基于RFID的自動絡(luò)筒機(jī)落紗小車對位系統(tǒng)分析與設(shè)計

馬丹丹 王靜安 湯繼忠 劉基宏

(江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 無錫 214122)

基于RFID的自動絡(luò)筒機(jī)落紗小車對位系統(tǒng)分析與設(shè)計

馬丹丹 王靜安 湯繼忠 劉基宏*

(江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 無錫 214122)

針對自動絡(luò)筒機(jī)落紗小車自主開發(fā)需求，結(jié)合RFID最新發(fā)展?fàn)顩r，設(shè)計出基于射頻識別RFID技術(shù)對落紗小車對位的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對落紗小車所處絡(luò)筒機(jī)的錠位進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳送。主要描述了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，并討論了以MFRC632芯片為讀卡模塊的設(shè)計實(shí)例。將標(biāo)簽均勻粘貼在絡(luò)筒機(jī)軌道上，讀卡模塊固定在沿軌道行駛落紗小車上，移動過程中讀取當(dāng)前錠位芯片的編號，確定小車所處錠位，將小車錠位信息傳送至上位機(jī)控制小車移動速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)讀卡模塊安裝距離在20 mm、角度0°、小車速度在110 mm/s的條件下，能100%完成對位，符合主流落紗小車的改造要求。

落紗小車 RFID 對位系統(tǒng) 讀卡器 識別率

0 引 言

紡紗企業(yè)作為勞動緊密型企業(yè)，勞動力成本大幅提高，使用自動絡(luò)筒機(jī)可以有效地減少用工提高效率。相比于傳統(tǒng)模式，既減少了用工數(shù)量，降低了工人勞動強(qiáng)度，同時也提高了勞動生產(chǎn)率和紗線質(zhì)量[1]。因此，隨著紡紗機(jī)械的不斷升級，對于自動化控制技術(shù)以及傳感測試技術(shù)的研究與應(yīng)用在機(jī)電一體化的紡紗設(shè)備中占有重要地位。絡(luò)筒機(jī)自動落紗系統(tǒng)是一個集機(jī)械、硬件、軟件為一體的復(fù)雜的計算機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的控制過程包括錠位與主機(jī)間的通信、自動落紗小車精確定位、自動落紗小車路徑規(guī)劃、機(jī)械手落紗操作等[2]。

眾多絡(luò)筒機(jī)型號中以日本村田機(jī)械PROCESS CONER II QPRO VCF，意大利薩維奧ECO PULSARS E以及德國賜來福X5型自動絡(luò)筒機(jī)較為著名，均安裝有自主設(shè)計自動落紗小車。自動落紗小車定位控制系統(tǒng)將實(shí)時記錄小車當(dāng)前所在位置，一旦絡(luò)筒機(jī)的主控系統(tǒng)得到錠位滿筒的信息，馬上發(fā)送給自動落紗系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。落紗小車開始不斷調(diào)整小車運(yùn)行速度，同時以定位銷輔助定位，使小車能夠精確抵達(dá)該紡紗錠位，到達(dá)錠位后開始處理紗線斷頭、落紗、換筒等一系列工作[3]。

雖然落紗小車的精準(zhǔn)定位是實(shí)現(xiàn)自動落紗換筒的第一步，但目前國內(nèi)自動落紗小車定位系統(tǒng)存在一些問題，如缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)；所使用藍(lán)牙定位技術(shù)有一定局限性，落筒過程中系統(tǒng)易受噪聲環(huán)境影響，穩(wěn)定性稍差；價格昂貴關(guān)鍵技術(shù)多為國外引進(jìn)，導(dǎo)致國內(nèi)生產(chǎn)商成本增加等[4]。

1 RFID定位的基本原理

射頻識別RFID是一種通過射頻方式進(jìn)行非接觸、非視距雙向通信，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動定位并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具有精度高、抗干擾強(qiáng)、識別速度快等優(yōu)點(diǎn)[5]。硬件組件包括讀寫器、射頻標(biāo)簽等部件，軟件組件包括驅(qū)動程序、RFID中間件、企業(yè)應(yīng)用軟件等[6]。

