CN1831843A - 基于红外技术的集装箱及运输设备自动识别方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于红外技术的集装箱及运输设备自动识别方法和装置，采用定向红外线发射和接收的方法，以发射接收红外信号的器件组成矩阵的天线即红外通信主控模块(B)与计算机系统(AI)控制连接组成通信网络，红外通信主控模块(B)发出的红外信号通过抗光干扰的导光管(C)，激活集装箱及运输设备上设置的红外标识模块(A)进行通信，被激活后的红外标识模块(A)还可按顺序激活后面多级红外标识模块(A)进行接力通信，由计算机系统(AI)对集装箱及运输设备进行自动识别，实现集装箱及运输设备在物流系统，包括铁路、公路和海运中的全过程跟踪及集装箱的自动化积载作业。

Description

基于红外技术的集装箱及运输设备自动识别方法和装置

所属技术领域

本发明属于自动识别技术领域，特别涉及一种采用了红外线发射和接收的方法和装置应用于集装箱及运输设备的自动识别。

背景技术

目前，在运输领域的设备自动识别有3种方法，1、视频识别系统(VideoMonitoring System)；2、条码识别系统(Bar-code Identification System)；3、无线电波反射系统(Radio-wave Energy Reflected System)，其中第1种方法可参见美国专利6,256,553《搬运集装箱的方法和装置》；众所周知，第2种方法已被广泛应用于商品自动识别；第3种方法已被ISO/TC 104列入ISO10374国际标准的附录中，又称之为RFID技术；还有中国发明专利03112740.1《基于跳频技术的车辆自动识别方法及模块》是将抗干扰性较好的无线射频(RF)通信技术应用于车辆自动识别，基本上也属于无线电波反射系统范畴。

以上3种方法的共同不足之处是：只能识别分散的集装箱及运输设备，不能自动识别积载紧密并形成箱堆的集装箱，较难自动识别在积载过程中的集装箱，而中国发明专利03112740.1公开的方法，也只能用于车辆识别，因此，以上3种方法都不能满足集装箱及运输设备在运输、集装箱堆场、集装箱码头装卸过程、集装箱自动化积载作业中实现自动识别的要求。

发明内容

发明目的：

1.解决集装箱在运输、积载过程和积载成箱堆后的自动识别问题；

2.取代无线电波反射系统，即目前拟推广应用于车辆自动识别的射频感应卡(RFID)技术，以同一种方法和装置，同时实现集装箱及运输设备在物流系统，包括铁路、公路和海运中的全过程跟踪；

3.利用红外通信模块自身具有的数字化无线信标功能，配合堆场及码头搬运机械的全球卫星定位系统(GPS)，实现集装箱搬运机械积载集装箱至箱位、集装箱堆高过程的精密(厘米级)自动定位，克服全球卫星定位系统(GPS)定位精度(米级)不够的问题，实现集装箱的自动化积载作业。

技术解决方案：

本发明是一种基于红外技术的集装箱及运输设备自动识别方法和装置，采用定向红外线发射和接收的方法，以发射接收红外信号的器件组成矩阵的天线即红外通信主控模块(B)与计算机系统(AI)控制连接组成通信网络，红外通信主控模块(B)发出的红外信号通过抗环境光干扰的导光管(C)，激活集装箱及运输设备上设置的红外标识模块(A)进行通信，被激活后的红外标识模块(A)还可按顺序激活后面多级红外标识模块(A)进行接力通信，由计算机系统(AI)对集装箱及运输设备进行自动识别。该装置包括红外标识模块(A)、红外通信主控模块(B)、导光管(C)；其中导光管(C)安置在红外标识模块(A)与红外通信主控模块(B)之间的光通道上，安在红外标识模块(A)与另一个红外标识模块(A)之间的光通道上。红外标识模块(A)包含微控制器(MCU)、一组或一组以上不同方位安置的红外收发器件112、电池113；微控制器(MCU)与一组或一组以上不同方位安置的红外收发器件112控制连接，与电池113电连接。红外通信主控模块(B)包含微控制器(MCU)、若干组红外收发器件112；微控制器(MCU)与若干组红外收发器件112控制连接。

优点及效果：

1.本发明不仅能自动识别分散、流动的集装箱及运输设备，又能自动识别积载过程中的集装箱及积载成箱堆后任意位置的集装箱。

2.红外线发射和接收技术加上导光管装置的方法有很强的方向性，避免了环境光线及各红外模块信号光源之间的相互干扰，其抗干扰性及通信距离优于目前的无线电波反射系统，其数字化和信息化程度、可识别性能均优于视频识别系统和条码识别系统，

