的通信速度快慢、连接的接通概率、连接的丢包率。

2.3、主机和从机

在前述方案的基础上，本发明具体还包括服务器，其中主机和从机具体还包括：

S1010步骤：所述“从机以符合集装箱内部设备通信协议的方式对下连接集装箱内部设备”，具体包括：从机安装于集装箱内部，对下连接到集装箱内部设备的接口，采用符合集装箱内部设备通信协议的方式通信，或，从机安装在集装箱外部，对下通过集装箱存在的外部检修口连接到集装箱内部设备，采用符合集装箱内部设备通信协议的方式通信。

S1020步骤：所述“从机对上连接主机”，具体包括通过主从通信种类中的一种或其组合连接主机。

优选地，S1030步骤：从机的结构包括但不限于从机下行接口、从机上行接口和MCU，其中，从机下行接口用于连接集装箱内部设备，从机下行接口形式包括但不限于串行接口、并行接口、RS232接口、RS485接口，从机上行接口包括但不限于对于主从通信种类支撑的无线电通信接口、电力线载波通信接口和总线型接口。

优选地，从机下行接口还包括集装箱内部设备通信协议转换器。

优选地，S1040步骤：主机的结构包括但不限于主机下行接口、主机上行接口、MCU，其中，主机下行接口包括支撑主从通信种类的无线电通信接口、电力线载波通信接口、总线型接口，以连接一个以上从机，主机上行接口连接一个以上主机或服务器。

进一步地，S1050步骤：

集装箱信息至少包括集装箱的编号，设定温度、出风温度、回风温度、环境温度、位置坐标，供电电压、供电电流、气体成分、气体压力，气体种类、气体浓度。

集装箱信息存储于服务器中，服务器还包括但不限于对于采样时刻的记录、集中、运算、报警、显示、上层网络传输的步骤。

主从通信种类还包括但不限于主从设备通信协议中的物理层通信协议。

S1060步骤：集装箱内部设备包括但不限于制冷机、温控机、指定气体发生机、控制机和控制接口。

2.4、系统自适应网络

在前述方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

S4000步骤：一个以上主机和另外一个以上主机之间，一个以上主机和服务器之间，通过主机上行接口、服务器网络接口构成的系统自适应网络，具体包括但不限于：

S4010步骤：系统自适应网络包括但不限于星型通信网络，总线型通信网络，环型通信网络，星型通信网络和总线型通信网络和环型通信网络三者的任意组合的系统通信方式。

优选地，S4020步骤：系统自适应网络包括但不限于主机的各个系统通信方式连接的通断、连接的信号量大小、连接的通信速度快慢、连接的接通概率、连接的丢包率的系统通信质量。

进一步地，S4030步骤：以服务器为网络中心，连接系统自适应网络，搜索系统中全部主机，计算各个主机的系统通信质量，依据最优的系统通信质量，选择最优的系统通信方式建立系统自适应网络。依据设定的系统通信种类中的系统通信方式建立系统自适应网络。

进一步地，S4040步骤：依据TCP/IP协议，建立包括但不限于物理层、数据链路层和网络层的多层网络，包括但不限于树状网络和网状网络。

2.5、主从自适应网络二

在前述方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

S2110步骤：主机依据对于从机实施先电力线载波通信后无线电通信的连接试探顺序，人为指定的连接试探顺序，分别获得主从通信质量。

S2120步骤：主机依据对于从机实施先电力线载波通信后无线电通信的连接试探顺序，如果只确认到电力线载波通信或无线电通信中的一种，则以该种通信方式作为确认的主从网络连接。

进一步地，电力线载波通信的频率包括但不限于窄带、宽带，电压包括但不限于低压、中压，电力线载波通信速度包括但不限于低速和高速，电力线载波通信的载波方式包括但不限于BPSK，BFSK，DSSS、线性调频Chirp、扩频通信和OFDM，电力线线路类型包括但不限于单相线、三相线。

进一步地，无线电通信包括但不限于短距离无线电通信的Bluetooth方式、WIFI方式、物联网IoT方式、LoRa方式、Zig-Bee方式、UWB方式、NFC方式、RFID方式，还包括但不限于长距离无线电通信的GPRS方式、CDMA方式、3G方式、4G方式、5G方式、6G方式、nG方式其中之一或组合的电路和天线。

进一步地，无线电通信还包括卫星定位方式和卫星通信方式，卫星定位方式提供包括北斗、GPS的卫星定位坐标、高程坐标和卫星授时；卫星通信方式包括将系统自适应网络通过卫星接入地面通信网络。

2.6、集装箱控制器

在前述方案的基础上，本发明具体包括但不限于集装箱控制器的S5000步骤，包括以下的一种或者多种组合实现：

S5010步骤：由集装箱控制器控制集装箱内部设备，以构成包括但不限于冷藏集装箱、保温集装箱、通风集装箱、压力集装箱、罐式集装箱。

进一步地，S5020步骤：由集装箱控制器通过设定获得集装箱编号和设定温度，通过传感器采集集装箱的包括但不限于送风温度、回风温度、环境温度、区域温度。

进一步地，S5030步骤：由集装箱控制器通过设定获得集装箱编号和设定的气体种类、气体浓度，通过传感器采集集装箱的包括但不限于气体种类、区域气体浓度。

进一步地，S5040步骤：由集装箱控制器通过设定获得集装箱编号和设定气体压力，通过传感器采集集装箱的包括但不限于箱内气体压力。

2.7、集装箱信息冲突处理

在前述方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

还包括但不限于S6000步骤的冲突集装箱信息的处理，具体包括但不限于：

进一步地，S6010步骤：冲突集装箱信息包括但不限于同一个集装箱编号在同一个采样时刻内，在一个以上的主机上出现两条以上的集装箱信息。其中采样时刻为设定的定长时间值，在采样时刻内，只保留一条集装箱信息，出现两条及以上集装箱信息即判定为冲突集装箱信息。

优选地，S6020步骤：检查冲突集装箱信息，包括但不限于在采样时刻上排序的冲突集装箱信息列表中，保留排在第一的集装箱信息，删除排在后面的其他集装箱信息。

优选地，S6030步骤：检查冲突集装箱信息，包括但不限于集装箱信息的合理性检查，包括但不限于集装箱的编号、设定温度、出风温度、回风温度、位置坐标在合理的范围内，保留合理的集装箱信息，删除不合理的集装箱信息。

优选地，S6040步骤：检查冲突集装箱信息，包括但不限于集装箱信息的完整性检查，包括但不限于集装箱的编号、设定温度、出风温度、回风温度、位置坐标在数据完整的范围内，保留完整的集装箱信息，删除不完整的集装箱信息。

