现代物流业中箱柜的安全监控方法及其装置

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：一种现代物流中货运集装箱的防盗安全监控方法及其装置

一、防盗安全监控方法

1、在每个集装箱上设置一只黑匣子，用来自动记录该集装箱在流转过程中的开关门信息和黑匣子的开仓信息。

2、黑匣子由分别安装在集装箱左门及右门上的信号发生装置和安装在箱体门框中部上的主机两部分组成。其中，主机包含传感器、信号处理电路、主处理器、实时时钟电路、存储器、电源电路、标准通讯接口和黑匣子开仓监控电路。当箱门每次打开或关闭时，传感器接收信号发生装置的感应信号，经过信号处理电路处理后送入主处理器，主处理器按照程序指令将每次开门的时间和关门的时间，以数据加密方式记载在存储器内。当每次打开黑匣子壳体时，主处理器按照程序指令将黑匣子的开仓时间以数据加密方式记载在存储器内。

3、在客户对该集装箱内货物安全性存有疑问时，只要将黑匣子内自动记录的相关加密数据包，通过数据包解密后还原为原始的开关门信息和黑匣子的开仓信息，然后对照合法的开关门记录和开仓记录，就能确定是否有非法开关门和开仓事件发生。具体监控模式选择以下三种之一：

(1)、黑匣子、客户端、服务端的三级模式

客户从服务器端下载专用软件授权，然后，客户打开黑匣子壳体采用通用上位机通过标准通讯接口获取黑匣子内自动记录的相关加密数据包，再把加密数据包发送至服务器端，服务器端把数据包解密还原为原始的开关门信息和黑匣子的开仓信息，再对照服务器数据库内合法的开关门记录和黑匣子的开仓记录，给出某设定时间段内是否有非法开关门和开仓事件发生的答案。所述通用上位机是一种标准的通用性读写设备，包括PC机、笔记本电脑、PDA以及类似读写工具。

(2)、黑匣子、客户端的二级模式

客户端经授权掌握从黑匣子下载数据并解密的支持软件及密码，客户打开黑匣子壳体采用通用上位机直接获取黑匣子内自动记录的相关加密数据包，并通过解密和对照给出某设定时间段内是否有非法开关门和开仓事件发生的答案。这种模式中客户可直接在客户端察看开箱记录。

(3)、黑匣子、服务端的二级模式

黑匣子除了自动记录箱门的开关门信息和黑匣子的开仓信息之外，通过无线模块以短信或无线上网方式(如GSM或CDMA等移动网络)及时将这些加密信息发送给服务器。如果黑匣子发送信息时，无线模块不能接入无线网络，黑匣子则暂缓发送相关信息，当无线模块接入无线网络后，黑匣子将尚未发送的信息发送至服务器，服务器端把数据包解密还原为原始的开关门信息和黑匣子的开仓信息，并记录在服务器的数据库内，客户从服务器端的数据库查询箱门的开关门信息记录和黑匣子的开仓信息记录，对照合法的开关门记录和黑匣子的开仓记录，确定某设定时间段内是否有非法开关门和开仓事件发生。

二、防盗安全监控装置

如图1所示，防盗安全监控装置实际为一只黑匣子，该黑匣子由信号发生装置10和主机两部分组成，其中，信号发生装置10为一组分别安装在集装箱左门和右门上的永磁、压力或光电发生源。主机安装在集装箱箱体门框中部上，由传感器9、信号处理电路8、主处理器1、实时时钟及铁电存储器2、实时时钟掉电保护电源3、电源管理与掉电监控电路4、主电源5、紧急备用电源6、充电及保护电路7、标准通讯接口11和黑匣子开仓监控电路12组成。

传感器9采用高灵敏度的感应器件实现，具有成本低、效果好等特点。传感器9在箱体上对应左门和右门信号发生装置10的位置设置(信号发生装置10为永磁、压力或光电发生源和传感器9为对应的传感器件)，接收对应箱门打开和关闭两种不同感应信号，传感器9的输出信号经过信号处理电路8送入主处理器1。

主处理器1采用基于ARM7TDMI的32位ARM CPU，型号为LPC2131，它集成了内部FLASH和SRAM，大大简化了系统的外围设计，其较小的封装和很低的功耗使主处理器1特别适用于基于电池长时间连续供电的小型设备，此外，它还具备了多种接口，功能十分强大。主处理器LPC2131主要负责对各类事件的响应和处理，并将加密后的开关门时间信息及其它需记录的信息存入到实时时钟及铁电存储器2(FM3130)中的铁电存储器中。

