利用销钉提供集装箱安全性的方法和设备的制作方法
专利名称：利用销钉提供集装箱安全性的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及可以容纳一个或多个物品的集装箱，并具体地说，涉及一种用于密封和跟踪这类集装箱的方法和设备。
背景技术：
集装箱的一个普通用途是将货物从一个地点装运到另一个地点。一种公知类型的集装箱是联合运输集装箱。将货物包装到联合运输集装箱中，并将该集装箱的门关闭和锁住。然后，通过一种或多种交通工具将集装箱运输到目的地，例如卡车、飞机、火车和/或轮船。在目的地，开锁并打开集装箱的门，并取出货物。
运输业已认识到为这类集装箱内的货物提供安全性是很重要的。作为这一点的一个方面，需要跟踪集装箱，以避免在装运期间由于集装箱被偷或令人不注意地误转或放错位置而导致的损失。除跟踪集装箱之外，即使集装箱本身没有被偷或误转或放错位置，也需要防止在集装箱运送到其目的地期间将货物从集装箱中取出。
为此，存在用于密封或锁闭集装箱门的锁闩机构的现有密封装置。密封装置最普通的类型包括一次性插销和可重复使用的外壳。插销经由集装箱的锁闩机构而插入，然后将可重复使用的外壳紧压到该插销的末梢，这使得插销和外壳的协作结构完全防止该插销的末梢从与其插入的相反方向退出。为了从集装箱中取出该密封装置，必须用插销切割器切断一次性插销。然后，例如通过一直从插入方向移动插销末梢，直到它完全穿过外壳为止，从而从外壳中取出保留在外壳内的插销末梢。
这种公知类型的密封装置通常在可重复使用的外壳上具有唯一序列号。但是，拥有合适工具的窃贼可以切割开插销，以进入集装箱，然后可以使用具有可重复使用的外壳的相同插销来再次密封该集装箱。由于外壳上的序列号是相同的，因此在实际上确实发生了撬锁时该密封装置还给出没有被撬锁的印象。尽管这类用于密封和跟踪集装箱的现有技术对于所计划的目的来说一般已经足够，但还没有在所有方面都令人满意。
为此，跟踪集装箱和检查现有密封装置通常涉及很高程度的人工活动，这是比较昂贵的。此外，由于上面讨论的原因，即使是细心的人工检查也不一定能发现密封装置已被移动或替换的事实。国家货运安全委员会在1998年估计，美国每年的货运偷盗行为已达到每年大约100亿美元的水平，在考虑通货膨胀的因素后仍然比20到25年前高出大约5倍。并且该估计只反映了丢失货物的价值。如果还考虑事故调查的费用、保险的文书工作和保险要求，则每年货运偷盗的实际商业影响估计每年达到300亿到600亿美元。
委员会注意到所有商业安全损失的85％来自产品运输过程中的偷盗或丢失。此外，估计80％的偷盗都是在内部进行的。很多丢失是在最后运输时才发现的，这部分是由于多种形式运输的特性而引起的。在运输时，返回到丢失发生的确切地点通常很难或根本就不可能。
发明内容
从上述原因出发，出现了对促进更好密封和/或跟踪技术的方法和设备的需要。根据本发明，提供了一种方法和设备来解决该需要，包括在第一和第二位置之间可彼此相对移动的第一和第二部件之间的密封，包括提供按照限制这些部件远离第一位置的方式，可在其第一位置与该第一和第二部件合作的密封结构；检测作为该密封结构函数的磁通量特性；和检测表示该密封结构被破坏的磁通量特性变化。
下面通过结合附图的详细描述将更好地理解本发明，其中图1是体现本发明特征的设备的方框图；图2是具有几个不同字段信息的数字字的图解，该数字字表示用于由图1中设备的各种装置发送的数据的标准化格式；图3是在作为图1的设备组件的密封销钉内的电路方框图；图4是各自具有几个不同信息字段的两个数字字的图解，该数字字表示用于由图1中设备的密封销钉发送的数据的标准化格式；图5是从图1的设备透视密封销钉的透视图，并且还示出用于密封集装箱的锁，该锁和集装箱是图1的设备的组件；图6是图5的密封销钉和锁的端视图，并且还在交叉部分示出作为集装箱上锁闩结构部分的两个元件；图7是作为图1的密封销钉一部分的扶手的分解透视图；图8是表示作为图1的密封销钉中的电路部分的检测电路的电路示意图；图9至11都是表示由作为图1的密封销钉一部分的微控制器执行的固件程序的相应部分的流程图；和图12是可与图1的设备结合使用的微型读取器的示意图。
具体实施例方式
图1是体现本发明特征的设备10的方框图。设备10包括标志11、密封销钉12、读取器13、控制系统14、无线基站16、无线手持单元17、集装箱18、和密封条或锁19。锁19保护集装箱18上提供的锁闩，密封销钉12按照后面将详细描述的方式与锁19协作。设备10典型地包括很多11所示类型的标志、很多12所示类型的密封销钉、几个17所示类型的手持单元、和几个13所示类型的读取器。但是，为了清楚地解释本发明，图1只示出一个标志11、一个密封销钉12、一个手持单元17、和一个读取器13。
首先集中在标志11上，标志11是一种本领域公知类型的装置，因此在此只是简短描述，以有助于对本发明的理解。标志11可以是移动或是固定的，但在图1的实施例中是固定安装在例如柱子或顶篷上。标志11包括未示出的微控制器。本领域的技术人员了解微控制器是包括微处理器、包含计算机程序和用于微处理器的静态数据的只读存储器(ROM)、和微处理器可在其中存储系统运行期间的动态数据的随机存取存储器(RAM)的集成电路这个事实。标志11还包括未示出的发射器，其由微控制器控制，并通过内部天线发射低频(LF)标志信号22。
在标志11内的发射器通过影响载波信号的幅度调制来产生标志信号22，该信号可以具有大约30KHz到30MHz范围内的频率。在所公开的实施例中，以及考虑到要遵守各个国家涉及电磁发射的政府规定，将载波频率选择为132KHz，但是可另外选择为某个其它频率，例如13.56MHz。
在选择所说明的频率范围时还要考虑标志信号22将展示近场特性。在该频率范围内的局部性质有助于遵守本发明具体上下文中写明的政府规定，也有助于最小化由位于标志11附近、但在标志信号22的计划传输范围之外的其它销钉接收的这些信号。如本领域技术人员所知，具有近场特性的信号滚降(roll-off)得比具有远场特性的信号快大约3倍。因此，标志信号22特意具有相对较短的传输范围，该范围在本公开实施例中可以调整，典型地为大约4到12英尺。由于标志信号22展示近场特性这个事实，因此可以将标志信号22的发送和接收更多地看作是两个天线之间的磁耦合，而不是射频耦合。
如图1的24所示，标志11通过标准RS-232串行接口耦接到控制系统14。尽管接口24是RS-232接口，其还可以替换成其它合适的接口，例如以太网接口、RS-485接口、或无线接口。
每个从标志11发送的标志信号22都包括信息的几个不同元素，现在结合图2描述。具体地说，图2是具有下面将要讨论的几个不同信息字段的数字字31的视图。如上所述，通过利用振幅调制将该字31的比特连续调制为132KHz载波，来在标志信号22中发送该数字字31的比特。在图2中，从左向右连续发送该字31的比特。
第一字段是报头(preamble)32，其是比特的预定义模式，允许接收信号的装置识别标志信号的开始，并使其自身与该标志信号同步。在公开的实施例中，报头大约为8个比特，但是比特的具体数字可以根据期望用于接收该标志信号的特定接收器的特性而改变。
字31中的下个字段33是标志码，其在所公开的实施例中是12比特的整数值，用于唯一标识正发送字31的特定标志11。如上所述，系统10可以具有多个标志11，并且不同标志11中不同标志码33的使用允许该系统将一个标志发送的标志信号与另一个标志发送的其它标志信号区分开来。
图2的字31中的下个字段是销钉命令36，其是向密封销钉发送的命令，可以影响密封销钉12的操作。该销钉命令字段36是2比特的字段。字31中的下两个字段是相关的控制命令37和参数38。在公开的实施例中，控制命令37是4比特的字段，而参数38是8比特字段。控制命令37与销钉命令36在各自指示销钉12做某件事这个方面相似。不同之处在于控制命令37一般需要附加参数38，而销钉命令36不使用参数。对命令的进一步讨论要延缓到在详细解释了销钉12之后才进行。
字31的下个字段是扩展标记41，其是1比特字段。在公开的实施例中，对于图2的字格式31，该字段总是二进制数“0”。提供该字段是为了有助于将来的兼容性。例如，如果需要在将来某个时间修改字31的格式，则可以在每个具有新格式的字中将标记41设置为二进制数“1”，从而接收标志信号22的装置可以判定在该信号中接收的字31具有图2中31所示的原始格式，还是具有该新格式。
字31中的下个字段是错误控制字段42。由于标志11和其它装置之间的通信实质上是单向传输，并且由于用于图1的设备10的很多应用涉及具有相对较高噪声电平的环境，因此重要的是，使接收装置可以评价在标志信号22中接收的字31是否正确，或是否包含错误。因此，包括了错误控制字段42，以提供一定程度的前向纠错(FEC)。
在公开的实施例中，错误控制字段42包括8个奇偶比特，但如果字31中的总比特数改变，或如果选择使用几个公知奇偶方案中的不同方案，则奇偶比特的数目也可以不同。除了使用错误控制字段42之外，还可以通过使接收标志信号22的装置存储和比较两次连续传输的给定标志信号22以验证他们完全一致，来增加可靠性和精确度的总体水平。
字31中的最后一个字段是分组结束字段43。该字段向接收装置发信号表示传输的结束。在图2的实施例中，分组结束字段43具有8个全部设置为二进制数“0”的比特。
如上所述，标志信号22典型地在相对吵闹的环境中发送。为了保证可靠的信号接收，可以采用公知技术来改善信噪比(SNR)。在图1的公开实施例中，利用公知的振幅偏移键控(ASK)技术影响132KHz载波的振幅调制，从而改善SNR。可以替换使用其它技术来改善SNR，例如频移键控(FSK)或相移键控(PSK)。
如上所述，标志11和密封销钉12之间的通信是标志信号22的单向通信。考虑到这一点，期望提供一定程度的安全性来保证字段销钉12只对有效的标志信号22起反应，特别是有关字段36-38中的命令。因此，可以利用公知的加密技术或替换利用公知的密码技术来对字段33、36-38和41中的几个或所有字段进行安全性保护。
转到密封销钉12，图3是密封销钉12的电路51的方框图。该电路依靠来自未示出的、在密封销钉12内提供的电池的电力运行。该电路51包括两个接收天线52和53、接收电路56、具有微控制器58的控制电路57、发送电路62、发送天线63、和检测电路64。检测电路64也在图1中利用虚线概略示出。电路51是在以前存在的销钉中使用的电路类型，除了检测电路64、将检测电路64耦合到微控制器58的两个信号CLK500HZ和DETECT、以及用于微控制器58的固件(控制程序)的特定部分。后面将和微控制器58中的固件的相关部分一起详细描述检测电路64中的电路。但首先，以有助于理解本发明的程度简短描述已知的电路51的部分。
具体地说，两个接收天线52和53互相之间以直角相对设置，以有助于更好地接收信号，例如图1中22所示的标志信号。接收电路56处理来自天线52和53中每一个的信号，然后相加该信号，从而更强的信号本质上占据优势。所产生的信号然后传递到控制电路57中的微控制器58。
发送电路62是超高频(UHF)发射器，其利用频率为433.92MHz的载波信号通过发送天线63发送。利用发送电路62和天线63，销钉12的微控制器58可以向诸如读取器13和手持单元17的装置发送信标信号71(图1)。该信标信号71是通过将特定信标信息FSK调制到433.92MHz载波信号上而产生的。在公开实施例中采用433.92MHz的频率，是因为其在关于发送电磁信号的主要政府规定下适用于相对更广范围的国家。但是，可替换采用其它频率，例如915MHz。信标信号71的发送范围实际上长于标志信号22的发送范围，在公开的实施例中可以达到大约300英尺。利用本领域公知技术，例如Slotted Aloha广播式计算机通信网协议，来发送信标信号71，以减小不同销钉发送的信标信号之间的干扰。
