基于WSN及半導體制冷的端子箱防潮控溫裝置研制

許立彬 高 源 高 偉

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116；2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350007；3. 福建省高供電可靠性配電技術(shù)企業(yè)重點實驗室，福州 350007）

基于WSN及半導體制冷的端子箱防潮控溫裝置研制

許立彬1高 源2,3高 偉1

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116；2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350007；3. 福建省高供電可靠性配電技術(shù)企業(yè)重點實驗室，福州 350007）

本文所研制的基于 WSN及半導體制冷的變電站端子箱防潮控溫裝置利用半導體制冷特性使水汽在制冷終端中凝結(jié)成水排出，并建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與主站系統(tǒng)的信息交互，能夠同時實現(xiàn)實時監(jiān)控與有效除濕控溫的功能。軟件設(shè)計上，采用卡爾曼濾波算法優(yōu)化監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用在線變增益PID算法控制輸出，以達到準確、快速控制的目的，并提出了通信報文完整性識別的方法及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建方案?，F(xiàn)場運行試驗表明，所設(shè)計的裝置運行可靠，能有效解決端子箱凝露問題。

變電站端子箱；防潮控溫裝置；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；半導體制冷；卡爾曼濾波；在線變增益PID控制

端子箱是變電站的重要設(shè)備，是變壓器、開關(guān)等室外電氣設(shè)備與室內(nèi)保護、測量、通信等二次設(shè)備連接的中間環(huán)節(jié)，一般安裝于戶外高壓設(shè)備附近以便于安裝、調(diào)試等，因此其工作條件受環(huán)境因素影響較大[1]。當端子箱所處環(huán)境濕度較大時，若箱體密封不嚴或其他原因造成水汽進入，易在溫度較低、濕度較大處產(chǎn)生凝結(jié)成露的現(xiàn)象，即凝露。一旦產(chǎn)生凝露，就將縮短端子箱壽命，同時加速電氣設(shè)備的腐蝕，使二次端子接觸不良。若凝露滴至端子排則可能導致端子排短接，引起一系列故障甚至產(chǎn)生事故，威脅電網(wǎng)的安全、可靠、穩(wěn)定運行。因此對端子箱凝露現(xiàn)象的防治研究具有重要的意義。

目前，端子箱中安裝的防凝露控制裝置，主要通過加熱板驅(qū)潮，從而控制柜內(nèi)濕度。文獻[2]從端子箱的加工工藝出發(fā)，采用硅膠超薄加熱器和復合材料設(shè)計的箱體提高加熱性能和防銹性能。文獻[3]提出加強管理、封堵箱底、增加電纜溝通風等措施，以減少事故發(fā)生。文獻[4]著重智能凝露控制器的方案設(shè)計，通過加熱器和排氣扇的聯(lián)動防止端子箱內(nèi)凝露的產(chǎn)生。然而通過加熱板驅(qū)潮，無法從根本上解決凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生。在密閉的端子箱中，加熱只是增大空氣的飽和度，并不能徹底將水汽排出箱外。當水汽持續(xù)增加或溫度降低時，凝露現(xiàn)象又將產(chǎn)生，此時單機運行的設(shè)備，若發(fā)生故障，則不易被發(fā)現(xiàn)，形成安全隱患。

基于此，本文提出一種具備實時監(jiān)控、有效除濕控溫的端子箱防潮新方案。利用半導體制冷特性將水汽從制冷終端中凝露排出，同時通過建立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）[5-6]，實現(xiàn)與主站系統(tǒng)的信息交互。現(xiàn)場運行試驗表明，所設(shè)計的端子箱防潮控溫裝置能有效解決端子箱凝露的問題。

1 半導體制冷的基本原理

半導體制冷也叫熱電制冷[7-8]。P型和N型半導體分別以空穴和電子導電，空穴和電子在金屬中所具有的勢能比其在半導體中所具有的勢能低。當直流電流流過由P型半導體和N型半導體組成的電熱對，如圖1所示，在電場的作用下（從N→P），電子由勢能低的金屬板向勢能高的N型半導體流動，通過吸收金屬板的熱量來增加勢能，從而使金屬板冷卻獲得冷量。同樣，空穴從勢能較低的金屬板向勢能較高的P型半導體流動，也需要吸收熱量來增加勢能，從而使金屬板進一步冷卻，得到更多的冷量。那么上面金屬片形成冷端，下面金屬片則形成熱端。

圖1 半導體制冷原理圖

通常將多對 PN結(jié)以串聯(lián)方式焊接在兩個陶瓷基板間制成單級制冷片（Single Stage TEC），由文獻[8]可知，制冷量與自身材料有關(guān)，并與流過的電流成二次方關(guān)系。半導體制冷的特點是結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，無運動部件，不需要制冷劑，壽命長，但需要有散熱設(shè)備。

