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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der
Lagerung und des Transports von durch Umwelteinflüsse sich ändernden
Gütern sowie ein System aus mehreren solcher Vorrichtungen
zur Bildung eine Netzwerks.
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Haltbarkeit
von Lebensmitteln, aber auch von medizinischen und chemischen Produkten
sowie verschiedener Gefahrgüter wird durch die Umweltbedingungen
beeinflusst. Das auf Lebensmitteln angegebene Mindesthaltbarkeitsdatum
gilt beispielsweise nur bei Einhalten einer bestimmten Temperatur,
die nicht durchgehend überwacht wird. Die Vorgeschichte
eines Produkts hat somit signifikanten Einfluss auf dessen Resthaltbarkeit,
steht aber in der Regel nicht direkt zur Verfügung.
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Die
Aufzeichnung von Klimadaten ist inzwischen europaweit beim Transport
von Lebensmitteln gesetzlich vorgeschrieben, jedoch wird sie überwiegend
mit einem fest im Transporter, beispielsweise einem Kühltransporter,
installierten Klimaschreiber realisiert. Diese Klimaschreiber erfassen
die Klimadaten an einem Punkt im Raum, so dass verschiedene Verpackungseinheiten
aufgrund von Strömungsverhältnissen und Abschattung
tatsächlich unterschiedlich starke Umwelteinflüsse
erfahren, die durch die Messung mit einem örtlich gebundenen
Klimaschreiber ungenügend erfasst werden.
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Zur
Indikation der ”Frische” von Lebensmitteln sind
Zeittemperaturindikatoren (Time Temperature Indicator, TTI) auf
der Basis temperaturabhängiger chemischer Reaktionen (
WO 2006/015961 ) bekannt. Solche
Indikatoren geben aber jeweils nur den aktuellen Zustand an.
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Aus
der Veröffentlichung R. Jedermann et al. "UHF-RFID
in the Food Chain – from Identification to Smart Labels" werden
verschiedene Vorschläge zur Aufzeichnung von Temperatur
und Feuchtigkeitsdaten angegeben. Beispielsweise wird auf RFID-Datenlogger
hingewiesen, die zusätzlich zu einer RFID-Schnittstelle
Temperatursensoren, Batterien und Speicher zum Aufzeichnen einer
Mehrzahl von Temperaturwerten umfassen. Weiterhin werden Versuche
mit RFID-Temperaturetiketten offenbart, die einen Mikrocontroller
umfassen, auf denen die Resthaltbarkeit von Lebensmitteln abgeschätzt
wird. Die Versuche beziehen sich im Wesentlichen auf den Energieverbrauch
eines solchen Etiketts über die Haltbarkeitsdauer. Schließlich
sind aus dieser genannten Veröffentlichung netzwerkbetriebene
Tempera tursensoren bekannt, die in Transportcontainern an unterschiedlichen
Stellen angeordnet sein können und mit Basisstationen kommunizieren
können. Diese aktiven, energieautarken Temperatursensoren
können zu Adhoc-Netzwerken zusammengefasst und zur Messung
und Überwachung räumlicher Temperaturverteilungen
beim Transport temperatursensibler Güter verwendet werden.
Solche Netzwerke können über ein Gateway den weltweiten
In-Situ-Zugriff auf den Transportzustand erlauben, wobei die Sensoren auch
eine Relaisfunktion erfüllen können.