在公开的实施例中，在信标信号71中发送的信标信息可以具有两种不同形式中的一种，这两种形式在图4中示出。具体地说，如果密封销钉12已通过天线52-53和接收电路56接收了有效标志信号22，则信标信号71中发送的标记信息具有图4中76所示的字格式。相反，在密封销钉12没有从其它装置接收标志信号的时间段期间，在信号71中发送的信标信息将具有图4中77所示的字格式。不考虑当前正在使用的是字格式76还是77，公开的实施例将利用27.7Kbps的曼切斯特编码的FSK调制来发送字中的信息。
首先讨论字格式76。其以报头81开始，该报头在功能上可与字31的报头32(图2)相比。在公开的实施例中，报头81持续1296微秒，并包括20个周期，每个周期包括一个30微秒的逻辑高和一个30微秒的逻辑低，后面还跟随着一个包括42微秒的逻辑高和54微秒的逻辑低的周期。字76中的下个字段是1比特格式字段82，提供该字段是为了向接收装置表示图4中的两种格式81和82中的哪一个是用于即时信标信号的格式。因此，字段82在字76中总是二进制数“1”，在字77中总是二进制数“0”。
字76中的下个字段是4比特的销钉类型字段83，其是提供关于如何在系统中使用特定销钉12的一些信息的代码。在密封销钉12中的该类型字段可以表示密封销钉12正用于监控集装箱18上的锁19，而用于其它销钉的销钉类型字段可以具有不同的代码，例如表示该销钉正和某个形式的移动装置一起使用，或固定安装在某个固定物体上。在公开的实施例中，销钉类型代码83还可以提供关于集装箱18的一些信息，例如其体积或其高度。
字76中的下个字段是3比特的资产(asset)类型字段84。该字段84可以更具体地标识销钉12关联的特定装置类型。公开实施例中的销钉12与集装箱18关联，而发送相似信标信号的其它销钉装置连接到其它类型的装置上，并因此在字段84中具有不同代码。
在字76中的下个字段是信标码86。在公开实施例中，这是唯一标识正发送字76的特定销钉的整数值。如上所述，设备10可以具有多个不同的销钉，每个销钉的不同信标码86的使用允许系统将一个销钉发送的信标信号与另一个销钉发送的信标信号区分开来。
字76中的下个字段是密封状态位87，这是用于按照下面将更详细描述的方式表示锁19(图1)的当前状态的1比特字段。下个字段是密封事件码88，这是用于按照下面将更详细描述的方式，与监控锁19关联使用的4比特字段。
字76中的下个字段是标志码91。它与在33的、从密封销钉12最近接收的标志字31中提取出的标志码相同。字76的下个字段是最后命令字段92，它与用于在标志字31的字段37或38中接收的最后命令的代码相同，该标志字31是从具有呈现在字段91中的标志码的标志接收的。
字76中的下个字段是错误控制字段93。在公开的实施例中，它是采用公知类型的循环冗余码(CRC)的16比特字段，其利用字段82-84、86-88和91-92中的信息计算出来。销钉12发送的信标信号71本质上是单向信号，因此提供了错误控制字段94，使得接收这些信号的装置具有一定程度的检测和校正接收的字76中一些错误的功能。该接收装置还可以通过接收和比较两个连续信标信号71以验证它们是相同的，从而增加精确度和可靠性。字76中的最后一个字段是分组结束字段94，它在公开的实施例中是36微秒的逻辑低。分组结束字段94向接收装置表明该字段94是当前正被接收的字76的结束。
转向信标字的替换格式77，与字76的基本不同之处在于从字77中省略了字76的字段91和92。这是因为字段91和92包含从最后接收的标志字31中提取出的信息。相反，如上所述，信标字77用于销钉12当前没有接收任何标志信号的情况，因此当前没有任何信息输入到字段91和92中。因此，在字格式77中省略了字段91和92。
在理论上，即使销钉12当前正在接收来自任意标志的信息，也可以采用字格式76，并简单地在每个字段91和92中放置“哑元”代码。但是，关于无线电传输的政府规则趋向于包括在例如发送信标信号71的功率电平、在连续发送信标信号71之间的时间间隔、和每个信标信号中呈现的信息量这些因素之间的平衡。通过在不需要字段91和92时采用字格式77，减少了发送信标信号71的持续时间，这依次有助于遵守政府规则。
在字格式77和字格式76之间还有两个不同点。首先，如上所述，在字76中字段82总是二进制数“1”，在字77中总是二进制数“0”。其次，只利用字段82-84和86-88计算字77的错误控制字段93中采用的CRC值，因为没有字段91和92，因此不能考虑这两个字段。
销钉12发送信标信号71的速率在不同的操作情况下将发生变化。例如，当销钉12正在接收标志信号或受到一些其它激励而发送时，销钉12将更频繁地发送信标信号71。相反，在其它操作情况下，销钉将更少地发送信标信号71。在任何一种情况下，在连续发送信标信号之间的确切时间间隔都随机地不同，以减小在来自不同销钉的信标信号之间再次发生“冲突”的可能。来自销钉12的信标信号71的发送速率和发送定时的变化符合公知技术，因此在此不详细描述。
由于电路51包括特定的现有销钉的所有功能，因此销钉12具有公知类型的全部功能，从而有助于跟踪诸如集装箱18的资产的移动。由于这种类型的功能是总所周知的，因此在此不详细描述。
又参考图1，读取器13是本领域公知类型的固定安装的装置，因此在此只是简短描述。读取器13接收从密封销钉12发送的UHF信标信号71，然后通过网络101将来自各接收的信标信号的信标字(图4)转发到控制系统14。在公开实施例中，网络101是本领域称为以太网网络的网络类型，但是可以替换为其它形式的网络。
无线基站16是本领域公知类型的装置，并通过网络106耦合到控制系统14。在公开的实施例中，网络106是以太网网络，但可以替换为其它类型的网络。此外，可替换地采用一个单一的网络实现网络101和网络106。
无线手持单元17包括具有多个可手动操作的按压按钮的键区111，和作为液晶显示屏(LCD)的显示器112。手持单元17是便携式的，依靠电池电力运行。手持单元17包括未示出的、包含微控制器的电路。该电路可以接收由销钉12发送的信标信号71，将射频(RF)信号116用于通过基站16和网络106与控制系统14的双向通信，并发送类似于标志信号22的、符合图2所示的字格式的低频标志信号118。后面将详细讨论手持单元17的使用。
现在转向对密封销钉12的详细描述，图5是销钉12的示意性透视图，还示出了用于保护集装箱18的锁19。图6是销钉12和锁19的端视图，还在交叉部分示出了作为集装箱18上锁闩机构的部件的两个元件151和152。在公开的实施例中，集装箱18是公知类型的联合运输集装箱，它相对较大。多个这样的集装箱可以装载到轮船或飞机上，并配置为整齐地相互堆叠。集装箱18包括具有一个开口的外壳，该开口提供了进入该外壳内部区域的通道，集装箱18还包括可以在分别允许和阻止通过该开口进入的开和关位置之间移动的通道门。
集装箱包括锁闩机构，可以使集装箱门保持为关闭状态，并且该锁闩机构包括元件151和152。在图6中，在集装箱的外壳上提供了元件152，而在集装箱的门上提供了元件151。当门关闭时，元件151和152都在图6所示的位置。为了打开门，元件151必须相对于元件152移动。元件151和152具有圆柱形开口153和154，它们在集装箱门关闭时同轴地相互排列为直线、且元件151和152在图6所示的位置。开口153和154在集装箱门打开时没有排列成直线。图6所示的元件151和152的配置只代表一种可能的配置。元件151和152还有与本发明兼容的各种配置。
密封条或锁19是市场上可以买到，也是本领域众所周知的装置类型。它包括插销161和外壳162。插销161具有圆柱形杆166，在顶端具有加大的头部167。杆166的下端插入到外壳162中，并且外壳162内的结构按照防止该杆从外壳162中退出的方式锁定地紧紧夹住杆166的末端，而不破坏外壳162或切断杆166。该设计的意图在于，为了打开锁19，必须物理地切断插销的杆166。外壳162可以按照每个外壳162一个唯一标识符的形式，在外壳上具有未示出的标记。在外壳162包括这种标记的情况下，可以记录该标记，以有助于检测和减少偷盗。
如图5和6所示，密封销钉12包括由两个部件201和202形成的外壳。在公开的实施例中，外壳部件201和202都由非常坚固的塑料制成，并且通过超声焊接而固定地相互保护。但是，它们可以替换地由其它类型的材料制成，还可以按照其它方式一起获得保护。由部件201-202限定的外壳包含未示出的电路板，它实质上包含图3中51所示的所有电路，除了将在后面详细讨论的两个线圈之外。销钉12也包括扶手211，其一端安全地锚在由部件201和202限定的外壳内，并且在外观上通过开口伸出到外壳部件201中，该开口被作为外壳部件201集成部分的环形轴环213围绕。扶手211的外端大致是U形的，并具有由孔边218耦合在一起的两个间隔支柱216和217。两个支柱216和217使开口对准，插销161的杆166通过该开口延伸。
图7是扶手211的分解透视图，示出该扶手的附加细节。扶手211包括两个弯曲的、盘状的部件226和227。在公开的实施例中，部件226和227都由不锈钢制成，但是可以替换地由其它类型的材料制成，例如耐用塑料。部件227包括支柱216和孔边218，部件226包括扶手211的其余部分。部件226和227在孔边218和支柱217交叉点处，以直角固定地相互焊接在一起。
部件226的扶手217具有圆柱形孔231，它垂直地穿过该扶手，并且在扶手217的顶部提供了与孔231同轴的更大直径的圆柱形埋头孔232。在部件227的支柱216中提供了相似的孔233和埋头孔234，使得他们互为同轴，并与孔231和埋头孔232同轴。
在埋头孔234的一边上用机器加工了凹进236，在埋头孔232的边上，在环状间隔的位置处用机器加工了两个相似凹进237和238。如虚线241所示，一个钻孔从凹进236穿过扶手216、孔边218和扶手217，一直延伸到凹进237。同样的，如虚线242所示，一个钻孔从凹进238穿过部件226，一直延伸到部件226的下端。钻孔241和242是通过在将部件226和227弯曲为图7所示的形状之前在这些部件中钻孔形成的。
扶手211还包括两个绕线筒246和247。每个绕线筒都具有与埋头孔232和234的直径大致相等的外直径，并且每一个都具有与孔231和233的直径大致相等的内直径。在径向方向，绕线筒246和247具有与埋头孔232和234的深度大致相等的高度。在埋头孔234中安装绕线筒246，而在埋头孔232中安装绕线筒247。每个绕线筒246和247都由不锈钢制成，并形成为在埋头孔233和234内具有压配合。绕线筒在埋头孔232和234内通过合适的公知粘合剂来保护。绕线筒可替换地由其它材料制成，如坚固的塑料，并适当地由其它技术保护。例如，如果扶手和绕线筒都由塑料材料制成，则绕线筒可缝焊到该扶手上。
绕线筒246具有用电线卷绕的线圈251，该电线的两端部分穿过钻孔241和钻孔242并延伸到销钉12的内部，在那里这两端耦接到未示出的电路板上的电路。同样，绕线筒247具有线圈252，该电线的末端部分通过穿过钻孔242并延伸到销钉12的内部，在那里所述末端部分耦接到未示出的电路板的电路上。可以看出插销161的金属杆166穿过每个绕线筒246和247，使得每个线圈251和152都在沿着杆166的径向间隔位置处围绕着杆166。此外，参考图6和7，要注意到锁闩机构的每个元件151和152都设置在线圈251和252之间。
线圈251和252是上面结合图1和3描述的检测电路64的部件。检测电路64在作为电路示意图的图8中详细示出。尽管插销161不是检测电路64的部件，在图8中还是以虚线示出，以有助于理解检测电路64的运行。图8示出在径向间隔位置处围绕插销161的杆的线圈251和252。信号CLK500HZ由控制电路57中的微控制器58(图3)产生。在检测电路64中，该信号通过电阻器301耦接到线圈251的一端，而线圈251的另一端耦接到地。电容器302耦接在地与电阻器301和线圈251间的节点之间。
