CN103572441B - 用于纺纱运行状态监测的传感器、无线传感节点及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的用于纺纱运行状态监测的传感器、无线传感节点及其方法，主要是利用设计的一种基于静电感应的、具有特殊结构的栅状电极传感器，采集纺纱运行状态信号，通过信号处理得到具有主频率f_H、周期均匀一致的脉冲序列信号，再利用内嵌的微处理器对采集的信号进行检测与计算处理，得到锭子上纺纱运行的纱线断头、纱线线速、捻线捻度等数据，然后通过微处理器内集成的无线射频RF收发器将感知的数据信息发送至无线传感网中。本发明的用于纺纱运行状态监测的传感器、无线传感节点及其方法，不仅可以减少人力成本，而且可以主动、实时地监测锭子纺纱运行信号，其周期误差范围在±0.5微秒，提高了在线监测的速度和精度。

Description

用于纺纱运行状态监测的传感器、无线传感节点及其方法

技术领域

本发明属于无线传感技术领域，具体涉及一种用于纺纱运行状态监测的传感器，以及利用该传感器所设计的无线传感节点，本发明还涉及采用上述无线传感节点进行纺纱运行状态监测的方法。

背景技术

在纺织品生产过程中，实时监控产品的质量和成本是企业精细化管理中非常重要的内容之一，其中，纺纱运行状态的实时监测是纺织品质量成本控制和管理中最为关键的环节之一。目前，我国纺纱厂大都根据纺纱的捻线捻度和设定的纺纱机锭子转速，估算锭子上的纱线线速，通过人工来回巡查监视每个锭子出现的纺纱断头。但是，这些手段缺乏主动性、实时性和精确性，难以适应现代制造企业产品质量成本管理的需求。我国是纺织品制造大国，降低成本费用、提高产品质量是关系国计民生的大事。

物联网技术的出现，为企业生产过程数据的精细化监管提供了重要的平台。它可以将生产管理的对象延伸至更小的“单位”，从感知、传输到智能处理，为企业生产过程管理提供更为全面、主动、实时的精细数据信息，也为产品质量的全程监控与追溯提供重要的数据依据，积极推进了企业管理能力的提升。然而，物联网的特征是以感知为目的，感知技术是物联网的核心技术之一，即不同的监控对象，需要不同的传感技术和监测方法。因此，研究开发一种用于纺纱运行状态监测的传感器、无线传感节点及其方法势在必 行。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于纺纱运行状态监测的传感器，实现锭子上的纺纱运行状态信号的在线自动采集，解决现有依靠人工监视手段所带来的成本高问题；

本发明的另一目的是提供一种利用上述传感器所设计的无线传感节点对锭子上的纺纱运行状态进行在线自动采集、检测与计算处理，并通过无线传输技术传递至无线网中，送至上位机进行统计，给纺纱生产部门提供实时、准确的锭子纺纱运行状态信息，以解决现有监测手段所带来的时间滞后、不准确的问题；

本发明的第三个目的是提供一种采用上述无线传感节点进行纺纱运行状态监测的方法，通过本发明的方法，主动、实时、精确地计算出锭子上纺纱的纱线断头、纱线线速、捻线捻度等数据，解决现有监测方法所带来的不精确的问题。

本发明所采用的技术方案是：用于纺纱运行状态监测的传感器，由具有特殊结构的栅状电极的双面印刷电路板制成，在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形。

本发明所采用的另一技术方案是：用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，包括依次连接的传感器、信号处理模块、嵌入式微处理器及电源，嵌入式微处理器的输出通过无线传输技术与无线传感网连接；嵌入式微处理器选用内集有无线射频RF收发器的CC2530芯片；所述的电源通过电池供电。

本发明所采用的第三个技术方案是：纺纱运行状态监测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：当纱线以某一速度运动时，利用纱线携带的随机静电荷，经传感器的静电感应和空间滤波，获得一个含有频率分量的脉波和低频干扰的混杂信号，具体按照以下步骤实施：

假设在纱线仅有一个点电荷，传感器的信号采集原理如下：

（1）纱线以某一速度相对于传感器运动；

（2）当该点电荷经过信号栅上的某一电极，即恰位于屏蔽栅的两个电极间隙处，那么，在该电极处产生电压信号，但它在其他邻近的电极处，即位于屏蔽栅的电极上，就无感应或很小的干扰感应电压信号；

如果信号栅上的电极没连接在一起，那么，当纱线以某一速度经过传感器运动时，该点电荷在信号栅的每个电极上产生一个电压信号U_s(t)，而相邻的两个电极上产生的电压信号U_s(t)和U_s(t+1)将会有一个Δt的时间差；

