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摘要：本文将RFID技术与航空维修工具结合起来，利用超高频RFID标签技术与抗金属电子标签，设计一种具有工具位置识别功能的定位探测装置，用于检测机务维修中遗失工具及其位置，可以快速的完成对航空维修工具的位置识别，实现短距离定位，长距离定向目标，确保飞行安全。
关键词：RFID；电子标签；航空工具；定位
引言
在航空机务维修过程中，由于工具多，工作人员有时难免将工具遗留在维修地点，甚至飞机的机体内，给飞机飞行安全带来隐患。发现有工具遗失，并能确定具体方位，及时收回维修工具到工具箱，确保飞机的安全。射频识别（Radio Frequency Identification，FRID）技术是一种利用射频通信实现的非接触式的可判断信息的自动识别技术。UHF频段RFID系统具有读写距离远、多标签识别速度快、抗干扰能力强、穿透能力强以及标签体积小等优点。本文利用超高频RFID标签技术这一特点，设计一种具有抗金属的工具识别功能的定位探测装置，与工具箱构成一个闭环系统。工具一经离开工具箱，装置能够对工具进行跟踪，一旦工具远离工具箱一定距离，装置就提示工作人员，并根据对工具跟踪记录的信息确定工具遗失的方位，及时找到工具。[1～4]
1 检测系统
1.1 总体方案。检测装置系统是集控制器MCU、天线以及镶嵌入抗金属电子标签的工具构成的一个闭环系统，主要由读写控制器模块，天线模块，电子标签模块，定向装置组成。首先利用超高频RFID（Radio Frequency Identification，RFID）系统技术，实现控制器，天线与工具之间的无线通信，将抗金属电子标签镶嵌入工具表面，编写每一个工具标签信息，天线和镶嵌入抗金属电子标签的工具箱里的每一个工具利用ISO18000-6C/EPC C1G2通信协议来达到与每一个工具进行通信，其中是将未经调制的信号（单极性矩形脉冲）变化成曼彻斯特码，进行通信的。利用工具检测装置系统，检查工具是否在工具箱内。利用定向裝置来模糊的判定被遗忘的有抗金属电子标签的工具的方向。总体方案框图如图1所示。[5～9]
1.2 读写控制模块
采用超高频读写器。超高频读写器是工作于超高频UHF频段的射频识别装置系统，大多数情况下工作于860～960MHz（全球各地区标准不同）频段。超高频系统通过电磁场来传输能量以及信息，该系统电磁场的能量下降的不是很快，但是读取的区域无法确切进行定义。该频段识别读取距离比较远，无源可达10m左右。近场主要是凭借电容耦合的作用，远场是以电磁波形式实现，通信协议一般为ISO/IEC18000-6 Type C以及EPC C1 G2。[10]
1.3 天线
选用定向天线。定向天线（Directional antenna），就是在特定的方向上发射和接收的电磁波能量特别强，但在其他方向上相应的电磁波信号强度就很小或者而为零的一种天线，很有针对性。采用定向天线为了增强辐射功率的有效利用率，增强信号强度，增加抗干扰能力，频率利用率极高。
1.4 电子标签
抗金属标签是一种具有特殊的防磁性吸波材料封装成的电子标签，从技术上解决了电子标签不能附着于金属表面的技术难题。同时在制造时可以做到体积小，容量大，并且可以克服酸性、碱性、以及防水、防碰撞，同时可以在户外使用。用抗金属电子标签镶嵌入金属工具表面能获得良好的读取性能，甚至比在空气中读的距离更远。
1.5 定向装置
采用将电子标签镶嵌于维修工具表面上的方法，利用射频通信实现的非接触式的自动识别，确定有无遗漏的维修工具。再与之前记录的工具信息进行对比，来得出什么工具没有放回工具箱中。通过向工具发射860MHz-960MHz频段的电磁波，并接收镶嵌电子芯片的工具反射回来的电磁波，与此同时定向装置处于接收的状态，当抗金属电子标签与定向接收装置频率匹配时，检测装置接收到相对应的信息在近距离的方位内做出报警反应，就可以用该测向接收指示装置来判断没有放回航空工具箱中的工具的大致方向。如下图2是定位装置程序框图。