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RFID-Etiketten
werden an unterschiedlichsten Gütern, beispielsweise in
der Bekleidungsindustrie, aber wie schon erwähnt, auch
in der Transportindustrie verwendet, die auch visuelle Informationen permanent
ohne eigene Energieversorgung darstellen. So ist beispielsweise
in der
EP 1 779 312
A2 ein Etikett zum Kennzeichnen von Transportbehältern
für Postsendungen als Ersatz von Papieretiketten offenbart,
das ein bistabiles Display in Form eines monostabilen Flüssigkristalldisplays
oder auf der Basis von elektronischer Tinte verwendet. Mit Hilfe
eines Lese/Schreibgeräts lassen sich drahtlos die dargestellten
Informationen verändern. Diese bekannten Etiketten gestatten
jedoch nicht die Aufzeichnung von Lager- und Transportbedingungen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Überwachung
der Lagerung und des Transports von durch Umwelteinflüsse
sich ändernden Gütern zu schaffen, die eine Aufzeichnung der
wesentlichen Umweltbedingungen über die Lebensdauer des
Gutes gestattet, Informationen über den aktuellen Zustand
des jeweiligen Gutes auch in menschen- und/oder maschinenlesbarer
Weise zur Verfügung stellt, die kompakt ist und lebensmittelhygienische
Anforderungen erfüllt und eine etikettenähnliche
Form aufweist sowie eine Nahfeldkommunikation gestattet, wobei ein
geringer Energieverbrauch und eine hohe Energieeffizienz gewährleistet werden
soll.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Hauptanspruchs gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Dadurch,
dass eine digitale Logik, z. B. ein Mikrocomputer mit Datenspeicher,
mehrere Sensoren zur Messung unterschiedlicher Lager- und Transportbedingungen,
eine Sende- und Empfangseinrichtung z. B. ein Transponder für
die Nahfeldkommunikation mit mindestens einer als Spule ausgebildeten Antenne
und nachgeschaltetem Schaltkreis zum Senden und Empfangen, ein aufladbarer
Energiespeicher sowie eine bistabile Anzeige vorgesehen sind, die
alle auf einem Schaltungsträger angeordnet und wobei der
Mikrocomputer abhängig von den Sensorsignalen eine den
Zustand der Güter betreffende Auswertung vornimmt, deren
Ergebnis and die bistabile Anzeige lieferbar ist, wird ein ”intelligentes Etikett” zur
Verfügung gestellt, das wichtige Informationen, wie Identifikationsnummer,
Produktart, Zustand des Produkts und Alarmnachrichten ständig anzeigen
kann, und dies in menschenlesbarer Weise, wobei jederzeit ein Abrufen
der gesamten Zustandshistorie über den Transponder, der
als RFID-Transponder ausgebildet sein kann, möglich ist.
Aufgrund der bistabilen Anzeige wird eine gute Energieeffizienz
zur Verfügung gestellt.
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Durch
die Möglichkeit des Nachladens des Energiespeichers, z.
B. über die RFID-Schnittstelle wird der wiederholte Einsatz
kleinerer Energiespeicher ermöglicht, wobei sie abhängig
von ihrer Kapazität entlang der Logistikkette, z. B. von
einem Warentransport weder aufgeladen werden müssen.
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Durch
eine vollständige Verkapselung werden die lebensmittelhygienischen
Anforderungen erfüllt und die erfindungsgemäße
Vorrichtung kann somit als Etikett an Transportbehältern
angebracht oder in diese integriert werden. Ein derartiges Etikett
ist wiederverwendbar und es entsteht keine Entsorgungsproblematik
aufgrund dieser Wiederverwendbarkeit und folglich können
auch die Kosten geringer gehalten werden.
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Dadurch,
dass die Antenne des Transponders oder eine weitere als Antenne
ausgebildete Spule mit einer Laderegelungsvorrichtung zur Aufladung
des Energiespeichers verbunden ist, kann jederzeit eine Aufladung
vorgenommen werden. Gegebenenfalls können Doppelschichtkapazitäten
bei kürzeren Mindestbetriebslaufzeiten eingesetzt werden, die
kürzere Ladezeiten erlauben, da sie höhere Ladestromdichten
unterstützen, jedoch auch eine höhere Selbstentladung
aufweisen. Um die erwünschte vollständige Verkapselung
der Vorrichtung zu gestatten, erfolgt das Wiederaufladen des Energiespeichers über
induktive Kopplung im Nahfeld eines Lese-/Schreibgeräts
oder eines anderen Wechselfelds. Dazu werden die Spule und die Laderegelungseinrichtung
mit Spannungsanpassung verwendet. Die Ladung bei induktiver Kopplung
kann aber auch über getrennte Spulen durchgeführt
werden.