线圈252的一端耦接到放大器311的正输入端，而另一端耦接到电容器306的一端和电容器307的一端。电容器306的另一端耦接到放大器311的正输入端，而电容器307的另一端通过电阻器308耦接到放大器311的负输入端。电容器312耦接在放大器311的输出端和负输入端之间，而电阻器313与电容器312并联。电容器312和电阻器313向放大器311提供反馈。
两个电阻器316和317串联连接在电源和地之间，而它们之间的节点耦接到放大器311的正输入端和用作比较器的放大器321的负输入端。电容器322耦接在地和比较器321的负输入端之间。放大器311的输出端耦接到比较器321的负输入端。比较器321的输出端作为从检测电路64输出的信号DETECT，该检测电路64耦接到微控制器58(图3)。
用于检测电路64的输入信号CLK500HZ由微控制器58产生为具有50％工作周期的、频率为500Hz的10个方波脉冲的脉冲串。电容器302作为低通滤波器的形式，它使方波的边缘变圆，从而施加到线圈251上的该波形的每个脉冲都有点类似于正弦波的相同部分，尽管不是完全与正弦波一致。该脉冲信号使线圈251产生可变磁场。如果存在金属插销161，则该磁场将穿过该插销作用，从而在线圈252中感应出信号。在没有插销161的情况下，由线圈251产生的该磁场不足以在线圈252中感应出任何有意义的信号。
当存在插销161时，可变磁场的磁通量在线圈252中感应出信号，该信号通过AC耦合电容器307和电阻器308提供到放大器311的负输入端。电容器306作为除去任何高频噪声的低通滤波器，这些噪声可能被线圈252拾取，例如RF信号。
放大器311放大由线圈252检测的信号，并向比较器321的正输入端提供该信号。电阻器316和317形成分压器，它将比较器321的负输入端保持为预定电压。比较器321因此用作阈值检测器的形式，它在由线圈252检测的磁脉冲经过放大器311后产生的输出脉冲超过来自分压器316-317的电压时，产生一个输出。然后，该输出使得比较器321在超过阈值时在其输出端产生一个脉冲。该电路配置为驱动比较器321进入饱和，以响应放大器311输出端的脉冲，由此修剪在放大器311输出端产生的圆形脉冲的尖峰，从而DETECT信号近似为方波。
参考图3，将参考图9-11详细描述控制器57的微控制器58操作检测电路64的方式，图9-11每个都是表示由微控制器58执行的固件程序的相应部分的流程图。图9描绘了相对执行较少的初始化例程，例如当新电池安装到销钉12中时。然后，销钉12可以很好地运行几年，而不再执行该初始化例程。在图9的初始化例程执行期间发生各种操作，但在该例程中的特定点，参考方框252，微控制器58通过将保留在其内部存储器中的密封状态位清零来初始化该比特。这就是在信标信号71中在87(图4)发送的密封状态位。
图10示出在销钉12接收标志信号时由微控制器58执行的例程，该标志信号例如是图1中22或118示出的标志信号中的一个。在方框361，微控制器58检查在所接收的标志信号31中的销钉命令36-37(图2)，以判定该标志信号是否包括特定类型的命令，该命令告诉销钉12开始监控安装在集装箱18上的密封条或锁19。如果该标志信号没有包括该特定命令，则跳过方框262。
否则，在方框362，微控制器58通过将保留在其存储器中的密封状态位清零以使得该比特为二进制数“0”，来执行该命令。实际上，指示销钉12假定具有插销161，并且有效地密封或锁住了该集装箱。该销钉在后面要讨论的下个步骤中验证该假设。在方框362，该微控制器还将内部变量OLDDRIFT设置为0。此后，微控制器58利用公知技术确定一个随机数，并将该随机数作为密封事件码存储在其存储器中。这是上面结合信标信号71中的字段88(图4)讨论的同一个密封事件码。可以利用产生真随机数的公知技术，或替换为利用产生伪随机数的公知技术来确定该密封事件码。密封事件码有助于按照后面讨论的方式检测锁19已被篡改的情况。
在方框262之后，微控制器258执行在此无需详细描述的其它处理，例如检查其它类型的命令。在计划的过程中，其到达方框363，在那里触发信标信号71的发送。这些信标信号当然符合图4所示的格式之一，因此在87和88包括来自微控制器58的存储器的密封状态位和密封事件码。然后图10的例程结束。
图11是表示由微控制器58每秒执行一次的例程的流程图。进入图11的例程是为了响应或者按照硬件实时时钟(RTC)中断的形式，即由固件维护的硬件定时器，或者按照定时器的周期软件轮询的形式以检测其终止的定时器。在方框371，微控制器58初始化向具有50％工作周期、频率为500Hz的CLK500HZ线提供10个方波脉冲的脉冲串的序列。如果具有金属插销161，则如上面结合图8所讨论的，该插销使得在线圈252中电磁感应出10个脉冲的相应脉冲串，该脉冲串反过来又使得一个10脉冲的脉冲串被提供到从检测电路54返回微控制器58的DETECT线。另一方面，如果插销161不存在，则在线圈252中不会电磁感应出有意义的信号，也不会向DETECT线提供脉冲。
然后控制前进到方框372。在方框372，微控制器58为了期望出现在DETECT线上的10个脉冲的第一个而监控该DETECT线。如果在合理的时间间隔内没有接收到脉冲，例如由于在线圈251和252中没有插销161，则微控制器58假定密封条或锁19的完整性出了问题，并且控制进行到方框376。在方框376中，微控制器将密封状态位设置为二进制数“1”，并触发信标发送。这将导致其中密封状态位87(图4)为二进制数“1”的信标信号71的发送。任何在销钉12附近、并正接收这些信标信号71的装置都可以检测到该密封状态位是二进制数“1”这个事实，由此得知密封条或锁的完整性已遭到损坏。例如，参考图1，如果销钉12在读取器13附近，则控制系统14接收集装箱18的密封条或锁19已遭到损坏的提示通知。控制从方框376前进到方框377，在这里图11的例程结束。
在此参考图11的方框372，假定微控制器接收期望在DETECT线上的10个脉冲的第一个。微控制器保存该第一个脉冲，然后前进到方框373。在方框373，对于在DETECT线上接收的下面9个脉冲的每一个，微控制器58都判定在CLK500HZ线上的每个这种脉冲的上升沿，和DETECT线上感应的对应脉冲的上升沿之间的时间间隔。实际上，每个这样的时间间隔都代表在CLK500HZ线上的脉冲和DETECT线上的对应脉冲之间的相移。尽管公开的实施例在两条线上的对应脉冲之间的相移中发现了很多变化，但也可以替换为寻找其它特性，例如信号振幅的变化。
控制从方框373前进到方框374，在此微控制器58检查其是否接收了在DETECT线上期望的所有10个脉冲。如果没有，则微控制器58假定密封条或锁19的完整性出了问题。控制从方框374前进到方框376，在此微控制器将密封状态位设置为二进制数“1”，并按照上面已讨论过的方式触发信标发送。
再次参考方框374，假定微控制器判定已接收了期望在DETECT线上出现的所有10个脉冲。控制从方框374前进到方框378，在此微控制器58将方框373中确定的9个时间间隔相加，然后将该和赋予一个称为NEWDRIFT的变量。接着，在方框381，微控制器58检查变量OLDDRIFT是否包含值0。如果是，则意味着自从在图10的例程中执行了方框362以来，这是第一次执行例程11。在这种情况下，跳过方框382和383，控制直接前进到方框386，在此将变量OLDDRIFT设置为包含在方框378为NEWDRIFT计算的相同值。然后在方框377退出图11的例程。
另一方面，假定在方框381判定OLDDRIFT具有不为0的值，这在正常操作中是典型的情况，则控制从方框381前进到方框382。在方框382，微控制器58计算OLDDRIFT和NEWDRIFT之间差的绝对值，并将该值赋予一个称为CHANGE的变量。实际上，微控制器比较为NEWDRIFT计算的两个连续值，其中较早的值在OLDDRIFT中。然后，在方框383，微控制器58检查CHANGE的值是否大于305微秒。只要锁19的完整性保持完好，则线圈251和252区域里的磁通量特性就应当相同，并且每当微控制器58在CLK500HZ线上产生其标准脉冲的脉冲串时，检测电路64都应当在DETECT线上产生大致相同的信号。因此，对于每个连续的多个脉冲的脉冲串，在方框378中计算的NEWDRIFT的值典型地应当大约相同，并且紧接着的NEWDRIFT的连续计算互相之间正常地都在305微秒内。如果是这样，则可以解释为密封条或锁19仍然完好无损，而控制从方框383前进到方框386，在此OLDDRIFT设置为等于NEWDRIFT，并且例程在方框377结束。
再次参考方框383，如果在方框383判定NEWDRIFT的两次连续计算相差超过305微秒，则假定这意味着锁的金属插销161已被去除或遭到损坏，由此在磁通量特性中产生有意义的变化，该变化反过来又影响信号CLK500HZ和DETECT的脉冲之间的相差。然后控制从方框383前进到方框376，在此微控制器58将密封状态位设置为二进制数“1”，以表明锁已遭到损坏，然后触发信标信号的发送。
图12是微型读取器401的视图，该读取器是一种便携式的可用电池运行的装置，可随意地结合图1的系统10使用。读取器401可以发送类似于上面讨论的标志信号22和118、并符合图2所示的字格式的低频信号402。此外，微型读取器401可以接收由销钉12发送的UHF信标信号71。
微型读取器401的尺寸和配置有点类似于用于无钥匙地进入汽车的装置。它包括可手动按压的按钮406、绿色发光二极管(LED)407、和红色LED408。当按下按钮406时，微型读取器401发送标志信号402，这使得销钉12发送信标信号71(如果该销钉还没有这么做的话)。然后，微型读取器401接收发送的信标信号71，并检查在所接收的信号中的密封状态位87(图4)。如果密封状态位是二进制数“0”(表明锁是完好无损的)，则读取器401打开绿色LED407，或者如果密封状态位是二进制数“1”(表明目前没有认为是完好无损的锁)，则读取器401打开红色LED408。微型读取器不具有手持单元17(图1)的所有功能，特别是不具有发送通过上面结合手持单元17和图10中的方框361和362所讨论类型的密封销钉命令来重新设置销钉的功能。
现在提供对图1所示的系统10的运行例子的简要解释。集装箱18装载了待运输的货物，然后关闭集装箱的门，从而在集装箱锁闩机构的元件151-152中的开口153和154排列为直线。然后，密封销钉12对准在锁闩元件151和152中的开口153-154，然后将锁19的插销161的杆166插过所有对准的开口，然后将杆166的末端按压到外壳162中。该点的结果将是图6中所示的配置。
人力操作员然后使用手持单元17的键区111来向密封销钉12发送标志信号118，该信号包括提醒密封销钉12密封条或锁在通常的位置上并应当被监控的命令。密封销钉12按照上面结合图10的方框362所述的方式响应。这包括将密封状态位清零，并随机地或伪随机地确定一个存储为密封事件码的号码。然后，如参考方框363讨论的，密封销钉12发送包括该密封状态位和密封事件码的信标信号71。
这些信标信号71由读取器13检测，并转发到控制系统14。该控制系统14在未示出的数据库记录中存储标识特定密封销钉12的唯一信标码86(图4)，还存储由密封销钉12确定的随机密封事件码88，以及其它涉及集装箱18的信息，例如集装箱18中的货物清单、为使用手持单元17来完成密封的人员提供的标识号、运输该集装箱的运输工具的驾驶人员的标识号、和/或该特定集装箱的标识号。在这点上，手持单元17的操作员可以使用该单元17键入一些或所有这些信息。可以使用键区111手动键入这些信息。可替换的，单元17可以具有未示出的条形码读取器，它可以用于扫描在销钉12上、集装箱18上、操作员的身份标记卡上、驾驶人员的身份标记卡上等等提供的条形码。