如果将信号栅上的所有电极连接在一起，那么，当纺纱运行未发生断头时，将在传感器的输出端得到一个具有周期为Δt的脉波电压信号U_s(t)，否则，将在传感器的输出端得到的是一个无脉波的电平信号即意味着该锭子上的纺纱纱线出现断头；

步骤2：信号处理模块对传感信号进行处理，即包括利用前置放大器对传感器采集的混杂信号进行放大，经高通滤波器的滤波处理消除前置放大器输出信号中的低频干扰信号，通过峰值放大器将高通滤波器的输出信号的幅值调制至限定的±0.7V幅值之间，利用比较器将峰值放大器的输出信号整形成脉冲序列信号，最后，通过锁相环的调频、调相作用，稳定锁住比较器输出的脉冲序列频率和相位，形成具有主频率f_H、周期均匀一致的脉冲序列 信号；

步骤3：利用嵌入式微处理器对采集的纺纱运行状态信号进行检测，即包括利用CC2530中P1端口的P1.2引脚和定时器对信号处理模块中比较器输出信号的上升沿进行检测，若在定时时间内，没有检测到脉冲信号的上升沿，表明已出现纺纱断头，否则，正常；利用CC2530中P0端口的P0.0引脚和定时器对信号处理模块中锁相环输出脉冲序列信号的相邻上升沿间进行脉冲计数，检测纺纱运行信号频率，从中获取纺纱断头信号和纺纱运行信号周期；

步骤4：利用嵌入式微处理器对检测的纺纱运行状态的信号进行计算处理，获取锭子上纺纱的纺纱断头、纱线线速、捻线捻度的数据，通过嵌入式微处理器内集成的无线射频RF收发器将感知的数据发送至无线传感网中；

假设，电极间的间距是Δx，那么，通过检测传感器输出信号的频率，即周期Δt，计算纱线的线速v：

v＝Δx/Δt，

根据纱线的原料、成份和规格，纺纱机的锭子转速n在运行前是事先设定的，所以，纱线捻线捻度twise计算式为：

twise＝n/v。

本发明的有益效果是：

1．本发明的用于纺纱运行状态监测的传感器、无线传感节点及其方法，不仅可以减少人力成本，而且监测的锭子纺纱运行信号的周期误差范围在±0.5微秒，可提高在线监测的精确度；

2．本发明的无线传感节点，不仅能主动、实时地采集和检测现场纺纱运行状态的信号，智能计算处理检测的数据信号，而且能与其他无线传感节 点进行通信，组成一个有机的无线传感网络；

3．本发明的无线传感节点，具有结构简单、成本低廉、体积小、重量轻、功耗低、实施简便以及便于产品化批量生产的特点。

附图说明

图1是本发明无线传感节点一种实施例的结构示意图；

图2是IEEE802.15.4无线传输协议的数据帧格式；

图3是本发明监测方法的处理流程图；

图4是本发明传感器的结构示意图；

图5是纱线通过传感器示意图；

图6是传感器的基本采集原理图；

图7是信号处理的结构示意图；

图8是前置放大器接口示意图；

图9是高通滤波器接口示意图；

图10是峰值放大器接口示意图；

图11是比较器接口示意图；

图12是锁相环接口示意图；

图13是经信号处理后各级电路输出的信号图；

图14是嵌入式微处理器CC2530芯片接口示意图。

图中，1.无线传感节点，2.传感器，3.信号处理模块，4.嵌入式微处理器，5.电源，6.无线传感网，7.前置放大器，8.高通滤波器，9.峰值放大器，10.比较器，11.锁相环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在纺织生产过程中，纺织纤维常常互相或与机器部件产生摩擦，致使在纺制的纱线上总是或多或少的积存一些静电荷。如果在一根运动的纱线旁放置一个感应电极，那么，在这个电极上就会出现微电压波动。因此，为了监测纱线的运行状态，借助于纱线上静电荷的这种感应作用，设计了一种具有特殊结构的栅状电极传感器，它可以提高对纱线上静电荷的感应敏感度，同时可以对由纱线上静电感应得到的电压信号进行空间滤波。

本发明静电感应的传感器2的结构，如图4所示，它由一片非常简单、廉价的双面印刷电路板构成。在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形。正面的屏蔽栅与前置放大器的地连接，反面的信号栅与前置放大器的输入端连接。印刷电路板的基层作为屏蔽栅和信号栅的绝缘层。