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Vorteilhafterweise
können mehrere Energiespeichertechnologien verwendet werden,
die unterschiedliche Temperaturverhalten aufweisen und abhängig
von der gemessenen Temperatur umschaltbar sind, um jeweils einen
Energiespeicher zu verwenden, der seinen optimalen Wirkungsgrad
in dem gemessenen Temperaturbereich aufweist.
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Vorzugsweise
weist die Vorrichtung eine weitere Antenne und einen weiteren nachgeschalteten Schaltkreis
zum Senden und Empfangen für die Fernfeldkommunikation
auf, d. h. es können größere Distanzen überbrückt
werden und die als Funkfrontend ausgebildete Kommunikationsanordnung
arbeitet vorzugsweise im weltweit freigegebenen ISM-Band. Es können
somit aus mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen
ein Ad-hoc-Netzwerk gebildet werden, wobei die dabei beteiligten
erfindungsgemäßen Vorrichtungen nicht zwingend
mit der gleichen Sensorik ausgestattet sein müssen. Durch
die Bildung des drahtlosen Netzwerks können die jeweils
anderen Vorrichtungen als Relaisstation benutzt werden, um eine
größere Distanz abdecken zu können. Ein
optionales Gateway in diesem Netzwerk nutzt Infrastrukturen zur
Fernkommunikation (z. B. AIS, GSM, UMTS, WLAN), um die gemessenen und
berechneten Informationen zur weltweiten In-Situ-Monitoring des
Güterzustandes bereitzustellen. In das Netzwerk kann auch
ein positionsbestimmender Netzwerkteilnehmer eingebunden werden,
z. B. ein Navigationssystem eines Fahrzeugs. Über das Netzwerk
werden die aktuellen Positionsinformationen an die jeweiligen erfindungsgemäßen
Vorrichtungen geliefert, um den Verlauf der Transportwege in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur späteren
Auswertung zu speichern, ohne in jede Vorrichtung einen positionsbestimmenden
Empfänger, z. B. GPS oder Galileo integrieren zu müssen.
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Vorzugsweise
ist der Schaltungsträger mit Bauelemen ten und Verkapselung
derart aufgebaut, dass die gesamte Vorrichtung scheckkartenartig,
d. h. in Bezug auf Länge und Breite flach, d. h. mit geringer
Höhe ausgebildet ist.
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Als
Sensoren können solche zur Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit,
Intensität der Strahlung, Wellenlänge der Strahlung,
Beschleunigung, Erschütterung oder dergleichen verwendet
werden.
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In
vorteilhafter Weise wird die Datenerfassung durch den Mikrocomputer
und/oder die Darstellung auf der digitalen Anzeige zeitgesteuert
und/oder ereignisgesteuert durchgeführt, wobei ein Zeitgeber und/oder
Komparatoren mit Schwellenwertvorgabe vorgesehen sein können.
Durch diese Möglichkeiten kann der Energiebedarf optimal
an die Gegebenheiten angepasst werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind der in der Zeichnung dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
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1 ein
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 einen
beispielhaften Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in schematischer Darstellung,
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3 eine
Darstellung eines Ad-hoc-Netzwerks als Teilinfrastruktur mit mehreren
erfindungsgemäßen Vorrichtungen und
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4 eine
Darstellung einer Standardtransportkiste mit Integration der erfindungsgemäßen
Vorrichtung und maschinenlesbarer Anzeige.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst nach 1 einen
Mikrocomputer 1 mit zugeordnetem Datenspeicher 2 und
mehrere Sensoren 3, 4, 5, beispielsweise
einen Feuchtigkeitssensor 3 und einen Temperatursensor 4 und
weitere Sensoren 5, die über einen A/D-Wandler 6 mit
dem Mikrocomputer 1 verbunden sind. Weiterhin ist ein bistabiles
Display 7 vorgesehen, das über einen Displaytreiber 8 ebenfalls
an den Mikrocomputer 1 angeschlossen ist. Ein Zeitgeber 9 für
eine zeitgebundene Steuerung kann gleichfalls mit dem Mikrocomputer
verbunden sein.