然后，连同锁19和与该锁连接的密封销钉12一起装运集装箱18。假定方框19的完整性没有遭到损坏，并且集装箱18到达其目的地。该目的地包括一个其配置类似于图1所示的系统。由控制系统14操作的标志11将产生使密封销钉12生成信标信号71的标志信号22，该信标信号由读取器13检测并通过网络101提供给控制系统14。在来自密封销钉12的信标信号中接收的密封状态位应当是二进制数“0”，表明密封条或锁是完好无损的。相反，如果该比特是二进制数“1”，则控制系统14知道密封条或锁19已遭到损坏。
在目的地的控制系统14也具有利用通信链路或其它合适的技术访问由装运起点的等同控制系统14创建的涉及集装箱18的数据库记录的功能。因此在目的地的控制系统14可以将从密封销钉12直接读取的信标码86(图4)和密封事件码88，与来自装运起点的数据库记录中的对应条目进行比较。它们应当是没有变化的。如果一个或两个都不同，则在目的地的控制系统14知道密封条或锁19已遭到损坏。
在这点上，假定有人在装运期间的某个点例如通过切开插销161和去除锁19而篡改了锁19。这将使密封销钉12按照上面结合图11的方框371-372和376讨论的方式，检测丢失的锁、将密封状态位的状态改为二进制数“1”、并发送包含该修改比特的信标信号。如果该密封销钉12位于可以接收其信标信号71的任何装置范围内，例如读取器13，则与该装置关联的控制系统将立即接收出现问题的通知，并可以通知诸如安全警卫的某些人来采取适当的措施。
但是假定在密封条或锁19遭到损坏时，密封销钉12没有位于任何可以接收其信标信号71的装置的范围内。例如具有密封销钉12的集装箱可能在高速路上行驶的卡车上，或可能在海洋中的轮船上。密封销钉12将发送表明其已检测到问题的信标信号71，但这些信号不会被接收到。假定那人然后用实质上相同的新锁来代替被破坏的锁19，然后用手持单元17发送标志信号118，通知密封销钉12密封条或锁完好无损，并且密封销钉12应当开始监控该密封条或锁。这将使密封销钉12将密封状态位清零，如上面结合图10的方框362所述。这意味着密封状态位不会提供集装箱已被偷盗的指示。
另一方面，密封销钉12还自动确定并存储一个新的随机数或伪随机数来作为其密封事件码，如上面结合方框362所述。结果，当集装箱18到达其目的地时，从目的地的销钉12直接获得的密封事件码88(图4)与存储在关联集装箱18的数据库记录中的从起点的销钉12获得的密封事件码不同。因此，当目的地的控制系统14将从销钉12获得的密封事件码与来自数据库的密封事件码进行比较时，即使锁19已被实际相同的锁替换，它也将检测到这两个密封事件码不同，由此检测到锁19在装运期间已遭到损坏。
还会认识到，如果篡改锁19的人不仅替换了该锁还替换了密封销钉，则新的密封销钉将包含不同于原始密封销钉中的密封事件码，而不管那人是否具有诸如手持单元17、具有电重新设置该销钉功能的装置。在两种情况下，当集装箱到达其目的地并且检测到密封事件码中的差异时，都可以检测到密封销钉已被替换的事实。如果那人没有可以电重设销钉的装置，则密封状态位将为二进制数“1”，从而可以更为迅速地检测到篡改行为。
在装运期间的任何时候，接近集装箱的人都可以利用例如图12中401所示的读取器，以询问销钉12并确定其密封状态位的状态。具体地说，那人按下按钮406并查看读取器401是否打开了绿色LED407或红色LED408。绿色LED407的点亮意味着销钉12相信锁19保持完好，而红色LED408的点亮意味着销钉12相信锁19已遭到损坏。这允许按照上面结合图10中方框362讨论的方式，检测锁19已被去除并被相同锁替换，但篡改该锁的人没有诸如手持单元17、可以电重设销钉12的装置的情况。
微型读取器401不能检测其中篡改该锁的个人拥有能电重设密封销钉12的装置的情况。这是因为微型读取器401没有访问存储在装运起点创建的数据库记录中的密封事件码88(图4)的功能，由此不能将该密封事件码与销钉12正在其信标信号中发送的密封事件码进行比较。当然，当集装箱到达其目的地或具有图1中10所示类型的系统的中间站时，仍然可以检测该篡改的较高级别。
本发明提供了多个技术优点。一个这样的技术优点由装备相对难以挫败的密封装置产生。在本发明的一种形式中，密封装置包括实际上可以电检测该密封条的任何破坏的电路。在一个特定实施例中，该密封装置包括与集装箱上的锁闩机构协作的插销，该插销还影响由密封装置中的电路监控的磁场。该密封装置构造为使集装箱的打开需要足够地移动插销从而按照可以检测的方式改变该磁场。
相关优点在于该密封装置采用唯一的、内部产生的密封事件标识号，该标识号在装运时刻单独记录，从而可以容易地检测到任何篡改或替换该密封装置的行为。事实上，即使用实际上相同的密封装置代替上述密封装置，也不会挫败可靠检测篡改已发生的能力。
另一个优点在于，电路可以通过立即发送无线信号来响应篡改的检测。当集装箱在运输途中，它将周期性地通过具有接收这些无线信号的接收器的设备。如果该集装箱恰好在篡改发生时位于这样的一个设备范围内，则甚至在该窃贼有机会打开集装箱门并开始偷盗货物之前，就可以立即检测到该篡改的发生。可替换的，如果当集装箱运输在具有该无线监控功能的设备之间时发生篡改，则实际上在集装箱到达具有该功能的设备时就立即检测到该篡改事件。
另一个优点在于，甚至当集装箱运输在具有该无线监控功能的设备之间时，就可以由具有手持装置的人按照涉及比现有检查技术花费更少手工时间和努力的方式，快速而方便地检查密封条的完整性。从每个密封装置向无线接收器发送的无线信号不仅有助于监控由密封装置实施的密封的完整性，还有助于极少或根本无手动地自动跟踪集装箱，以保证每个集装箱可靠地沿着正确路线运动到其目的地。
另一个优点在于，通过本发明提供的改善的跟踪和密封功能，集装箱的货物偷盗变得很难。这促进了货物偷盗和相关费用的减少，例如调查偷盗行为、保险文书工作、和承保损失的保险赔付。
尽管详细图示和描述了一个实施例，但是应当理解在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以做出各种替换和修改。
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权利要求
1.一种设备，包括第一和第二部件，可以在第一和第二位置之间相对移动；密封结构，按照限制所述部件远离所述第一位置的方式，可在所述第一位置与所述第一和第二部件协作；和检测结构，可操作为感测作为所述密封结构函数的磁通量特性，并检测表示所述密封结构被破坏的所述磁通量特性的变化。
2.根据权利要求1的设备，包括具有内腔的集装箱，所述第一和第二部件是所述集装箱的部分，并且其中当所述部件分别在所述第一和第二位置时，分别限制和允许从外部进入所述集装箱的所述内腔。
3.根据权利要求1的设备，其中，所述检测结构包括无线发射器，并发送无线信号，该无线信号包含表明是否已检测到所述磁通量特性的所述变化的指示。
4.根据权利要求3的设备，包括便携式单元，其可以接收所述无线信号，并根据该无线信号而提供表明是否已检测到所述磁通量特性的所述变化的可视指示。
5.根据权利要求3的设备，其中，所述检测结构具有预定义的唯一标识符，并在由所述密封结构发送的无线信号中包括所述标识符。
6.根据权利要求5的设备，其中，所述检测结构响应预定事件而开始所述感测，所述检测结构对所述预定事件的响应是为了实际上随机地确定所述检测结构此后在由所述检测结构发送的无线信号中包括的一个号码。
7.根据权利要求1的设备，其中所述检测结构响应预定事件而开始所述感测，该预定事件包括所述检测结构对预定无线信号的接收。
8.根据权利要求7的设备，包括手动可操作便携式单元，其可以选择性地发送所述预定无线信号。
9.根据权利要求1的设备，其中所述密封结构包括伸长部件；其中所述检测结构包括第一和第二线圈，它们在沿着所述伸长部件的间隔位置处围绕该伸长部件；和其中所述检测结构包括电路，该电路可以操作为使所述第一线圈感应出磁场，并使所述第二线圈感测所述磁场。
10.根据权利要求9的设备，其中所述集装箱具有包括所述第一和第二部件的锁闩机构；和其中所述密封结构包括锁机构，所述伸长元件是该锁机构的部件，并由可磁穿透的材料制成。
11.根据权利要求9的设备，其中，所述检测结构包括外壳，并包括扶手，该扶手从所述外壳延伸，并使所述第一和第二线圈在该扶手上的间隔位置处得到支撑，所述外壳在其中具有电路，该电路电连接到所述线圈。
12.根据权利要求9的设备，其中，所述第一和第二部件具有开口，所述伸长部件穿过该开口，所述第一和第二部件每个都位于在所述第一和第二线圈之间的所述伸长部件上。
13.根据权利要求9的设备，其中，由所述电路在所述第一线圈中感应出的磁场是可变磁场；和其中，所述检测结构执行对所述磁通量的所述感测，该磁通量是作为在所述第一和第二线圈中的信号之间的相移的函数。
14.根据权利要求13的设备，其中，所述电路通过将多个脉冲施加到所述第一线圈来使所述第一线圈感应出所述磁场；和其中，由所述电路对所述磁通量的所述感测包括对于至少两个所述脉冲，确定所述第一线圈中信号的脉冲和所述第二线圈中感应的对应脉冲之间的相移。
15.根据权利要求13的设备，其中，所述电路通过将多个脉冲施加到所述第一线圈来使所述第一线圈感应出所述磁场；和其中，由所述电路对所述磁通量的所述感测包括对于至少两个所述脉冲而不是所述脉冲的第一个，确定所述第一线圈中信号的脉冲和所述第二线圈中感应的对应脉冲之间的相移，然后通过对相应的所述脉冲相加所述脉冲相移来计算一个和，并然后评价在所述和与所述和的先前计算值之间的差是否超过预定值。
16.一种方法，包括步骤在可以在第一和第二位置之间相对移动的第一和第二部件间进行密封，包括提供密封结构，其按照限制所述部件远离所述第一位置的方式，可在所述第一位置与所述第一和第二部件协作；感测作为所述密封结构函数的磁通量特性；和检测表示所述密封结构被破坏的所述磁通量特性的变化。
17.根据权利要求16的方法，包括发送无线信号的步骤，该无线信号包含表明是否已检测到所述磁通量特性的所述变化的指示。
18.根据权利要求17的方法，包括在所述无线信号中提供一个唯一标识符的步骤。
19.根据权利要求18的方法，包括响应预定事件的步骤，该响应通过开始所述感测，并实际上随机地确定一个此后在所述无线信号中包括的号码来进行。
20.根据权利要求16的方法，包括步骤在第一线圈中感应出所述磁场作为可变磁场；和使用第二线圈进行对所述磁通量的所述感测；和进行所述磁通量特性变化的所述检测，作为在所述第一和第二线圈中的信号之间的相移的函数。
21.根据权利要求20的方法，其中，所述感应步骤包括向所述第一线圈提供多个脉冲；和其中，所述检测步骤包括对于至少两个所述脉冲而不是所述脉冲的第一个，确定所述第一线圈中信号的脉冲和所述第二线圈中感应的对应脉冲之间的相移，然后通过对相应的所述脉冲相加所述脉冲相移来计算一个和，并然后评价在所述和与所述和的先前计算值之间的差是否超过预定值。
全文摘要
一种有助于密封和跟踪集装箱的装置(12)。该装置包括插销(166)，它穿过在集装箱上的锁闩机构(19)中的开口。该插销还穿过密封装置的间隔线圈(251，252)。该密封装置使用一个线圈来产生磁场，同时监控在另一个线圈中感应出的对应磁场。对该插销的篡改影响该磁场，这反过来允许该密封装置检测该篡改。该密封装置周期地发送无线信号，该信号可以远程接收，用于跟踪该集装箱和监控该密封的完整性。
文档编号G09F3/03GK1613101SQ02826656
公开日2005年5月4日 申请日期2002年7月25日 优先权日2001年11月9日
发明者罗德里克·E·索恩, 菲利普·J·凯勒希安, 蒂莫西·R·雷德勒, 约瑟夫·S·陈, 尼古拉·卡冈加 申请人:萨维技术公司