2.8、系统网络连接

在前述方案的基础上，优选地，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现的。

服务器的网络连接依据系统自适应网络确定，对于星型通信网络，系统包括以太网交换机；对于总线型通信网络和环型通信网络，系统包括服务器的总线连接器。

2.9、风机节能

在前述方案的基础上，本发明具体包括但不限于风机节能子系统的S7000步骤：包括以下的一种或者多种组合实现，具体是：

优选地，步骤：风机节能子系统应用于包括但不限于集装箱船舶的货舱或陆地仓库，其中集装箱堆放在集装箱船舶封闭的货舱里或陆地仓库里，在货舱里或陆地仓库里设有风管和安装在风管上用于通风的风机，用于货舱和集装箱船舶外或用于或陆地仓库和仓库外进行通风降温。

优选地，S7020步骤：集装箱的堆放具有位置坐标，包括行、列、层的编号。

优选地，S7030步骤：依据集装箱的堆放的位置坐标，将采集到的集装箱信息，在服务器中建立至少包括集装箱的编号、位置坐标、设定温度、回风温度、环境温度构成的温场矩阵。

优选地，S7040步骤：采集货舱或陆地仓库的外部温度，依据设定的节能温差，控制风机，进行温度管理，使得温场矩阵在进风口或出风口在不超过3个集装箱位置坐标尺寸之内的温度，与货舱或陆地仓库的外部温度相差小于节能温差。

优选地，S7050步骤：控制风机包括开关量控制和模拟量控制，其中开关量控制用于风机的启停，模拟量控制用于风机转速的调节。

优选地，S7060步骤：对于包括两个以上的货舱或仓库，每个货舱或仓库均采用S7010步骤至S7050步骤的控制步骤，以实现全部货舱或仓库的风机节能步骤。

优选地，S7070步骤：风管的一端有风机、进风口和位置坐标，在风管上有一个以上的出风口和位置坐标。

优选地，S7080步骤：风管的一端有风机、出风口和位置坐标，在风管上有一个以上的进风口和位置坐标。

进一步地，S7090步骤：依据节能温差，通过改变具备融冰功能的冷藏集装箱的包括融冰设置、送风温度、回风温度来进一步实施冷藏集装箱箱内节能。

2.10、集装箱管理

在前述方案的基础上，本发明具体还包括集装箱管理的S8000步骤，包括以下的一种或者多种组合实现：

优选地，S8010步骤：通过服务器将系统接入公网，包括但不限于互联网和专用网络，包括但不限于陆地网络和海洋卫星网络。

优选地，S8020步骤：建立用户号和用户管理子系统，提供给集装箱的优化接口和管理子系统，由包括但不限于集装箱货主用户、集装箱管理用户对于系统进行管理操作。

优选地，S8030步骤：建立和提供移动用户端管理子系统，设置管理权限，由移动用户对于系统进行管理操作。

优选地，S8040步骤：建立和提供面向集装箱货主用户的用户端管理子系统，设置管理权限，由集装箱货主用户对于系统进行管理操作。

2.11、手动录入、安全管理

在前述方案的基础上，本发明还包括人工录入的无线移动终端设备，以记录集装箱的人工录入信息，并采用短距离无线电通信方式与服务器联网，将人工录入信息合并到服务器中。

2.12、发明的有益效果

1、主机自动识别并且适应多种集装箱从机的网络通信，无需多台主机或手工接入；

2、主机之间自动组网并且适应多种网络通信，无需人工干预；

3、无论对于船舶货舱还是陆地仓库，都能最大限度地节省能耗；

4、构建一套主从自适应网络通信和系统自适应网络通信，自动解决多种集装箱的通信和管理；

5、通过温场矩阵AI控制的方式，实现节能可达50%。

附图说明

图1：主从自适应网络框图

其中，RFC1、RFC2和RFC3是冷藏集装箱，MS是主机。其中，RFG制冷机组，作为举例，RFC1和RFC2的制冷机组分别包括电力线载波PLC的从机和无线网WN1的从机。RFC3中不包括从机，只有对外的检修口，为了获得RFC3的集装箱信息，采用安装在集装箱外部的从机WN2。主机MS包括下行网络WN无线网和上行网络SN1、SN2、SN3。在这里，主机MS和冷藏集装箱RFC1、RFC2和RFC3的从机构成主从自适应网络以建立通信。Power是电源线路，也是电力线载波通信的线路。

图2：主从自适应网络组网图

2001是冷藏集装箱。2002是通信主机。2003是电源线Power，也是作为电力线载波的传输线。2004是安装在集装箱RFC3外部的从机WN2与主机上的无线电网络WN通信的链路示意。2005是位于RFC2内部的从机WN1与主机上的无线电网络WN通信的链路示意。2006、2007、2008分别是RFC3、RFC2、RFC1中可能包括的以电力线载波PLC方式与主机上的电力线载波进行网络通信。

图2中，RFC1、RFC2和RFC3是冷藏集装箱，MS是主机。其中，RFG制冷机组，作为举例，RFC1和RFC2的制冷机组分别包括电力线载波PLC的从机和无线网WN1的从机。RFC3中不包括从机，只有对外的检修口，为了获得RFC3的集装箱信息，采用安装在集装箱外部的从机WN2。主机MS包括下行网络WN无线网和上行网络SN1、SN2、SN3。在这里，主机MS和冷藏集装箱RFC1、RFC2和RFC3的从机构成主从自适应网络以建立通信。

图3：系统自适应网络组网图

3001是通信主机，包括图3中的MS1、MS2、MS3、MS4和MS5。3002是数据中心DataCenter，包括RJ45双绞线、RS485总线以及CAN总线的系统自适应网络接口。3003是以太网网络交换机，包括RJ45接口、光纤接口等。3004是RS485的网络电阻端子，标准值为120欧姆。3005是CAN总线的网络电阻端子。3006是RS485通信电缆，双绞线标准。3007是CAN总线的通信电缆。3008是基于RJ45的以太网网络电缆，3009和3010分别是网络断点或系统网络的系统通信质量欠佳的点。

图4：从机结构图

4001是从机下行接口，对下连接接插件。4002是从机MCU电路。4003是存储。4004是显示器。4005是从机上行接口，包括无线网络WN、电力线载波网络PLC、串口总线RS485。

图5：主机结构图

5001是主机下行接口，包括无线网络WN、电力线载波网络PLC、串口总线RS485。5002是主机MCU电路。5003是存储。5004是主机上行接口，包括以太网RJ45接口、CAN总线接口、串口总线RS485接口。

图6：货舱温场矩阵图

6001是船舶集装箱堆放坐标的行坐标线。6002是船舶集装箱堆放坐标的列坐标线。6003是船舶集装箱堆放坐标的层坐标线。6004是一个集装箱的具体堆放位置，记为，其中b为行值，r为列值，t为层值。

图7：货舱温度采集及风机控制图

7001是数据中心。7002是基于货舱的温度采集的温度传感器，它包括箱内温度、大气温度、舱顶温度、舱底温度。从传感器结构上还包括一次传感器和二次传感器。其中箱内温度是指冷藏集装箱的内部温度，它包括在集装箱信息中。7003是风机开关矩阵，在船舶上，通常是指风机控制屏。