根據(jù)讀卡模塊和標(biāo)簽之間工作原理的不同，RFID系統(tǒng)可分為基于電感耦合的RFID系統(tǒng)和基于電磁反向散射耦合的RFID系統(tǒng)。電感耦合的射頻模塊利用法拉第電磁感應(yīng)定律給標(biāo)簽提供能量，用于近距離低頻、高頻RFID系統(tǒng)，多使用無源標(biāo)簽；電磁反向散射耦合型的射頻模塊使用類似于雷達(dá)的原理給標(biāo)簽提供工作能量，用于遠(yuǎn)距離超高頻RFID系統(tǒng)[7]。根據(jù)絡(luò)筒機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，本研究中選取近距離高頻電感耦合型射頻模塊。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本研究中所設(shè)計的基于RFID落紗小車定位系統(tǒng)RFID系統(tǒng)安裝示意圖，如圖1所示。在自動絡(luò)筒機(jī)的落紗小車軌道上每一個錠位處安裝射頻標(biāo)簽，每個標(biāo)簽都有對應(yīng)的唯一序列號，并將讀卡器安裝在與標(biāo)簽相對應(yīng)的落紗小車上，小車行走時讀卡器識別當(dāng)前錠位標(biāo)簽序列號；當(dāng)固定在小車上的讀卡器向射頻標(biāo)簽發(fā)送錠位位置數(shù)據(jù)時，讀卡器可以采用多種數(shù)字調(diào)制技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)放大后，通過天線將位置數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)；上位機(jī)接收序列號后通過軟件系統(tǒng)判斷該序列號對應(yīng)錠位編號，判斷小車當(dāng)前位置，發(fā)送小車位移指令；同時與輔助在該錠位的運(yùn)行軌道上的定位銷相結(jié)合使小車精準(zhǔn)停車，以保證機(jī)械臂準(zhǔn)確換筒、落紗等一系列活動。所述檢測器在落紗小車到達(dá)每一個錠位后都會發(fā)出通信信號與檢測芯片進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)對小車所在位置的確認(rèn)，以提高落紗小車的運(yùn)行精準(zhǔn)度，當(dāng)落紗小車接近請求錠位時，該錠位處定位銷隨時待命與小車上銷孔相結(jié)合，保證其精準(zhǔn)停車。

所述檢測器在小車移動過程中不斷發(fā)出通信信號與自動絡(luò)筒機(jī)主機(jī)進(jìn)行通信，當(dāng)多個錠位發(fā)出請求換筒信號時，上位機(jī)及時確認(rèn)小車當(dāng)前所處的錠位位置，制定小車最優(yōu)工作路徑。同時上位機(jī)獲取信息后進(jìn)一步的判斷小車與當(dāng)前請求錠位的距離，小車電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動控制器實(shí)現(xiàn)對小車的定位和速度調(diào)節(jié)，使小車可以實(shí)現(xiàn)加速—勻速—減速的過程。在即將抵達(dá)該請求錠位時啟用定位銷，達(dá)到該錠位時小車精確停車。

圖1 定位系統(tǒng)安裝示意圖

3 定位系統(tǒng)測試平臺

3.1 測試平臺的設(shè)計

一般自動絡(luò)筒機(jī)包括車頭和車尾其機(jī)身總長度約為25 m，包含有64個錠位，各絡(luò)筒錠位之間距離為32～33 cm，絡(luò)筒循環(huán)均控制在10～13.5 s之間，小車行走速度最快也可達(dá)到87 cm/s的循環(huán)速度。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M自動絡(luò)筒機(jī)小車運(yùn)行軌道，設(shè)計出一臺通過上位機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的傳送帶軌道，模擬動態(tài)標(biāo)簽讀取。實(shí)驗(yàn)平臺安裝示意圖，如圖2所示。該實(shí)驗(yàn)平臺主要由上位機(jī)，51單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)控制器，57步進(jìn)電機(jī)，傳送帶五個部分組成。由上位機(jī)給單片機(jī)發(fā)送控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號來實(shí)現(xiàn)對傳送帶的速度和傳送距離的調(diào)節(jié)，通過控制器高速脈沖輸出實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)動軸速度的調(diào)節(jié)，將傳送帶需要運(yùn)行的速度和距離轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖頻率和脈沖數(shù)，傳送帶的運(yùn)行速度可達(dá)110 cm/s。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺安裝示意圖

