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Die Erfindung beschreibt eine Überwachungseinrichtung mit wenigstens einem Umgebungssensor, mit einer Uhr und mit einem Datenspeicher zum Aufzeichnen eines Zeitstempels und eines zugeordneten Messwerts des Umgebungssensors und mit einer Spannungsversorgung, die wenigstens einen Energiewandler, einen Spannungswandler und einen Energiespeicher aufweist.
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Solche Überwachungseinrichtungen werden eingesetzt, um insbesondere bei Transportgütern zu überwachen, ob vorgegebene Transport- und/oder Umgebungsbedingungen eingehalten wurden.
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Beispielsweise kann damit bei einem Tiefkühlbehälter die Temperatur protokolliert werden oder bei einem Schiffscontainer die Stärke der Erschütterungen. Mit den aufgezeichneten Informationen kann der Empfänger des Transportgutes feststellen, ob die Ware den Spezifikationen entsprechend transportiert wurde.
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Dabei ist es wichtig, dass die Aufzeichnung lückenlos erfolgt. Zudem müssen die einzelnen Messwerte eindeutig einem Datum und einer Uhrzeit zuzuordnen sein, um festzustellen, wann und/oder wie lange eine eventuelle Abweichung der vorgeschriebenen Transport- und/oder Umgebungsbedingungen stattfand.
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Dazu wird der Messwert des Umgebungssensors zusammen mit einem Zeitstempel, der Datum und Uhrzeit enthält, gespeichert, so dass eine genaue zeitliche Zuordnung der Messwerte besteht. Eventuell kann zusätzlich eine Position oder eine andere Ortsangabe mitgespeichert werden.
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Bekannte Überwachungs-Systeme werden üblicherweise mit einer Batterie betrieben, da bei mobilen Transportgütern keine Möglichkeit für einen Netzbetrieb besteht. Ist diese Batterie leer, wird die Aufzeichnung unterbrochen, so dass ab diesem Zeitpunkt keine Messwerte mehr vorliegen.
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Es ist daher bereits bekannt, die Batterie durch wenigstens einen Energiewandler zu ersetzen. Dieser wandelt beispielsweise mechanische, thermische oder solare Energie in elektrische Energie um. Je nach Art des Transportgutes oder des Transportweges kann es vorkommen, dass längere Zeit keine Energiewandlung erfolgt, so dass keine Versorgungsspannung mehr zur Verfügung steht. Die Überwachungseinrichtung mit allen Teilkomponenten geht dadurch aus, so dass auch die Aufzeichnung unterbrochen wird.
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Steht dann durch den Energiewandler erneut Betriebsspannung zur Verfügung, startet die Überwachungseinrichtung alle Komponenten, insbesondere die Uhr, mit einem Startwert neu und beginnt mit der Aufzeichnung. Es steht dadurch keine aktuelle Uhrzeit zur Verfügung, die eine genaue Zuordnung der aufgezeichneten Messwerte erlauben würde. Es kann dadurch insbesondere nicht festgestellt werden, wie lange die Unterbrechung der Aufzeichnung dauerte.
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Um dieses Problem zu umgehen kann die Uhr einen Funkempfänger für die Daten des Zeitsignalsenders DCF-77 enthalten. Dieser funktioniert jedoch nur in Europa und es werden zusätzliche Bauteile benötigt, wodurch die Schaltung aufwändig und teuer wird.
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Eine weltweit funktionsfähige Alternative beschreibt die
DE 195 205 21 A1 . Die gezeigte Überwachungseinrichtung weist ebenfalls einen Energiewandler auf, der Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Das beschriebene System weist zusätzlich einen GPS-Empfänger auf. Die exakte Zuordnung der Messwerte erfolgt hier durch die Positions- und Zeitangaben des GPS-Signals. Da das GPS-Signal einen Zeitstempel beinhaltet steht auch nach einer Unterbrechung der Spannungsversorgung eine aktuelle Uhrzeit zur Verfügung.