传感器2的屏蔽栅对静电感应起屏蔽作用，它使得只有纱线上的电荷正好位于屏蔽栅的两个电极间隙处才能在信号栅的电极上产生感应的电压信号，而位于其他位置的电荷因受屏蔽栅的屏蔽作用，在信号栅的电极上无感应或很小的干扰感应电压信号。同时，传感器2电极栅的空间布局，可使得传感器2像一个筛子对在信号栅上感应出的电压信号进行过滤，生成出具有一定频率的脉波电压信号。

图5是纱线通过传感器2的摸拟示意图，在传感器2的两端要设置两个纱线小空，以便控制纱线和传感器2间的距离。当纱线以一定的速度距屏蔽栅约1mm并垂直于电极运动，纱线上携带的随机电荷就会穿过屏蔽栅每两个电极之间的间隙，在信号栅的每个电极上感应出电压信号。因为信号栅由 许多电极组成，纱线上的随机电荷在传感器2的前置放大器7输出端产生一个脉波电压信号U_s(t)，即称其为传感信号。

电极栅的长度应在50mm到100mm之间，电极的数量不少于20个；正面屏蔽栅电极的宽度在0.3mm到0.6mm之间，长在5mm到10mm之间；反面信号栅电极的宽度在0.4到0.7mm之间，长在5到9mm之间。电极的平面面积越大，印刷电路板的基层越薄，传感器的静电荷感应就越敏感；电极栅的电极数量越多，传感器的空间滤波性能就越好。

本发明无线传感节点1的一种实施例的结构如图1所示，包括依次连接的传感器2、信号处理模块3、嵌入式微处理器4及电源5，嵌入式微处理器4的输出通过无线传输技术与无线传感网6连接。嵌入式微处理器4选用的是内集成有无线射频RF收发器的CC2530芯片，无线传输技术采用的是兼容IEEE802.15.4的无线传输协议。

CC2530是美国TI公司针对2.4GHz ISM频带推出的第二代支持ZigBee/IEEE802.15.4协议的片上集成芯片。CC2530内部集成了一个高性能的无线射频RF收发器、工业标准增强型8051MUC内核、8KB的RAM、32/64/128/256KB闪存、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电监测电路、命令选通协处理器CSP、2个USART、8位和16位定时器、看门狗定时器、8路输入可配置12位ADC、21个可编程的通用I/O端口、AES安全协处理器，支持CSMA-CA、数字化的RSSI/LQI（接收的信号强度指示/链路质量指示）和强大的DMA功能。在接收和发射模式下，电流损耗分别为24mA和29mA，工作电压范围为2.0V～3.6V，运行时钟32MHz。由于CC2530的强处理能力和丰富的接口资源，且硬件设计简单、集成度高、功耗低、体积小、成本低的显著优势。

IEEE802.15.4的无线传输协议是基于CSMA/CA机制来避免数据冲突。根据是否采用信标，网络分为非信标网络和信标网络两种。非信标模式下，节点使用CSMA/CA机制竞争信道，即节点随机退避一段时间，执行空闲信道评估CCA，若信道空闲，则发送数据，若信道忙，则重新等待一段随机时间后，再执行CCA，直至信道空闲，发送数据。在信标模式下，将超帧划分了16个时隙，执行CCA的退避时间是以时隙为单位，即节点等待1个或若干个时隙，执行CCA，若信道空闲，则发送数据，否则，再重新等待若干个时隙，再执行CCA，直至信道空闲，发送数据。CC2530片上集成的命令选通协处理器CSP提供了MCU和无线电之间的接口，有立即选通命令和程序执行两种模式，可以处理MCU发出的命令，同时通过内嵌的一个24字节的程序存储器，配合MAC定时器自动执行CSMA/CA算法，充当MCU的协处理器。

CC2530是通过寄存器发送缓冲器TXFIFO和RXFIFO来实现数据收发的。当发送数据时，往TXFIFO中写入数据，无线电模块自动添加物理层同步头信息和帧检验序列FCS，通过选通命令STXONCCA发送数据；当接收数据完成时，产生RXPKTDONE中断，在中断服务程序中从RXFIFO缓冲器中读取数据即可。CC2530每次发送或接收的数据帧格式如图2所示，其中，帧控制域占2个字节，用于指示帧类型、使能安全、确认请求、源目标地址模式等信息；数据序列号占1个字节，用于确认帧与数据帧或命令帧的匹配；地址信息占（0～20）个字节，用于标识发送设备和目标设备的地址；帧负载是待发送或接收的数据或命令；帧校验占2个字节，用于检验收发的数据帧是否正确。由于IEEE802.15.4规范中定义了物理服务数据单元的最大长度为127字节，而其中的8字节已经被使用，因此有效帧负载的字节长 度为1～119字节。