測試過程中讀卡器固定在支架上，由于標(biāo)簽安放間距越短，讀卡器反應(yīng)時間越少，對其識別率影響較大，普通絡(luò)筒機(jī)錠位之間距離為32～33 cm。因此傳送帶軌道選取等距離間隔32 cm鋪設(shè)RFID定位標(biāo)簽，模擬出固定于落紗小車的讀卡器與軌道上定位標(biāo)簽的相對位移，讀卡器與工作站之間以USB方式連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將實(shí)時讀卡定位信息傳送至工作站，以便于識別出當(dāng)前標(biāo)簽所處位置。本實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作平臺，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)操作平臺

本文所采用的RFID系統(tǒng)選用13.56 MHz頻段的高頻讀卡器和高頻射標(biāo)簽，讀卡器與射頻標(biāo)簽通過電感耦合的方式工作。讀卡器利用法拉第電磁感應(yīng)定律，通過電感耦合給射頻標(biāo)簽提供能量，同時射頻信號頻率對其工作距離、天線的方向性、數(shù)據(jù)傳輸速率等都有直接影響。本節(jié)首先進(jìn)行標(biāo)簽與讀卡器之間不同距離讀卡率實(shí)驗(yàn)，確定本文中所設(shè)計的RFID定位系統(tǒng)有效識別距離；其次在確定有效距離內(nèi)進(jìn)行讀卡方向?qū)嶒?yàn)，確定讀卡器與標(biāo)簽最優(yōu)方向，為讀卡器與標(biāo)簽的安裝定位提供參考依據(jù)，提高定位準(zhǔn)確率；選擇最優(yōu)方向和最佳讀卡距離后進(jìn)行讀卡移動速度實(shí)驗(yàn)，確定其識別范圍。

3.2 主要的硬件設(shè)計

基于RFID落紗小車的對位系統(tǒng)工作原理示意圖，如圖4所示。讀卡器通過天線與射頻標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，能夠?qū)崿F(xiàn)對標(biāo)簽唯一編碼的讀取。RFID芯片上有可擦寫可編程的存儲器來儲存識別碼或其他數(shù)據(jù)。

圖4 RFID系統(tǒng)工作原理

3.2.1 讀卡器系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中所采用的讀卡器系統(tǒng)硬件主要由射頻模塊與MIFARE芯片通信的CLRC632、讀寫與控制模塊微型單片機(jī)MCU SST89E58RD2、串口通信電路MAX232、天線等組成。通過USB連接主控機(jī)與讀卡器為系統(tǒng)硬件供電，同時負(fù)責(zé)將通過天線和射頻模塊檢測到的芯片編碼數(shù)據(jù)傳遞給MCU，主控機(jī)接收MCU采集的標(biāo)簽信息，用于實(shí)時監(jiān)控[8]。

3.2.2 小車錠位讀卡器核心器件

(1) MCU SST89E58RD2

89E58RD2是sst公司生產(chǎn)的一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型微控制器，可兼容80c51系列單片機(jī)，且內(nèi)置超級flash存儲器，適合于高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求[9]。由于89E58RD2集成眾多硬件電路的特點(diǎn)，硬件接口不需要添加其他電子元件就能實(shí)現(xiàn)讀卡器與上位機(jī)之間的USB數(shù)據(jù)傳輸。

(2) 射頻讀卡芯片 CLRC632

CLRC632是NXP公司生產(chǎn)的非接觸式射頻讀卡芯片，工作頻率為 13.56 MHz 的高集成讀卡集成電路，通過SPI總線與微控制器連接，支持 ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的射頻標(biāo)簽，支持最大10 cm的工作距離[10]。因此本系統(tǒng)需要將讀卡器與標(biāo)簽的工作距離設(shè)定在穩(wěn)定識別范圍內(nèi)，保證其識別率。

(3) 天線

為了與非接觸式射頻標(biāo)簽進(jìn)行通信，讀卡器通過天線發(fā)射和接收射頻信號。從落紗小車操作角度來看，影響較大的的天線參數(shù)有方向性系數(shù)、天線尺寸、有效面積、天線頻帶寬度和品質(zhì)因數(shù)等，天線參數(shù)決定讀卡器與標(biāo)簽之間的工作模式。同時，讀卡器天線與標(biāo)簽天線之間的耦合決定了讀卡器遠(yuǎn)距離傳輸?shù)絉FID芯片的能量大小[11]。