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Der GPS-Empfänger benötigt jedoch eine Verbindung zu den GPS-Satelliten, so dass beispielsweise eine Anbringung innerhalb eines Seecontainers nicht möglich ist. Auch kann es vorkommen, dass kein Satellitensignal zur Verfügung steht, so dass der Zeitstempel fehlt.
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Der GPS-Empfänger benötigt jedoch verhältnismäßig viel Energie, so dass die Laufzeit des Systems insgesamt begrenzt ist. Außerdem ist das gezeigte System durch den Empfänger sehr aufwändig und teuer.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Überwachungseinrichtung der vorgenannten Art zu schaffen, die wesentlich einfacher und kostengünstiger ist und dennoch eine eindeutige Zuordnung der Messwerte nach einem Spannungsausfall ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Uhr als separater Baustein ausgebildet ist und dass die Uhr und die restliche Schaltung über separate Spannungsleitungen mit einer Spannungsversorgung verbunden sind, so dass die Uhr unabhängig von der Überwachungsschaltung betreibbar ist. Dabei stellt die Uhr nicht nur die eigentliche Uhrzeit, sondern auch ein zugehöriges Datumssignal bereit.
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Der Uhrenbaustein benötigt im Vergleich zur restlichen Überwachungsschaltung sehr wenig Strom. Die Erfindung sieht nun vor, dass dann, wenn der Energiewandler keine Energie mehr liefert, nur noch die Uhr oder der Uhrenbaustein mit Energie versorgt wird. Dadurch läuft die Uhr unterbrechungsfrei weiter, auch wenn die Datenaufzeichnung unterbrochen wird. Sobald wieder genug Energie zur weiteren Aufzeichnung zur Verfügung steht, kann sofort wieder auf einen aktuellen Zeitstempel zurückgegriffen werden. Die erfindungsgemäße Überwachungseinheit benötigt somit keine aufwändige Funk- oder Satellitenverbindung und ist daher klein und kostengünstig herstellbar und somit universell einsetzbar.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Spannungsleitung zur Überwachungsschaltung einen Schalter auf, so dass die Überwachungsschaltung ausschaltbar ist und nur die Uhr allein weiter betrieben werden kann. Der Schalter wird vorzugsweise geöffnet, wenn der Energiewandler gerade keine Betriebsspannung bereitstellt. Zweckmäßigerweise wird der Schalter erst dann geöffnet, wenn der Ladezustand des zugehörigen Energiespeichers so weit abgesunken ist, dass die Uhr noch einige Tage oder Wochen läuft.
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Aufgrund der geringen Leistungsaufnahme des Uhrenbausteins reicht dazu eine geringe Restladung des Energiespeichers aus, mit der keine Datenaufzeichnung mehr möglich wäre.
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Alternativ kann die Spannungsversorgung auch einen separaten Energiespeicher für den Uhrenbaustein aufweisen, der einen unabhängigen Betrieb der Uhr erlaubt. Es kann hier zusätzlich ein Schalter in der Versorgungsleitung der Überwachungsschaltung vorhanden sein. Sobald der Hauptenergiespeicher der Überwachungsschaltung leer ist, geht diese von alleine aus.
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Die Uhr läuft davon unabhängig weiter, da der Uhrenbaustein eine eigene Spannungsversorgung durch den separaten Energiespeicher für die Uhr aufweist. Aufgrund der sehr geringen Leistungsaufnahme des Uhrenbausteins kann dieser separate Energiespeicher auch eine geringe Kapazität aufweisen, so dass keine wesentlichen Mehrkosten dadurch entstehen.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Energiespeicher für die Uhr bevorzugt aufgeladen wird, sobald der Energiewandler elektrische Energie bereitstellt.