其中的信号处理模块3的结构如图7所示，包括依次连接的前置放大器7、高通滤波器8、峰值放大器9、比较器10及锁相环11。其中：

1.前置放大器7：由两个运算放大器LMC6482组成，一级作为跟随器，另一级是放大倍数为80的放大器，其接口示意如图8所示，用于对采集的传感信号进行放大；

2.高通滤波器8：由一个三阶高通RC网络和一个运算放大器LMC6482组成，其接口示意如图9所示，对放大的传感信号进行高通滤波处理，消除低频干扰信号，特别是50Hz电网干扰信号；

3.峰值放大器9：由一个运算放大器LMC6482和两个1N4453稳压开关二极管组成，其接口示意如图10所示，将经高通滤波后的传感信号放大并限幅至±0.7V幅值范围内；

4.比较器10：由两个运算放大器LM339和两个RS触发器7400组成，其接口示意如图11所示，将峰值放大器的输出信号整形成幅值在0～5V间的脉冲序列信号，并传递至CC2530中，用于检测纺纱断头信息；

5.锁相环11：由一个锁相环HEF4046组成，其接口示意如图12所示，通过锁频、锁相作用，使得比较器输出的脉冲序列信号的频率、周期均匀一致，并传递至CC2530中进行纱线线速、捻线捻度的计算处理；

本发明的用于纺纱运行状态监测的传感器、无线传感节点及其方法，主要是利用设计的一种基于静电感应的、具有特殊结构的栅状电极传感器，采集纺纱运行状态信号，利用无线传感节点中的信号处理模块对采集的信号进 行处理得到具有主频率f_H、周期均匀一致的脉冲序列信号，再利用无线传感节点中的嵌入式微处理器对处理后的信号进行检测与计算处理，得到锭子上纺纱运行状态，包括纱线断头、纱线线速、捻线捻度等数据，然后通过嵌入式微处理器内集成的无线射频RF收发器将感知的数据信息发送至无线传感网中。其处理流程如图3所示。

为了节省能量，本发明的无线传感节点1每隔15秒启动运行1次，采集、检测与计算纺纱运行状态的信号和数据，其他时间则处于睡眠。

具体按照以下步骤实施：

步骤1：当纱线以某一速度运动时，利用纱线携带的随机静电荷，经传感器2的静电感应和空间滤波，获得一个含有频率分量的脉波和低频干扰等混杂信号，具体按照以下步骤实施：

假设在纱线仅有一个点电荷，传感器2的信号采集原理如下：

（1）纱线以某一速度相对于传感器运动；

（2）当该点电荷经过信号栅上的某一电极，即恰位于屏蔽栅的两个电极间隙处，那么，在该电极处产生电压信号，但它在其他邻近的电极处，即位于屏蔽栅的电极上，就无感应或很小的干扰感应电压信号。

如图6a所示，如果信号栅上的电极没连接在一起，那么，当纱线以某一速度经过传感器2运动时，该点电荷在信号栅的每个电极上产生一个电压信号U_s(t)，而相邻的两个电极上产生的电压信号U_s(t)和U_s(t+1)将会有一个Δt的时间差。

如图6b所示，如果将信号栅上的所有电极连接在一起，那么，当纺纱运行未发生断头时，将在传感器2的输出端得到一个具有周期为Δt的脉波电压信号U_s(t)，否则，将在传感器2的输出端得到的是一个无脉波的电平信 号即意味着该锭子上的纺纱纱线出现断头。

步骤2：信号处理模块3对传感信号进行处理，即包括利用前置放大器7对传感器2采集的混杂信号进行放大，经高通滤波器8的滤波处理消除前置放大器输出信号中的低频干扰信号，通过峰值放大器9将高通滤波器8的输出信号的幅值调制至限定的±0.7V幅值之间，利用比较器10将峰值放大器9的输出信号整形成脉冲序列信号，最后，通过锁相环11的调频、调相作用，稳定锁住比较器10输出的脉冲序列频率和相位，形成具有主频率f_H、周期均匀一致的脉冲序列信号；

事实上纱线上的电荷是随机分布的，而不是仅在一点。所以，在传感器2输出端获得的电信号是一个含有许多频率分量的脉波以及噪声混杂信号。为此，必须经过信号整形处理，才能获得具有主频率f_H的脉冲序列信号。

