張慧岳 曾佳 劉云波

摘要：本文介紹了RFID在航空工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景、產(chǎn)業(yè)價值及國內(nèi)外的技術(shù)標準，分析了RFID技術(shù)在航空在制品管理和刀具管理中的典型應(yīng)用，對于RFID自動識別系統(tǒng)提出了一種基于射頻芯片AS3993與單片機PIC24FJ64GB002的設(shè)計方案，具體闡述了ISO/IEC 18000-6C通信協(xié)議和軟硬件設(shè)計。最后，對RFID技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞：RFID;自動識別技術(shù);航空工業(yè)應(yīng)用;技術(shù)標準;生產(chǎn)管理;AS3993

中圖分類號：V19 TN919??? 文獻標識碼：A???? DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2019.03.008

隨著人類社會步入了“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，人們已經(jīng)不能滿足單一的信息交互方式，物聯(lián)網(wǎng)成為學界關(guān)注的重點。物聯(lián)網(wǎng)中非常重要的支撐技術(shù)是自動識別與數(shù)據(jù)采集技術(shù)（Automatic Identification and Data Capture，AIDC），即通過將某種可辨識的裝置（標識）與人員或者物品進行一一綁定，通過自動化的接觸式/非接觸式手段自動識別人員或物品的身份及屬性等相關(guān)信息，并交由計算機系統(tǒng)進行處理的技術(shù)。射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是自動識別與數(shù)據(jù)采集技術(shù)的一個重要分支。作為一種新興的非接觸式電磁耦合自動識別技術(shù)，其與實現(xiàn)普及率更高的光識別條碼和二維碼相比，具有識別速度快、識別距離遠、無須表面對準、可在運動中識別和存儲空間大等優(yōu)勢。近年來推廣應(yīng)用逐漸普及，目前在航空、生產(chǎn)、物流和倉儲等領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，在我國航空工業(yè)中也蘊含著巨大的應(yīng)用潛力。從國際來看，RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛在航材庫存、航材生產(chǎn)、航材維修和運輸管理等多個場景下應(yīng)用。

目前，中國航空技術(shù)信息化發(fā)展要求對航材生產(chǎn)信息集成提出了更高的目標。應(yīng)用RFID技術(shù)提高航空裝備的生產(chǎn)、運輸和儲備效率，減輕航空生產(chǎn)技術(shù)人員的操作難度，促進管理信息化和自動化水平的提升，從而降低人力和管理成本，提升企業(yè)的經(jīng)濟效益。RFID技術(shù)在航材生產(chǎn)全壽命周期管理中具有廣闊的前景。

1 RFID技術(shù)介紹

1.1 RFID技術(shù)特點

RFID是20世紀90年代興起的一種非接觸自動識別技術(shù)，作為雷達技術(shù)的延伸，其利用射頻信號及電磁空間耦合的傳輸特性實現(xiàn)無接觸信息傳遞。標簽進入讀寫器電磁輻射區(qū)域，憑借電磁感應(yīng)電流的能量激發(fā)，將存儲器中的信息通過天線發(fā)射到空間中被讀寫器接收。讀寫器經(jīng)調(diào)制解碼后，交由信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，達到信息捕捉與自動識別的目的。

RFID技術(shù)在航材生產(chǎn)的全生命周期中可用于在制品定位管理、刀具管理和量具管理等，較其他自動識別技術(shù)，RFID技術(shù)具有很大的優(yōu)勢。以條形碼技術(shù)為例進行對比研究，詳見表1。RFID自動識別與條形碼識別和人工識讀錄入相比較，在工作效率方面優(yōu)勢明顯，以倉儲管理為應(yīng)用場景進行分析，表2給出了具體的試驗數(shù)據(jù)。

1.2 RFID技術(shù)現(xiàn)行標準

由于航空工業(yè)生產(chǎn)性質(zhì)的特殊性，對于RFID技術(shù)的標準應(yīng)用要求十分嚴格。航空材料一般含有金屬元素，這就要求所使用的RFID標簽必須具有良好的金屬抗性，保證整個系統(tǒng)可以在金屬環(huán)境中很好地工作。再者，航材需要通過嚴格的適航性驗證，標簽在其中不能對航材產(chǎn)生任何影響。