技术领域：
本发明总的涉及可以容纳一个或多个物品的集装箱，并具体地说，涉及一种用于密封和跟踪这类集装箱的方法和设备。
背景技术：
集装箱的一个普通用途是将货物从一个地点装运到另一个地点。一种公知类型的集装箱是联合运输集装箱。将货物包装到联合运输集装箱中，并将该集装箱的门关闭和锁住。然后，通过一种或多种交通工具将集装箱运输到目的地，例如卡车、飞机、火车和/或轮船。在目的地，开锁并打开集装箱的门，并取出货物。
运输业已认识到为这类集装箱内的货物提供安全性是很重要的。作为这一点的一个方面，需要跟踪集装箱，以避免在装运期间由于集装箱被偷或令人不注意地误转或放错位置而导致的损失。除跟踪集装箱之外，即使集装箱本身没有被偷或误转或放错位置，也需要防止在集装箱运送到其目的地期间将货物从集装箱中取出。
为此，存在用于密封或锁闭集装箱门的锁闩机构的现有密封装置。密封装置最普通的类型包括一次性插销和可重复使用的外壳。插销经由集装箱的锁闩机构而插入，然后将可重复使用的外壳紧压到该插销的末梢，这使得插销和外壳的协作结构完全防止该插销的末梢从与其插入的相反方向退出。为了从集装箱中取出该密封装置，必须用插销切割器切断一次性插销。然后，例如通过一直从插入方向移动插销末梢，直到它完全穿过外壳为止，从而从外壳中取出保留在外壳内的插销末梢。
这种公知类型的密封装置通常在可重复使用的外壳上具有唯一序列号。但是，拥有合适工具的窃贼可以切割开插销，以进入集装箱，然后可以使用具有可重复使用的外壳的相同插销来再次密封该集装箱。由于外壳上的序列号是相同的，因此在实际上确实发生了撬锁时该密封装置还给出没有被撬锁的印象。尽管这类用于密封和跟踪集装箱的现有技术对于所计划的目的来说一般已经足够，但还没有在所有方面都令人满意。
为此，跟踪集装箱和检查现有密封装置通常涉及很高程度的人工活动，这是比较昂贵的。此外，由于上面讨论的原因，即使是细心的人工检查也不一定能发现密封装置已被移动或替换的事实。国家货运安全委员会在1998年估计，美国每年的货运偷盗行为已达到每年大约100亿美元的水平，在考虑通货膨胀的因素后仍然比20到25年前高出大约5倍。并且该估计只反映了丢失货物的价值。如果还考虑事故调查的费用、保险的文书工作和保险要求，则每年货运偷盗的实际商业影响估计每年达到300亿到600亿美元。
委员会注意到所有商业安全损失的85％来自产品运输过程中的偷盗或丢失。此外，估计80％的偷盗都是在内部进行的。很多丢失是在最后运输时才发现的，这部分是由于多种形式运输的特性而引起的。在运输时，返回到丢失发生的确切地点通常很难或根本就不可能。
发明内容
从上述原因出发，出现了对促进更好密封和/或跟踪技术的方法和设备的需要。根据本发明，提供了一种方法和设备来解决该需要，包括在第一和第二位置之间可彼此相对移动的第一和第二部件之间的密封，包括提供按照限制这些部件远离第一位置的方式，可在其第一位置与该第一和第二部件合作的密封结构；检测作为该密封结构函数的磁通量特性；和检测表示该密封结构被破坏的磁通量特性变化。
下面通过结合附图的详细描述将更好地理解本发明，其中图1是体现本发明特征的设备的方框图；图2是具有几个不同字段信息的数字字的图解，该数字字表示用于由图1中设备的各种装置发送的数据的标准化格式；图3是在作为图1的设备组件的密封销钉内的电路方框图；图4是各自具有几个不同信息字段的两个数字字的图解，该数字字表示用于由图1中设备的密封销钉发送的数据的标准化格式；图5是从图1的设备透视密封销钉的透视图，并且还示出用于密封集装箱的锁，该锁和集装箱是图1的设备的组件；图6是图5的密封销钉和锁的端视图，并且还在交叉部分示出作为集装箱上锁闩结构部分的两个元件；图7是作为图1的密封销钉一部分的扶手的分解透视图；图8是表示作为图1的密封销钉中的电路部分的检测电路的电路示意图；图9至11都是表示由作为图1的密封销钉一部分的微控制器执行的固件程序的相应部分的流程图；和图12是可与图1的设备结合使用的微型读取器的示意图。
具体实施例方式
图1是体现本发明特征的设备10的方框图。设备10包括标志11、密封销钉12、读取器13、控制系统14、无线基站16、无线手持单元17、集装箱18、和密封条或锁19。锁19保护集装箱18上提供的锁闩，密封销钉12按照后面将详细描述的方式与锁19协作。设备10典型地包括很多11所示类型的标志、很多12所示类型的密封销钉、几个17所示类型的手持单元、和几个13所示类型的读取器。但是，为了清楚地解释本发明，图1只示出一个标志11、一个密封销钉12、一个手持单元17、和一个读取器13。
首先集中在标志11上，标志11是一种本领域公知类型的装置，因此在此只是简短描述，以有助于对本发明的理解。标志11可以是移动或是固定的，但在图1的实施例中是固定安装在例如柱子或顶篷上。标志11包括未示出的微控制器。本领域的技术人员了解微控制器是包括微处理器、包含计算机程序和用于微处理器的静态数据的只读存储器(ROM)、和微处理器可在其中存储系统运行期间的动态数据的随机存取存储器(RAM)的集成电路这个事实。标志11还包括未示出的发射器，其由微控制器控制，并通过内部天线发射低频(LF)标志信号22。
在标志11内的发射器通过影响载波信号的幅度调制来产生标志信号22，该信号可以具有大约30KHz到30MHz范围内的频率。在所公开的实施例中，以及考虑到要遵守各个国家涉及电磁发射的政府规定，将载波频率选择为132KHz，但是可另外选择为某个其它频率，例如13.56MHz。
在选择所说明的频率范围时还要考虑标志信号22将展示近场特性。在该频率范围内的局部性质有助于遵守本发明具体上下文中写明的政府规定，也有助于最小化由位于标志11附近、但在标志信号22的计划传输范围之外的其它销钉接收的这些信号。如本领域技术人员所知，具有近场特性的信号滚降(roll-off)得比具有远场特性的信号快大约3倍。因此，标志信号22特意具有相对较短的传输范围，该范围在本公开实施例中可以调整，典型地为大约4到12英尺。由于标志信号22展示近场特性这个事实，因此可以将标志信号22的发送和接收更多地看作是两个天线之间的磁耦合，而不是射频耦合。
如图1的24所示，标志11通过标准RS-232串行接口耦接到控制系统14。尽管接口24是RS-232接口，其还可以替换成其它合适的接口，例如以太网接口、RS-485接口、或无线接口。
每个从标志11发送的标志信号22都包括信息的几个不同元素，现在结合图2描述。具体地说，图2是具有下面将要讨论的几个不同信息字段的数字字31的视图。如上所述，通过利用振幅调制将该字31的比特连续调制为132KHz载波，来在标志信号22中发送该数字字31的比特。在图2中，从左向右连续发送该字31的比特。
第一字段是报头(preamble)32，其是比特的预定义模式，允许接收信号的装置识别标志信号的开始，并使其自身与该标志信号同步。在公开的实施例中，报头大约为8个比特，但是比特的具体数字可以根据期望用于接收该标志信号的特定接收器的特性而改变。
字31中的下个字段33是标志码，其在所公开的实施例中是12比特的整数值，用于唯一标识正发送字31的特定标志11。如上所述，系统10可以具有多个标志11，并且不同标志11中不同标志码33的使用允许该系统将一个标志发送的标志信号与另一个标志发送的其它标志信号区分开来。
图2的字31中的下个字段是销钉命令36，其是向密封销钉发送的命令，可以影响密封销钉12的操作。该销钉命令字段36是2比特的字段。字31中的下两个字段是相关的控制命令37和参数38。在公开的实施例中，控制命令37是4比特的字段，而参数38是8比特字段。控制命令37与销钉命令36在各自指示销钉12做某件事这个方面相似。不同之处在于控制命令37一般需要附加参数38，而销钉命令36不使用参数。对命令的进一步讨论要延缓到在详细解释了销钉12之后才进行。
字31的下个字段是扩展标记41，其是1比特字段。在公开的实施例中，对于图2的字格式31，该字段总是二进制数“0”。提供该字段是为了有助于将来的兼容性。例如，如果需要在将来某个时间修改字31的格式，则可以在每个具有新格式的字中将标记41设置为二进制数“1”，从而接收标志信号22的装置可以判定在该信号中接收的字31具有图2中31所示的原始格式，还是具有该新格式。
字31中的下个字段是错误控制字段42。由于标志11和其它装置之间的通信实质上是单向传输，并且由于用于图1的设备10的很多应用涉及具有相对较高噪声电平的环境，因此重要的是，使接收装置可以评价在标志信号22中接收的字31是否正确，或是否包含错误。因此，包括了错误控制字段42，以提供一定程度的前向纠错(FEC)。
在公开的实施例中，错误控制字段42包括8个奇偶比特，但如果字31中的总比特数改变，或如果选择使用几个公知奇偶方案中的不同方案，则奇偶比特的数目也可以不同。除了使用错误控制字段42之外，还可以通过使接收标志信号22的装置存储和比较两次连续传输的给定标志信号22以验证他们完全一致，来增加可靠性和精确度的总体水平。
字31中的最后一个字段是分组结束字段43。该字段向接收装置发信号表示传输的结束。在图2的实施例中，分组结束字段43具有8个全部设置为二进制数“0”的比特。
如上所述，标志信号22典型地在相对吵闹的环境中发送。为了保证可靠的信号接收，可以采用公知技术来改善信噪比(SNR)。在图1的公开实施例中，利用公知的振幅偏移键控(ASK)技术影响132KHz载波的振幅调制，从而改善SNR。可以替换使用其它技术来改善SNR，例如频移键控(FSK)或相移键控(PSK)。
如上所述，标志11和密封销钉12之间的通信是标志信号22的单向通信。考虑到这一点，期望提供一定程度的安全性来保证字段销钉12只对有效的标志信号22起反应，特别是有关字段36-38中的命令。因此，可以利用公知的加密技术或替换利用公知的密码技术来对字段33、36-38和41中的几个或所有字段进行安全性保护。
转到密封销钉12，图3是密封销钉12的电路51的方框图。该电路依靠来自未示出的、在密封销钉12内提供的电池的电力运行。该电路51包括两个接收天线52和53、接收电路56、具有微控制器58的控制电路57、发送电路62、发送天线63、和检测电路64。检测电路64也在图1中利用虚线概略示出。电路51是在以前存在的销钉中使用的电路类型，除了检测电路64、将检测电路64耦合到微控制器58的两个信号CLK500HZ和DETECT、以及用于微控制器58的固件(控制程序)的特定部分。后面将和微控制器58中的固件的相关部分一起详细描述检测电路64中的电路。但首先，以有助于理解本发明的程度简短描述已知的电路51的部分。
具体地说，两个接收天线52和53互相之间以直角相对设置，以有助于更好地接收信号，例如图1中22所示的标志信号。接收电路56处理来自天线52和53中每一个的信号，然后相加该信号，从而更强的信号本质上占据优势。所产生的信号然后传递到控制电路57中的微控制器58。
发送电路62是超高频(UHF)发射器，其利用频率为433.92MHz的载波信号通过发送天线63发送。利用发送电路62和天线63，销钉12的微控制器58可以向诸如读取器13和手持单元17的装置发送信标信号71(图1)。该信标信号71是通过将特定信标信息FSK调制到433.92MHz载波信号上而产生的。在公开实施例中采用433.92MHz的频率，是因为其在关于发送电磁信号的主要政府规定下适用于相对更广范围的国家。但是，可替换采用其它频率，例如915MHz。信标信号71的发送范围实际上长于标志信号22的发送范围，在公开的实施例中可以达到大约300英尺。利用本领域公知技术，例如Slotted Aloha广播式计算机通信网协议，来发送信标信号71，以减小不同销钉发送的信标信号之间的干扰。