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Für
eine Nahfeldkommunikation ist ein RFID-Transponder vorgesehen, der
eine Antenne oder Spule 10 zur induktiven Kopplung mit
einem externen Schreib-/Lesegerät und eine mit ihr über
einen Hochpass 11 verbundene Sende-/Empfangsschaltung 12 umfasst.
Die Sende-/Empfangsschaltung 12 ist an den Mikrocomputer 1 angeschlossen.
Die Vorrichtung verfügt weiterhin über eine Fernfeld-Kommunikationseinrichtung,
die eine Antenne 13 und eine Fernfeld-Sende-/Empfangsschaltung 14 aufweist,
wobei letztere zur Erstellung oder Verarbeitung der Sende-/Empfangssignale
mit dem Mikrocomputer 1 verbunden ist. Die Vorrichtung
verfügt über eine Sekundärbatterie 15,
die über eine induktive Kopplung im Nahfeld eines Lese-/Schreibgeräts
oder eines anderen Wechselfeldes aufladbar ist. Dazu wird, wie in 1 dargestellt,
die Spule 10 verwendet, die über einen Tiefpass 16,
eine Gleichrichterschaltung 17 und eine Ladereglerschaltung 18 mit
dem Energiespeicher 15 verbunden ist. Die Fernfeldkommunikationseinrichtung
wird durch einen integrierten Energiespeicher versorgt, während
die Nahfeldkommunikationseinrichtung bzw. die Sende-/Empfangsschaltung 12 durch
induktive Kopplung aus dem Wechselfeld des Le segeräts mit
Energie versorgt wird. Überschüssige Energie kann
dabei an das interne Versorgungsnetz 19 abgegeben werden.
Auch der Energiespeicher 15 ist mit dem Versorgungsnetz 19 verbunden.
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Der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist eine
eindeutige Identifikation zugeordnet, die in einem Speicher 20 abgelegt
ist.
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In 2 ist
schematisch der Aufbau einer Vorrichtung nach 1 dargestellt,
wobei hier die einzelnen Elektronikbauteile nicht dargestellt sind. Die
Vorrichtung weist einen Schaltungsträger 21 auf, der
die in 1 dargestellten Bauelemente trägt und entsprechend
verdrahtet ist. Auf dem Schaltungsträger 21 ist
beispielsweise eine bistabile Flüssigkristallanzeige 22 angeordnet,
die ihren Anzeigezustand bei unterbrochener Energieversorgung beibehält,
so dass die Informationen auch lesbar sind, wenn keine Spannung
anliegt. Die Anzeige 22 kann in Form von Buchstaben oder
Zahlen als menschenlesbare Anzeige vorgesehen sein, sie kann jedoch
auch zusätzlich eine maschinenlesbare Anzeige umfassen,
beispielsweise einen Bar- oder Mustercode. Schematisch ist eine
Batterie 23 als Energiespeicher dargestellt, die unterhalb
der Anzeige bzw. auf der der Anzeige entgegengesetzten Seite des
Schaltungsträgers 21 liegt. Auf den Schaltungsträger 21 aufgedruckt
oder in anderer Weise aufgebracht ist eine Antenne 24 zur
drahtlosen Fernfeldkommunikation sowie eine Antenne oder Spule 25 zur
Nahfeldkommunikation und zum induktiven Energieeintrag. Die gesamte
Anordnung nach 2 ist mit einer Verkapselung
versehen, die als Gehäuse unter Freilassung der Anzeige 22 oder
auch durch eine Kunststoffummantelung oder -beschichtung realisiert
sein kann.