图13是对传感信号分别经前置放大器7、高通滤波器8、峰值放大器9、比较器10、锁相环11等电路处理后的输出波形信号图。

步骤3：利用嵌入式微处理器4对采集的纺纱运行状态信号进行检测，即包括利用CC2530中P1端口的P1.2引脚和定时器3对信号处理模块3中比较器10输出信号的上升沿进行检测，若在定时时间内，没有检测到脉冲信号的上升沿，表明已出现纺纱断头，否则，正常；利用CC2530中P0端口的P0.0引脚和定时器1对信号处理模块3中锁相环11输出脉冲序列信号的相邻上升沿间进行脉冲计数，检测纺纱运行信号频率，从中获取纺纱断头信号和纺纱运行信号周期；

因为传感器2正反面电极极宽分别为：0.3mm到0.6mm之间和0.4到0.7mm之间，所以，相邻电极间间距范围为：0.08cm～0.14cm。当纺纱线速 在30厘米/秒～5厘米/秒(即18米/分～0.3米/分)之间时，信号处理器输出的脉冲序列信号的频率范围为：375Hz～35.7Hz间，即周期为0.0027s～0.028s间。因此，本发明利用CC2530中P1端口的P1.2引脚和定时器3检测纺纱断头信号；P0端口的P0.0引脚和定时器1检测纺纱运行信号的周期，其接口示意如图14所示。其中，纺纱断头信号，在125KHz***时钟作用下，通过P1端口的P1.2引脚和定时器3的定时中断，检测信号处理模块3中比较器输出信号的上升沿，若在定时时间内，没有检测到信号的上升沿，表明已出现纺纱断头，否则，正常；纺纱运行信号的周期是通过P0端口的P0.0引脚检测信号处理模块3中锁相环11输出脉冲序列信号的上升沿，由2MHz***时钟信号控制定时器1，对锁相环11输出脉冲序列信号的相邻上升沿间进行脉冲计数，检测纺纱运行信号频率，从中获取纺纱断头信号和纺纱运行信号周期。具体步骤实施如下：

1．初始化程序 

（1）***时钟初始化

a、选择***时钟源为32MHz晶振：CLKCONCMD.OSC&＝～0x40；

b、设置定时器标记输出频率为16MHz：CLKCONCMD.TICKSPD∣＝0x08；

（2）***变量初始化

a、初始化中断响应标志：Cycle_Int_Response_Flag＝0；

b、初始化断纱标志：Broken_Yarn__Flag＝0；

c、初始化纺纱运行信号周期Δt：Operat_Cycle_Time＝0； （3）T1定时器初始化

a、选择T1定时器分频器划分值为8：T1CTL.DIV∣＝0x04；

b、选择T1定时器操作模式为暂停运行：T1CTL.MODE&＝～0x03；

c、清T1定时器计数器溢出中断标志：T1STAT.OVFIF&＝～0x20；

d、清T1定时器计数器：T1CNTH＝0x00；

                     T1CNTL＝0x00；

（4）T3定时器初始化

a、选择T3定时器分频器划分值为128：T3CTL.DIV∣＝0x E0；

b、选择T3定时器操作模式为暂停运行：T3CTL.MODE&＝～0x10；

c、清T3定时器计数器：T3CNT＝0x00；

d、清T3定时器计数器溢出中断标志：TIMIF.T3OVFIF&＝～0x01；

e、T3定时器溢出中断屏蔽使能：T3CTL.OVFIM∣＝0x08；

f、T3定时器中断使能：IEN1.T3IE∣＝0x08；

（5）P0端口I/O配置初始化

a、选择P0端口为通用I/O：P0SEL&＝0x00；

b、设置P0端口方向为输入：P0DIR&＝0x00；

c、设置P0端口输入模式上拉：P0INP&＝0x00；

（6）P1端口I/O配置初始化

a、选择P1端口为通用I/O：P1SEL&＝0x00；

b、设置P1端口方向为输入：P1DIR&＝0x00；

c、设置P1端口输入模式上拉：P1INP&＝0x00；

d、清P0端口位0中断状态标志：P0IFG&＝～0x01；

e、选择P0端口P0.0引脚输入的上升沿引起中断：PICTL.P0ICON&＝～0x01

                       

f、设置P0端口位0中断屏蔽使能：P0IEN︱＝0x01；

g、设置P0端口中断使能：IEN1.P0IE︱＝0x20；

h、设置每个中断源使能：IEN0.EA︱＝0x80；

（7）P1端口I/O中断初始化

a、清P1端口位2中断状态标志P1IFG&＝～0x04；

b、选择P1端口P1.2引脚输入的上升沿引起中断：PICTL.P1ICON L&＝～0x02

                       