实时时钟及铁电存储器2(即实时时钟与存储器)采用了比以往芯片集成度更高的器件(FM3130)。该器件将实时时钟与铁电存储器整合在了一起，同时自带主电源/备用电源切换电路，大大简化了外围电路，降低了元器件开销。主处理器1(LPC2131)连接实时时钟及铁电存储器2，并以实时时钟为时间基准按照程序指令将每次开门的时间及时长和每次关门的时间及时长，用数据加密方式记载在存储器内。实时时钟给系统提供准确的事件发生时刻，存储器用于记录各类信息，包括开、闭门时刻等。

标准通讯接口11与主处理器1(LPC2131)连接，用于提供针对通用上位机的在线程序下载及数据获取。该接口采用省电模式设计，以降低系统功耗，延长设备主电源使用寿命。

黑匣子开仓监控电路12由传感元件和滤波电路组成，传感元件对应黑匣子仓门设置，其输出经过滤波电路与主处理器1连接。传感元件选择压力传感器、光电传感器、磁传感器、弹簧开关或其两者组合。当每次打开黑匣子仓门时，主处理器1接收到一个触发信号，按照程序指令将黑匣子的开仓时间以数据加密方式记载在存储器内。

电源管理与掉电监控4采用了高效率的DC-DC转换芯片SP6651A，将主电源的高电压(7V～3V)转换为传感器9、信号处理电路8、主处理器1、实时时钟及铁电存储器2、标准通讯接口11等工作所需的驱动电压(3.3V)，其转换效率最大可达到98％，特别适合低功耗的设备设计使用。此外，该芯片还带有掉电/低电报警信号，当输入电压与输出电压之差小于300mV时，芯片的掉电报警引脚即输出低电平报警信号，提醒系统做紧急处理。

主电源5经过电源管理与掉电监控电路4分别连接传感器9、信号处理电路8、主处理器1、实时时钟及铁电存储器2、标准通讯接口11，提供电源支持。紧急备用电源6(主要为法拉电容或后备电池)与电源管理与掉电监控电路4连接，作为主电源5的备用支持。主电源5由电池或太阳能电池担当，在正常状态下给整个系统提供电源，同时通过充电及保护电路7(组合电路)给紧急备用电源6充电。当主电源5无法提供系统工作所需电源时，由紧急备用电源6给系统提供短时供电，以保证数据的完整性与可靠性。

实时时钟掉电保护电源3与实时时钟连接，提供实时时钟的掉电保护。实时时钟掉电保护电源3由电池或法拉电容提供，实时时钟的电源切换为FM3130自带的功能，能在主电源无法正常供电的情况下，自动切换到掉电保护电源供电。

下面针对黑匣子中的各项技术特点作进一步说明：

1、标准通讯接口：采用标准的通信接口，如串口，并口，USB，IRDA等。

2、标准上位机：笔记本，PDA，PC机等。与前人采用特殊接口和专用设备的方案相比，我们采用标准接口与标准上位机的优点是：成本更低，用户使用更方便。

3、单芯：为了降低功耗和增加可靠性，设计模块时将传统的两个独立模块时钟和存储合二为一，采用的芯片FM3130包含了时钟和存储器(如图2)，这样还减少了芯片数量，间接降低了成本。另一种可选方案是：把MCU、时钟、存储器和信号处理电路集成在一块专用芯片上，这样功耗更低，可靠性更高，如图3专用处理芯片示意图。

4、软件防抖：考虑到集装箱的运输环境及人员开关箱门的影响，为了达到产品记录数据的可靠及有效性，需要采用软件防抖处理。具体方法如下：

如图4所示，当主处理器接收到传感器感应的门开关动作的信号后，启动软件防抖机制。系统在随后的一段时间内，以一定的时间间隔主动读取门传感器的状态，如果每次读取的状态都正确，则认为发生了一次有效的门开关动作，否则认为是抖动，不予以处理。

5、硬件防抖：如图5所示，考虑到集装箱的运输环境及人员开关箱门的过程中，可能存在使传感器工作在临界状态，造成频率较高的信号输出状态连续变换，使系统出现对动作的误判。针对这一情况，在电路设计中，在传感器与主处理器之间加入了滤波电路，用以滤除由于上述原因造成的误触发，使系统更加稳定可靠。

6、封装：主电路采用环氧树脂灌胶进行封闭，这样可以起到防水防腐蚀的作用，还可以防止外人直接接触到监控主电路，起到安全防护和保护数据可靠性的作用。主电路外部用金属外壳或工程塑料外壳进行外封(即黑匣子的外壳)，这样可以有效降低电磁干扰，还起到防撞击的作用。

7、黑匣子开仓：为了记录黑匣子在运营过程中在经授权许可或未经授权许可情况下的开仓情况，系统设计了黑匣子开仓监控记录功能。当黑匣子外壳被开封并打开后，系统会记录该事件发生的相关信息。设计中，传感元件的输出信号经过硬件防抖处理后，送入主处理器进行进一步的处理，如图6所示。传感元件可以是压力传感器、光电传感器、磁传感器、弹簧开关及其组合等。