3 M100芯片简介
定位寻迹装置所用的读写模块是通过M100芯片来实现。M100芯片内置有8位8051MCU，256Byte内部存储器和16Kbyte程序存储器和3个定时器（Timer用于波特率发生器，Timer0用于调频时序控制，Timer1可以供用户使用）。当正在接收标签返回数据时，该数据RAM不能被MCU访问。MCU固件可以通过M100芯片的UART串口或者GPIO（P1.0和P1.1）从外部I2C EEPROM下载。UART串口数据位为8位，1位停止位，无法校验。由于M100模块支持ISO 186000-6C/EPC C1G2协议，用户通过其接口上的RS232-TTL管脚即可与自己的设备进行互联，并且通信。其较宽的供电范围（DC3.6V～5.5V）和可配置的GPIO接口（IO1～IO4，可配置为输入/输出），方便使用。在CP2101芯片与M100芯片的配合下，通过协议来控制，将M100输出的数据来控制天线发射860～960MHz电磁波，用于激活工具上的抗金属电子标签，并且在返回时，判断经调制的电磁波上的数据与协议上的是否匹配。[11]
4 测试与结论
可利用示波器测试读写器上的TTL电平信号来判断检测的结果，而且电脑上的上位机的测试系统能够显示测试到的工具信息，并将没有在测试的范围内的工具标记出来。在没有检测到镶嵌有抗金属电子标签的工具时，用示波器测试读写器TTL电平接口的输出波形图，是一条直线，说明没有信号输出。当测试到镶嵌有抗金属电子标签的工具时，读写器上的输出TTL信号，是一段曼彻斯特码，用示波器测试可以看到，检测到工具时示波器的显示信息。软件测试界面也会有工具对应的RSSI，PC，EPC，CRC标记工具信息，如图3所示。
在测试工具时，测试距离会根据天线的增益来变化，通过调节天线的混频增益和中频增益，得到了测试距离的统计表如下表1。
实验证明，本文设计这一款装置，能检测航空维修工具是否遗漏以及模糊方向，性能指标适中，且天线增益越大，测试距离越远，达到了预想的状态。对于超高频段的RFID读写器和其他技术的结合使用具有一定的借鉴意义，将在提高检测距离、精确定位方面进行进一步的研究。
参考文献：
[1]游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用.北京：电子工业业出版社，2004：30-32。
[2]黄玉兰.物联网射频识别核心技术详解物联网与云计算关键技术丛书M.北京：人民邮电出版社，2012，5.
[3]董丽华，等编著.RFID技术与应用.电子工业出版社，2007：5。
[4]RFID电子标签关键技术的应用与发展[J]. 粟向军，郭观七. 电子科技.2012（07）
[5]RFID电子标签的高效并行拣选应用[J]. 周志刚，杨勋，徐彬彬. 物流技术（装备版）.2012（14）
[6]关于嵌入式电子标签质量监测技术的研究[J]. 李寿强. 中国测试.2012（05）
[7]RFID电子标签在集装箱港站中的应用研究[J]. 董雪婷，何世伟，申永生. 物流技术.2012（17）
[8]基于低频唤醒技术的半主动式电子标签设计[J]. 罗通强，周受钦，谢小鹏，闫隽.电子设计工程.
2012（21）
[9]青岛东合信息技术有限公司.RFID开发技术及实践.西安电子科技大学出版社，高校物联网专业项目组，2013：30
[10]张益强，郑 铭，张其善.远距离无源射频识别系统设计.遥测遥控，2005.25（4）：45.