c、设置P1端口位2中断屏蔽禁止：P1IEN&＝～0x04；

d、设置P1端口中断禁止：IEN2.P1IE&＝～0x10；

2．中断服务程序

（1）中断服务程序1：检测纺纱断头信号

a、判断P1端口位2中断状态标志是否为1，若是，转向c开始执行，否则继续执行；

b、表明出现纺纱断头，设置断纱标志：Broken_Yarn__Flag＝1；

c、清P1端口位2中断状态标志：P1IFG&＝～0x04；

d、清T3定时器计数器溢出中断标志：TIMIF.T3OVFIF&＝～0x01；

e、清T3定时器计数器：T3CNT＝0x00；

f、返回中断； 

注释：因为断头是随机的，为此需要定时中断读取P0端口P0.1引脚输入的上升沿引起中断状态标志。其中，定时时间为最慢纱线线速下的定时时间，即选择定时器3计数溢出进入中断；中断服务程序是判断端口P0.1引脚输入引起的中断状态标志位，若为1，则清零返回，否则，设置断纱标志 Broken_Yarn__Flag为1，返回。

（2）中断服务程序2：检测纺纱运行信号的周期Δt

a、判断中断响应标志Int_Response_Flag是否为0，若不是，转向e开始执行，否则继续执行；

b、启动T1定时器操作模式为自由运行开始计数：T1CTL.MODE︱＝0x01；

                    

c、中断响应标志加1：Int_Response_Flag＝Int_Response_Flag+1；

d、转向j继续执行； 

e、选择T1定时器操作模式为暂停运行：T1CTL.MODE&＝～0x03；

f、记录T1定时器计数器值：Cycle_Counter＝T1CNTH×2⁸+T1CNTL

g、判断T1定时器计数器溢出中断标志是否为1，若不是转向i开始执行； 

h、清T1定时器计数器溢出中断标志：T1STAT.OVFIF&＝～0x20；

i、记录T1定时器计数器溢出值：Cycle_Counter＝Cycle_Counter+2¹⁶

j、清P0端口位0中断状态标志：P0IFG&＝～0x01；

k、返回中断 

步骤4：利用嵌入式微处理器（4）对检测的纺纱运行状态的信号进行计算处理，获取锭子上纺纱的纺纱断头、纱线线速、捻线捻度的数据，通过嵌入式微处理器（4）内集成的无线射频RF收发器将感知的数据发送至无线传感网（6）中；

假设，电极间的间距是Δx，那么，通过检测传感器2输出信号的频率，即周期Δt，可监测纱线的线速v：

v＝Δx/Δt             (1) 

根据纱线的原料、成份和规格，纺纱机的锭子转速n（转/秒）在运行前是事先设定的。所以，纱线捻线捻度twise计算式为：

twise＝n/v              (2) 

若纱线未发生断头，则根据检测的纺纱运行状态的信号，计算纺纱运行状态的信号周期以及纱线线速、捻线捻度。具体步骤实施如下：

1．计算纺纱运行信号的周期Δt及纱线线速和捻线捻度

（1）初始化变量

a、初始化传感器电极间距变量：Electro_Separat_Num＝△X；

b、初始化纺纱锭子转速：Spindle_Speed＝n；

c、初始化纱线线速变量：Yarn_Speed_Num＝0；

d、初始化纱线捻线捻度变量：Yarn_Twist_Num＝0；

（2）计算周期Δt及纱线线速和捻线捻度

a、选择T3定时器操作模式为自由运行开始计数：T3CTL.START︱＝00x40；

                       

b、判断纺纱断头标志Broken_Yarn__Flag是否为1，若是，转向i执行，否则，继续执行；

c、判断中断响应标志Int_Response_Flag是否为0，若是，转向b执行，否则，继续执行；

d、清Int_Response_Flag；

e、清T1定时器计数器：T1CNTH＝0x00；

                     T1CNTL＝0x00；

f、计算纺纱运行信号周期Δt：

$\mathrm{Operat}\_\mathrm{Cycle}\_\mathrm{Time}=\frac{\mathrm{Cycle}\_\mathrm{Counter}}{2\mathrm{MHz}}=\frac{\mathrm{Cycle}\_\mathrm{Counter}}{2\×{10}^6\mathrm{Hz}}$

g、根据式(1)计算纱线线速：

$\mathrm{Yarn}\_\mathrm{Speed}\_\mathrm{Num}=\frac{\mathrm{Electro}\_\mathrm{Separat}\_\mathrm{Num}}{\mathrm{Operat}\_\mathrm{Cycle}\_\mathrm{Time}}$

