基于NFC技術的智能航空標牌研究

鄭江濤 尹懷江 焦靖斐 丁志強/文

標牌是指由文字、數值或曲線組成用于警告、使用說明等的告示牌。航空標牌作為航空產品附屬主要用于飛機制造過程中產品的狀態標識，以及在飛機儀表、客艙、動力裝置等多個區域對旅客或工作人員進行提示或指導。對于航空標牌在飛機全生命周期內的重要作用，適航條例CCRA25部第1541條指出飛機必須裝有規定的標牌，且標牌置于醒目處，內容不易擦去、走樣或模糊。在HB 6-68-2003《航空儀表產品》中對航空儀表產品標牌的型式、尺寸與代號、技術要求、檢驗方法及包裝貯存均有相應的規定。

隨著物聯網技術的興起和發展，智能標牌及其衍生物已廣泛應用于日常生活，例如迪卡儂、優衣庫等品牌，在每一件商品上都貼有RFID標簽，便于產品的結算及追蹤；具備NFC功能的手機在開通NFC公交卡且保持打開的狀態下，人們無需打開二維碼等，手機貼近刷卡區域就能快速識別通過閘口，在無數據網絡的情況下也不受影響；在博物館參觀時通過NFC讀卡器設備讀取展品旁邊的標簽，就可閱覽對展品的專屬說明文字。

目前傳統航空標牌在材質選用時，金屬標牌多選用鋁標牌、鋁箔標牌、不銹鋼標牌或銅標牌等，非金屬標牌多選用100g/cm2～150g/cm2的單面銅版紙、電化鋁燙印箔、滌綸鍍鋁不干膠紙等材質制作標牌，材質選用受限。且航空儀表產品的標牌尺寸最大不超過60mm×20mm，標牌幅面受限，只能作簡單的說明或指示，工作人員及旅客無法迅速了解更多擴展內容。根據標牌材質和標牌使用環境，標牌現制作方式多為印刷法、腐蝕法、激光刻制法、平面氧化法、沖壓或銑切等，制造過程影響因素多，且在長時間使用過程中容易磨損、落灰，造成標牌不易識別。基于上述問題，本文提出選擇NFC標牌代替傳統標牌的建議，NFC標牌可兼顧傳統標牌與二維碼標牌的功能，解決傳統標牌使用的局限性，功能豐富且更有利于航空智能制造的發展。

NFC工作原理

NFC為近場通訊技術，由無線射頻識別技術RFID（Radio Frequency Identification）和互聯互通技術整合演變而來。通過在單一芯片上配置感應式讀卡器、感應卡片和點對點功能，在短距離范圍內利用電磁感應耦合技術與兼容設備進行識別和數據交換，原理示意圖，如圖1所示。NFC設備通過由一對耦合電感線圈組成的天線向標牌發送信息，標牌通過負載調制應答反饋。

圖1 NFC技術工作原理

NFC有主動和被動兩種工作模式。主動模式下NFC讀卡器和NFC標牌均在連接前先產生自己的RF場，通過點對點模式傳遞數據，應答設備需要與發起設備的傳輸速率一致。被動模式是指由其中一方作為主設備產生RF場，從設備利用感生電動勢進行應答。

構建NFC航空智能標牌系統

NFC航空智能標牌系統應由Web服務器、移動端和NFC標牌三大部分組成，數據能夠在各部分間傳輸，如圖2所示。

圖2 NFC智能標牌系統示意圖

Web服務器為數據管理系統，存儲標牌所需指示的詳細信息，具有輸入和編輯功能，對整個系統起指導和保障作用。Web服務器在接收到數據后，將相應數據進行處理，保存至相對應的標牌存儲區。管理員可登錄平臺進行標牌信息批量錄入和企業用戶權限控制等操作。

移動端主要指NFC識讀設備，即標牌讀卡器，該設備能夠快速有效識別NFC標牌并顯示標牌所包含的內容，根據需要選擇上傳或編輯功能。

NFC標牌由存儲數據的芯片和天線組成，將標牌根據不同工作環境封裝在適宜的材料中進行保護，根據需求分布于飛機的各個部位。

基于NFC工作模式，使得NFC設備和NFC標牌的選擇不受電源限制。如由NFC讀卡器作為主設備提供RF場，貼近NFC標牌，兩者間產生感生電動勢，通過負載調制技術完成傳輸。被動模式下的NFC標牌類似于傳統標牌，無需電源支持，在主設備的RF場中利用電磁感應獲得能量工作。同理可讓NFC標牌作為主設備，NFC讀卡器作為從設備在沒有電源的情況下依舊能工作，適合不同情況下的工作環境。

NFC標牌特點

NFC技術與紅外線、Wi-Fi、WSN、藍牙一樣，均為非接觸傳輸，但NFC技術與紅外相比，不需要嚴格的方向性且傳輸速度較快，比Wi-Fi造價更低，比WSN更容易物-物相連，比藍牙建立連接速度快，無需繁瑣的驗證。因此，NFC標牌更適合代替傳統的航空標牌。