[11]MagicRF M100 Datasheet V1.1
作者简介：
龙卓群（1971-），男，海南文昌人，讲师，主要从事电力电子技术，信息处理等方面的工作。
基金项目：
陕西省教育厅专项基金（15JK 2129）
关键词：RFID；电子标签；航空工具；定位
引言
在航空机务维修过程中，由于工具多，工作人员有时难免将工具遗留在维修地点，甚至飞机的机体内，给飞机飞行安全带来隐患。发现有工具遗失，并能确定具体方位，及时收回维修工具到工具箱，确保飞机的安全。射频识别（Radio Frequency Identification，FRID）技术是一种利用射频通信实现的非接触式的可判断信息的自动识别技术。UHF频段RFID系统具有读写距离远、多标签识别速度快、抗干扰能力强、穿透能力强以及标签体积小等优点。本文利用超高频RFID标签技术这一特点，设计一种具有抗金属的工具识别功能的定位探测装置，与工具箱构成一个闭环系统。工具一经离开工具箱，装置能够对工具进行跟踪，一旦工具远离工具箱一定距离，装置就提示工作人员，并根据对工具跟踪记录的信息确定工具遗失的方位，及时找到工具。[1～4]
1 检测系统
1.1 总体方案。检测装置系统是集控制器MCU、天线以及镶嵌入抗金属电子标签的工具构成的一个闭环系统，主要由读写控制器模块，天线模块，电子标签模块，定向装置组成。首先利用超高频RFID（Radio Frequency Identification，RFID）系统技术，实现控制器，天线与工具之间的无线通信，将抗金属电子标签镶嵌入工具表面，编写每一个工具标签信息，天线和镶嵌入抗金属电子标签的工具箱里的每一个工具利用ISO18000-6C/EPC C1G2通信协议来达到与每一个工具进行通信，其中是将未经调制的信号（单极性矩形脉冲）变化成曼彻斯特码，进行通信的。利用工具检测装置系统，检查工具是否在工具箱内。利用定向裝置来模糊的判定被遗忘的有抗金属电子标签的工具的方向。总体方案框图如图1所示。[5～9]
1.2 读写控制模块
采用超高频读写器。超高频读写器是工作于超高频UHF频段的射频识别装置系统，大多数情况下工作于860～960MHz（全球各地区标准不同）频段。超高频系统通过电磁场来传输能量以及信息，该系统电磁场的能量下降的不是很快，但是读取的区域无法确切进行定义。该频段识别读取距离比较远，无源可达10m左右。近场主要是凭借电容耦合的作用，远场是以电磁波形式实现，通信协议一般为ISO/IEC18000-6 Type C以及EPC C1 G2。[10]
1.3 天线
选用定向天线。定向天线（Directional antenna），就是在特定的方向上发射和接收的电磁波能量特别强，但在其他方向上相应的电磁波信号强度就很小或者而为零的一种天线，很有针对性。采用定向天线为了增强辐射功率的有效利用率，增强信号强度，增加抗干扰能力，频率利用率极高。
1.4 电子标签
抗金属标签是一种具有特殊的防磁性吸波材料封装成的电子标签，从技术上解决了电子标签不能附着于金属表面的技术难题。同时在制造时可以做到体积小，容量大，并且可以克服酸性、碱性、以及防水、防碰撞，同时可以在户外使用。用抗金属电子标签镶嵌入金属工具表面能获得良好的读取性能，甚至比在空气中读的距离更远。
1.5 定向装置
采用将电子标签镶嵌于维修工具表面上的方法，利用射频通信实现的非接触式的自动识别，确定有无遗漏的维修工具。再与之前记录的工具信息进行对比，来得出什么工具没有放回工具箱中。通过向工具发射860MHz-960MHz频段的电磁波，并接收镶嵌电子芯片的工具反射回来的电磁波，与此同时定向装置处于接收的状态，当抗金属电子标签与定向接收装置频率匹配时，检测装置接收到相对应的信息在近距离的方位内做出报警反应，就可以用该测向接收指示装置来判断没有放回航空工具箱中的工具的大致方向。如下图2是定位装置程序框图。