图8：货舱风机控制原理图

这是基于控制理论的多输入多输出的一种控制流程。其中，

8001是控制的输入信号运算器。8002是控制的目标，这里是货舱。8003是具体的冷藏集装箱的控制原理，通常包括PID调节器。8004是冷藏集装箱的箱内空间。8005是风管，是图8的控制系统的控制目标。8006是具体的风机，其与风管构成一个通风的组件。8007是货舱内的温度矩阵反馈组件。8008是温度矩阵反馈组件的输出，参与输入信号运算器的减法运算。8009是外界操作者对于货舱的温度设定输入。8010是本系统所包括的基于人工智能的矩阵运算参数，参与输入信号运算器的运算。

图8中的控制的输入信号运算器具有正向输入，用+号表示，还有负向输入，用-号表示。需要注意的是，图8中实际上存在两级控制，第一级是冷藏集装箱本身具备的内部温度自动控制，例如采用PID（Proportional-Integral-Derivative control，中文简称：比例积分微分控制器，或者比例积分微分调节器）控制，将设定温度通过较低温度的送风温度对于冷藏集装箱内部降温，使得回风温度等于或者接近于设定温度。第二级是本发明对于风机的控制，这是一种多输入多输出的矩阵控制，采用人工智能AI（ArtificialIntelligence，中文简称：人工智能）的算法完成，目的是控制冷藏集装箱的外部温度与货舱或者仓库的外部温度的差值，等于或者接近于节能温差。

图9：实施例一系统图

9001是开放式冷藏集装箱堆放区，通常位于集装箱船舶的甲板上。9002和9003是封闭式冷藏集装箱堆放区，通常是指在货舱中。9004是数据中心。9005是移动终端。9006是系统总线。

图10：实施例二系统图

10001、10002、10003均是全部开放式冷藏集装箱堆放区，系统没有在货舱内部堆放冷藏集装箱。10004是数据中心。10005是移动终端。10006是系统总线。

具体实施方式

本发明的目的、意图和贡献是采用如下2个实施例的技术方案实现的。这里需要特别说明的是，由于每个具体的实施例都有具体的用途和工业实用性，并且，在本发明权利要求书条款之外，需要本行业的基础知识支撑。所以，以下实施例中的任何一个，并不能包括本发明的所有特征和步骤，也不是对本发明的限制，本发明权利要求书的描述，是对于发明的核心总结。

实施例一、通用集装箱船舶中集装箱自适应网络通信及货舱风机节能系统

1、简介及示图说明

本实施例是本发明的一种用于集装箱船舶上的专用系统——集装箱自适应通信及风机节能系统，也是本发明的一种较为全面的应用举例。本实施例在本申请提交之前，已经经过实船应用检验，其中，主从自适应网络、系统自适应网络都得到了验证，在货舱风机节能上，实现节能接近50%，达到了本发明申请的效果。

图9是本实施例的系统示意图，与本实施例相关的，还包括图1到图8。在图9中，9002和9003是集装箱船舶上的货舱，通常集装箱尤其是冷藏集装箱都会堆放到货舱里，这种货舱中含有通风管道，这个通风管道中都安装有大功率风机，用于将货舱内部的较高温度的空气排出到货舱外部，或者将货舱外部的空气吹进货舱内部，以便于货舱中保持与外部温差较小。之所以货舱中的空气的温度会比较高，是因为货舱中堆放的冷藏集装箱会发热，就像冰箱、空调外机一样产生热量。

关于货舱节能的基本原理是：现有的集装箱船舶上，在货舱里的风机都是一直工作的，其通风设计规范是安装集装箱船舶在较热的海面上航行时，依据其货舱内满负荷堆放冷藏集装箱时，产生的热量，风机的功率计算依据是最极端情况下的货舱内部空气的热平衡。在现有的风机功率计算规范上，尚未发现考虑温度控制和节能设计。这样就为本发明提供了一个节能控制的机会。

2、方案及步骤

本实施例是本发明用于集装箱船舶上的一类案例，如图9所示。支持冷藏集装箱的管理和节能，支持基于PLC电力线载波的PCT通信和近距离无线网络的无线电通信。同时，对于冷藏集装箱堆放在船舶货舱内的船舶，还提供货舱风机节能的功能。

2.1、基础结构

本发明作为集装箱船舶使用的集装箱自适应网络通信系统，包括但不限于从机、主机、主从自适应网络、集装箱信息，其中：

S1000步骤：从机以符合集装箱内部设备通信协议的方式对下连接集装箱内部设备，以获取集装箱信息，从机对上连接主机，以构成主从自适应网络，实现主机和从机之间的网络通信。

S2000步骤：主从自适应网络具体但不限于包括：一个主机位于集装箱外部，依据自身具备的下行网络所包括的主从通信种类，依据主从通信种类依次搜索一个以上的从机，确定搜索到的从机以及相应的主从通信种类，依次计算以获得从机的主从通信质量，在获得的主从通信质量中选出最优主从通信质量，以其所对应的主从通信种类，建立主机与从机之间的网络通信，或，依据设定建立主机与从之间机的网络通信。

S3000步骤：主从通信内容包括但不限于主机对从机发出的指令、从机执行指令、从机提交给主机的集装箱信息和从机信息。

这里的“一个主机”搜索“一个以上的从机”，是在集装箱船舶上的集装箱堆放完成以后执行的步骤。其中每个主机均执行这个步骤，以确定该主机所能够搜索到的全部从机。由于从机存在两种及以上的主从通信种类，对于这种情况，就需要选择和确定一种主从通信种类来建立该从机与主机的具体主从通信种类，选择和确定可以由主从自适应网络来自动完成。在“依据设定建立主机与从之间机的网络通信”步骤中，还可以由人工判断来选择确定主从通信种类来建立该从机与主机的具体主从通信种类。

另外，这里的主机和从机之间的通信，是采用“一对多”的方式，一个主机通过选择确定的主从通信网络，与一个以上的从机建立通信。

一种特殊情况是：多个主机同时搜到一个从机，对此还需要进一步选择确定多个主机中的一个，与该从机建立通信。选择方式可以由系统依据主从通信质量自行选择，或者由人工选择确定。最终需要服从主机和从机之间的“一对多”的对应关系。