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In
dem Mikrocomputer 1 ist ein Programm zur Bestimmung des
Zustands des Produkts vorgesehen, das beispielsweise für
Lebensmittel auf dem Arhenius-Modell beruht und das beispielsweise
die Resthaltbarkeit von Lebensmitteln abhängig von Umweltparametern,
die durch die Sensoren 3 bis 5 erfasst werden,
bestimmt. Beispielsweise wird die quantitative Abhängigkeit
der Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten von der Temperatur beschrieben. Weiterhin
sind in dem Mikrocomputer 1 Informationen und Programme
enthalten, die die Kommunikation über die Sende-/Empfangsschaltungen 12, 14 sowie
alle anderen Abläufe, wie Datenspeicherung, steuern. Dazu
sind alle gängigen Kommunikationsprotokolle vorgesehen.
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Wie
ausgeführt, verfügt die erfindungsgemäße
Vorrichtung über die Sensoren 3 bis 5 zur
Messung verschiedener Lager- und Transportbedingungen, wobei im
Falle des Transports von Lebensmitteln, der Mikrocomputer 1 als
Verarbeitungseinheit in Abhängigkeit von dem gespeicherten
Programm die Resthaltbarkeit des Produkts oder die Dauer zu anderen
zukünftigen Ereignissen, wie z. B. die vollständige
Reifung mit den implementierten Modellen anhand der Historie abschätzt.
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Üblicherweise
wird nur der Zustand der Waren, wenn durch eine Leseeinheit angefragt, übertragen,
um die zur Prozesssteuerung notwendige Datenmenge gering zu halten,
wobei die zeitlich aufgelöste Historie abgerufen werden
kann, wenn ein Anlass dazu besteht. Beispielsweise können
basierend auf der ersten kurzen Zustandsabfrageinformation Stücke
aussortiert werden. Da die zu übertragende Information
kurz ist, genügt auch eine kurze Verweildauer im Feld der
Leseeinheit, z. B. entlang eines sich schnell bewegenden Fließbandes.
Es genügt, das komplette Messwertprotokoll auf Verdacht
nach dem Aussortieren auszulesen. Ein Verdacht besteht, wenn die
Vorrichtung die Verletzungen zulässiger Bereiche von Sensorwerten
signalisiert oder basierende auf den Sensordaten einen kritischen
Produktzustand prognostiziert hat. Die abgeschätzte Resthaltbarkeit
wird neben produktidentifizierenden und für die Warenlogistik
notwendigen Informationen auf der Anzeige 7 dargestellt.
Mit der genannten Information kann der Verbrauch der Waren nach
Resthaltbarkeit geplant werden und die Menge der entsprechend dem
Stand der Technik unter Berücksichtigung des aufgedruckten
statistischen Mindesthaltbarkeitsdatums auf Verdacht weggeworfenen
Waren reduziert werden.
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Um
für die Langzeitdarstellung von Informationen keine Energie
zu verbrauchen und damit die Größe des mitzuführenden
Energiespeichers 15 klein zu halten, wird das bistabile
Display 7 eingesetzt, wobei der Wechsel der Anzeige, die
auch mehr Informationen enthalten kann als oben angegeben, so beispielsweise
Bezeichnung, Herkunft und Ziel des Produktes, aktuelle und vergangene
Verletzungen von Grenzwerten, Zustand der Energieversorgung. Ebenso
kann die gesamte Ablaufsteuerung der Datenerfassung und -verarbeitung
zeitgesteuert und/oder ereignisgesteuert erfolgen. Die Zeitsteuerung
erfordert das periodische Aufwecken des Systems durch den permanent
betriebenen Zeitgeber 9 aus einem Energiesparmodus, um
zu definierten Zeiten die Umgebungsbedingungen über den
Sensoren 3 bis 5 abzufragen. Die ereignisgesteuerte
Variante führt zum Wecken des Systems bei Eintreten eines bestimmten
Ereignisses, z. B. bei einer Verletzung von Grenzwerten. Anstelle
des permanent aktiven Zeitgebers werden dafür energiesparende
Fensterkomparatorschaltungen eingesetzt. Programmierbare Widerstände
ermöglichen das Variieren der Schwellenwerte der Komparatoren.