2 設(shè)計方案

防潮控溫裝置由控制單元和除濕控溫單元組成。如圖2所示，在控制單元中，交流電源經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成不同電壓的直流供其他模塊使用；采樣到環(huán)境溫濕度后，微處理器模塊根據(jù)控制策略，通過輸出控制模塊以直接方式控制風扇、PWM方式控制除濕控溫單元運行；柜門以及空氣開關(guān)的狀態(tài)信息也可接入采集；溫濕度值、除濕控溫單元的工作狀態(tài)可以在數(shù)碼管上顯示；終端提供了3種通信接口：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RS-485以及遠紅外通信。

圖2 防潮控溫裝置結(jié)構(gòu)

除濕控溫單元包括制冷終端和加熱板。制冷終端主要由半導體制冷片及散熱器組成，直流供電，額定功率24W；加熱板額定功率50W，在低溫時工作，用于提高環(huán)境溫度，交流220V供電。

3 控制單元硬件設(shè)計

3.1 微處理器模塊

作為控制核心，應滿足如下要求：至少兩個UART接口以滿足ZigBee和RS-485通信；自帶硬件看門狗定時器 WDT和兩個以上含預分頻功能的定時器；至少26個I/O引腳；具備參數(shù)掉電保持功能。因此，考慮采用 Microchip的 16位單片機PIC24FJ64G004。工作電壓2.0～3.6V，最高運行速度16MIPS（@32MHz），64Kb的閃存，8Kb的SRAM，44個I/O引腳，2個UART模塊，5個定時器，5個PWM輸出，可通過在線編程將數(shù)據(jù)存入閃存中。

3.2 溫濕度傳感器模塊

由于特殊的安裝環(huán)境，傳感器應具備：較高的穩(wěn)定性和抗干擾性，保證能在最惡劣環(huán)境中正常工作；測量范圍廣、精度高、響應速度快；體積小，方便安裝。綜合考慮，選擇數(shù)字式二合一傳感器——SHT11。SHT11是一款由瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的含已校準信號輸出的溫濕度復合傳感器，功能、性能均滿足要求。SHT11采用兩線數(shù)字串行接口DATA和SCK，接口簡單，可以方便用微處理器的I/O口來模擬時序。

3.3 WSN通信模塊

WSN選擇ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，組網(wǎng)設(shè)備有芯片型和模塊型兩種。芯片型價格便宜，但需要進行二次開發(fā)；模塊型應用程序已經(jīng)內(nèi)置其中，只需進行簡單配置即可使用，性能穩(wěn)定、可靠，但是價格稍貴。從開發(fā)周期、可靠性和成本角度考慮，本文采用美國Digi公司的XBee模塊?；贗EEE 802.15.4標準的ZigBee協(xié)議，容錯Mesh網(wǎng)架構(gòu)，自動路由、自動診斷，傳輸距離（室外/明視）達120m。

XBee模塊為雙列直插設(shè)計，一共有20個引腳，使用其中的 5個引腳：①電源引腳VDD、GND連接3.3V電源；②通信引腳TXD、RXD分別連接微處理器通信口1的收發(fā)引腳；③聯(lián)網(wǎng)指示引腳ASSO以灌流式連接發(fā)光二極管。

3.4 RS-485及紅外通信模塊

終端不僅支持無線通信，也可通過RS-485接口與主站通信。同時，為方便信息配置及數(shù)據(jù)抄讀，設(shè)計了紅外通信接口。由于不常用，與RS-485共用微處理器的通信口2。

傳統(tǒng)的RS-485接口電路由電壓保護、光耦隔離和485接口芯片組成，器件繁多。RSM3485CT芯片集電源隔離、電氣隔離、RS-485接口芯片和總線保護器件于一身，簡化了設(shè)計，穩(wěn)定可靠，可取代原先的電路組合。芯片3.3V供電，最大波特率9600bps，要注意的是，數(shù)據(jù)流控制電平與普通485收發(fā)器芯片相反。

圖3 通信電路圖

紅外通信是利用 800～950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，一般由紅外發(fā)射器、紅外信道、紅外接收器三部分組成[9]。串口發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)和PWM輸出的38kHz的信號通過與門進行調(diào)制，經(jīng)過兩個非門對波形進行整形，再經(jīng)過兩個晶體管組成的放大電路對信號進行放大，最后通過TSUS5402發(fā)射管發(fā)送。

接收管芯片TSOP1738是一款一體化紅外線接收器，具備放大、濾波、解調(diào)功率等功能，不需要任何外接元件，就能完成紅外信號接收到二進制數(shù)字信息輸出的工作。

