【摘要】：在铝合金车体构件安装焊接过程中，需提前解决构件匹配问题，本文针对无线射频识别（RFID）在铝合金车体构件的应用场景，利用RFID自动识别标识对象，在移动式读写系统的基础之上优化建立固定式读写系统，设计针对车体铝合金构件侧墙的抗金属标签天线，标签天线与需求天线匹配，满足在车体组装环境下工作，控制其辐射范围或者基于车体铝合金构件自身金属形貌改变原标签天线辐射范围。通过移动采集系统进行数据采集，应用取值函数、VLOOKUP函数、数据过滤、数据统计、排序、宏等进行一体化数据处理，实现铝合金车体构件快速定位识别与显示，提高应用环境中的可阅读距离。
关键词：铝合金车体；RFID；构件定位识别
0.前言
当代中国轨道交通领域飞速发展，依托“一带一路”战略的实施，中国高铁已经开始实现“走出去”[1-2]。随着国际订单数量的增多，轨道交通装备制造业对生产力的提高提出了迫切要求。安装焊接车体构件的过程中，每面侧墙由多种主要型材拼接而成[3]，如果在焊接取材的过程中，左右两面侧墙所选车体构件公差较大，导致左右侧墙高低不等，增加构件制造难度，甚至使产品不合格，将大大浪费人力、物力和财力，甚至产生安全隐患[4-5]。因此，在安装焊接取材之前，需提前解决构件匹配问题。无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是利用空间电磁波的耦合与传播进行通信，以达到自动识别被标识对象，获取标识对象相关信息目的的一种先进技术[6-7]，非常适合物资管理，节省人力，提高生产效率[8]，设计建立一套满足车体组装环境下的铝合金构件RFID定位识别系统对提高车间构件管理与调用有较高的工程指导意义。
1.RFID识别系统及抗金属天线设计
从结构上讲RFID是一种简单的无线系统，由两个基本器件组成——RFID读写装置、电子标签，如图1所示，该系统通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在构件上的标签传送出去，以自动辨识与追踪该构件；依附在构件上的电子标签识别从识别器发出的电磁场，并主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）传送数据。电子标签包含了电子存储的信息，读写器数米之内可以完成识别。该系统用于控制、检测和跟踪铝合金构件。RFID识别系统的组成部分主要由应答器、阅读器和应用软件系统三部分组成。
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图1 RFID识别系统结构和工作原理图
Fig.1 RFID identification system structure and working principle diagram
为完善RFID系统在实际环境中的应用，系统采用固定式读写系统，避免环境变化过大时，智能小车没有相对固定的定位点，使小车导航系统失效，进而影响RFID的对构件信息的读取。本设计采用的阅读器为固定式阅读器Speedway；平板天线型号为：E9028PCRNF；读写器型号为：R420。
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图2 软件流程图
Fig.2 Software flow chart
系统的RFID读写软件主要用于控制读写器，调整读写参数，实现数据读取功能。软件流程图如图2所示，当系统主程序启动后，首先进行初始化，然后等待上位机向阅读器发送查询传感信息的命令。若未收到上位机的查询命令，则系统保持初始状态；若接收到查询命令，则阅读器通过空间电磁波向RFID标签发送选择（Select）、盘存（Query）和访问（Access）命令。当标签接收到查询命令后，通过数据处理模块向应力传感器发送使能信号，激活传感器，完成相应的数据采集，并将信息发送回数据处理模块，数据处理模块校验接收到的数据格式。若通过格式校验，则系统对所接收数据进行提取和分析处理，计算应力数值；若未通过校验，则返回初始状态重新测量。
为完成铝合金构件的RFID定位识别，系统以微带天线结构设计铝合金构件管理所用抗金属标签，对于微带标签天线首先考虑微带部分，为保证结构在恶劣环境下不被破坏，本系统选择设置通孔结构，结构图如图3所示。接下来考虑结构中的尺寸对输入阻抗的影响，对所采用的嵌入式馈线结构拟定馈线长度，调节嵌入深度12、嵌入宽度w2及微带馈线宽度w3。
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图3 带通孔的微带天线基础结构
Fig.3 Basic structure of a microstrip antenna with through holes
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(a)嵌入深度 (b)嵌入宽度 (c)微带馈线宽度
图4 结构尺寸对端口阻抗的影响
Fig.4 The effect of structure size on port impedance
(a) Embedded depth (b) Embedded width (c) Microstrip feeder width
12为微带馈线嵌入天线辐射面的深度，由图4（a）可见嵌入深度12的改变在950MHz之前对阻抗实部基本没有影响，12越大阻抗虚部值越大。w3为微带馈线的宽度，为更好的与标签芯片焊接，一般设置依据标签芯片而定。由图4（b）可见w3的改变在950MHz之前对阻抗实部基本没有影响，w3越大阻抗虚部值越小。w2为微带馈线嵌入处缝隙的整体宽度，由图4（c）可见w2=7mm-9mm时的端口阻抗实部虚部变化均不明显，当w2值上升到10mm时端口阻抗的实部值、虚部值均略有下降。