目前，全球有5個主要的RFID技術(shù)標準化組織，它們分別是ISO/IEC、EPC Global、Ubiquitous ID Center（UID Center）、AIM Global和IP-X，其中占據(jù)領(lǐng)導地位的是前三個組織。ISO成立ISO/IEC JTC1/SC31自動識別和數(shù)據(jù)采集技術(shù)委員會，該委員會負責制定RFID技術(shù)基礎(chǔ)性和通用性標準。以美國為首的全球最具實力的RFID技術(shù)標準化組織是EPC Global，即全球產(chǎn)品電子代碼管理中心。與ISO/IEC相比，EPC Global更注重物流供應(yīng)鏈領(lǐng)域的標準化研制，目的是解決物流的實時跟蹤問題，在各供應(yīng)鏈節(jié)點實現(xiàn)透明化和數(shù)據(jù)共享。UID擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的RFID標準，其在數(shù)據(jù)格式方面制定了ucode編碼體系。目前主要標準組織已發(fā)布的標準見表3。

2 RFID在航空工業(yè)生產(chǎn)管理中的應(yīng)用

2.1 RFID在制品定位管理系統(tǒng)

在制品是待加工品從原材料投入生產(chǎn)到成品之間，存在于生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)的半成品。在制品的有效管理對于航空制造企業(yè)至關(guān)重要，是車間生產(chǎn)過程控制與生產(chǎn)調(diào)度的基礎(chǔ)要素，也是生產(chǎn)計劃管理的重要支撐。

目前，航空企業(yè)車間在制品管理普遍存在因人工錄入而導致的數(shù)據(jù)不一致的問題，由于信息傳遞緩慢而造成的生產(chǎn)效率低下和在制品積壓滯留的問題，由于在制品動態(tài)反饋不及時而造成的工件丟失、生產(chǎn)調(diào)度滯后以及生產(chǎn)計劃不符合實際生產(chǎn)狀況無法指導生產(chǎn)的問題。因此，利用RFID自動識別技術(shù)來實時監(jiān)控、調(diào)節(jié)、優(yōu)化在制品的生產(chǎn)過程，是解決航空制造企業(yè)管理中存在的問題的有效方法。

全球定位系統(tǒng)（GPS）是全球普及度最高的定位服務(wù)系統(tǒng)，只要被4顆或更多的衛(wèi)星覆蓋即可獲取位置信息。然而，被測物在室內(nèi)被遮擋或被阻擋物多次折射，全球定位系統(tǒng)則會變得不可靠或不能使用。據(jù)悉，大多數(shù)的生產(chǎn)均設(shè)置在室內(nèi)廠房進行，所以全球定位系統(tǒng)不適合工業(yè)應(yīng)用。如今，有很多關(guān)于室內(nèi)定位系統(tǒng)（Indoor Positioning System，IPS）的研究，研究在無法接收到衛(wèi)星信號的封閉空間如何對物體進行跟蹤管理，RFID在制品定位管理系統(tǒng)就是當下流行的方案之一。

根據(jù)應(yīng)用場景的不同，RFID位置管理系統(tǒng)的組成也會有所不同。航空制造屬于涉密管理范疇，所以標簽攜帶大量可讀信息的方式并不可取。在制品定位系統(tǒng)由有源標簽、激勵器、讀寫器和服務(wù)終端組成，如圖1所示。

激勵器是RFID位置管理系統(tǒng)的重要組成部分，其工作于125kHz的低頻端，發(fā)射含有位置信息的激勵信號將處于休眠狀態(tài)的標簽激活。它具有激勵區(qū)域可調(diào)功能，可以通過調(diào)節(jié)激勵器的輻射功率來實現(xiàn)激勵區(qū)域的大小設(shè)置、區(qū)域分區(qū)和無縫覆蓋。激勵器在無外部干擾的狀況下，一般可以激勵1?5m的區(qū)域。電子標簽在激勵器輻射區(qū)域內(nèi)被激活后，接收此激勵器的位置編碼，由控制器將接收到的激勵器編碼與儲存在標簽存儲器中的標簽編碼合成加密后，將加密信息以微波頻段2.45GHz傳遞給讀寫器。標簽采用有源電子標簽，其中包含控制器（MCU）、儲存器、天線和電源組成，如圖2所示。讀寫器基本的功能就是提供與電子標簽進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?，當讀寫器正確接收標簽信息及譯碼后，讀寫器通過串口、網(wǎng)線和USB等將信息送給上位機。上位機中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要對所采集的數(shù)據(jù)進行分析整理，將標簽所在位置顯示在定位管理軟件的地圖對應(yīng)的區(qū)域中。在車間中，將附有RFID標簽的工單與在制品一同在生產(chǎn)線中流轉(zhuǎn)，就可以準確地定位它們的所在位置。