3.用量最大的红外标识模块结构简单、成本低廉，易推广，其成本大大低于中国发明专利03112740.1中所述的车载模块。

4.红外通信主控模块和红外标识模块均兼有数字化无线信标功能，可应用于集装箱的精密自动定位积载，提升集装箱堆场、码头搬运作业的自动化水平。

附图说明

图1为基本功能模块结构框图；

图2为红外通信主控模块(B)平面结构示意图；

图3为红外通信主控模块(B)与集装箱上的红外标识模块(A)通信示意图；

图4为便携式红外及无线通信设备201与红外标识模块(A)通信示意图：

图5为红外通信主控模块(B)与多层集装箱上安置的红外标识模块(A)通信示意图；

图6为安置在闸口上的红外通信主控模块(B)与集装箱上安置的红外标识模块(A)及运输车辆上安置的红外标识模块(A)通信示意图；

图7为安置在铁路旁的红外通信主控模块(B)与铁路货车车箱上安置的红外标识模块(A)通信示意图；

图8为吊车自动定位积载集装箱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的基于红外技术的集装箱及运输设备自动识别方法和装置作进一步的说明。

基本功能模块框图，如图1所示，集装箱和运输设备的自动识别装置包括：红外标识模块(A)101包含微控制器(MCU)111、一组或一组以上不同方位安置的红外收发器件112、电池113；微控制器(MCU)111、与一组或一组以上不同方位安置的红外收发器件112控制连接，与电池113电连接。红外通信主控模块(B)102包含微控制器(MCU)111、若干组红外收发器件112；微控制器(MCU)111与若干组红外收发器件112、计算机系统(AI)控制连接；导光管(C)103安置在红外标识模块(A)101与红外通信主控模块(B)102之间的光通路上。

基本工作方式：红外标识模块(A)101平时处于待机休眠的节电状态，当红外通信主控模块(B)102移动至导光管(C)103轴向开孔处时，发射红外启动信号，通过光通路上的一组红外收发器件112，激活红外标识模块(A)101与红外通信主控模块(B)102通信，若还要与下一级红外标识模块通信，微控制器(MCU)111则通过不同方位安置的一组红外收发器件112激活下一级相对应方位的红外标识模块通信，通信任务完成后，红外标识模块(A)101中的微控制器(MCU)111在自身嵌入式软件的控制下，使模块自动进入待机休眠节电状态。

红外通信主控模块(B)平面结构示意图，如图2所示，红外通信主控模块(B)102内设置有微控制器(MCU)111与若干组红外收发器件112控制连接，红外收发器件112呈一定间距、网格状排列成矩阵，形成一块红外光收发信的平面天线，矩阵中心的红外收发器件112A为无线信标的基准点器件。

红外通信主控模块(B)与集装箱上的红外标识模块(A)通信示意图，如图3所示，红外标识模块(A)101与导光管(C)103可制成分立或整体装置固定或嵌入集装箱105的门扇或其他统一位置上，红外通信主控模块(B)102安置于搬运机械301(如：吊车、堆高机、专用叉车)上，通过搬运机械上的无线通信设备302与计算机系统(AI)104控制连接。

基本工作方式：当安置于搬运机械301上的红外通信主控模块(B)102，移动至集装箱105上导光管(C)103轴向开孔处时，发射红外启动信号，红外标识模块(A)101被激活，开始与红外通信主控模块(B)102通信，交换信息。因红外标识模块(A)101及红外通信主控模块(B)102的光通路上安置了导光管(C)103，使收发信的红外光束变小，相当于一个“点”，而红外通信主控模块(B)102的平面上安置了若干组红外收发器件112，则相当于一个“面”，只要“面”上的任意一组红外收发器件112能与红外标识模块(A)101通信，即可保证红外通信主控模块(B)102与红外标识模块(A)101在径向相对位置有一定偏差时，仍能正常通信。为提高红外通信主控模块(B)抗环境光干扰性能和进一步提高收发信号的指向性，亦可在红外通信主控模块(B)上的每组红外收发器件上安置适当大小、长度的导光管。

便携式红外及无线通信设备201与红外标识模块(A)通信示意图，如图4所示，便携式红外及无线通信设备201内设置的微控制器(MCU)111、一组红外收发器件112、无线收发模块(RF)211控制连接，与电池113电连接。