在公开的实施例中，在信标信号71中发送的信标信息可以具有两种不同形式中的一种，这两种形式在图4中示出。具体地说，如果密封销钉12已通过天线52-53和接收电路56接收了有效标志信号22，则信标信号71中发送的标记信息具有图4中76所示的字格式。相反，在密封销钉12没有从其它装置接收标志信号的时间段期间，在信号71中发送的信标信息将具有图4中77所示的字格式。不考虑当前正在使用的是字格式76还是77，公开的实施例将利用27.7Kbps的曼切斯特编码的FSK调制来发送字中的信息。
首先讨论字格式76。其以报头81开始，该报头在功能上可与字31的报头32(图2)相比。在公开的实施例中，报头81持续1296微秒，并包括20个周期，每个周期包括一个30微秒的逻辑高和一个30微秒的逻辑低，后面还跟随着一个包括42微秒的逻辑高和54微秒的逻辑低的周期。字76中的下个字段是1比特格式字段82，提供该字段是为了向接收装置表示图4中的两种格式81和82中的哪一个是用于即时信标信号的格式。因此，字段82在字76中总是二进制数“1”，在字77中总是二进制数“0”。
字76中的下个字段是4比特的销钉类型字段83，其是提供关于如何在系统中使用特定销钉12的一些信息的代码。在密封销钉12中的该类型字段可以表示密封销钉12正用于监控集装箱18上的锁19，而用于其它销钉的销钉类型字段可以具有不同的代码，例如表示该销钉正和某个形式的移动装置一起使用，或固定安装在某个固定物体上。在公开的实施例中，销钉类型代码83还可以提供关于集装箱18的一些信息，例如其体积或其高度。
字76中的下个字段是3比特的资产(asset)类型字段84。该字段84可以更具体地标识销钉12关联的特定装置类型。公开实施例中的销钉12与集装箱18关联，而发送相似信标信号的其它销钉装置连接到其它类型的装置上，并因此在字段84中具有不同代码。
在字76中的下个字段是信标码86。在公开实施例中，这是唯一标识正发送字76的特定销钉的整数值。如上所述，设备10可以具有多个不同的销钉，每个销钉的不同信标码86的使用允许系统将一个销钉发送的信标信号与另一个销钉发送的信标信号区分开来。
字76中的下个字段是密封状态位87，这是用于按照下面将更详细描述的方式表示锁19(图1)的当前状态的1比特字段。下个字段是密封事件码88，这是用于按照下面将更详细描述的方式，与监控锁19关联使用的4比特字段。
字76中的下个字段是标志码91。它与在33的、从密封销钉12最近接收的标志字31中提取出的标志码相同。字76的下个字段是最后命令字段92，它与用于在标志字31的字段37或38中接收的最后命令的代码相同，该标志字31是从具有呈现在字段91中的标志码的标志接收的。
字76中的下个字段是错误控制字段93。在公开的实施例中，它是采用公知类型的循环冗余码(CRC)的16比特字段，其利用字段82-84、86-88和91-92中的信息计算出来。销钉12发送的信标信号71本质上是单向信号，因此提供了错误控制字段94，使得接收这些信号的装置具有一定程度的检测和校正接收的字76中一些错误的功能。该接收装置还可以通过接收和比较两个连续信标信号71以验证它们是相同的，从而增加精确度和可靠性。字76中的最后一个字段是分组结束字段94，它在公开的实施例中是36微秒的逻辑低。分组结束字段94向接收装置表明该字段94是当前正被接收的字76的结束。
转向信标字的替换格式77，与字76的基本不同之处在于从字77中省略了字76的字段91和92。这是因为字段91和92包含从最后接收的标志字31中提取出的信息。相反，如上所述，信标字77用于销钉12当前没有接收任何标志信号的情况，因此当前没有任何信息输入到字段91和92中。因此，在字格式77中省略了字段91和92。
在理论上，即使销钉12当前正在接收来自任意标志的信息，也可以采用字格式76，并简单地在每个字段91和92中放置“哑元”代码。但是，关于无线电传输的政府规则趋向于包括在例如发送信标信号71的功率电平、在连续发送信标信号71之间的时间间隔、和每个信标信号中呈现的信息量这些因素之间的平衡。通过在不需要字段91和92时采用字格式77，减少了发送信标信号71的持续时间，这依次有助于遵守政府规则。
在字格式77和字格式76之间还有两个不同点。首先，如上所述，在字76中字段82总是二进制数“1”，在字77中总是二进制数“0”。其次，只利用字段82-84和86-88计算字77的错误控制字段93中采用的CRC值，因为没有字段91和92，因此不能考虑这两个字段。
销钉12发送信标信号71的速率在不同的操作情况下将发生变化。例如，当销钉12正在接收标志信号或受到一些其它激励而发送时，销钉12将更频繁地发送信标信号71。相反，在其它操作情况下，销钉将更少地发送信标信号71。在任何一种情况下，在连续发送信标信号之间的确切时间间隔都随机地不同，以减小在来自不同销钉的信标信号之间再次发生“冲突”的可能。来自销钉12的信标信号71的发送速率和发送定时的变化符合公知技术，因此在此不详细描述。
由于电路51包括特定的现有销钉的所有功能，因此销钉12具有公知类型的全部功能，从而有助于跟踪诸如集装箱18的资产的移动。由于这种类型的功能是总所周知的，因此在此不详细描述。
又参考图1，读取器13是本领域公知类型的固定安装的装置，因此在此只是简短描述。读取器13接收从密封销钉12发送的UHF信标信号71，然后通过网络101将来自各接收的信标信号的信标字(图4)转发到控制系统14。在公开实施例中，网络101是本领域称为以太网网络的网络类型，但是可以替换为其它形式的网络。
无线基站16是本领域公知类型的装置，并通过网络106耦合到控制系统14。在公开的实施例中，网络106是以太网网络，但可以替换为其它类型的网络。此外，可替换地采用一个单一的网络实现网络101和网络106。
无线手持单元17包括具有多个可手动操作的按压按钮的键区111，和作为液晶显示屏(LCD)的显示器112。手持单元17是便携式的，依靠电池电力运行。手持单元17包括未示出的、包含微控制器的电路。该电路可以接收由销钉12发送的信标信号71，将射频(RF)信号116用于通过基站16和网络106与控制系统14的双向通信，并发送类似于标志信号22的、符合图2所示的字格式的低频标志信号118。后面将详细讨论手持单元17的使用。
现在转向对密封销钉12的详细描述，图5是销钉12的示意性透视图，还示出了用于保护集装箱18的锁19。图6是销钉12和锁19的端视图，还在交叉部分示出了作为集装箱18上锁闩机构的部件的两个元件151和152。在公开的实施例中，集装箱18是公知类型的联合运输集装箱，它相对较大。多个这样的集装箱可以装载到轮船或飞机上，并配置为整齐地相互堆叠。集装箱18包括具有一个开口的外壳，该开口提供了进入该外壳内部区域的通道，集装箱18还包括可以在分别允许和阻止通过该开口进入的开和关位置之间移动的通道门。
集装箱包括锁闩机构，可以使集装箱门保持为关闭状态，并且该锁闩机构包括元件151和152。在图6中，在集装箱的外壳上提供了元件152，而在集装箱的门上提供了元件151。当门关闭时，元件151和152都在图6所示的位置。为了打开门，元件151必须相对于元件152移动。元件151和152具有圆柱形开口153和154，它们在集装箱门关闭时同轴地相互排列为直线、且元件151和152在图6所示的位置。开口153和154在集装箱门打开时没有排列成直线。图6所示的元件151和152的配置只代表一种可能的配置。元件151和152还有与本发明兼容的各种配置。
密封条或锁19是市场上可以买到，也是本领域众所周知的装置类型。它包括插销161和外壳162。插销161具有圆柱形杆166，在顶端具有加大的头部167。杆166的下端插入到外壳162中，并且外壳162内的结构按照防止该杆从外壳162中退出的方式锁定地紧紧夹住杆166的末端，而不破坏外壳162或切断杆166。该设计的意图在于，为了打开锁19，必须物理地切断插销的杆166。外壳162可以按照每个外壳162一个唯一标识符的形式，在外壳上具有未示出的标记。在外壳162包括这种标记的情况下，可以记录该标记，以有助于检测和减少偷盗。
如图5和6所示，密封销钉12包括由两个部件201和202形成的外壳。在公开的实施例中，外壳部件201和202都由非常坚固的塑料制成，并且通过超声焊接而固定地相互保护。但是，它们可以替换地由其它类型的材料制成，还可以按照其它方式一起获得保护。由部件201-202限定的外壳包含未示出的电路板，它实质上包含图3中51所示的所有电路，除了将在后面详细讨论的两个线圈之外。销钉12也包括扶手211，其一端安全地锚在由部件201和202限定的外壳内，并且在外观上通过开口伸出到外壳部件201中，该开口被作为外壳部件201集成部分的环形轴环213围绕。扶手211的外端大致是U形的，并具有由孔边218耦合在一起的两个间隔支柱216和217。两个支柱216和217使开口对准，插销161的杆166通过该开口延伸。
图7是扶手211的分解透视图，示出该扶手的附加细节。扶手211包括两个弯曲的、盘状的部件226和227。在公开的实施例中，部件226和227都由不锈钢制成，但是可以替换地由其它类型的材料制成，例如耐用塑料。部件227包括支柱216和孔边218，部件226包括扶手211的其余部分。部件226和227在孔边218和支柱217交叉点处，以直角固定地相互焊接在一起。
部件226的扶手217具有圆柱形孔231，它垂直地穿过该扶手，并且在扶手217的顶部提供了与孔231同轴的更大直径的圆柱形埋头孔232。在部件227的支柱216中提供了相似的孔233和埋头孔234，使得他们互为同轴，并与孔231和埋头孔232同轴。
在埋头孔234的一边上用机器加工了凹进236，在埋头孔232的边上，在环状间隔的位置处用机器加工了两个相似凹进237和238。如虚线241所示，一个钻孔从凹进236穿过扶手216、孔边218和扶手217，一直延伸到凹进237。同样的，如虚线242所示，一个钻孔从凹进238穿过部件226，一直延伸到部件226的下端。钻孔241和242是通过在将部件226和227弯曲为图7所示的形状之前在这些部件中钻孔形成的。
扶手211还包括两个绕线筒246和247。每个绕线筒都具有与埋头孔232和234的直径大致相等的外直径，并且每一个都具有与孔231和233的直径大致相等的内直径。在径向方向，绕线筒246和247具有与埋头孔232和234的深度大致相等的高度。在埋头孔234中安装绕线筒246，而在埋头孔232中安装绕线筒247。每个绕线筒246和247都由不锈钢制成，并形成为在埋头孔233和234内具有压配合。绕线筒在埋头孔232和234内通过合适的公知粘合剂来保护。绕线筒可替换地由其它材料制成，如坚固的塑料，并适当地由其它技术保护。例如，如果扶手和绕线筒都由塑料材料制成，则绕线筒可缝焊到该扶手上。
绕线筒246具有用电线卷绕的线圈251，该电线的两端部分穿过钻孔241和钻孔242并延伸到销钉12的内部，在那里这两端耦接到未示出的电路板上的电路。同样，绕线筒247具有线圈252，该电线的末端部分通过穿过钻孔242并延伸到销钉12的内部，在那里所述末端部分耦接到未示出的电路板的电路上。可以看出插销161的金属杆166穿过每个绕线筒246和247，使得每个线圈251和152都在沿着杆166的径向间隔位置处围绕着杆166。此外，参考图6和7，要注意到锁闩机构的每个元件151和152都设置在线圈251和252之间。
线圈251和252是上面结合图1和3描述的检测电路64的部件。检测电路64在作为电路示意图的图8中详细示出。尽管插销161不是检测电路64的部件，在图8中还是以虚线示出，以有助于理解检测电路64的运行。图8示出在径向间隔位置处围绕插销161的杆的线圈251和252。信号CLK500HZ由控制电路57中的微控制器58(图3)产生。在检测电路64中，该信号通过电阻器301耦接到线圈251的一端，而线圈251的另一端耦接到地。电容器302耦接在地与电阻器301和线圈251间的节点之间。