根据以上的分析，系统选择较稳定数值作基即12-35mm，w2-9mm，w3-2mm。系统通过标签天线与需求天线匹配，满足在车体组装环境下工作，控制其辐射范围或者基于车体铝合金构件自身金属形貌改变原标签天线辐射范围。
2.移动采集系统
运动采集系统硬件部分采用智能小车、开发板、固定装置和连接件，如图5所示。鉴于当前对小车的使用要求，对智能小车的控制主要以编码为主。框架主要用于固定并提高工控机及读写器天线的高度，优化读写距离；非标件主要用于固定读写器天线、线材和工控机。
图5 运动采集系统
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Fig.5 The motion acquisition system
运动采集系统软件部分当前智能小车的行走路径主要通过Keil来完成，控制界面如图5所示。用户需对路线进行规划和测绘，并设定读取位点；然后根据规划，按照相应操作规范，将行走路径输入Keil中；然后将编辑好的路径通过J-Link下载到单片机中。此时，断开J-Link，打开智能小车电源，按二号按钮即可按照设计路线行走；通过Keil软件，还可修改小车的移动速度、方向、停靠时间等基本参数。
3.数据处理系统
本项目选用触屏工控机作为数据处理和显示结果的上位机，同时RFID读写程序在该工控机中运行。并利用统计表和统计图对数据进行处理。
读写器对数据读写完成后，点击“导出数据”，然后选择保存位置，输入要保存的名称，点击“保存”，便可对数据以Excel的格式进行导出。
数据处理中主要用到了取值函数、VLOOKUP函数、数据过滤、数据统计、排序、宏等。数据处理过程不需要用户进行操作，用户使用或查询时，仅需点击选项，便可将用户所需信息可直接以窗口的形式展现给用户。具体初步数据处理如图6所示，处理过程如下：
数据筛选：打开导出数据，此时得到的数据为原始数据，通过删除重复项对数据进行过滤。选择“EPC Value”，点击“确定”，即可对数据进行过滤。
编码信息提取：编码数据提取需要用到取值函数，取值函数常用的有三种：LEFT，RIGHT，MID，此处主要用到MID函数。取值完成后，需要对所取编码所代表的含义通过“VLOOKUP”函数进行关联。演示在下节中展示。
编码信息编译：此处先提取标签编码中所含有的位置信息；例如位置信息保存在编码的后四位，倒数第四和第三分别代表区域和列，倒数最后两位代表层数。则可通过MID函数提取并表示出来，此时输入“=MID(A6,23,1)&”区"&MID(A6,24,1)&"列"&MID(A6,25,2)&"层"”便可显示出位置信息；然后，对产品所包含的信息进行显示；此时需要取值和关联的配合使用。首先提取包含有产品信息的编码，步骤同上；然后在新建表格中录入编码信息和对应的产品信息及其他信息；最后通过选用“VLOOKUP”函数展示出所需信息。
数据筛选与统计：此处数据筛选只需选中函数转换得到的数据，点击筛选完成数据统计和分析。
图6 数据处理图
Fig.6 Data processing diagram
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图7 匹配结果图
Fig.7 Figure of matching result
利用本文所涉及RFID读写系统对铝合金车体构件匹配进行演示，匹配结果如图7所示，最终的匹配结果比每种构件的极差要小约1/4，达到预期结果，能够实现合金车体构件快速定位识别与显示，方便快捷地完成铝合金构件匹配。
3.结论
基于无线射频识别技术RFID，通过对读写系统及抗金属天线进行设计，开发了一套实用性强的铝合金构件RFID定位识别系统，该系统通过系统数据采集与数据处理一体化，实现铝合金车体构件快速定位识别与显示，方便快捷地完成铝合金构件匹配，该系统在应用环境场所中有较大的可阅读距离。
参考文献
[1]常青.“一带一路”背景下中国高铁“走出去”的对策探析——以欧亚高铁为例[J].现代商业,2020(03):17-18.
[2]兰雅文.“一带一路”背景下中国高铁产业“走出去”竞争策略研究[D].山东大学,2018.
[3]万景元,桑弘鹏,张勇,马彪,马冬莉.城市轨道车辆整体侧墙加工工艺研究[J].机械制造,2019,57(12):115-116+119.
[4]曲琅博,焦锐.不锈钢弧焊侧墙组焊工艺[J].金属加工(热加工),2019(04):42-46.
[5]戴文辉,刘海涛.电力机车车体侧墙焊接结构及工艺分析[J].电焊机,2003(04):47-50.
[6]Ding B , Chen L , Chen D , et al. Application of RTLS in Warehouse Management Based on RFID and Wi-Fi[C]// International Conference on Wireless Communications, Networking & Mobile Computing. IEEE, 2008.
[7]代孝俊. 基于RFID室内定位的研究[D].成都信息工程大学,2019.
[8]张柏娜,高军伟.基于RFID的轨道交通车轮识别系统设计[J].制造业自动化,2019,41(12):58-60+81.