2.2 RFID刀具管理系統(tǒng)

隨著自動化生產(chǎn)的發(fā)展和柔性生產(chǎn)的普及，在航材生產(chǎn)過程中應(yīng)用多種多樣和數(shù)量繁多的數(shù)控機床刀具，如車刀、銑刀和鉆削刀等。刀具的性能和質(zhì)量直接決定在制品的合格品數(shù)量，也會影響到生產(chǎn)的節(jié)拍和效率。航材加工廠經(jīng)常會因為一把關(guān)鍵刀具未能按時供應(yīng)而造成整條機加工生產(chǎn)線受到影響，如果應(yīng)急措施不完善還可能造成總裝配線的停產(chǎn)，因此能否有效的管理和調(diào)動刀具將影響航空工業(yè)加工的生產(chǎn)效率。有效的刀具管理也可以為企業(yè)節(jié)省大額開支，一個大型航空發(fā)動機生產(chǎn)工廠每年花在刀具上的費用達到幾千萬甚至上億元。

由于RFID的讀寫性能受刀具金屬的影響，因此刀具標簽選用抗金屬材料標簽，所謂抗金屬標簽就是在普通的標簽基礎(chǔ)上加一層抗金屬材料，這種處理可以避免電磁波被金屬刀具完全吸收。雖然有源電子標簽的抗金屬能力強，但因其自身重量和體積大的原因不適用于捆綁在高速旋轉(zhuǎn)的刀具上。為使電子標簽?zāi)芊€(wěn)定地附著于刀體的表面而不至于影響到刀具工作，應(yīng)采用在刀柄上打出一個與標簽形狀一致的槽，將標簽鑲嵌在刀柄里的方式進行安裝。有些刀具出廠就已在刀柄處預(yù)留有抗金屬便簽孔位，而沒有預(yù)留孔位的刀具需在刀柄上打孔安裝，為保證生產(chǎn)加工精度需在使用前進行動平衡測試。刀具標簽安裝方法如圖3所示。

基于RFID技術(shù)的刀具管理方案應(yīng)用數(shù)據(jù)庫表單管理模式，在該模式下摒棄僅憑電子標簽作為刀具信息載體的存儲方式，協(xié)同企業(yè)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫存儲刀具全生命周期詳細信息，刀具電子標簽只保存刀具身份信息和少量屬性信息，用戶可通過刀具唯一編碼訪問數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)信息或?qū)ο嚓P(guān)信息進行修改。刀具被采購入廠后需對他們進行基本信息的錄入，通過加工中心的RFID讀寫器將刀具編碼、刃數(shù)、長度和直徑等關(guān)鍵字段寫入電子標簽內(nèi)，并通過讀寫器導入機床系統(tǒng)中方便數(shù)據(jù)更新操作，剩下的信息均在內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中保存。信息錄入完畢刀具就可以按廠區(qū)管理流程進行借刀，刀具出庫時通過在倉庫門口的固定式RFID讀寫器或用手持型PDA掃描刀具標簽更新出庫狀態(tài)。刀具上機時通過安裝在數(shù)控機床上的固定式RFID讀取刀具信息并導入機床數(shù)據(jù)系統(tǒng)，同時對刀具位置信息在內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中進行更新。當?shù)毒咄瓿杉庸と蝿?wù)下機時，通過固定于數(shù)控機床的RFID讀寫器對刀具加工次數(shù)與壽命進行更新并發(fā)送給內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫更改對應(yīng)的刀具信息。在刀具歸庫之前如需修磨，要將此刀具送往修磨室進行磨刀，同時將刀具位置信息更新，歸庫的刀具在進入庫房大門時更新在庫狀態(tài)。刀具管理人員對刀具庫存進行清理維護，通過手持PDA對刀具的種類和數(shù)量進行盤點，如有刀具不能滿足加工精度要求就要對其進行報廢處理，被報廢的刀具通過RFID上位機系統(tǒng)對電子標簽內(nèi)信息進行清除，并將對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中信息轉(zhuǎn)移至歷史信息保存，刀具全生命周期的管理流程如圖4所示。