讀寫存儲更智能

與傳統標牌相比，NFC標牌具有可讀寫、存儲、安全、低功耗等特點。通過NFC設備讀取標牌信息，將新狀態寫入并傳送至數據庫處理。NFC標牌根據讀寫能力、存儲空間、傳輸速率不同分為4種類型，見表1，對于僅錄入所指示零件的編號、名稱且需要后期維護的建議選擇第2類，具有可讀寫能力且存儲空間能夠滿足要求，成本與第1類相比較低些。對于需要存儲很多擴展內容的標牌，選擇第3類標牌，在滿足存儲的要求下性價比更高。當然隨著存儲材料技術的發展，數據容量將持續增大以滿足更多需求。

表1

近距離傳輸更安全

NFC標牌工作頻段為13.56MHz，由于其信號衰減方案的特殊性，為近距離、低功耗傳輸方式，有效工作距離小于20cm（通常為4cm），NFC設備在讀取標牌時需近距離方可建立連接且不與其它標牌連接。近距離連接與其它遠距離傳輸方式相比更具安全性，且可通過硬件加密或內置的“芯片密碼”（Chip-and-Pin）技術提高安全性和保密性。

低耗材且性價比高

隨著NFC技術的發展和普及，NFC標簽紙的價格不高，且由于芯片載體可多材料選擇，芯片添加一層載體保護膜，增強標牌的抗磨損、抗沖擊及抗腐蝕性能。對需要更新內容的標牌采用NFC標牌。在每次數據更新時無需更換標牌，僅作數據更新即可，該標牌的反復讀寫、重復使用，切實做到了低耗材、節能、環保。

飛機減重

飛機重量控制從設計、制造到運營，貫穿其整個生命周期，制造商通過優化表面處理工藝、結構成型等工藝來減輕飛機重量。若采用NFC標牌，標牌指示的內容便不受標牌面幅限制，減小標牌大小或更換更高性能的材質標牌可以有效減輕飛機上標牌所造成的重量。

NFC航空標牌的應用方向

零件生產過程的跟蹤

對于需要溯源生產信息的零件標牌，通過NFC設備與服務器的聯系及時獲取詳細信息。整個飛機零件的制造過程中，需要經歷很長的周期，以飛機整體油箱為例，選擇化學銑切，加工該整體壁板，從冷軋厚板開始下料，經過淬火時效、拉伸處理、化銑成型、矯正、光整加工、表面處理等一系列流程，到最終上機裝配，在整個流程中需要監控跟蹤審查數據。為方便管理，制造商會對該零件在開始下料時進行編碼，做標記或配標牌進行全流程身份證明，而在這些過程中要了解該零件的詳細事項，需要通過查閱藍圖、生產原始記錄、檢驗記錄等方能知曉，整個過程依賴標記或標牌進行索引，較為繁瑣，在生產過程中極為不便。采用NFC標牌，可以在生產制造過程中將關鍵信息、特殊信息及特殊提醒信息錄入系統，在下一階段識別時能夠迅速掌握前期過程，并在該階段錄入新的信息進行存儲。由于芯片存儲量有限，可將更多信息接入服務器進行存儲并與其他平臺互聯，達到信息互通。

維護信息更新

在需要定期維護的零件旁配置NFC標牌，利用NFC標牌讀寫功能及時更新維護信息。民用飛機上有很多維護設備或系統，如燃油系統加/放油口蓋、氧氣系統加氣口蓋、水系統加（放）水口蓋位置等都需要操作人員定期進行維護，傳統標牌或標識需要人員一一查看辨析方能找到需要維修的口蓋，查詢檢修記錄較為費時，而采用NFC智能標牌可幫助維修人員迅速完成飛機勤務工作。維修人員使用NFC設備讀取標牌，通過識讀設備了解之前的檢修信息，也可鏈接到Web服務端對該口蓋登記維修、檢查情況。現場信息動態實時維護更新可更好實現資源數據的智能化管理，減輕現場維護和數據維護雙方的工作壓力和強度，提高工作效率。

擴展內容輸出

對于內容較多的標牌選擇NFC標牌，利用其存儲功能在需要識別時才進行信息顯示。傳統標牌由于空間有限僅能作簡單描述，如對于傳統的飛機登機門內部打開操作標牌、應急逃生裝備使用說明標牌、盥洗室使用操作提示標牌僅作簡要提示，部分人員操作仍有困難。采用NFC智能標牌，按需可通過NFC讀取器閱覽擴展信息，方便旅客對飛機上的物品正確使用，減少誤操作帶來的安全風險，有條件也可以選用具有朗讀功能NFC讀取器能夠多方式獲取所含信息。

數據收集與人員分配

NFC標牌在每次被操作人員用NFC移動端識別時，將會產生相應記錄并傳回Web服務器。通過對服務器所記錄的數據進行監控分析，排除潛在問題，確保制造過程的準確。同時可以根據需維護或檢查的頻次安排人員布局，將人員最合理安排。

針對目前航空傳統的靜態標牌存在的局限性，提出基于NFC技術搭建網絡系統，利用NFC標牌使其所指示的零件或設備能夠“自報家門”，保證了在生產或使用中保證迅速快捷的信息交互，且標牌數據可以通過NFC標牌實現信息化管理，如此將進一步發揮航空標牌在生產、使用過程中的作用，也將使得航空制造智能化更上一層樓。