本实施例的集装箱包括冷藏集装箱、特种气体的冷藏集装箱、气调集装箱等。

进一步地，如图2所示，主机MS和多个冷藏集装箱RFC1、RFC2、RFC3的从机之间建立主从自适应网络。其中，由于对于集装箱船舶而言，很多情况下冷藏集装箱是由货主租赁的，其中冷藏集装箱的内部设备的细节（例如从机的上行网络究竟是采用何种通信协议），货主未必都清楚。进一步说，即便货主知道了冷藏集装箱的内部通信协议，集装箱船舶的运营者也未必去一个集装箱一个集装箱地去核实。因此，本发明的创新点之一是，集装箱船舶运营方无需了解冷藏集装箱的内部通信协议，而采用技术手段来兼容可能的通信协议。所以，设定RFC1、RFC2、RFC3均可能包括PLC（例如符合ISO 10368标准的PLC通信协议），并且特别的，还有可能包括其他无线网通信协议，例如蓝牙、WIFI等。这里的主从自适应网络，就是作为通信主机的MS，能够自动识别从机的通信协议，采用S2000步骤，最终确定主机和从机之间采用的通信协议。需要注意的是，由于主从通信种类是采用搜索的办法完成，如果某一个从机具备多种通信协议，那就出现多种通信种类，例如，图2中，RFC1、RFC2、RFC3均包括PLC，即具备2008、2007和2006的PLC通信种类，而RFC2、RFC3还包括2005和2004的WN1和WN2通信种类，亦即RFC2、RFC3的通信连接均包括电力线载波通信PLC和无线网络WN的2中通信连接。

此外图2中的Power是电源线路，PLC的信号就是通过这个电源线路传输的。

需要申明的是，在本实施例中，数据中心包括前述的服务器，以及在服务器之外，还包括其他的部件及功能，例如CAN总线接口、RS485接口等。

2.2、主从自适应网络一

在前述基础方案的基础上，本发明还包括主从自适应网络，包括以下的一种或者多种组合实现：

优选地，S2010步骤：主从通信种类包括但不限于无线电通信或电力线载波通信或总线型有线网络通信的一种或其组合。

通常，电力线载波通信是基于ISO10368标准的PCT方式，这是一种窄带PLC电力线载波的协议。由于技术的进步，冷藏集装箱内部通信模块已经开始采用其他通信协议，例如蓝牙和WIFI通信，甚至有些冷藏集装箱还采用了多种通信方式的组合。因此，本发明的自适应网络，就是针对各种可能的通信方式和通信协议。

优选地，S2020步骤：从机对上连接至少包括无线电通信或电力线载波通信或总线型有线网络通信中的一种。

优选地，S2030步骤：主机包括但不限于无线电通信或电力线载波通信或总线型有线网络通信中的一种或其组合，以便与系统中包括的全部主从通信种类方式的从机实现网络通信。

优选地，S2040步骤：无线电通信包括但不限于短距离无线电通信，电力线载波通信还包括窄带方式、宽带方式、扩频方式，总线型有线网络通信包括但不限于CAN总线方式、RS485总线方式，载波线路包括但不限于单相交流电、三相交流电。

进一步地，S2050步骤：主从通信质量包括但不限于主机和从机网络连接的通断、连接的信号量大小、连接的通信速度快慢、连接的接通概率、连接的丢包率。

在集装箱船舶的工作现场，由于冷藏集装箱大多数情况下都是处于流动状态，品牌型号、通信方式存在着不一致，例如，有的冷藏集装箱是采用基于ISO10368标准的电力线载波通信方式，在这个标准中，还包括低速方式和高速方式，由的冷藏集装箱是采用短距离无线电通信方式，还有的冷藏集装箱的内部由于没有安装通信模块，所以只能通过检修口采用外置通信模块来解决数据的采集，更有甚者，由于检修口或者通信模块的损坏，只能够由人工去冷藏集装箱现场抄写数据。因此，在这些复杂的情况下，本发明采用基于主机和从机的自适应网络，不仅是技术创新的要求，更是工业实用性的要求。采用本发明提供的方案，旨在将尽可能多的冷藏集装箱都纳入到系统，以便管理。

进一步地，如图2所示，如S2020步骤中，从机对上连接包括PLC、WN1和WN2，这里的WN1和WN2是无线网的一种区分标记，并不特指是哪种无线网，具体包括但不限于短距离无线电通信的Bluetooth方式、WIFI方式、物联网IoT方式、LoRa方式、Zig-Bee方式、UWB方式、NFC方式、RFID方式，还包括但不限于长距离无线电通信的GPRS方式、CDMA方式、3G方式、4G方式、5G方式、6G方式、nG方式其中之一或其组合。主机MS的上行通信接口具备多种类型，例如SN1、SN2和SN3，包括但不限于RS485总线网络、CAN总线网络、以太网RJ45双绞线网络。

2.3、主机和从机

在前述方案的基础上，本发明具体还包括服务器，其中主机和从机具体还包括：

S1010步骤：所述“从机以符合集装箱内部设备通信协议的方式对下连接集装箱内部设备”，具体包括：从机安装于集装箱内部，对下连接到集装箱内部设备的接口，采用符合集装箱内部设备通信协议的方式通信，或，从机安装在集装箱外部，对下通过集装箱存在的外部检修口连接到集装箱内部设备，采用符合集装箱内部设备通信协议的方式通信。

优选地，集装箱内部设备通信协议具体包括不同的冷藏集装箱内部设备品牌所定义的通信协议、ISO 10368标准所确定的通信协议，包括接插件类型，例如DIM 3、DIM 5、RS232、RS485、CAN等，线缆线序转换、信号极性转换、信号电压转换等，还包括信号时序转换等等。

进一步地，在从机下联接口处，还包括线序识别、极性识别、电压识别、时序识别，以进一步完成冷藏集装箱内部设备自动识别功能。在本实施例中，设计具体的通信协议自动识别驱动软件，以识别和驱动常用的冷藏集装箱制冷机的品牌。

S1020步骤：所述“从机对上连接主机”，具体包括通过主从通信种类中的一种或其组合连接主机。

在本实施例中，主机是安装在集装箱船舶上的固定设备。通常它是安装在货舱内部和甲板的冷藏集装箱堆放区，对于电力线载波方式，主机通常还布置在冷藏集装箱供电变压器的集装箱一侧。对于短距无线电通信，主机的布置，需要考虑到主机和冷藏集装箱之间的无线电电波的传输的有效性，通常是布置在通信子网内的全部冷藏集装箱的箱头位置中间或者一侧，使得无线电能够通过直射或者绕射建立有效通信，主机固定在船舶钢结构上。

优选地，S1030步骤：从机的结构包括但不限于从机下行接口、从机上行接口和MCU，其中，从机下行接口用于连接集装箱内部设备，从机下行接口形式包括但不限于串行接口、并行接口、RS232接口、RS485接口，从机上行接口包括但不限于对于主从通信种类支撑的无线电通信接口、电力线载波通信接口和总线型接口。

优选地，从机下行接口还包括集装箱内部设备通信协议转换器。在这里，由于存在着一个国际标准ISO 10368，因此大多数品牌的通用冷藏集装箱都符合这一国际标准，所谓集装箱内部设备通信协议转换器的需求，是针对不符合ISO 10368标准的特种集装箱而言的，对此，业内技术人员需要针对这种特种集装箱的内部设备的通信协议进行协议转换设计。

优选地，S1040步骤：主机的结构包括但不限于主机下行接口、主机上行接口、MCU，其中，主机下行接口包括支撑主从通信种类的无线电通信接口、电力线载波通信接口、总线型接口，以连接一个以上从机，主机上行接口连接一个以上主机或服务器。