Es ist jedoch eine kombinierte Ablaufsteuerung denkbar, die zwischen
beiden Möglichkeiten umschaltet und zwar abhängig
davon, ob der vorhandene Energiespeicher 15 Möglichkeiten
hat, aufgeladen zu werden, in diesem Fall kann die Zeitsteuerung
verwendet werden, oder ob keine Aufladequelle vorhanden ist, wie
tatsächlich beim Transport. Falls bei einer ereignisgesteuerten
Ablaufsteuerung in einem speziellen Anwendungsfall der Zeitpunkt
der Verletzung protokolliert werden soll, so kann über
die Fernfeld-Kommunikationseinrichtung 13, 14 ein
entsprechendes Zeitsignal angefordert werden.
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In 3 ist
ein Netzwerk dargestellt, das aus mehreren schematisch dargestellten
Vorrichtungen 26 entsprechend 1 besteht
und das ad hoc zusammengestellt werden kann. Dabei kann, aber muss
nicht, ein Gateway 27 eingesetzt sein, das, wie dargestellt,
Infrastrukturen zur Fernkommunikation, z. B. AIS, GSM, UMTS, WLAN
nutzt, um im vorliegenden Fall mit mobilen Telefonen 28 mit
PCs 29 oder Datenbankservern 30 in Verbindung
zu treten und die gemessenen und berechneten Informationen zur weltweiten
In-Situ-Überwachung des Güterzustands bereitzustellen.
In das Netz kann auch ein positionsbestimmender Netzwerkteilnehmer
eingebunden werden, z. B. das Navigationssystem eines Fahrzeugs,
um über das Netzwerk die Verteilung der aktuellen Positionsinformationen
an die verschiedenen Vorrichtungen 26 zu geben, wodurch
der Verlauf der Transportwege in dem jeweiligen Datenspeicher zur späteren
Auswertung gespeichert wird. Eine Aktivierung und Deaktivierung
der Ad-hoc-Netzwerkfunktionalität kann bei Bedarf über
die Nahfeld-Kommunikationseinrichtung 10, 11, 12 durchgeführt
werden.
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Trotz
der im Lebensmittelbereich erwünschten voll ständigen
Verkapselung des Systems ist der Austausch von Informationen sowie
das Wiederaufladen des integrierten Energiespeichers über
die induktive Kopplung durch Modulation des Nahfeldes möglich,
sobald sich die Vorrichtung im Feld eines Lesegeräts befindet.
Gegenüber der oben beschriebenen Funkkommunikation können
die gewünschten Informationen augenblicklich ausgelesen
werden. Dabei erlaubt der Einsatz von im RFID-Fachgebiet bekannten
Antikollisionsmechanismen das Lesen und Beschreiben mehrerer Vorrichtungen
nach 1 im selben Feld. Dabei kann das Aufwecken der Vorrichtung,
wenn sie sich im Energiesparmodus befindet, durch Energieeintrag über
induktive Kopplung ausgelöst werden.
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Um
während des Transports und einer Lagerung den Energiespeicher 15 autark
nachzuladen und damit die Dauer zwischen zwei induktiven Ladevorgängen
zu vergrößern, können Generatoren vorgesehen
werden, beispielsweise Solarzellen auf der Oberfläche der
Vorrichtung nach 1 oder integrierte Piezoschwinger,
die durch Vibrationen beim Transport aktiviert werden.
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Entsprechend 4,
die eine Transportkiste 31 zeigt, kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung fest mit dem Behälter 31 verbunden
sein, z. B. durch Einbettung in die Seitenwand. Im vorliegenden
Fall ist die Anzeige bzw. das Display 22 zu erkennen, über
die bzw. das unterschiedliche Informationen, wie die Identifikationsnummer,
die Art des Produkts, Resthaltbarkeit, Warninformationen usw. angezeigt werden
können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/015961 [0004]
- - EP 1779312 A2 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - R. Jedermann
et al. ”UHF-RFID in the Food Chain – from Identification
to Smart Labels” [0005]