本文所選用射頻讀卡芯片CLRC632工作頻率為13.56 MHz，屬于短波段，選用環(huán)形天線，所用的射頻標(biāo)簽天線為方形結(jié)構(gòu)，為保證信號穩(wěn)定傳輸讀卡器天線也采用方形結(jié)構(gòu)。天線的輻射場在球坐標(biāo)系中可以表示成如下關(guān)系式：

E=A(γ)f(θ,φ)

(1)

式(1)中A(γ)為幅度因子，f(θ,φ)為方向因子，根據(jù)方向性函數(shù)可以在各種坐標(biāo)系中得到天線的方向特性圖，找到天線的最強(qiáng)輻射區(qū)，即讀卡器對標(biāo)簽的最佳識別范圍。天線最大幾何尺寸無明確界限，一般定義為：

(2)

式(2)中L是天線最大尺寸，λ是工作波長。綜合標(biāo)簽和讀卡器考慮，讀卡器天線尺寸設(shè)定為5 cm。

3.3 讀卡器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于RFID定位技術(shù)的落紗小車定位系統(tǒng)軟件工作流程，如圖5所示。系統(tǒng)初始化完成后，當(dāng)上位機(jī)獲得滿筒錠位換筒請求時，首先將安置于軌道的RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀取獲取當(dāng)前小車所處位置數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，用系統(tǒng)設(shè)定好的路線最優(yōu)算法進(jìn)行計算，從而得到一個高效率完成錠位請求的小車路徑。確定小車路徑后，上位機(jī)控制小車開始移動，移動的過程中讀卡器不間斷讀取安裝在軌道上的定位芯片，并將當(dāng)前小車所處錠位坐標(biāo)發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)通過對當(dāng)前位置信息處理對電機(jī)加速、減速控制，快速精準(zhǔn)到達(dá)當(dāng)前請求錠位坐標(biāo)位置。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 定位測試的結(jié)果與分析

4.1 讀卡距離的確認(rèn)

首先使高頻RFID天線一體化讀卡器天線所在平面與無源射頻標(biāo)簽所在平面保持平行放置，使讀卡器較長邊與標(biāo)簽較長邊夾角為0°，傳送帶總長170 cm，每隔32 cm放置一張標(biāo)簽，根據(jù)絡(luò)筒機(jī)小車運(yùn)行速度設(shè)計傳送帶平均速度為90 cm/s，在這樣的擺放條件下進(jìn)行讀卡距離實(shí)驗(yàn)。讀卡器與標(biāo)簽之間的距離和對每種讀卡距離測試200次，讀卡率統(tǒng)計如表1所示。

表1 讀卡距離實(shí)驗(yàn)

從表1數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)讀卡器與標(biāo)簽之間距離達(dá)到20 mm時，讀卡識別率達(dá)到100%；當(dāng)讀卡器與標(biāo)簽之間距離大于25 mm時，開始出現(xiàn)漏讀現(xiàn)象，讀卡識別率隨距離增加而降低。

根據(jù)圖1安裝方法，絡(luò)筒機(jī)落紗小車與其運(yùn)行軌道之間讀卡器與標(biāo)簽的可安裝范圍為0～50 mm，將安裝于落紗小車的讀卡器與所運(yùn)行軌道上安置的標(biāo)簽之間距離設(shè)定在20 mm之內(nèi)，可以滿足落紗小車的對位需求。

4.2 讀卡器安裝角度的影響

首先使高頻RFID天線一體化讀卡器天線所在平面與無源射頻標(biāo)簽所在平面保持平行放置，使讀卡器較長邊與標(biāo)簽較長邊夾角為0°，根據(jù)絡(luò)筒機(jī)小車運(yùn)行速度設(shè)計傳送帶平均速度為90 cm/s，令讀卡器與標(biāo)簽表面之間距離為20 mm；其次，使讀卡器較長邊與標(biāo)簽較長邊夾角分別設(shè)置為0°、30°、45°、60°和90°，對每種擺放方向進(jìn)行200次讀卡識別實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確讀卡率統(tǒng)計如表2所示。

表2 讀卡方向?qū)嶒?yàn)