對于刀具壽命的預(yù)測和管理是生產(chǎn)加工研究的熱點，通過RFID刀具管理系統(tǒng)收集的刀具參數(shù)分析刀具的相對壽命。刀具的全壽命周期一般分為三個階段，即初期磨損、正常磨損以及劇烈磨損階段，刀具在初期磨損和劇烈磨損兩個階段變化最為明顯。劇烈磨損階段是刀具即將達到壽命極限的時期，刀具在這個階段易出現(xiàn)磨鈍現(xiàn)象，導致加工精度下降，嚴重的可能導致崩刃情況發(fā)生，將可能致使在制品報廢給生產(chǎn)帶來損失。通常對于刀具剩余相對壽命的計算可用式（1）進行估算：

式中：t為刀具在第i加工時消耗的時間，T表示在第i加工時達到的理論總壽命。

對于人工智能算法的研究，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種成熟的預(yù)測方案應(yīng)用于刀具壽命預(yù)測算法中，其無需先驗條件，可以通過樣本輸入進行自我學習得到較為準確的預(yù)測。廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，其具有很強的噪聲適應(yīng)性和局部快速收斂性，具有收斂于概率最優(yōu)的期望預(yù)測值附近的能力，由聯(lián)合概率密度函數(shù)f（x，y）服從正態(tài)分布可得：

式中：f（x，y）為高斯函數(shù)，y為隨機變量，輸入量X是由進給量、切削深度、切削速度和切削時間組成的。廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

ISO/IEC 18000-6標準的短程通信空口都遵循一個公共的前向鏈路和讀寫器先發(fā)言的模式。A類短程通信的前向鏈路采用脈沖間隔編碼（PIE）與Pure ALOHA防碰撞算法，B類采用曼徹斯特碼（Manchester）和Btree（Binary tree）防碰撞算法，C類采用脈沖間隔編碼與時隙隨機防碰撞算法，A類、B類和C類短程通信方式如圖6所示。

3 RFID軟硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 ISO/IEC 18000-6C協(xié)議分析

為適應(yīng)我國工業(yè)發(fā)展對RFID技術(shù)的需求，根據(jù)我國無線電頻率劃分情況，制定了“800/900MHz頻段RFID技術(shù)應(yīng)用試行規(guī)定（無[2007]205號）”。由于不同頻段的RFID設(shè)備在識讀速度、距離和適應(yīng)能力上有較大的差異，可知單一頻率不能滿足RFID在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用需求，所以多種頻率的空口協(xié)議被納入ISO/IEC標準的范疇，見表4。ISO/IEC 18000為國際標準化組織針對物品管理的RFID技術(shù)的空中接口通信協(xié)議國際標準，其中第6部分是針對860/960MHZ無接觸通信空口之間的物理接口、協(xié)議、命令和防碰撞制定的機制。ISO/IEC在發(fā)展過程中不斷吸收EPC內(nèi)容進行自身完善和融合，ISO/IEC 18000-6C繼承了EPC推出的Class1 Gen2標準全部的內(nèi)容并對局部技術(shù)特點進行了修正。相比于6A和6B，ISO/IEC 18000-6C在技術(shù)性能和指標上都更加的完善并得到市場的廣泛認可，ISO/IEC 18000-6標準的三種類型比較見表5。

為保證信息傳遞的安全性以及多讀寫設(shè)備同時通信，規(guī)定讀寫器采用跳頻（FHSS）工作模式，這種通信方式的載波頻率按照某種特定規(guī)律進行離散變化產(chǎn)生偽隨機變化碼，其具有較強的抗干擾能力和保密性能。ISO/IEC 18000-6規(guī)定在跳頻模式下，信道寬度必須滿足500kHz，并在協(xié)議規(guī)定的頻率間分出50個信道。

多個讀寫器與單個標簽進行通信時就會產(chǎn)生碰撞，使用跳頻規(guī)則通信必須在不同載波頻率下進行，若讀寫器載波頻率與標簽返回的調(diào)制信息頻率不一致則讀寫器不響應(yīng)，因此避免了碰撞的發(fā)生。多個標簽同時向一個讀寫器發(fā)送信息也會產(chǎn)生碰撞，在多個標簽槽時隙存入相同的隨機數(shù)時標簽在同一個時間向讀寫器發(fā)送信息。解決這種碰撞問題有4種方法，分別為碼分多址（CDMA）、時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）和空分多址（SDMA）。