进一步地，S1050步骤：

集装箱信息至少包括集装箱的编号，设定温度、出风温度、回风温度、环境温度、位置坐标，供电电压、供电电流、气体成分、气体压力，气体种类、气体浓度。在实际使用中，这些集装箱信息的种类，可根据具体的需要确定。

集装箱信息存储于服务器中，服务器还包括但不限于对于采样时刻的记录、集中、运算、报警、显示、上层网络传输的步骤。在服务器上，需要一套管理软件，以支撑用户的具体需求。

主从通信种类还包括但不限于主从设备通信协议中的物理层通信协议，例如电缆类、光纤类和无线电类。

S1060步骤：集装箱内部设备包括但不限于制冷机、温控机、指定气体发生机、控制机和控制接口。

对于短距无线电通信，优选方案采用较长距离的Bluetooth 5.0及以上，以便在船舶货舱中进行可靠的通信。

优选地，在主机上还采用WIFI通信接口，以便于采用移动终端的接入，以完成对于主机和从机网络接入的有效性检测。

如图4和图5所示，它们分别是从机和主机的一类设计实例。其中4001是从机下行接口，可连接相关的接插件，例如RS232接口、USB接口等，需要注意的是，每一种接口对于4001而言，均由不同的电路构成。4005是从机上行接口，包括但不限于WN无线网接口、PLC电力线载波接口、RS485总线接口，还包括其中之一以及其组合。5001是主机下行接口，包括但不限于WN无线网接口、PLC电力线载波接口、RS485总线接口，还包括其中之一以及其组合。5004是主机上行接口，包括但不限于以太网双绞线RJ45接口、CAN总线接口、RS485总线接口。

关于集装箱信息的建模，业内技术人员应该参照现代控制理论和线性代数予以了解。本实施例给出一种建模的例子如下：

（1）

（2）

其中，是针对一个冷藏集装箱的一次采集的一组信息，可以是以数组的形式表达，/>是一组信息即一个条集装箱信息中的n个元素，b，r，t是冷藏集装箱所堆放的行、列、层的位置坐标，/>是一个货舱内或者一个堆放区的全部集装箱信息的矩阵，m是最大行的编号，n是最大列的编号，p是最大层的编号，注意这是一个三维的矩阵。

2.4、系统自适应网络

在前述方案的基础上，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

S4000步骤：一个以上主机和另外一个以上主机之间，一个以上主机和服务器之间，通过主机上行接口、服务器网络接口构成的系统自适应网络，具体包括但不限于：

S4010步骤：系统自适应网络包括但不限于星型通信网络，总线型通信网络，环型通信网络，星型通信网络和总线型通信网络和环型通信网络三者的任意组合的系统通信方式。

优选地，S4020步骤：系统自适应网络包括但不限于主机的各个系统通信方式连接的通断、连接的信号量大小、连接的通信速度快慢、连接的接通概率、连接的丢包率的系统通信质量。

进一步地，S4030步骤：以服务器为网络中心，连接系统自适应网络，搜索系统中全部主机，计算各个主机的系统通信质量，依据最优的系统通信质量，选择最优的系统通信方式建立系统自适应网络。依据设定的系统通信种类中的系统通信方式建立系统自适应网络。

进一步地，S4040步骤：依据TCP/IP协议，建立包括但不限于物理层、数据链路层和网络层的多层网络，包括但不限于树状网络和网状网络。

之所以包括系统自适应网络，一方面是基于降低成本考虑，另一方面是基于可靠性考虑。在降低成本方面，总线型网络对于船舶而言，通常是采用RS485或CAN总线，这与星型的RJ45或者光纤布线相比，成本有所降低。在可靠性方面，总线型和星型多网络布线借助线路的冗余，可以增加网络通信的可靠性。

此外，对于老船改造，由于一些布线的困难，系统自适应网络可以包括无线电网络，这将方便改造工程的实施。

在系统通信质量方面，考虑到船舶运行中的摇晃，可能带来的网络连接出现不可靠，因此，在此前网络节点连接正常而后来发现连接不正常时，系统将自动试探和更换连接方式。

如图3所示，假设主机MS1和MS4由于以太网双绞线线路过长（例如超过100米）而存在通过以太网交换机与数据中心之间通信质量严重下降，亦即存在3009和3010的通信坏点，此时系统自适应网络将会选择RS485或CAN来进行通信。

2.5、主从自适应网络二

在前述方案的基础上，如图2、图3、图4和图5所示，本发明具体包括但不限于以下的一种或者多种组合实现：

S2110步骤：主机依据对于从机实施先电力线载波通信后无线电通信的连接试探顺序，人为指定的连接试探顺序，分别获得主从通信质量。

S2120步骤：主机依据对于从机实施先电力线载波通信后无线电通信的连接试探顺序，如果只确认到电力线载波通信或无线电通信中的一种，则以该种通信方式作为确认的主从网络连接。

进一步地，电力线载波通信的频率包括但不限于窄带、宽带，电压包括但不限于低压、中压，电力线载波通信速度包括但不限于低速和高速，电力线载波通信的载波方式包括但不限于BPSK，BFSK，DSSS、线性调频Chirp、扩频通信和OFDM，电力线线路类型包括但不限于单相线、三相线。

需要强调的是，基于集装箱船舶的电力线载波通信标准中，有较早期的ISO10368标准，其中采用的是窄带PLC通信方式，基于兼容早期产品考虑，本实施例兼容ISO10368标准。

进一步地，无线电通信包括但不限于短距离无线电通信的Bluetooth方式、WIFI方式、物联网IoT方式、LoRa方式、Zig-Bee方式、UWB方式、NFC方式、RFID方式，还包括但不限于长距离无线电通信的GPRS方式、CDMA方式、3G方式、4G方式、5G方式、6G方式、nG方式其中之一或组合的电路和天线。

对于短距无线电通信，优选方案采用较长距离的Bluetooth 5.0及以上，以便在船舶货舱中进行直射和绕射的可靠通信。

优选地，在主机上还采用WIFI通信接口，以便于采用移动终端的接入，以完成对于主机和从机网络接入的有效性检测。

进一步地，无线电通信还包括卫星定位方式和卫星通信方式，卫星定位方式提供包括北斗、GPS的卫星定位坐标、高程坐标和卫星授时；卫星通信方式包括将系统自适应网络通过卫星接入地面通信网络。

关于卫星网络的连接，是本发明申请的优选项。其中：

对于卫星导航网络，由于导航主要是单向通信（北斗短报文除外），不会给黑客的攻击提供机会，所以安全性受到保障。卫星授时可用于和服务器时间同步，还可用于和集装箱内部设备的时间同步。