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Aufgrund der sehr geringen Leistungsaufnahme des Uhrenbausteins weist in einer weiteren Ausführung der Erfindung der Uhrenbaustein eine separate Spannungsversorgung über eine Primärbatterie auf. Diese Batterie ist dabei in der Lage, den Uhrenbaustein über die Lebensdauer der Überwachungseinheit, das heißt mehrere Jahre, mit Strom zu versorgen. Als Batterie ist dazu beispielsweise eine Lithium-Knopfzelle völlig ausreichend. Anstatt der Primärbatterien können auch geeignete Sekundärbatterien verwendet werden.
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Alternativ ist es auch möglich, dass der Einsatz einer Primärbatterie für den Uhrenbaustein zusätzlich zu einer Versorgung durch den Energiewandler, möglicherweise mit separatem Energiespeicher, erfolgt.
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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Blockschaltbilder und eines Ablaufdiagramms näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 ein Blockschaltbild einer Überwachungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik,
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2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung mit einer schaltbaren Versorgungsleitung für die Überwachungsschaltung,
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3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführung einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung mit separatem Energiespeicher für den Uhrenbaustein,
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4 ein Ablaufdiagramm des Betriebsprogramms,
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5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführung einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung mit einer Primärbatterie für den Uhrenbaustein.
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Die 1 zeigt eine Überwachungseinrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik. Die Überwachungseinrichtung 1 ist insbesondere zur Überwachung eines Transportgutes, beispielsweise eines Containers, einer Palette oder eines einzelnen Pakets vorgesehen. Dadurch kann der Empfänger feststellen, ob während des Transports eine Abweichung der vorgeschriebenen Transportbedingungen aufgetreten ist. Diese kann beispielsweise auftreten, wenn die Temperatur eines Tiefkühlbehälters über einen vorgegebenen Grenzwert ansteigt.
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Die Stromversorgung erfolgt über eine Spannungsversorgung 2 mit einem Energiewandler 3, der mechanische Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Der Energiewandler 3 speist über einen Spannungswandler 4 einen Hauptenergiespeicher 14. Somit kann auch dann eine Versorgungsspannung zur Verfügung stehen, wenn der Energiewandler 3 gerade keine oder nur wenig elektrische Energie bereitstellt.
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Die Überwachungseinrichtung 1 weist weiterhin einen Mikroprozessor oder einen Mikrokontroller 5, eine Sensorik 6, einen Datenspeicher 7 und eventuell ein Funkmodul 8 und ein Schnittstellenmodul 9 auf.
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Der Mikrokontroller 5 weist eine interne Uhr auf, die als Hardwareuhr oder als Programm ausgebildet sein kann. Sie liefert einen aktuellen Zeitstempel, der Datum und Uhrzeit enthält.
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Die Sensorik 6 weist wenigstens einen Umgebungssensor auf, etwa einen Temperatursensor, einen Erschütterungssensor, einen Feuchtesensor oder einen Sensor für eine andere Messgröße.
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Die Messwerte werden über den Mikrokontroller 5 gemäß einem Betriebsprogramm in festgelegten Intervallen erfasst und jeweils zusammen mit dem aktuellen Zeitstempel im Datenspeicher 7 abgespeichert.
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Der Datenspeicher 7 kann beispielsweise über das Funkmodul 8 und/oder das Schnittstellenmodul 9 ausgelesen werden.
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Aufgrund des Zeitstempels kann anhand der aufgezeichneten Daten eindeutig festgestellt werden, ob, wann und wie lange die Umgebungsbedingungen während des Transports außerhalb der zulässigen Grenzen lagen.
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In 2 ist eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung 1a gezeigt. Abweichend zu der in 1 gezeigten Ausführung ist die Uhr hier in einem separaten Uhrenbaustein 10 realisiert. Der Uhrenbaustein 10 weist eine separate Spannungsleitung zur Spannungsversorgung 2 auf. Der Uhrenbaustein 10 ist daher nur über eine Datenleitung mit dem Mikrokontroller 5 verbunden.