3.5 電源轉(zhuǎn)換模塊

終端由交流 220V供電，經(jīng)過降壓、整流、濾波后，形成兩路隔離的直流輸出。其中一路12V供給制冷裝置和風扇；另一路變?yōu)?V和3.3V供給控制單元。加熱器由交流 220V直接供電?？刂茊卧畲蠊β适?2W，制冷裝置的最大功率是 30W。考慮一定裕度，變壓器容量選擇40VA，第一路輸出容量37VA，電壓12～13.5V；第二路輸出容量3VA，電壓 6～6.7V。經(jīng)過整流后電壓獲得提升，由于輸出電流較大，可用LM2596穩(wěn)壓芯片將進行穩(wěn)壓。

3.6 輸出控制模塊

半導體制冷片的工作由 PWM模塊控制。單片機的控制信號經(jīng) PWM引腳輸出，通過光電耦合器控制達林頓管TIP122的通斷，以達到對制冷片輸入電壓的控制，進而控制了其冷端的工作溫度。輸出端 OUT+與 OUT-分別接半導體制冷片的電源端。電容 C1對輸出信號進行濾波，使得紋波系數(shù)小于10%，以保證制冷工況[10]。

圖4 PWM控制模塊電路圖

4 制冷終端設(shè)計

如圖5所示，制冷終端由風扇、鋁制散熱器、半導體制冷片、接水盤及外殼組成。半導體制冷片型號 TEC1-12703T125，最大溫差電流為 3.0A，最大工作電壓為 15.2V，最大產(chǎn)冷功率（冷熱端溫差為 0℃）為 29.7W。兩片鋁制散熱器緊密貼合在制冷片的冷、熱端，用于擴大表面積，加快冷熱氣擴散；吸氣風扇安裝于裝置的頂部，吹氣風扇安裝于冷端散熱器的前方，以加快氣流流通；接水盤置于散熱器的下方。

圖5 制冷終端結(jié)構(gòu)圖

制冷裝置可安裝在端子箱的中下部，運行時，吸氣風扇將頂部的空氣吸入，空氣中的水汽在冷端附近遇低溫凝露，附著在金屬塊表面。水滴逐漸變大，在重力作用下，沿金屬塊表面下滑滴入接水盤，經(jīng)接水盤的軟導管，引入電纜溝排出。工作過程中，冷端溫度最低，只有此處有露水產(chǎn)生，冷氣排出后，可以逐漸降低環(huán)境的溫度，由于不是速降，不會引起其他地方發(fā)生凝露。通過氣流交換，端子箱內(nèi)的水汽不斷地被吸入制冷裝置中，形成水滴流出。

5 控制單元軟件設(shè)計

程序采用模塊化編程，按功能要求劃分不同的任務，對任務進行輪詢調(diào)度，如圖6所示，實現(xiàn)思路如下。

圖6 主程序流程圖

1）分成 4個定時任務：實時、20ms、1s以及15s。設(shè)定20ms基準定時器，1s和15s定時通過軟定時實現(xiàn)。

2）在接收完成中斷中將數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)，接收到一條完整的數(shù)據(jù)報文后，中斷服務程序?qū)⒅梦唤邮胀瓿蓸酥??；谕ㄐ诺闹匾院屯话l(fā)性，將其放入實時任務中處理，根據(jù)信息碼完成不同的報文處理。

3）每隔20ms進行開關(guān)掃描，若當前狀態(tài)（第次）與第次相同，且與第次不同，則說明狀態(tài)發(fā)生變位，記錄當前狀態(tài)信息，并形成SOE報文。這種處理可以替代開關(guān)消抖的軟延時。

4）1s的任務完成顯示刷新和溫濕度采樣。采集到的數(shù)據(jù)受環(huán)境和自身因素的影響，需要進行濾波處理，以提高信噪比。并根據(jù)起動判據(jù)對制冷控溫單元進行控制以達到合適的溫濕度，輸出控制采用PID調(diào)節(jié)。

5）紅外和串口通信采用主從方式，終端為從機。ZigBee通信采用定時發(fā)送+主從方式，每隔 15s上傳一次溫濕度及狀態(tài)信息，期間若收到主站的查詢/設(shè)置命令，在ZigBee通信處理程序中進行處理。在定時發(fā)送報文中加入幀計數(shù)器，可用于檢測是否丟包。

5.1 報文完整性識別

單片機通信每次只能接收一個字符，而在接收到一條報文（幀）后方可進行數(shù)據(jù)處理。由于每條報文的格式、長短可能不盡相同，因此識別完整報文是通信的關(guān)鍵問題。鑒于通信協(xié)議一般要求每條報文之間的間隔大于3～4.5個字符，可通過報文間隔的長短進行判斷。假定兩條報文間最短間隔是 3個字符，每個字符10位，則間隔時間為