对于卫星通信方式，是双向通信，这里需要设立网络安全机制，例如架设网络防火墙、接入审计等安全措施。

2.6、集装箱控制器

在前述方案的基础上，本发明具体包括但不限于集装箱控制器的S5000步骤，包括以下的一种或者多种组合实现：

S5010步骤：由集装箱控制器控制集装箱内部设备，以构成包括但不限于冷藏集装箱、保温集装箱、通风集装箱、压力集装箱、罐式集装箱。

进一步地，S5020步骤：由集装箱控制器通过设定获得集装箱编号和设定温度，通过传感器采集集装箱的包括但不限于送风温度、回风温度、环境温度、区域温度。

进一步地，S5030步骤：由集装箱控制器通过设定获得集装箱编号和设定的气体种类、气体浓度，通过传感器采集集装箱的包括但不限于气体种类、区域气体浓度。

进一步地，S5040步骤：由集装箱控制器通过设定获得集装箱编号和设定气体压力，通过传感器采集集装箱的包括但不限于箱内气体压力。

S5000步骤是一个优选项，旨在对于包括：

1、老旧的冷藏集装箱或者不支持ISO 10368标准的特种集装箱；

2、冷藏集装箱内部的控制器不支持上述S5010步骤、S5020步骤、S5030步骤、S5040步骤的、符合系统功能的冷藏集装箱；

3、冷藏集装箱内部的控制器已经损坏的冷藏集装箱。

对此，采用S5000步骤的附加的集装箱控制器，以便支持系统的功能。

对于前述的集装箱信息，采用以下公式标记一条集装箱信息：

（1）

（2）

其中，是一条集装箱信息中的各个元素，b，r，t是位置坐标，/>是集装箱信息矩阵，注意这是一个三维的矩阵。

2.7、集装箱信息冲突处理

在前述方案的基础上，本发明还包括S6000步骤的冲突集装箱信息的处理，具体包括但不限于：

S6010步骤：冲突集装箱信息包括但不限于同一个集装箱编号在同一个采样时刻内，在一个以上的主机上出现两条以上的集装箱信息，其中采样时刻为设定的定长时间值，在采样时刻内，只保留一条集装箱信息，出现两条及以上的集装箱信息，即判断为冲突集装箱信息。

优选地，S6020步骤：检查冲突集装箱信息，包括但不限于在采样时刻上排序的冲突集装箱信息列表中，保留排在第一的集装箱信息，删除排在后面的其他集装箱信息。

优选地，S6030步骤：检查冲突集装箱信息，包括但不限于集装箱信息的合理性检查，包括但不限于集装箱的编号、设定温度、出风温度、回风温度、位置坐标在合理的范围内，保留合理的集装箱信息，删除不合理的集装箱信息。

优选地，S6040步骤：检查冲突集装箱信息，包括但不限于集装箱信息的完整性检查，包括但不限于集装箱的编号、设定温度、出风温度、回风温度、位置坐标在数据完整的范围内，保留完整的集装箱信息，删除不完整的集装箱信息。

出现冲突集装箱信息原因有多种，本步骤旨在判断和消除冲突集装箱信息，进一步为后续计算和管理带来可靠性和完整性。

2.8、系统网络连接

在前述方案的基础上，优选地，如图3所示，本发明具体还包括：

数据中心（包括服务器）的网络连接依据系统自适应网络确定，对于星型通信网络，系统包括以太网交换机；对于总线型通信网络和环型通信网络，系统包括服务器的总线连接器。

服务器包括独立的通用单机服务器和将以太网交换机或总线连接器合成为一体的专用服务器，对于本实施例，采用包括POE交换机的服务器、存储、无线WIFI接入设备、无线蓝牙接入设备于一体的专用数据中心。

2.9、风机节能

在前述方案的基础上，本发明对于将冷藏集装箱堆放在船舶货舱内的船舶，还可以通过调节货舱内部的风机，实现节能。

具体包括风机节能子系统的S7000步骤：包括以下的一种或者多种组合实现，具体是：

优选地，步骤：风机节能子系统应用于包括但不限于集装箱船舶的货舱或陆地仓库，其中集装箱堆放在集装箱船舶封闭的货舱里或陆地仓库里，在货舱里或陆地仓库里设有风管和安装在风管上用于通风的风机，用于货舱和集装箱船舶外或用于或陆地仓库和仓库外进行通风降温。

优选地，S7020步骤：集装箱的堆放具有位置坐标，包括行、列、层的编号。

优选地，S7030步骤：依据集装箱的堆放的位置坐标，将采集到的集装箱信息，在服务器中建立至少包括集装箱的编号、位置坐标、设定温度、回风温度、环境温度构成的温场矩阵。

优选地，S7040步骤：采集货舱或陆地仓库的外部温度，依据设定的节能温差，控制风机，进行温度管理，使得温场矩阵在进风口或出风口在不超过3个集装箱位置坐标尺寸之内的温度，与货舱或陆地仓库的外部温度相差小于节能温差。

优选地，S7050步骤：控制风机包括开关量控制和模拟量控制，其中开关量控制用于风机的启停，模拟量控制用于风机转速的调节。

优选地，S7060步骤：对于包括两个以上的货舱或仓库，每个货舱或仓库均采用S7010步骤至S7050步骤的控制步骤，以实现全部货舱或仓库的风机节能步骤。

优选地，S7070步骤：风管的一端有风机、进风口和位置坐标，在风管上有一个以上的出风口和位置坐标。

优选地，S7080步骤：风管的一端有风机、出风口和位置坐标，在风管上有一个以上的进风口和位置坐标。

进一步地，S7090步骤：依据节能温差，通过改变具备融冰功能的冷藏集装箱的包括融冰设置、送风温度、回风温度来进一步实施冷藏集装箱箱内节能。

这里的节能温差是系统操作人员人为设定的一个温度差值，例如根据货舱或仓库的外部温度和季节进行不同的设定，其数值大小可以在5℃至15℃之间，也可以由系统操作员自行决定，业内技术人员应该明白，设定节能温差与节能效果有关联。

对于将冷藏集装箱堆放在船舶甲板上的船舶，由于甲板属于开放式堆放，冷藏集装箱的外部降温采用的是自然降温。由于不存在降温风机的能耗，因此对于这类船舶，本节的风机节能子系统不适用。

进一步地，对于风机节能的控制方法，采用包括闭环的自动控制原理、前馈控制、惯性系统控制、多输入多输出的矩阵控制等原理，以消除自激振荡、减小系统超调，进一步优化节能效果。

如图6所示，图6是一个货舱中堆放的冷藏集装箱的温场示意图。图中每个方格子代表一个冷藏集装箱，如6004是一个集装箱的具体堆放位置，记为，其中b为行值，r为列值，t为层值，/>表示处于坐标（b，r，t）处的一个冷藏集装箱的集装箱信息，包括例如方格子中的圆面表示该冷藏集装箱的环境温度。

进一步地，对于风机也标定位置坐标（b’，r’，t’），一个风机的运行值标记为KM_{（b’，r’，t’）}，其中，b’为风机的行坐标值，r’为风机的列坐标值，t’为风机的层坐标值。

