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基于NFC技术的 智能航空标牌研究

发布时间:2022年06月15日 来源:中国自动识别网 作者:郑江涛 尹怀江 焦靖斐 丁志强/

标牌是指由文字、数值或曲线组成用于警告、使用说明等的告示牌。航空标牌作为航空产品附属主要用于飞机制造过程中产品的状态标识,以及在飞机仪表、客舱、动力装置等多个区域对旅客或工作人员进行提示或指导。对于航空标牌在飞机全生命周期内的重要作用,适航条例CCRA25部第1541条指出飞机必须装有规定的标牌,且标牌置于醒目处,内容不易擦去、走样或模糊。在HB 6-68-2003《航空仪表产品》中对航空仪表产品标牌的型式、尺寸与代号、技术要求、检验方法及包装贮存均有相应的规定。
随着物联网技术的兴起和发展,智能标牌及其衍生物已广泛应用于日常生活,例如迪卡侬、优衣库等品牌,在每一件商品上都贴有RFID标签,便于产品的结算及追踪;具备NFC功能的手机在开通NFC公交卡且保持打开的状态下,人们无需打开二维码等,手机贴近刷卡区域就能快速识别通过闸口,在无数据网络的情况下也不受影响;在博物馆参观时通过NFC读卡器设备读取展品旁边的标签,就可阅览对展品的专属说明文字。
目前传统航空标牌在材质选用时,金属标牌多选用铝标牌、铝箔标牌、不锈钢标牌或铜标牌等,非金属标牌多选用100g/cm2~150g/cm2的单面铜版纸、电化铝烫印箔、涤纶镀铝不干胶纸等材质制作标牌,材质选用受限。且航空仪表产品的标牌尺寸最大不超过60mm×20mm,标牌幅面受限,只能作简单的说明或指示,工作人员及旅客无法迅速了解更多扩展内容。根据标牌材质和标牌使用环境,标牌现制作方式多为印刷法、腐蚀法、激光刻制法、平面氧化法、冲压或铣切等,制造过程影响因素多,且在长时间使用过程中容易磨损、落灰,造成标牌不易识别。基于上述问题,本文提出选择NFC标牌代替传统标牌的建议,NFC标牌可兼顾传统标牌与二维码标牌的功能,解决传统标牌使用的局限性,功能丰富且更有利于航空智能制造的发展。
 
NFC工作原理
NFC为近场通讯技术,由无线射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification)和互联互通技术整合演变而来。通过在单一芯片上配置感应式读卡器、感应卡片和点对点功能,在短距离范围内利用电磁感应耦合技术与兼容设备进行识别和数据交换,原理示意图,如图1所示。NFC设备通过由一对耦合电感线圈组成的天线向标牌发送信息,标牌通过负载调制应答反馈。
图1  NFC技术工作原理
 
NFC有主动和被动两种工作模式。主动模式下NFC读卡器和NFC标牌均在连接前先产生自己的RF场,通过点对点模式传递数据,应答设备需要与发起设备的传输速率一致。被动模式是指由其中一方作为主设备产生RF场,从设备利用感生电动势进行应答。
 
构建NFC航空智能标牌系统
NFC航空智能标牌系统应由Web服务器、移动端和NFC标牌三大部分组成,数据能够在各部分间传输,如图2所示。
图2  NFC智能标牌系统示意图
 
Web服务器为数据管理系统,存储标牌所需指示的详细信息,具有输入和编辑功能,对整个系统起指导和保障作用。Web服务器在接收到数据后,将相应数据进行处理,保存至相对应的标牌存储区。管理员可登录平台进行标牌信息批量录入和企业用户权限控制等操作。
移动端主要指NFC识读设备,即标牌读卡器,该设备能够快速有效识别NFC标牌并显示标牌所包含的内容,根据需要选择上传或编辑功能。
NFC标牌由存储数据的芯片和天线组成,将标牌根据不同工作环境封装在适宜的材料中进行保护,根据需求分布于飞机的各个部位。
基于NFC工作模式,使得NFC设备和NFC标牌的选择不受电源限制。如由NFC读卡器作为主设备提供RF场,贴近NFC标牌,两者间产生感生电动势,通过负载调制技术完成传输。被动模式下的NFC标牌类似于传统标牌,无需电源支持,在主设备的RF场中利用电磁感应获得能量工作。同理可让NFC标牌作为主设备,NFC读卡器作为从设备在没有电源的情况下依旧能工作,适合不同情况下的工作环境。
 
NFC标牌特点
NFC技术与红外线、Wi-Fi、WSN、蓝牙一样,均为非接触传输,但NFC 技术与红外相比,不需要严格的方向性且传输速度较快,比 Wi-Fi造价更低,比WSN更容易物-物相连,比蓝牙建立连接速度快,无需繁琐的验证。因此,NFC标牌更适合代替传统的航空标牌。
读写存储更智能
与传统标牌相比,NFC标牌具有可读写、存储、安全、低功耗等特点。通过NFC设备读取标牌信息,将新状态写入并传送至数据库处理。NFC标牌根据读写能力、存储空间、传输速率不同分为4种类型,见表1,对于仅录入所指示零件的编号、名称且需要后期维护的建议选择第2类,具有可读写能力且存储空间能够满足要求,成本与第1类相比较低些。对于需要存储很多扩展内容的标牌,选择第3类标牌,在满足存储的要求下性价比更高。当然随着存储材料技术的发展,数据容量将持续增大以满足更多需求。
 