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Die Überwachungsschaltung 12 besteht aus den restlichen Komponenten, nämlich dem Mikrokontroller 5, der Sensorik 6, dem Datenspeicher 7 und eventuell dem Funkmodul 8 und dem Schnittstellenmodul 9.
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In der Spannungsleitung 11 der Überwachungsschaltung 12 ist, von der Spannungsversorgung 2 kommend, ein Schalter 13 angeordnet, über den die Überwachungsschaltung 12 vollständig ausgeschaltet werden kann. In diesem Fall wird nur noch der Uhrenbaustein 10 mit einer Betriebsspannung versorgt.
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Im Betrieb wird der Schalter 13 geöffnet und damit die Spannungsversorgung der Überwachungsschaltung 12 unterbrochen, wenn der Energiewandler 3 gerade keine elektrische Energie liefert und im Energiespeicher 14 nur noch wenig Energie gespeichert ist. Da der Uhrenbaustein 10 alleine nur sehr wenig Energie benötigt, kann dadurch die Laufzeit der Uhr erheblich verlängert werden.
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Die Datenaufzeichnung wird durch Öffnen des Schalters 13 zwar unterbrochen, wenn im Hauptenergiespeicher 14 aber wieder genügend Energie bereitsteht wird die Überwachungsschaltung wieder zugeschaltet. Dann steht beim Wiedereinschalten der Überwachungsschaltung durch die weiterlaufende Uhr sofort ein aktueller Zeitstempel zur Verfügung. Im Gegensatz zum Stand der Technik können also auch die Daten, die nach einer Spannungsunterbrechung der Überwachungsschaltung aufgezeichnet werden, eindeutig durch einen korrekten Zeitstempel zugeordnet werden.
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Dadurch ist feststellbar, wie lange die Unterbrechung der Aufzeichnung dauerte, so dass bei Bedarf geeignete Maßnahmen ergriffen werden können.
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Der Schalter 13 wird bevorzugt über den Ladezustand des Hauptenergiespeichers 14 angesteuert. Der Schalter 13 kann jedoch auch über den Uhrenbaustein 10 oder durch eine andere Steuereinheit geschaltet werden.
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Die 3 zeigt eine alternative Ausführung der Erfindung, bei der die Überwachungseinrichtung 1b in der Spannungsversorgung 2b einen separaten Energiespeicher 15 für den Uhrenbaustein 10 aufweist. Aufgrund der sehr viel geringeren Leistungsaufnahme der Uhr kann die Uhr dadurch unabhängig von der Überwachungsschaltung sehr lange, etwa Monate, betrieben werden.
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Ist der Hauptenergiespeicher 14 der Überwachungseinrichtung 1b leer, endet nur die Datenaufzeichnung, wie beim Ausschalten des Schalters 13 der 2. Die Uhr läuft aber weiter. Es ist daher kein Schalter zum Ausschalten der Versorgungsspannung der Überwachungsschaltung 12 notwendig, obschon er dennoch vorhanden sein kann.
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Die Ladeelektronik der Spannungsversorgung 2b ist vorzugsweise so ausgebildet, dass der Energiespeicher 15 des Uhrenbausteins 10 bevorzugt aufgeladen wird und damit die Funktion der Uhr erhalten bleibt. Hat der Energiespeicher der Uhr eine bestimmte Ladung erreicht, wird der Hauptenergiespeicher aufgeladen. Ab einer bestimmten Ladung des Hauptenergiespeichers wird die Überwachungsschaltung 12 zugeschaltet.
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Solange die Überwachungsschaltung 12 nicht aktiv ist, wird die Priorität der Energieversorgung durch eine geeignete Hardware-Schaltung sichergestellt. Dies kann ein sogenannter „Spannungs-Supervisor-Chip” sein, der beim Überschreiten einer bestimmten Spannung den Schalter 13 schließt oder den Hauptenergiespeicher 14 lädt.
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Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung 1b gemäß 3 kann beispielsweise mit einem Betriebsprogramm 16 betrieben werden, dessen Ablaufdiagramm in 4 gezeigt ist.