线圈252的一端耦接到放大器311的正输入端，而另一端耦接到电容器306的一端和电容器307的一端。电容器306的另一端耦接到放大器311的正输入端，而电容器307的另一端通过电阻器308耦接到放大器311的负输入端。电容器312耦接在放大器311的输出端和负输入端之间，而电阻器313与电容器312并联。电容器312和电阻器313向放大器311提供反馈。
两个电阻器316和317串联连接在电源和地之间，而它们之间的节点耦接到放大器311的正输入端和用作比较器的放大器321的负输入端。电容器322耦接在地和比较器321的负输入端之间。放大器311的输出端耦接到比较器321的负输入端。比较器321的输出端作为从检测电路64输出的信号DETECT，该检测电路64耦接到微控制器58(图3)。
用于检测电路64的输入信号CLK500HZ由微控制器58产生为具有50％工作周期的、频率为500Hz的10个方波脉冲的脉冲串。电容器302作为低通滤波器的形式，它使方波的边缘变圆，从而施加到线圈251上的该波形的每个脉冲都有点类似于正弦波的相同部分，尽管不是完全与正弦波一致。该脉冲信号使线圈251产生可变磁场。如果存在金属插销161，则该磁场将穿过该插销作用，从而在线圈252中感应出信号。在没有插销161的情况下，由线圈251产生的该磁场不足以在线圈252中感应出任何有意义的信号。
当存在插销161时，可变磁场的磁通量在线圈252中感应出信号，该信号通过AC耦合电容器307和电阻器308提供到放大器311的负输入端。电容器306作为除去任何高频噪声的低通滤波器，这些噪声可能被线圈252拾取，例如RF信号。
放大器311放大由线圈252检测的信号，并向比较器321的正输入端提供该信号。电阻器316和317形成分压器，它将比较器321的负输入端保持为预定电压。比较器321因此用作阈值检测器的形式，它在由线圈252检测的磁脉冲经过放大器311后产生的输出脉冲超过来自分压器316-317的电压时，产生一个输出。然后，该输出使得比较器321在超过阈值时在其输出端产生一个脉冲。该电路配置为驱动比较器321进入饱和，以响应放大器311输出端的脉冲，由此修剪在放大器311输出端产生的圆形脉冲的尖峰，从而DETECT信号近似为方波。
参考图3，将参考图9-11详细描述控制器57的微控制器58操作检测电路64的方式，图9-11每个都是表示由微控制器58执行的固件程序的相应部分的流程图。图9描绘了相对执行较少的初始化例程，例如当新电池安装到销钉12中时。然后，销钉12可以很好地运行几年，而不再执行该初始化例程。在图9的初始化例程执行期间发生各种操作，但在该例程中的特定点，参考方框252，微控制器58通过将保留在其内部存储器中的密封状态位清零来初始化该比特。这就是在信标信号71中在87(图4)发送的密封状态位。
图10示出在销钉12接收标志信号时由微控制器58执行的例程，该标志信号例如是图1中22或118示出的标志信号中的一个。在方框361，微控制器58检查在所接收的标志信号31中的销钉命令36-37(图2)，以判定该标志信号是否包括特定类型的命令，该命令告诉销钉12开始监控安装在集装箱18上的密封条或锁19。如果该标志信号没有包括该特定命令，则跳过方框262。
否则，在方框362，微控制器58通过将保留在其存储器中的密封状态位清零以使得该比特为二进制数“0”，来执行该命令。实际上，指示销钉12假定具有插销161，并且有效地密封或锁住了该集装箱。该销钉在后面要讨论的下个步骤中验证该假设。在方框362，该微控制器还将内部变量OLDDRIFT设置为0。此后，微控制器58利用公知技术确定一个随机数，并将该随机数作为密封事件码存储在其存储器中。这是上面结合信标信号71中的字段88(图4)讨论的同一个密封事件码。可以利用产生真随机数的公知技术，或替换为利用产生伪随机数的公知技术来确定该密封事件码。密封事件码有助于按照后面讨论的方式检测锁19已被篡改的情况。
在方框262之后，微控制器258执行在此无需详细描述的其它处理，例如检查其它类型的命令。在计划的过程中，其到达方框363，在那里触发信标信号71的发送。这些信标信号当然符合图4所示的格式之一，因此在87和88包括来自微控制器58的存储器的密封状态位和密封事件码。然后图10的例程结束。
图11是表示由微控制器58每秒执行一次的例程的流程图。进入图11的例程是为了响应或者按照硬件实时时钟(RTC)中断的形式，即由固件维护的硬件定时器，或者按照定时器的周期软件轮询的形式以检测其终止的定时器。在方框371，微控制器58初始化向具有50％工作周期、频率为500Hz的CLK500HZ线提供10个方波脉冲的脉冲串的序列。如果具有金属插销161，则如上面结合图8所讨论的，该插销使得在线圈252中电磁感应出10个脉冲的相应脉冲串，该脉冲串反过来又使得一个10脉冲的脉冲串被提供到从检测电路54返回微控制器58的DETECT线。另一方面，如果插销161不存在，则在线圈252中不会电磁感应出有意义的信号，也不会向DETECT线提供脉冲。
然后控制前进到方框372。在方框372，微控制器58为了期望出现在DETECT线上的10个脉冲的第一个而监控该DETECT线。如果在合理的时间间隔内没有接收到脉冲，例如由于在线圈251和252中没有插销161，则微控制器58假定密封条或锁19的完整性出了问题，并且控制进行到方框376。在方框376中，微控制器将密封状态位设置为二进制数“1”，并触发信标发送。这将导致其中密封状态位87(图4)为二进制数“1”的信标信号71的发送。任何在销钉12附近、并正接收这些信标信号71的装置都可以检测到该密封状态位是二进制数“1”这个事实，由此得知密封条或锁的完整性已遭到损坏。例如，参考图1，如果销钉12在读取器13附近，则控制系统14接收集装箱18的密封条或锁19已遭到损坏的提示通知。控制从方框376前进到方框377，在这里图11的例程结束。
在此参考图11的方框372，假定微控制器接收期望在DETECT线上的10个脉冲的第一个。微控制器保存该第一个脉冲，然后前进到方框373。在方框373，对于在DETECT线上接收的下面9个脉冲的每一个，微控制器58都判定在CLK500HZ线上的每个这种脉冲的上升沿，和DETECT线上感应的对应脉冲的上升沿之间的时间间隔。实际上，每个这样的时间间隔都代表在CLK500HZ线上的脉冲和DETECT线上的对应脉冲之间的相移。尽管公开的实施例在两条线上的对应脉冲之间的相移中发现了很多变化，但也可以替换为寻找其它特性，例如信号振幅的变化。
控制从方框373前进到方框374，在此微控制器58检查其是否接收了在DETECT线上期望的所有10个脉冲。如果没有，则微控制器58假定密封条或锁19的完整性出了问题。控制从方框374前进到方框376，在此微控制器将密封状态位设置为二进制数“1”，并按照上面已讨论过的方式触发信标发送。
再次参考方框374，假定微控制器判定已接收了期望在DETECT线上出现的所有10个脉冲。控制从方框374前进到方框378，在此微控制器58将方框373中确定的9个时间间隔相加，然后将该和赋予一个称为NEWDRIFT的变量。接着，在方框381，微控制器58检查变量OLDDRIFT是否包含值0。如果是，则意味着自从在图10的例程中执行了方框362以来，这是第一次执行例程11。在这种情况下，跳过方框382和383，控制直接前进到方框386，在此将变量OLDDRIFT设置为包含在方框378为NEWDRIFT计算的相同值。然后在方框377退出图11的例程。
另一方面，假定在方框381判定OLDDRIFT具有不为0的值，这在正常操作中是典型的情况，则控制从方框381前进到方框382。在方框382，微控制器58计算OLDDRIFT和NEWDRIFT之间差的绝对值，并将该值赋予一个称为CHANGE的变量。实际上，微控制器比较为NEWDRIFT计算的两个连续值，其中较早的值在OLDDRIFT中。然后，在方框383，微控制器58检查CHANGE的值是否大于305微秒。只要锁19的完整性保持完好，则线圈251和252区域里的磁通量特性就应当相同，并且每当微控制器58在CLK500HZ线上产生其标准脉冲的脉冲串时，检测电路64都应当在DETECT线上产生大致相同的信号。因此，对于每个连续的多个脉冲的脉冲串，在方框378中计算的NEWDRIFT的值典型地应当大约相同，并且紧接着的NEWDRIFT的连续计算互相之间正常地都在305微秒内。如果是这样，则可以解释为密封条或锁19仍然完好无损，而控制从方框383前进到方框386，在此OLDDRIFT设置为等于NEWDRIFT，并且例程在方框377结束。
再次参考方框383，如果在方框383判定NEWDRIFT的两次连续计算相差超过305微秒，则假定这意味着锁的金属插销161已被去除或遭到损坏，由此在磁通量特性中产生有意义的变化，该变化反过来又影响信号CLK500HZ和DETECT的脉冲之间的相差。然后控制从方框383前进到方框376，在此微控制器58将密封状态位设置为二进制数“1”，以表明锁已遭到损坏，然后触发信标信号的发送。
图12是微型读取器401的视图，该读取器是一种便携式的可用电池运行的装置，可随意地结合图1的系统10使用。读取器401可以发送类似于上面讨论的标志信号22和118、并符合图2所示的字格式的低频信号402。此外，微型读取器401可以接收由销钉12发送的UHF信标信号71。
微型读取器401的尺寸和配置有点类似于用于无钥匙地进入汽车的装置。它包括可手动按压的按钮406、绿色发光二极管(LED)407、和红色LED408。当按下按钮406时，微型读取器401发送标志信号402，这使得销钉12发送信标信号71(如果该销钉还没有这么做的话)。然后，微型读取器401接收发送的信标信号71，并检查在所接收的信号中的密封状态位87(图4)。如果密封状态位是二进制数“0”(表明锁是完好无损的)，则读取器401打开绿色LED407，或者如果密封状态位是二进制数“1”(表明目前没有认为是完好无损的锁)，则读取器401打开红色LED408。微型读取器不具有手持单元17(图1)的所有功能，特别是不具有发送通过上面结合手持单元17和图10中的方框361和362所讨论类型的密封销钉命令来重新设置销钉的功能。
现在提供对图1所示的系统10的运行例子的简要解释。集装箱18装载了待运输的货物，然后关闭集装箱的门，从而在集装箱锁闩机构的元件151-152中的开口153和154排列为直线。然后，密封销钉12对准在锁闩元件151和152中的开口153-154，然后将锁19的插销161的杆166插过所有对准的开口，然后将杆166的末端按压到外壳162中。该点的结果将是图6中所示的配置。
人力操作员然后使用手持单元17的键区111来向密封销钉12发送标志信号118，该信号包括提醒密封销钉12密封条或锁在通常的位置上并应当被监控的命令。密封销钉12按照上面结合图10的方框362所述的方式响应。这包括将密封状态位清零，并随机地或伪随机地确定一个存储为密封事件码的号码。然后，如参考方框363讨论的，密封销钉12发送包括该密封状态位和密封事件码的信标信号71。
这些信标信号71由读取器13检测，并转发到控制系统14。该控制系统14在未示出的数据库记录中存储标识特定密封销钉12的唯一信标码86(图4)，还存储由密封销钉12确定的随机密封事件码88，以及其它涉及集装箱18的信息，例如集装箱18中的货物清单、为使用手持单元17来完成密封的人员提供的标识号、运输该集装箱的运输工具的驾驶人员的标识号、和/或该特定集装箱的标识号。在这点上，手持单元17的操作员可以使用该单元17键入一些或所有这些信息。可以使用键区111手动键入这些信息。可替换的，单元17可以具有未示出的条形码读取器，它可以用于扫描在销钉12上、集装箱18上、操作员的身份标记卡上、驾驶人员的身份标记卡上等等提供的条形码。