h、根据式(2)计算纱线捻线捻度：

$\mathrm{Yarn}\_\mathrm{Twist}\_\mathrm{Num}=\frac{\mathrm{Spindle}\_\mathrm{Speed}}{\mathrm{Yarn}\_\mathrm{Speed}\_\mathrm{Num}}$

i、设置T3定时器操作模式为暂停运行：T3CTL.MODE&＝～0x10；

j、设置T1定时器操作模式为暂停运行：T1CTL.MODE&＝～0x03；

k、设置P0端口位0中断屏蔽禁止：P0IEN&＝～0x01；

l、设置T3定时器溢出中断屏蔽禁止：T3CTL.OVFIM&＝～0x08；

m、结束。

2．将监测的纺纱运行状态数据无线发送至无线传感网

利用CC2530片内集成的RF收发器，基于时隙CSMA/CA的介质访问协议，将计算的结果数据发送至无线网络中。具体步骤实施如下：

1．初始化参数 

a、设置帧控制域FCF值：Frame_Control_Field_Num＝FCF；

//与发送的帧类型、安全性、确认请求以及所设计的无线网等属性有关

b、设置帧头的数据序列号：Data_Seq_Num＝1；

c、设置帧头的地址信息：PANID_ShortAddr＝Address_Message；

//与所设计的无线网布局和分配的设备地址有关

2．将监测的纺纱运行状态数据送入发送缓存器TXFIFO

a、设置帧处理FCS由硬件验证：FRMCTRL0.AUTOCRC︱＝0x40；

b、设置控制RF频率在k通道：FREQCTRL.FREQ＝11+5(k-11)；k<＝26

c、TXFIFO中的字节数存储在TXFIFOCNT寄存器中：TXFIFOCNT＝11；

                     

d、清除TXFIFO缓冲区：SFLUSHTX；

e、将监测数据写入TXFIFO：

RFD＝12；帧长度（包括2字节校验码）

RFD＝Frame_Control_Field_Num；帧控制域（2字节）

RFD＝Data_Seq_Num；帧数据序列号（1字节）

RFD＝PANID_ShortAddr；帧地址信息（4字节）

RFD＝Broken_Yarn__Flag；纺纱断头标志（1字节）

RFD＝Yarn_Speed_Num；纱线线速（1字节）

RFD＝Yarn_Twist_Num；纱线捻度（1字节）

3．将TXFIFO中数据无线发送至无线传感网

a、停止命令选通协处理器CSP程序执行：RFST＝ISSTOP；

b、清除CSP程序，指针复位到0：RFST＝ISCLEAR；

c、等待x个退避周期：RFST＝WAITX；

d、检测当前空闲通道评估CCA状态，通道是否空闲，若不是，则循环等待：

WHILE（～FSMSTAT1_CCA_Is_Valid）；

f、若通道空闲，则开始启动无线发送数据帧：RFST＝STXONCCA；

g、检测并判断帧首定界符是否发送完毕，若未发送完毕，则循环等待：

WHILE（～RFIRQF0_SFD_Is_1）；

h、检测并判断一个数据帧是否发送完毕，若未发送完毕，则等待数据帧发送完毕：

WHILE（～RFIRQF0.SFD_Is_0）；

i、若数据帧发送完毕，则停止CSP程序执行：RFST＝SSTOP。

Claims (10)

1.用于纺纱运行状态监测的传感器，其特征在于，由具有特殊结构的栅状电极的双面印刷电路板制成，在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形。

2.用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，包括依次连接的传感器(2)、信号处理模块(3)、嵌入式微处理器(4)及电源(5)，嵌入式微处理器(4)的输出通过无线传输技术与无线传感网(6)连接；

所述的传感器(2)，由具有特殊结构的栅状电极的双面印刷电路板制成，在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形；

所述的信号处理模块(3)，包括依次连接的前置放大器(7)、高通滤波器(8)、峰值放大器(9)、比较器(10)及锁相环(11)。

3.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的嵌入式微处理器(4)选用内集有无线射频RF收发器的CC2530芯片。

4.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的电源(5)通过电池供电。

5.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的前置放大器(7)，由两个运算放大器LMC6482组成，一级作为跟随器，另一级是放大倍数为80的放大器。

6.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的高通滤波器(8)由一个三阶高通RC网络和一个运算放大器LMC6482组成。

7.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的峰值放大器(9)由一个运算放大器LMC6482和两个1N4453稳压开关二极管组成。