图7为货舱温度采集及风机控制图。

图8为风机控制原理图，也是基于控制理论的多输入多输出的控制原理图。业内的技术人员应该明白，这里的多输入，是指在货舱中堆放的多个冷藏集装箱的位置点的冷藏集装箱传感器的输出值，以及作为一个优选项的额外温度传感器的输出值。多输出是指货舱中的多个风机。控制是指控制风机的启停和调速。通过扩展风机，将货舱外部较低温度的大气吹入货舱，或者将货舱内部的高温抽到货舱外部，并使得外部的低温空气吸入货舱。风机的控制点是KM_{（b’，r’，t’）。}业内技术人员应该参照现代控制理论和线性代数予以实现具体的建模和进一步地写出相关计算公式予以计算和对于风机的节能控制实现。

2.10、集装箱管理

在前述方案的基础上，本发明具体还包括集装箱管理的S8000步骤，包括以下的一种或者多种组合实现：

优选地，S8010步骤：通过服务器将系统接入公网，包括但不限于互联网和专用网络，包括但不限于陆地网络和海洋卫星网络。

优选地，S8020步骤：建立用户号和用户管理子系统，提供给集装箱的优化接口和管理子系统，由包括但不限于集装箱货主用户、集装箱管理用户对于系统进行管理操作。

优选地，S8030步骤：建立和提供移动用户端管理子系统，设置管理权限，由移动用户对于系统进行管理操作。

优选地，S8040步骤：建立和提供面向集装箱货主用户的用户端管理子系统，设置管理权限，由集装箱货主用户对于系统进行管理操作。

通常在集装箱船舶上，均带有卫星定位和卫星通信，以便实现集装箱船舶的定位导航和通过卫星通信接入地面通信网络，此时，管理子系统就可以通过卫星通信网络接入地面的用户端管理子系统，以便用户采用固定的台式电脑或移动终端接入用户端管理子系统进行使用。需要注意的是，这里的用户只有对于该用户所属的集装箱具有访问权限，对于其他用户的集装箱，不予设置访问权限，也就是说，集装箱管理的子系统具有权限分配及管理的功能。

2.11、手动录入、安全管理

在前述方案的基础上，本发明还包括人工录入的无线移动终端设备，以记录集装箱的人工录入信息，并采用短距离无线电通信方式与服务器联网，将人工录入信息合并到服务器中。

这一功能的设置，旨在位于集装箱船舶上，操作人员对于不具备参与主从自适应网络接入的集装箱，采用在无线移动终端设备上人工抄录集装箱信息，这些信息将通过短距离无线电通信方式与服务器联网，将人工抄录集装箱信息传送到服务器上。

实施例二、集装箱堆场用集装箱自适应网络通信系统

1、简介

本实施例是本发明用于集装箱码头、集装箱堆场等应用场景的应用举例。也是本发明的一种不包含风机节能集装箱自适应网络通信系统的实施例。

2、示图说明

本实施例的总体结构示意图如图10，其他示图如实施例一所述。需要提醒业内技术人员的是，这些图只是结构示意的一种，并不是对于本实施例的限定。

3、差异化说明

与实施例一相同之处这里不予复述，如前述示图说明，不同之处在于：

本实施例所指的集装箱是堆放在露天场所，冷藏集装箱的外部散热是采用自然散热，因此不需要风机通风，所以不包含风机节能部分的设计和使用。

Claims (11)

1.集装箱自适应网络通信系统，包括从机、主机、主从自适应网络、集装箱信息，其中：

S1000步骤：从机以符合集装箱内部设备通信协议的方式对下连接集装箱内部设备，以获取集装箱信息，从机对上连接主机，以构成主从自适应网络，实现主机和从机之间的网络通信；

S2000步骤：主从自适应网络具体包括：一个主机位于集装箱外部，依据自身具备的下行网络所包括的主从通信种类，依据主从通信种类依次搜索一个以上的从机，确定搜索到的从机以及相应的主从通信种类，依次计算以获得从机的主从通信质量，在获得的主从通信质量中选出最优主从通信质量，以其所对应的主从通信种类，建立主机与从机之间的网络通信，或，依据设定建立主机与从之间机的网络通信；

S3000步骤：主从通信内容包括主机对从机发出的指令、从机执行指令、从机提交给主机的集装箱信息和从机信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于主从自适应网络还包括：

S2010步骤：主从通信种类包括无线电通信或电力线载波通信或总线型有线网络通信的一种或其组合；

S2020步骤：从机对上连接至少包括无线电通信或电力线载波通信或总线型有线网络通信中的一种；

S2030步骤：主机包括无线电通信或电力线载波通信或总线型有线网络通信中的一种或其组合，以便与系统中包括的全部主从通信种类方式的从机实现网络通信；

S2040步骤：无线电通信包括短距离无线电通信，电力线载波通信还包括窄带方式、宽带方式、扩频方式，总线型有线网络通信包括CAN总线方式、RS485总线方式，载波线路包括单相交流电、三相交流电；

S2050步骤：主从通信质量包括主机和从机网络连接的通断、连接的信号量大小、连接的通信速度快慢、连接的接通概率、连接的丢包率。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于包括数据中心，其中主机和从机具体还包括：

S1010步骤：所述“从机以符合集装箱内部设备通信协议的方式对下连接集装箱内部设备”，具体包括：从机安装于集装箱内部，对下连接到集装箱内部设备的接口，采用符合集装箱内部设备通信协议的方式通信，或，从机安装在集装箱外部，对下通过集装箱存在的外部检修口连接到集装箱内部设备，采用符合集装箱内部设备通信协议的方式通信；

S1020步骤：所述“从机对上连接主机”，具体包括通过主从通信种类中的一种或其组合连接主机；

S1030步骤：从机的结构包括从机下行接口、从机上行接口和MCU，其中，从机下行接口用于连接集装箱内部设备，从机下行接口形式包括串行接口、并行接口、RS232接口、RS485接口，从机上行接口包括对于主从通信种类支撑的无线电通信接口、电力线载波通信接口和总线型接口，和／或，从机下行接口还包括集装箱内部设备通信协议转换器；

S1040步骤：主机的结构包括主机下行接口、主机上行接口、MCU，其中，主机下行接口包括支撑主从通信种类的无线电通信接口和／或电力线载波通信接口和／或总线型接口，以连接一个以上从机，主机上行接口连接一个以上主机或数据中心；

S1050步骤：

集装箱信息至少包括集装箱的编号，和／或，设定温度、出风温度、回风温度、环境温度、位置坐标，和／或，供电电压、供电电流、气体成分、气体压力，和／或，气体种类、气体浓度；

集装箱信息存储于数据中心中，数据中心还包括对于采样时刻的记录、集中、运算、报警、显示、上层网络传输的步骤；

主从通信种类还包括主从设备通信协议中的物理层通信协议；

S1060步骤：集装箱内部设备包括制冷机、温控机、指定气体发生机、控制机和控制接口。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：