然后，连同锁19和与该锁连接的密封销钉12一起装运集装箱18。假定方框19的完整性没有遭到损坏，并且集装箱18到达其目的地。该目的地包括一个其配置类似于图1所示的系统。由控制系统14操作的标志11将产生使密封销钉12生成信标信号71的标志信号22，该信标信号由读取器13检测并通过网络101提供给控制系统14。在来自密封销钉12的信标信号中接收的密封状态位应当是二进制数“0”，表明密封条或锁是完好无损的。相反，如果该比特是二进制数“1”，则控制系统14知道密封条或锁19已遭到损坏。
在目的地的控制系统14也具有利用通信链路或其它合适的技术访问由装运起点的等同控制系统14创建的涉及集装箱18的数据库记录的功能。因此在目的地的控制系统14可以将从密封销钉12直接读取的信标码86(图4)和密封事件码88，与来自装运起点的数据库记录中的对应条目进行比较。它们应当是没有变化的。如果一个或两个都不同，则在目的地的控制系统14知道密封条或锁19已遭到损坏。
在这点上，假定有人在装运期间的某个点例如通过切开插销161和去除锁19而篡改了锁19。这将使密封销钉12按照上面结合图11的方框371-372和376讨论的方式，检测丢失的锁、将密封状态位的状态改为二进制数“1”、并发送包含该修改比特的信标信号。如果该密封销钉12位于可以接收其信标信号71的任何装置范围内，例如读取器13，则与该装置关联的控制系统将立即接收出现问题的通知，并可以通知诸如安全警卫的某些人来采取适当的措施。
但是假定在密封条或锁19遭到损坏时，密封销钉12没有位于任何可以接收其信标信号71的装置的范围内。例如具有密封销钉12的集装箱可能在高速路上行驶的卡车上，或可能在海洋中的轮船上。密封销钉12将发送表明其已检测到问题的信标信号71，但这些信号不会被接收到。假定那人然后用实质上相同的新锁来代替被破坏的锁19，然后用手持单元17发送标志信号118，通知密封销钉12密封条或锁完好无损，并且密封销钉12应当开始监控该密封条或锁。这将使密封销钉12将密封状态位清零，如上面结合图10的方框362所述。这意味着密封状态位不会提供集装箱已被偷盗的指示。
另一方面，密封销钉12还自动确定并存储一个新的随机数或伪随机数来作为其密封事件码，如上面结合方框362所述。结果，当集装箱18到达其目的地时，从目的地的销钉12直接获得的密封事件码88(图4)与存储在关联集装箱18的数据库记录中的从起点的销钉12获得的密封事件码不同。因此，当目的地的控制系统14将从销钉12获得的密封事件码与来自数据库的密封事件码进行比较时，即使锁19已被实际相同的锁替换，它也将检测到这两个密封事件码不同，由此检测到锁19在装运期间已遭到损坏。
还会认识到，如果篡改锁19的人不仅替换了该锁还替换了密封销钉，则新的密封销钉将包含不同于原始密封销钉中的密封事件码，而不管那人是否具有诸如手持单元17、具有电重新设置该销钉功能的装置。在两种情况下，当集装箱到达其目的地并且检测到密封事件码中的差异时，都可以检测到密封销钉已被替换的事实。如果那人没有可以电重设销钉的装置，则密封状态位将为二进制数“1”，从而可以更为迅速地检测到篡改行为。
在装运期间的任何时候，接近集装箱的人都可以利用例如图12中401所示的读取器，以询问销钉12并确定其密封状态位的状态。具体地说，那人按下按钮406并查看读取器401是否打开了绿色LED407或红色LED408。绿色LED407的点亮意味着销钉12相信锁19保持完好，而红色LED408的点亮意味着销钉12相信锁19已遭到损坏。这允许按照上面结合图10中方框362讨论的方式，检测锁19已被去除并被相同锁替换，但篡改该锁的人没有诸如手持单元17、可以电重设销钉12的装置的情况。
微型读取器401不能检测其中篡改该锁的个人拥有能电重设密封销钉12的装置的情况。这是因为微型读取器401没有访问存储在装运起点创建的数据库记录中的密封事件码88(图4)的功能，由此不能将该密封事件码与销钉12正在其信标信号中发送的密封事件码进行比较。当然，当集装箱到达其目的地或具有图1中10所示类型的系统的中间站时，仍然可以检测该篡改的较高级别。
本发明提供了多个技术优点。一个这样的技术优点由装备相对难以挫败的密封装置产生。在本发明的一种形式中，密封装置包括实际上可以电检测该密封条的任何破坏的电路。在一个特定实施例中，该密封装置包括与集装箱上的锁闩机构协作的插销，该插销还影响由密封装置中的电路监控的磁场。该密封装置构造为使集装箱的打开需要足够地移动插销从而按照可以检测的方式改变该磁场。
相关优点在于该密封装置采用唯一的、内部产生的密封事件标识号，该标识号在装运时刻单独记录，从而可以容易地检测到任何篡改或替换该密封装置的行为。事实上，即使用实际上相同的密封装置代替上述密封装置，也不会挫败可靠检测篡改已发生的能力。
另一个优点在于，电路可以通过立即发送无线信号来响应篡改的检测。当集装箱在运输途中，它将周期性地通过具有接收这些无线信号的接收器的设备。如果该集装箱恰好在篡改发生时位于这样的一个设备范围内，则甚至在该窃贼有机会打开集装箱门并开始偷盗货物之前，就可以立即检测到该篡改的发生。可替换的，如果当集装箱运输在具有该无线监控功能的设备之间时发生篡改，则实际上在集装箱到达具有该功能的设备时就立即检测到该篡改事件。
另一个优点在于，甚至当集装箱运输在具有该无线监控功能的设备之间时，就可以由具有手持装置的人按照涉及比现有检查技术花费更少手工时间和努力的方式，快速而方便地检查密封条的完整性。从每个密封装置向无线接收器发送的无线信号不仅有助于监控由密封装置实施的密封的完整性，还有助于极少或根本无手动地自动跟踪集装箱，以保证每个集装箱可靠地沿着正确路线运动到其目的地。
另一个优点在于，通过本发明提供的改善的跟踪和密封功能，集装箱的货物偷盗变得很难。这促进了货物偷盗和相关费用的减少，例如调查偷盗行为、保险文书工作、和承保损失的保险赔付。
尽管详细图示和描述了一个实施例，但是应当理解在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以做出各种替换和修改。
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权利要求
1.一种设备，包括第一和第二部件，可以在第一和第二位置之间相对移动；密封结构，按照限制所述部件远离所述第一位置的方式，可在所述第一位置与所述第一和第二部件协作；和检测结构，可操作为感测作为所述密封结构函数的磁通量特性，并检测表示所述密封结构被破坏的所述磁通量特性的变化。
2.根据权利要求1的设备，包括具有内腔的集装箱，所述第一和第二部件是所述集装箱的部分，并且其中当所述部件分别在所述第一和第二位置时，分别限制和允许从外部进入所述集装箱的所述内腔。
3.根据权利要求1的设备，其中，所述检测结构包括无线发射器，并发送无线信号，该无线信号包含表明是否已检测到所述磁通量特性的所述变化的指示。
4.根据权利要求3的设备，包括便携式单元，其可以接收所述无线信号，并根据该无线信号而提供表明是否已检测到所述磁通量特性的所述变化的可视指示。
5.根据权利要求3的设备，其中，所述检测结构具有预定义的唯一标识符，并在由所述密封结构发送的无线信号中包括所述标识符。
6.根据权利要求5的设备，其中，所述检测结构响应预定事件而开始所述感测，所述检测结构对所述预定事件的响应是为了实际上随机地确定所述检测结构此后在由所述检测结构发送的无线信号中包括的一个号码。
7.根据权利要求1的设备，其中所述检测结构响应预定事件而开始所述感测，该预定事件包括所述检测结构对预定无线信号的接收。
8.根据权利要求7的设备，包括手动可操作便携式单元，其可以选择性地发送所述预定无线信号。
9.根据权利要求1的设备，其中所述密封结构包括伸长部件；其中所述检测结构包括第一和第二线圈，它们在沿着所述伸长部件的间隔位置处围绕该伸长部件；和其中所述检测结构包括电路，该电路可以操作为使所述第一线圈感应出磁场，并使所述第二线圈感测所述磁场。
10.根据权利要求9的设备，其中所述集装箱具有包括所述第一和第二部件的锁闩机构；和其中所述密封结构包括锁机构，所述伸长元件是该锁机构的部件，并由可磁穿透的材料制成。
11.根据权利要求9的设备，其中，所述检测结构包括外壳，并包括扶手，该扶手从所述外壳延伸，并使所述第一和第二线圈在该扶手上的间隔位置处得到支撑，所述外壳在其中具有电路，该电路电连接到所述线圈。
12.根据权利要求9的设备，其中，所述第一和第二部件具有开口，所述伸长部件穿过该开口，所述第一和第二部件每个都位于在所述第一和第二线圈之间的所述伸长部件上。
13.根据权利要求9的设备，其中，由所述电路在所述第一线圈中感应出的磁场是可变磁场；和其中，所述检测结构执行对所述磁通量的所述感测，该磁通量是作为在所述第一和第二线圈中的信号之间的相移的函数。
14.根据权利要求13的设备，其中，所述电路通过将多个脉冲施加到所述第一线圈来使所述第一线圈感应出所述磁场；和其中，由所述电路对所述磁通量的所述感测包括对于至少两个所述脉冲，确定所述第一线圈中信号的脉冲和所述第二线圈中感应的对应脉冲之间的相移。
15.根据权利要求13的设备，其中，所述电路通过将多个脉冲施加到所述第一线圈来使所述第一线圈感应出所述磁场；和其中，由所述电路对所述磁通量的所述感测包括对于至少两个所述脉冲而不是所述脉冲的第一个，确定所述第一线圈中信号的脉冲和所述第二线圈中感应的对应脉冲之间的相移，然后通过对相应的所述脉冲相加所述脉冲相移来计算一个和，并然后评价在所述和与所述和的先前计算值之间的差是否超过预定值。
16.一种方法，包括步骤在可以在第一和第二位置之间相对移动的第一和第二部件间进行密封，包括提供密封结构，其按照限制所述部件远离所述第一位置的方式，可在所述第一位置与所述第一和第二部件协作；感测作为所述密封结构函数的磁通量特性；和检测表示所述密封结构被破坏的所述磁通量特性的变化。
17.根据权利要求16的方法，包括发送无线信号的步骤，该无线信号包含表明是否已检测到所述磁通量特性的所述变化的指示。
18.根据权利要求17的方法，包括在所述无线信号中提供一个唯一标识符的步骤。
19.根据权利要求18的方法，包括响应预定事件的步骤，该响应通过开始所述感测，并实际上随机地确定一个此后在所述无线信号中包括的号码来进行。
20.根据权利要求16的方法，包括步骤在第一线圈中感应出所述磁场作为可变磁场；和使用第二线圈进行对所述磁通量的所述感测；和进行所述磁通量特性变化的所述检测，作为在所述第一和第二线圈中的信号之间的相移的函数。
21.根据权利要求20的方法，其中，所述感应步骤包括向所述第一线圈提供多个脉冲；和其中，所述检测步骤包括对于至少两个所述脉冲而不是所述脉冲的第一个，确定所述第一线圈中信号的脉冲和所述第二线圈中感应的对应脉冲之间的相移，然后通过对相应的所述脉冲相加所述脉冲相移来计算一个和，并然后评价在所述和与所述和的先前计算值之间的差是否超过预定值。
全文摘要
一种有助于密封和跟踪集装箱的装置(12)。该装置包括插销(166)，它穿过在集装箱上的锁闩机构(19)中的开口。该插销还穿过密封装置的间隔线圈(251，252)。该密封装置使用一个线圈来产生磁场，同时监控在另一个线圈中感应出的对应磁场。对该插销的篡改影响该磁场，这反过来允许该密封装置检测该篡改。该密封装置周期地发送无线信号，该信号可以远程接收，用于跟踪该集装箱和监控该密封的完整性。
文档编号G09F3/03GK1613101SQ02826656
公开日2005年5月4日 申请日期2002年7月25日 优先权日2001年11月9日
发明者罗德里克·E·索恩, 菲利普·J·凯勒希安, 蒂莫西·R·雷德勒, 约瑟夫·S·陈, 尼古拉·卡冈加 申请人:萨维技术公司
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