表1
近距离传输更安全
NFC标牌工作频段为 13.56MHz,由于其信号衰减方案的特殊性,为近距离、低功耗传输方式,有效工作距离小于20cm(通常为4cm),NFC设备在读取标牌时需近距离方可建立连接且不与其它标牌连接。近距离连接与其它远距离传输方式相比更具安全性,且可通过硬件加密或内置的“芯片密码”(Chip-and-Pin)技术提高安全性和保密性。
低耗材且性价比高
随着NFC 技术的发展和普及,NFC标签纸的价格不高,且由于芯片载体可多材料选择,芯片添加一层载体保护膜,增强标牌的抗磨损、抗冲击及抗腐蚀性能。对需要更新内容的标牌采用NFC标牌。在每次数据更新时无需更换标牌,仅作数据更新即可,该标牌的反复读写、重复使用,切实做到了低耗材、节能、环保。
飞机减重
飞机重量控制从设计、制造到运营,贯穿其整个生命周期,制造商通过优化表面处理工艺、结构成型等工艺来减轻飞机重量。若采用NFC标牌,标牌指示的内容便不受标牌面幅限制,减小标牌大小或更换更高性能的材质标牌可以有效减轻飞机上标牌所造成的重量。
 
NFC航空标牌的应用方向
零件生产过程的跟踪
对于需要溯源生产信息的零件标牌,通过NFC设备与服务器的联系及时获取详细信息。整个飞机零件的制造过程中,需要经历很长的周期,以飞机整体油箱为例,选择化学铣切,加工该整体壁板,从冷轧厚板开始下料,经过淬火时效、拉伸处理、化铣成型、矫正、光整加工、表面处理等一系列流程,到最终上机装配,在整个流程中需要监控跟踪审查数据。为方便管理,制造商会对该零件在开始下料时进行编码,做标记或配标牌进行全流程身份证明,而在这些过程中要了解该零件的详细事项,需要通过查阅蓝图、生产原始记录、检验记录等方能知晓,整个过程依赖标记或标牌进行索引,较为繁琐,在生产过程中极为不便。采用NFC标牌,可以在生产制造过程中将关键信息、特殊信息及特殊提醒信息录入系统,在下一阶段识别时能够迅速掌握前期过程,并在该阶段录入新的信息进行存储。由于芯片存储量有限,可将更多信息接入服务器进行存储并与其他平台互联,达到信息互通。
维护信息更新
在需要定期维护的零件旁配置NFC标牌,利用NFC标牌读写功能及时更新维护信息。民用飞机上有很多维护设备或系统,如燃油系统加/放油口盖、氧气系统加气口盖、水系统加(放)水口盖位置等都需要操作人员定期进行维护,传统标牌或标识需要人员一一查看辨析方能找到需要维修的口盖,查询检修记录较为费时,而采用NFC智能标牌可帮助维修人员迅速完成飞机勤务工作。维修人员使用NFC设备读取标牌,通过识读设备了解之前的检修信息,也可链接到Web服务端对该口盖登记维修、检查情况。现场信息动态实时维护更新可更好实现资源数据的智能化管理,减轻现场维护和数据维护双方的工作压力和强度,提高工作效率。
扩展内容输出
对于内容较多的标牌选择NFC标牌,利用其存储功能在需要识别时才进行信息显示。传统标牌由于空间有限仅能作简单描述,如对于传统的飞机登机门内部打开操作标牌、应急逃生装备使用说明标牌、盥洗室使用操作提示标牌仅作简要提示,部分人员操作仍有困难。采用NFC智能标牌,按需可通过NFC读取器阅览扩展信息,方便旅客对飞机上的物品正确使用,减少误操作带来的安全风险,有条件也可以选用具有朗读功能NFC读取器能够多方式获取所含信息。
数据收集与人员分配
NFC标牌在每次被操作人员用NFC移动端识别时,将会产生相应记录并传回Web服务器。通过对服务器所记录的数据进行监控分析,排除潜在问题,确保制造过程的准确。同时可以根据需维护或检查的频次安排人员布局,将人员最合理安排。
针对目前航空传统的静态标牌存在的局限性,提出基于NFC技术搭建网络系统,利用NFC标牌使其所指示的零件或设备能够“自报家门”,保证了在生产或使用中保证迅速快捷的信息交互,且标牌数据可以通过NFC标牌实现信息化管理,如此将进一步发挥航空标牌在生产、使用过程中的作用,也将使得航空制造智能化更上一层楼。
 
参考文献
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[7]姚国强.典型民用飞机标识和标牌配置[J].内燃机与配件2019(16),294-296.
 

作者单位:郑江涛  尹怀江 丁志强/

中航西飞民用飞机有限责任公司;

焦靖斐/中航西安飞机工业集团股份有限公司

《中国自动识别技术》2022年第1期总第94期

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