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Zunächst wird der Ladezustands des Energiespeichers der Uhr 15 überprüft, Verfahrensschritt 18. Falls dieser nicht voll ist wird die vom Energiewandler 3 bereitgestellte Energie ausschließlich zum Laden dieses Energiespeichers 15 verwendet, Verfahrensschritt 19. Aus diesem Energiespeicher der Uhr 15 wird der Uhrenbaustein 10 mit Spannung versorgt, Verfahrensschritt 20.
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Ist der Energiespeicher 15 des Uhrenbausteins 10 bereits voll, dann kann der Hauptenergiespeicher 14 geladen werden, Verfahrensschritt 21.
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Dabei wird regelmäßig überprüft, ob bereits genug Energie im Hauptenergiespeicher 14 vorhanden ist, um die Messung zu starten, Verfahrensschritt 22. Ist dies nicht der Fall, wird gewartet, Verfahrensschritt 23, und mit der Überprüfung des Ladezustands des Energiespeichers der Uhr, Verfahrensschritt 18, der Schleifenablauf erneut gestartet.
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Ist im Hauptenergiespeicher 14 genug Energie vorhanden, wird zunächst überprüft, ob die Messung bereits läuft, Verfahrensschritt 24. Falls nicht, wird die Messung initialisiert, Verfahrensschritt 25.
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Danach, oder wenn die Messung bereits gestartet ist, wird gewartet, bis das Intervall bis zur nächsten Messung abgelaufen ist, Verfahrensschritt 26. Die Messwerte werden aufgenommen und dann mit dem aktuellen Zeitstempel in den Datenspeicher 7 geschrieben, Verfahrensschritt 27, und der Schleifenablauf erneut gestartet, Verfahrensschritt 28.
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Die Messung wird solange gemäß den oben beschriebenen Verfahrensschritten ausgeführt, bis der Hauptenergiespeicher 14 leer ist und die Messung dadurch automatisch endet.
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In jedem Fall läuft die Uhr unabhängig davon weiter, da sie durch einen separaten Energiespeicher der Uhr 15 versorgt wird.
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Die Spannungsversorgung des Uhrenbausteins 10 kann, anstatt durch einen separaten Energiespeicher 15, auch über eine Primärbatterie 29 erfolgen, wie in 5 gezeigt. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Spannungsversorgung 2c einen Energiespeicher für die Uhr enthält. Aufgrund der sehr geringen Leistungsaufnahme des Uhrenbausteins 10 reicht beispielsweise eine Lithium-Knopfzelle aus, um die Uhr über mehrere Jahre zu betreiben. Anstatt der Primärbatterien können auch geeignete Sekundärbatterien verwendet werden. Dennoch kann der Uhrenbaustein 10 zusätzlich über den Energiewandler und/oder über einen separaten Energiespeicher versogt werden.
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Unabhängig von der Art der Spannungsversorgung kann die Überwachungseinrichtung so ausgebildet sein, dass die Daten nur dann gespeichert werden, wenn die ermittelten Messwerte außerhalb der vorgegebenen Grenzwerte liegen. Somit kann Speicherplatz gespart werden und es kann sofort erkannt werden, ob eine kritische Situation aufgetreten ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a, 1b, 1c
- Überwachungseinrichtung
- 2, 2b, 2c
- Spannungsversorgung
- 3
- Energiewandler
- 4
- Spannungswandler
- 5
- Mikrokontroller
- 6
- Sensorik
- 7
- Datenspeicher
- 8
- Funkmodul
- 9
- Schnittstellenmodul
- 10
- Uhrenbaustein
- 11
- Spannungsleitung
- 12
- Überwachungsschaltung
- 13
- Schalter
- 14
- Hauptenergiespeicher
- 15
- Energiespeicher der Uhr
- 16
- Betriebsprogramm
- 17–28
- Verfahrensschritt
- 29
- Primärbatterie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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