S4000步骤：一个以上主机和另外一个以上主机之间，或，一个以上主机和数据中心之间，通过主机上行接口和／或数据中心网络接口构成的系统自适应网络，具体包括：

S4010步骤：系统自适应网络包括星型通信网络，或，总线型通信网络，或，环型通信网络，或，星型通信网络和总线型通信网络和环型通信网络三者的任意组合的系统通信方式；

S4020步骤：系统自适应网络包括主机的各个系统通信方式连接的通断、连接的信号量大小、连接的通信速度快慢、连接的接通概率、连接的丢包率的系统通信质量；

S4030步骤：以数据中心为网络中心，连接系统自适应网络，搜索系统中全部主机，计算各个主机的系统通信质量，依据最优的系统通信质量，选择最优的系统通信方式建立系统自适应网络；或，依据设定的系统通信种类中的系统通信方式建立系统自适应网络；

S4040步骤：依据TCP/IP协议，建立包括物理层、数据链路层和网络层的多层网络，包括树状网络和网状网络。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于主从自适应网络还包括：

S2110步骤：主机依据对于从机实施先电力线载波通信后无线电通信的连接试探顺序，或，人为指定的连接试探顺序，分别获得主从通信质量；或，

S2120步骤：主机依据对于从机实施先电力线载波通信后无线电通信的连接试探顺序，如果只确认到电力线载波通信或无线电通信中的一种，则以该种通信方式作为确认的主从网络连接；

电力线载波通信的频率包括窄带、宽带，电压包括低压、中压，电力线载波通信速度包括低速和高速，电力线载波通信的载波方式包括BPSK，BFSK，DSSS、线性调频Chirp、扩频通信和OFDM，电力线线路类型包括单相线、三相线；

无线电通信包括短距离无线电通信的Bluetooth方式、WIFI方式、物联网IoT方式、LoRa方式、Zig-Bee方式、UWB方式、NFC方式、RFID方式，还包括长距离无线电通信的GPRS方式、CDMA方式、3G方式、4G方式、5G方式、6G方式、nG方式其中之一或组合的电路和天线；和／或，

无线电通信还包括卫星定位方式和卫星通信方式，卫星定位方式提供包括北斗、GPS的卫星定位坐标、高程坐标和卫星授时，卫星通信方式包括将系统自适应网络通过卫星接入地面通信网络。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括集装箱控制器的S5000步骤，具体包括：

S5010步骤：由集装箱控制器控制集装箱内部设备，以构成包括冷藏集装箱、保温集装箱、通风集装箱、压力集装箱、罐式集装箱；

S5020步骤：由集装箱控制器通过设定获得集装箱编号和设定温度，通过传感器采集集装箱的包括送风温度、回风温度、环境温度、区域温度；或，

S5030步骤：由集装箱控制器通过设定获得集装箱编号和设定的气体种类、气体浓度，通过传感器采集集装箱的包括气体种类、区域气体浓度；或，

S5040步骤：由集装箱控制器通过设定获得集装箱编号和设定气体压力，通过传感器采集集装箱的包括箱内气体压力。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括S6000步骤的冲突集装箱信息的处理，具体包括：

S6010步骤：冲突集装箱信息包括同一个集装箱编号在同一个采样时刻内，在一个以上的主机上出现两条以上的集装箱信息，其中采样时刻为设定的定长时间值，在采样时刻内，只保留一条集装箱信息，出现两条及以上集装箱信息即判定为冲突集装箱信息；

S6020步骤：检查冲突集装箱信息，包括在采样时刻上排序的冲突集装箱信息列表中，保留排在第一的集装箱信息，删除排在后面的其他集装箱信息；

S6030步骤：检查冲突集装箱信息，包括集装箱信息的合理性检查，包括集装箱的编号、设定温度、出风温度、回风温度、位置坐标在合理的范围内，保留合理的集装箱信息，删除不合理的集装箱信息；

S6040步骤：检查冲突集装箱信息，包括集装箱信息的完整性检查，包括集装箱的编号、设定温度、出风温度、回风温度、位置坐标在数据完整的范围内，保留完整的集装箱信息，删除不完整的集装箱信息。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：

数据中心的网络连接依据系统自适应网络确定，对于包括星型通信网络，系统包括以太网交换机，对于包括总线型通信网络和环型通信网络，系统包括数据中心的总线连接器。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括风机节能子系统的S7000步骤：

S7010步骤：风机节能子系统应用于包括集装箱船舶的货舱或陆地仓库，其中集装箱堆放在集装箱船舶封闭的货舱里或陆地仓库里，在货舱里或陆地仓库里设有风管和安装在风管上用于通风的风机，用于货舱和集装箱船舶外或用于或陆地仓库和仓库外进行通风降温；

S7020步骤：集装箱的堆放具有位置坐标，包括行、列、层的编号；

S7030步骤：依据集装箱的堆放的位置坐标，将采集到的集装箱信息，在数据中心中建立至少包括集装箱的编号、位置坐标、设定温度、回风温度、环境温度构成的温场矩阵；

S7040步骤：采集货舱或陆地仓库的外部温度，依据设定的节能温差，控制风机，进行温度管理，使得温场矩阵在进风口或出风口在不超过3个集装箱位置坐标尺寸之内的温度，与货舱或陆地仓库的外部温度相差小于节能温差；

S7050步骤：控制风机包括开关量控制和模拟量控制，其中开关量控制用于风机的启停，模拟量控制用于风机转速的调节；

S7060步骤：对于包括两个以上的货舱或仓库，每个货舱或仓库均采用S7010步骤至S7050步骤的控制步骤，以实现全部货舱或仓库的风机节能步骤；

S7070步骤：风管的一端有风机、进风口和位置坐标，在风管上有一个以上的出风口和位置坐标；和／或，

S7080步骤：风管的一端有风机、出风口和位置坐标，在风管上有一个以上的进风口和位置坐标；和／或，

S7090步骤：依据节能温差，通过改变具备融冰功能的冷藏集装箱的包括融冰设置、送风温度、回风温度来进一步实施冷藏集装箱箱内节能。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括集装箱管理的S8000步骤：

S8010步骤：通过数据中心将系统接入公网，包括互联网和专用网络，包括陆地网络和海洋卫星网络；

S8020步骤：建立用户号和用户管理子系统，提供给集装箱的优化接口和管理子系统，由包括集装箱货主用户、集装箱管理用户对于系统进行管理操作；

S8030步骤：建立和提供移动用户端管理子系统，设置管理权限，由移动用户对于系统进行管理操作；

S8040步骤：建立和提供面向集装箱货主用户的用户端管理子系统，设置管理权限，由集装箱货主用户对于系统进行管理操作。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括人工录入的无线移动终端设备，以记录集装箱的人工录入信息，并采用短距离无线电通信方式与数据中心联网，将人工录入信息合并到数据中心中。