基本工作方式：在某些场合，如：集装箱在装货现场需要将集装箱号、货物名称、数量等信息写入红外标识模块(A)，需使用便携式红外通信设备201来激活红外标识模块(A)101侧向的一组红外收发器件112进行通信，便携式红外通信设备201亦可通过无线传输方式与计算机系统(AI)104通信，交换信息。

红外通信主控模块(B)与多层集装箱上安置的红外标识模块(A)通信示意图，如图5所示，每个集装箱上安置有红外标识模块(A)101，导光管(C)103，集装箱吊车的吊架501上安置有红外通信主控模块(B)102，红外通信主控模块(B)102与计算机系统(AI)104控制连接。

基本工作方式：当吊架501上的红外通信主控模块(B)102移动到上层集装箱上的导光管(C)103处时，红外通信主控模块(B)102首先垂直向下发射红外信号给上层集装箱105上的红外标识模块(A)101上方的一组红外收发器件112，激活红外标识模块(A)101通信，而红外标识模块(A)101上的微控制器(MCU)111则控制相对180度位置(参见图1)，即下方的一组红外收发器件112垂直向下发射红外信号(参见图1)，激活下层集装箱105上的红外标识模块(A)101通信，同时，下层集装箱105上红外标识模块(A)101中的信息亦可发送给上层集装箱105上的红外标识模块(A)101，再转发给红外通信主控模块(B)102，类似微波中继通信，更多的堆层也是如此，所以，计算机系统(AI)104能获取堆场上任意堆载位置集装箱的信息。

安置在闸口上的红外通信主控模块(B)与集装箱上安置的红外标识模块(A)及运输车辆上安置的红外标识模块(A)通信示意图，如图6所示，每个集装箱上安置有红外标识模块(A)101及导光管(C)103，运输车辆上也安置有红外标识模块(A)101及导光管(C)103，在通过点闸口602前方安置了车辆感应器601，与车辆感应器601后方一定距离L闸口602处安置了红外通信主控模块(B)102，车辆感应器601、红外通信主控模块(B)102均与计算机系统(AI)104控制连接。

基本工作方式：当集装箱拖车不停车将要通过闸口时，车辆感应器501可适当提前启动红外通信主控模块(B)102，保证当车辆上的红外标识模块(A)101到达红外通信主控模块(B)102处时，立即被激活进行通信，通信结束后，红外通信主控模块(B)102也可进入休眠状态。

安置在铁路旁的红外通信主控模块(B)与铁路货车车箱上安置的红外标识模块(A)通信示意图，如图7所示，红外标识模块(A)101与导光管(C)103水平固定在车箱701上，红外通信主控模块(B)102安置于道轨的一侧与计算机系统(AI)104控制连接。

基本工作方式：当货车车箱701上的红外标识模块(A)通过红外通信主控模块(B)102处时，被激活与之通信，交换信息。

吊车自动定位积载集装箱示意图，如图8所示，在堆场和船货仓的每个箱位点安置了一块带有箱位编号等信息的红外通信主控模块(B)102，吊车上吊架501上的红外通信主控模块(B)102与吊架伺服控制系统(SS)801控制连接，组成一闭环自动定位控制系统，安置在堆场和船货仓每个箱位点的红外通信主控模块(B)102与吊架501上的红外通信主控模块(B)102均与计算机系统(AI)104控制连接。

基本工作方式：这些在箱位处地面安置的红外通信主控模块(B)102还具有箱位地理座标的数字化无线信标功能，此红外通信主控模块(B)102中的每组红外收发器件均由微控制器(MCU)定义了X方向、Y方向座标编码，以便提供给吊架伺服控制系统(SS)801精确的箱位地理座标信息，当吊车在放下集装箱时，集装箱上红外标识模块(A)101发出的“点”信号，被红外通信主控模块(B)102矩阵中的某一组偏离基准点的红外收发器件收到后，便将偏离座标点的编码信息传递给伺服控制系统(SS)801，由系统控制吊架501向X和Y方向微调移动集装箱至红外通信主控模块(B)102基准点102A，并自动锁定第一层集装箱积载在基准点座标数据，伺服控制系统确认了第一层集装箱的座标数据并被记忆下来，可用于积载左、右各排、行和上面几层集装箱的参照座标数据。同样的方法若应用在吊车吊架上的红外通信主控模块(B)102时，当吊架501接近集装箱准备起吊时，亦能起到自动校正吊勾802位置的作用。

同理，在积载多层集装箱时，参见图5，由于上、下层集装箱的红外标识模块(A)101是通过导光管(C)103进行“点”对“点”的通信，因此，当建立了稳定的通信时，即实现了上、下层集装箱之间的精密定位。若将独立的、有信标、车号等功能的红外通信主控模块(B)安置在集装箱拖车的拖板上，亦能用于集装箱与拖板的自动定位。