3.2硬件設(shè)計

硬件設(shè)計由上位機管理模塊和核心讀寫模塊組成，射頻部分選用奧地利微電子公司推出的RFID收發(fā)芯片AS3993，其具有成本低、功耗小、易集成和支持多協(xié)議等特點，該芯片支持ISO/IEC 18000-6C協(xié)議?？刂撇糠诌x用Microchip公司的16位哈弗結(jié)構(gòu)單片機PIC24FJ64GB002，具有通用串行總線和特殊的功耗管理模塊。核心讀寫模塊中的射頻部分和控制部分通過串行外圍設(shè)備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）通信，核心讀寫模塊和上位機通過通用異步收發(fā)傳輸器（UART）接口通信，如圖7所示。

AS3993支持包含ISO/IEC 18000-6A/B/C及ISO 29143等相關(guān)的RFID空P協(xié)議，在標準模式下，調(diào)用集成在芯片中的ISO/IEC 18000-6C協(xié)議，控制單元在信號發(fā)射階段，將數(shù)字基帶裝入AS3993的兩個FIFO寄存器，其內(nèi)部自動將信息轉(zhuǎn)換成符合協(xié)議的命令幀，并在內(nèi)部進行調(diào)制后以模擬信號形式輸出。當有射頻信號待接收時，模擬信號經(jīng)過AS3993零中頻I/Q接收機解調(diào)后，由協(xié)議處理器處理成數(shù)字基帶信息再存入FIFO寄存器，單片機通過SPI中斷讀取數(shù)據(jù)。工控機通過RS232接口與讀寫器相連接，通過UART協(xié)議將讀寫器獲得的數(shù)據(jù)傳送給工控機。

為保證AS3993射頻輸出可以達到足夠大的功率，采用內(nèi)部低功耗信號驅(qū)動外部功率放大器實現(xiàn)功率信號輸出的方式。巴倫的主要作用是實現(xiàn)單端信號與差分信號之間的相互轉(zhuǎn)換，AS3993輸出差分平衡信號通過巴倫轉(zhuǎn)換成單端不平衡信號。本設(shè)計采用Johanson公司推出的0900BL18B100E巴倫集成電路，其工作頻率在800?1000MHz，阻抗比為2：1，輸入阻抗10011，輸出阻抗為50Ω，AS3993通過RFOPX和RFONX輸出差分信號。從巴倫電路輸出的信號要經(jīng)過定向耦合器傳輸端輸出，一體收發(fā)天線還需經(jīng)定向耦合器將外部信號接收到內(nèi)部通道中。本設(shè)計選用的是Johanson公司推出0910CF15B0100E型定向耦合器，其工作頻率為860?960MHz，滿足設(shè)計要求，射頻收發(fā)電路原理圖如圖8所示。

3.3軟件設(shè)計

在整個系統(tǒng)中，PIC24FJ64GB002單片機作為主控制器對射頻收發(fā)芯片AS3993進行控制，單片機作為主控芯片通過SPI將控制命令發(fā)送給從屬芯片執(zhí)行，首先進行單片機的硬件配置，有UART初始化配置、SPI初始化配置、中斷配置，再通過SPI對AS3993芯片進行初始化，如圖9所示。

數(shù)據(jù)傳輸可以通過90、91和92進行傳輸?shù)难h(huán)冗余校驗（CRC），發(fā)送90再將字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)寫入，將字節(jié)長度寫入T長度寄存器（3D，3E），將數(shù)據(jù)寫入FIFO寄存器（3F），當?shù)谝粋€數(shù)據(jù)字節(jié)被寫入時FIFO開始工作。完成通信后，通過通信協(xié)議命令實現(xiàn)收發(fā)。

4結(jié)論

RFID自動識別技術(shù)集計算機技術(shù)、無線射頻技術(shù)和數(shù)據(jù)管理技術(shù)等于一身，應(yīng)用于航空制造業(yè)與在制品流程跟蹤領(lǐng)域，系統(tǒng)通過自動采集生成生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)管理、倉儲管理等提供了實時數(shù)據(jù)支撐，提高生產(chǎn)效率、節(jié)約環(huán)節(jié)成本以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和軍民融合的深化推進，RFID的應(yīng)用門檻和成本逐步降低，RFID技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用也必將全面普及。

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