從表2可以看出，當(dāng)讀卡器與標(biāo)簽之間夾角為0°和30°時，讀卡識別率最高，達(dá)到100%；隨著讀卡器于標(biāo)簽之間的夾角增大時，讀卡識別率逐漸降低，當(dāng)讀卡器與標(biāo)簽之間夾角增加到60°時，無法識別當(dāng)前標(biāo)簽，即讀卡器與標(biāo)簽天線的安裝角度超出其可識別輻射區(qū)，無法獲取標(biāo)簽信息。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，讀卡器與標(biāo)簽之間的夾角為0°時其識別效果最佳。在實(shí)際使用中，小車與運(yùn)行軌道之間的安裝角度存在誤差，因此需要將安裝角度保證在30°以內(nèi)保證其識別效果。

4.3 小車速度的測試

在動態(tài)RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，天線移動速度對系統(tǒng)性能影響至關(guān)重要，相對速度越快，標(biāo)簽讀取就越不穩(wěn)定。為了能更好地適應(yīng)安裝在落紗小車上讀卡器在變速的環(huán)境下的標(biāo)簽識別，使讀卡器較長邊與標(biāo)簽較長邊夾角為0°保持平行放置，讀卡器與標(biāo)簽間距設(shè)置為20 mm，標(biāo)簽間隔32 cm。進(jìn)行五組不同速度條件下的標(biāo)簽識別實(shí)驗(yàn)，檢測移動速度對小車定位系統(tǒng)性能的影響，表3給出了不同速度下的標(biāo)簽識別結(jié)果。

表3 讀卡速度實(shí)驗(yàn)

從表3可以看出，本文所提出的基于RFID的小車定位系統(tǒng)能夠在高速移動情況下正確有效讀取標(biāo)簽。當(dāng)讀卡器與標(biāo)簽相對移動速度增加至110 cm/s時，標(biāo)簽讀取較為穩(wěn)定，讀卡率達(dá)到100%，無漏讀現(xiàn)象。國際先進(jìn)落紗小車移動速度最高可達(dá)到87 cm/s，本文所采用的RFID定位系統(tǒng)完全可以滿足在高速移動條件下小車的定位。當(dāng)判斷小車即將到達(dá)請求錠位時，上位機(jī)控制小車減速慢行，同時在定位銷的輔助下，保證小車精準(zhǔn)停車。

5 結(jié) 語

本文提供了一種基于RFID定位系統(tǒng)對自動絡(luò)筒機(jī)落紗小車實(shí)現(xiàn)實(shí)時精準(zhǔn)對位的方法，該方法比現(xiàn)有落紗小車對位系統(tǒng)更加簡單，成本較低，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且不易被外界因素干擾。最后對該對位系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)完全符合落紗小車對位的要求，為該系統(tǒng)的安裝與應(yīng)用提供了有效的依據(jù)。該系統(tǒng)安裝簡便，成本較低，同時也適用于其他多種有軌生產(chǎn)線環(huán)境的定位系統(tǒng)，具有廣泛的適用性。

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ANALYSISANDDESIGNOFAUTOMATICWINDERDOFFINGCARALIGNMENTSYSTEMBASEDONRFID

Ma Dandan Wang Jing’an Tang Jizhong Liu Jihong*

(KeyLaboratoryofEco-textiles,MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi214122,Jiangsu,China)

Aiming at the automatic winder doffer autonomous development requirements and in combination with the latest development trend of Radio Frequency Identification, the automatic doffer real-time alignment system based on RFID technology is designed to realize the real-time monitoring and data transmission of ingot coordinates of the doffing car. This study mainly describes the overall design scheme of the system, and discusses the design example with MFRC632 chip as tag reading module system. First, we uniformly pasted tag onto the winder doffing car orbit. The tag reader system was fixed on the track along the doffing trolley. Then, the system could read numbering of the current tag in dolly moving process and ensured the ingot position of the dolly. Moreover, the car coordinates would be transmitted to the PC in order to control the speed of doffer car. The experimental results show that this alignment system can 100% complete locate accurately, under the condition of the Reader and Tag installation distance 20 mm and parallel placement, doffing car speed up to 110 mm/s, which adapts to the current mainstream modification of automatic doffer car.

Automatic doffer RFID Alignment system Reader Recognition rate

TP251

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.10.006

2016-11-17。江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)；教育部江南大學(xué)自主科研重點(diǎn)項(xiàng)目(JUSRP51417B)。馬丹丹，碩士生，主研領(lǐng)域：新型紡織工藝與裝備。王靜安，博士生。湯繼忠，技師。劉基宏，教授。