本发明装置中所使用的主要元器件仅3种，即微控制器(MCU)、红外通信器件、电池，其中的微控制器(MCU)选用8-16位单片机均可，因红外标识模块(A)使用电池工作，为延长电池的使用寿命，以选用功耗越低的器件越好，如：美国德州仪器公司(Texas Instruments)的MSP430系列单片机等，MSP430系列单片机侍机模式下仅1.6微安。红外通信器件可选用发射接收分立的器件，如：德律风根公司(VISHAY)生产的TSAL6000系列红外发射二极管、TSOP3000系列红外接收头等，也可选用收发一体的器件(IrDA)，如：安捷伦公司(AGILENT)生产的HSDL3600系列等，目前，一般发射接收分立的器件通信距离较远，可达30来米，通信速率较低，而一般IrDA器件通信距离只有数米，但通信速率较高，以上同类器件可供选择的厂家众多，如：SHARP、OMRON、ROHM、NEC、ZILOG等。电池选用一种体积小、容量大、寿命长达10年的一次性锂-亚硫酰氯电池，目前，一节AA(5号)锂-亚硫酰氯电池，电压为3.6V，容量已高达2000毫安时，用在瞬时通信(数十毫安/毫秒级)、间隔工作时间甚长(1月内通信可能仅几次)的红外标识模块(A)中，电池使用寿命可达几年。

用微控制器(MCU)控制红外收发信电路比较简单，在一般教科书、科技文献及产品应用手册中均可找到；微控制器(MCU)与计算机系统控制连接组成有线或无线通信网络已是非常成熟、通用、公开的技术，均不再赘述。

导光管(C)可选用一般工程材料(钢、铝、塑料等)制作成一独立的部件，也可与红外标识模块(A)集成为一体，附加或固定在集装箱体上，在设计制造新集装箱时，亦可将导光管(C)与集装箱的结构件(如：箱门)合为一体；导光管(C)的开口处、所有红外线信号通过的窗口应使用仅能透过红外线，滤除其他光线的滤光片，同时应将导光管(C)的开口处密闭起来，使之具有防水、防尘功能。红外通信主控模块(B)应用在不同场合，其形状、大小、结构件材质、红外通信器件的排列方式和密度等可根据需要设置，整体结构必须具有防水、防尘功能。对于高速运动中红外标识模块(A)的识别(参见图6、图7)，可适当提高红外通信主控模块(B)中红外收发器件的排列密度，保证同时有二组或二组以上红外收发器件与红外标识模块(A)通信，防止通信中断。

本发明若能实施推广，有必要制定一个国家乃至国际统一的标准，标准中应包含：导光管(C)及红外标识模块(A)的标准安置位置及体积大小、红外通信协议标准、红外标识模块(A)中保存的信息等，这样，才能使全球各地流动的数千万只集装箱都能享受到本发明带来的便利。

Claims (4)

1、一种基于红外技术的集装箱及运输设备自动识别方法，其特征在于采用定向红外线发射和接收的方法，以发射和接收红外信号的器件组成矩阵的天线即红外通信主控模块(B)与计算机系统(AI)控制连接组成通信网络，红外通信主控模块(B)发出的红外信号通过抗光干扰的导光管(C)，激活集装箱及运输设备上设置的红外标识模块(A)进行通信，被激活后的红外标识模块(A)还可按顺序激活后面多级红外标识模块(A)进行接力通信，由计算机系统(AI)对集装箱及运输设备进行自动识别。

2、一种基于红外技术的集装箱及运输设备自动识别装置，其特征在于该装置包括红外标识模块(A)、红外通信主控模块(B)、导光管(C)；其中导光管(C)安置在红外标识模块(A)与红外通信主控模块(B)之间的光通道上，安置在红外标识模块(A)与另一个红外标识模块(A)之间的光通道上。

3、根据权利要求2所述的基于红外技术的集装箱及运输设备自动识别装置，其特征在于所述的红外标识模块(A)包含微控制器(MCU)、一组或一组以上不同方位安置的红外收发器件112、电池113；微控制器(MCU)与一组或一组以上不同方位安置的红外收发器件112控制连接，与电池113电连接。

4、根据权利要求2所述的基于红外技术的集装箱及运输设备自动识别装置，其特征在于所述的红外通信主控模块(B)包含微控制器(MCU)、若干组红外收发器件112；微控制器(MCU)与若干组红外收发器件112控制连接。

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