8.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的比较器(10)由两个运算放大器LM339和两个RS触发器7400组成。

9.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的锁相环(11)由一个锁相环HEF4046组成。

10.纺纱运行状态监测方法，其特征在于，采用用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其结构为包括依次连接的传感器(2)、信号处理模块(3)、嵌入式微处理器(4)及电源(5)，嵌入式微处理器(4)的输出通过无线传输技术与无线传感网(6)连接；所述的嵌入式微处理器(4)选用内集有无线射频RF收发器的CC2530芯片；所述的电源(5)通过电池供电；

所述的传感器(2)，由具有特殊结构的栅状电极的双面印刷电路板制成，在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形；

所述的信号处理模块(3)，包括依次连接的前置放大器(7)、高通滤波器(8)、峰值放大器(9)、比较器(10)及锁相环(11)；

所述的前置放大器(7)，由两个运算放大器LMC6482组成，一级作为跟随器，另一级是放大倍数为80的放大器；所述的高通滤波器(8)由一个三阶高通RC网络和一个运算放大器LMC6482组成；所述的峰值放大器(9)由一个运算放大器LMC6482和两个1N4453稳压开关二极管组成；所述的比较器(10)由两个运算放大器LM339和两个RS触发器7400组成；所述的锁相环(11)由一个锁相环HEF4046组成；

具体按照以下步骤实施：

步骤1：当纱线以某一速度运动时，利用纱线携带的随机静电荷，经传感器(2)的静电感应和空间滤波，获得一个含有频率分量的脉波和低频干扰的混杂信号，具体按照以下步骤实施：

假设在纱线仅有一个点电荷，传感器(2)的信号采集原理如下：

(1)纱线以某一速度相对于传感器(2)运动；

(2)当该点电荷经过信号栅上的某一电极，即恰位于屏蔽栅的两个电极间隙处，那么，在该电极处产生电压信号，但它在其他邻近的电极处，即位于屏蔽栅的电极上，就无感应或很小的干扰感应电压信号；

如果信号栅上的电极没连接在一起，那么，当纱线以某一速度经过传感器(2)运动时，该点电荷在信号栅的每个电极上产生一个电压信号U_s(t)，而相邻的两个电极上产生的电压信号U_s(t)和U_s(t+1)将会有一个Δt的时间差；

如果将信号栅上的所有电极连接在一起，那么，当纺纱运行未发生断头时，将在传感器(2)的输出端得到一个具有周期为Δt的脉波电压信号U_s(t)，否则，将在传感器(2)的输出端得到的是一个无脉波的电平信号即意味着该锭子上的纺纱纱线出现断头；

步骤2：信号处理模块(3)对传感信号进行处理，即包括利用前置放大器(7)对传感器(2)采集的混杂信号进行放大，经高通滤波器(8)的滤波处理消除前置放大器(7)输出信号中的低频干扰信号，通过峰值放大器(9)将高通滤波器(8)的输出信号的幅值调制至限定的±0.7V幅值之间，利用比较器(10)将峰值放大器(9)的输出信号整形成脉冲序列信号，最后，通过锁相环(11)的调频、调相作用，稳定锁住比较器(10)输出的脉冲序列频率和相位，形成具有主频率f_H、周期均匀一致的脉冲序列信号；

步骤3：利用嵌入式微处理器(4)对采集的纺纱运行状态信号进行检测，即包括利用CC2530中P1端口的P1.2引脚和定时器对信号处理模块(3)中比较器(10)输出信号的上升沿进行检测，若在定时时间内，没有检测到脉冲信号的上升沿，表明已出现纺纱断头，否则，正常；利用CC2530中P0端口的P0.0引脚和定时器对信号处理模块(3)中锁相环(11)输出脉冲序列信号的相邻上升沿间进行脉冲计数，检测纺纱运行信号频率，从中获取纺纱断头信号和纺纱运行信号周期；

步骤4：利用嵌入式微处理器(4)对检测的纺纱运行状态的信号进行计算处理，获取锭子上纺纱的纺纱断头、纱线线速、捻线捻度的数据，通过嵌入式微处理器(4)内集成的无线射频RF收发器将感知的数据发送至无线传感网(6)中；

假设，电极间的间距是Δx，那么，通过检测传感器(2)输出信号的频率，即周期Δt，计算纱线的线速v：

v＝Δx/Δt，

根据纱线的原料、成份和规格，纺纱机的锭子转速n在运行前是事先设定的，所以，纱线捻线捻度twise计算式为：

twise＝n/v。