3 M100芯片简介
定位寻迹装置所用的读写模块是通过M100芯片来实现。M100芯片内置有8位8051MCU，256Byte内部存储器和16Kbyte程序存储器和3个定时器（Timer用于波特率发生器，Timer0用于调频时序控制，Timer1可以供用户使用）。当正在接收标签返回数据时，该数据RAM不能被MCU访问。MCU固件可以通过M100芯片的UART串口或者GPIO（P1.0和P1.1）从外部I2C EEPROM下载。UART串口数据位为8位，1位停止位，无法校验。由于M100模块支持ISO 186000-6C/EPC C1G2协议，用户通过其接口上的RS232-TTL管脚即可与自己的设备进行互联，并且通信。其较宽的供电范围（DC3.6V～5.5V）和可配置的GPIO接口（IO1～IO4，可配置为输入/输出），方便使用。在CP2101芯片与M100芯片的配合下，通过协议来控制，将M100输出的数据来控制天线发射860～960MHz电磁波，用于激活工具上的抗金属电子标签，并且在返回时，判断经调制的电磁波上的数据与协议上的是否匹配。[11]
4 测试与结论
可利用示波器测试读写器上的TTL电平信号来判断检测的结果，而且电脑上的上位机的测试系统能够显示测试到的工具信息，并将没有在测试的范围内的工具标记出来。在没有检测到镶嵌有抗金属电子标签的工具时，用示波器测试读写器TTL电平接口的输出波形图，是一条直线，说明没有信号输出。当测试到镶嵌有抗金属电子标签的工具时，读写器上的输出TTL信号，是一段曼彻斯特码，用示波器测试可以看到，检测到工具时示波器的显示信息。软件测试界面也会有工具对应的RSSI，PC，EPC，CRC标记工具信息，如图3所示。
在测试工具时，测试距离会根据天线的增益来变化，通过调节天线的混频增益和中频增益，得到了测试距离的统计表如下表1。
实验证明，本文设计这一款装置，能检测航空维修工具是否遗漏以及模糊方向，性能指标适中，且天线增益越大，测试距离越远，达到了预想的状态。对于超高频段的RFID读写器和其他技术的结合使用具有一定的借鉴意义，将在提高检测距离、精确定位方面进行进一步的研究。
参考文献：
[1]游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用.北京：电子工业业出版社，2004：30-32。
[2]黄玉兰.物联网射频识别核心技术详解物联网与云计算关键技术丛书M.北京：人民邮电出版社，2012，5.
[3]董丽华，等编著.RFID技术与应用.电子工业出版社，2007：5。
[4]RFID电子标签关键技术的应用与发展[J]. 粟向军，郭观七. 电子科技.2012（07）
[5]RFID电子标签的高效并行拣选应用[J]. 周志刚，杨勋，徐彬彬. 物流技术（装备版）.2012（14）
[6]关于嵌入式电子标签质量监测技术的研究[J]. 李寿强. 中国测试.2012（05）
[7]RFID电子标签在集装箱港站中的应用研究[J]. 董雪婷，何世伟，申永生. 物流技术.2012（17）
[8]基于低频唤醒技术的半主动式电子标签设计[J]. 罗通强，周受钦，谢小鹏，闫隽.电子设计工程.
2012（21）
[9]青岛东合信息技术有限公司.RFID开发技术及实践.西安电子科技大学出版社，高校物联网专业项目组，2013：30
[10]张益强，郑 铭，张其善.远距离无源射频识别系统设计.遥测遥控，2005.25（4）：45.
[11]MagicRF M100 Datasheet V1.1
作者简介：
龙卓群（1971-），男，海南文昌人，讲师，主要从事电力电子技术，信息处理等方面的工作。
基金项目：
陕西省教育厅专项基金（15JK 2129）