8、低电报警功能：当本装置的电源电压降低到一定程度时(如3v)，系统可以自动检测到电压信息，在集装箱门打开的时候，通过各种人可以感知的方式进行报警。以上的报警方式可以是LED、LCD、蜂鸣器等。

工作原理：当系统处于工作状态时，系统通过电源管理与掉电监控模块(如图1中)实现对电源电压等参数的监控，当电源电压降低到一定程度时，向核心控制模块产生低压警报信号，控制模块响应该信号，在内存中记录电源低压报警，当集装箱门打开时，控制模块向相关工作人员报警。图7是该模块功能工作的软件流程图。

9、掉电记录、处理：当系统电源不能维持系统工作电压时，本系统进行掉电处理，向存储模块记录掉电信息。

工作原理：电源管理与掉电监控模块检测到电压严重不足(断电情况)，向控制模块发出断电事件信息，控制模块在紧急备用电源供给电路的电源供应下，将断电信息写入存储模块。图8是掉电记录模块工作的软件流程图。紧急备用电源用以保证在主电源非正常断电情况下，给系统提供短时电源供应，以保证正在进行的操作能正常完成。紧急备用电源可以是法拉电容、可充电电池、不可充电电池等。

10、传感器组合：为了保证系统箱门传感器的稳定性和可靠性，可采用多个同类型传感器或多个不同类型传感器组合应用。可选的传感器包括磁传感器、压力传感器、光电传感器、弹簧开关及其组合等。

11、休眠模式：出于节电的考虑，系统在通常情况下处于休眠模式，在该模式下，整个系统的功耗很低，当发生了特定事件时，系统被唤醒。此类特定事件包括：

(1)箱门的开启或关闭。

(2)黑匣子的外壳被打开。

(3)系统电源不足。

(4)接收到上位机通讯讯号。

以上的每个事件都有相对应的芯片管脚相连接。当主处理器检测到对应事件发生时，从休眠状态恢复。对相应事件处理记录后，系统再次进入休眠状态。

12、接口通讯使能控制：为了达到低功耗的目的，在主机工作时，可通过主处理器使能引脚对系统进行控制，系统中部分不常用的功能会被关闭，比如标准通讯接口一般情况下很少使用，通常是被关闭的。

13、被动传感器：在设计中，考虑到尽可能降低系统的功耗，延长其单次使用时间，因此考虑采用被动传感器来降低功耗。

14、通讯数据加密：加密技术是一种主动安全防御策略，用很小的代价即可为该系统记录的各种信息提供相当大的安全保护。防止非授权人员对于关键信息进行读取、分析及修改。

本系统的加密分为通信部分加密和数据加密。在黑匣子-客户端二级模式或黑匣子-客户-服务器端三级模式中，黑匣子终端与客户端通用上位机的通信采用私有密钥加密。

黑匣子终端或客户机终端通过GSM、GPRS、CDMA等公网方式与服务器端进行通信时可采用各种加密安全措施，比如(1)利用无线网服务提供商的现有加密安全技术，如跳频技术。(2)利用终端与服务器软件的加密协议，即端到端加密，进行通信数据加密。

15、存储数据加密：对于终端每次记录的信息如开关门信息、断电信息等，在每次存储时进行数据加密保护，与通信加密结合，双重保护重要的数据信息。实施方法包括：采用私有密钥方式，用加密算法(如DES)对数据进行加密。

16、密钥随机产生：采取随机方式动态选取加密方式和加密密钥，以提高系统的安全性。

实施方式：对于加密端，通过一定的算法机制，选取加密的密钥和加密算法。解密端根据数据中携带的加密相关信息，选取对应的解密算法和密钥，对数据进行解密。

17、客服通讯加密：对于客户端与服务器端通信，为了提供更多的服务应用，当用户的上位机与服务提供商的服务器进行通信时，将用户端已经获得的数据传给服务商时采用会话加密手段，保证数据安全。

实施方式：(1)由于采用互联网等公共网络，可以利用这些网络的原有链路加密技术等加密技术平台，保证通信安全。(2)采用会话方式进行通信，具体加密算法与密钥可以约定，可以采用私有密钥算法如DES或者公有密钥算法如RAS，对于密钥的有效性可以控制。

18、监控过程对操作人员透明：由于集装箱搬运的操作工人素质相对较低，因此本产品设计时尽量减少相关人员的操作以及技能培训，采用有线传输模式以及自动监控功能，不需人为操作，既减少了操作流程，避免了一系列的麻烦，又增强了安全和可靠性，减少人为因素带来的误操作和无效记录。同时，减少了客户锁门的手持设备，大大降低了运营成本，也有利于推广应用，避免额外附加经费。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。