程序?qū)崿F(xiàn)：①設(shè)置一個定時器，定時時間為（可在調(diào)試時適當調(diào)整），計算出初值；②在接收中斷服務程序中起動定時器，設(shè)定定時器初值；③由于同幀相鄰字符間的時間間隔小于，只要該幀沒結(jié)束，定時器不會溢出；相反，相鄰幀前后字符的時間間隔大于，在時間內(nèi)，定時器溢出；④在定時器中斷服務程序中，關(guān)閉定時器，同時置位接收完成標志，代表一條完整報文接收完成。

圖7 幀識別過程

5.2 濾波處理

相對于溫度，濕度采樣受周圍環(huán)境和傳感器自身非線性因素的影響較大，有必要在監(jiān)測過程中對測量到的數(shù)據(jù)進行處理。為此采用了卡爾曼濾波算法進行處理，因無其他控制量，算法可簡化為[11-14]

式中：為利用上一狀態(tài)預測的結(jié)果；為上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果；為對應協(xié)方差；為對應協(xié)方差；為時刻測量值；為卡爾曼增益；為協(xié)方差。

連續(xù)采集 10h，將處理前后的數(shù)據(jù)進行對比。從圖8可看出，卡爾曼算法能有效地壓縮隨機干擾，提高信噪比，改善監(jiān)測質(zhì)量，確保控制過程更加平穩(wěn)、可靠。

圖8 卡爾曼濾波前后對比

5.3 輸出控制

終端允許手/自動控制防潮控溫單元的運行。自動模式下，終端根據(jù)預先設(shè)定的控制策略運行；手動模式下，按照主站下達的控制命令運行，為防止未及時復歸，到給定時間后，返回自動模式。

終端的運行狀態(tài)共分5種，即正常狀態(tài)、濕度越限狀態(tài)、溫度越限狀態(tài)、溫濕度越限狀態(tài)和手動運行狀態(tài)。針對不同的狀態(tài)，控制規(guī)則不同：①進入濕度越限狀態(tài)（濕度超過設(shè)定值），除濕設(shè)備起動驅(qū)潮；②進入溫度越限狀態(tài)（溫度低于 20℃），加熱器起動；③進入溫濕度越限狀態(tài)，除濕設(shè)備和加熱器均起動；④手動運行，按照主站命令工作。

為提高效率，采用改進的在線變增益PID算法對防潮控溫單元進行控制。該控制算法根據(jù)偏差的大小在線調(diào)整PID參數(shù)，可改善PID控制器的動靜態(tài)特性，使系統(tǒng)具有一定的魯棒性，算法簡單，易于在單片機中實現(xiàn)。具體方法[15]為

輸出為

式中，kYΔ為輸出增量；PK、IK、DK分別為比例、積分和微分系數(shù)；BK 為增益因子，ke為的非線性函數(shù)；ke、1ke-、2ke-為本次、上一次和上二次的偏差值；kY、1kY-為本次和上一次輸出。

6 WSN參數(shù)設(shè)置

在Mesh網(wǎng)架構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，存在著3種類型的節(jié)點：Coordinator（協(xié)調(diào)器，簡稱“C”），Router（路由器，簡稱“R”）及End Device（終端，簡稱“E”）。協(xié)調(diào)器負責組建和維護網(wǎng)絡(luò)；路由器加入網(wǎng)絡(luò)后，可收發(fā)及協(xié)助路由報文；終端加入網(wǎng)絡(luò)后，必須依賴于父節(jié)點（協(xié)調(diào)器或路由器）存在，但可休眠，休眠期間父節(jié)點可幫助保存它的報文[16-17]。

在本文設(shè)計的 WSN網(wǎng)絡(luò)中，只有協(xié)調(diào)器和路由兩種角色，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以配置成兩種模式：①主站為協(xié)調(diào)器，防潮控溫終端為路由器的C2R模式；②主站、防潮控溫終端均為路由器的R2R模式。后一種模式需借助協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，路由器之間互相通信。表1是兩種模式參數(shù)配置情況，說明如下。

表1 兩種模式下XBee模塊參數(shù)配置

1）固件版本為ZB，支持標準ZigBee協(xié)議，可與其他廠家的ZigBee設(shè)備通信。

2）ID（PAN ID，個域網(wǎng)地址）：64位地址碼，為0時允許節(jié)點加入任意網(wǎng)絡(luò)。本文組建專屬網(wǎng)絡(luò)，取非0值。

3）SC：通道。ZigBee協(xié)議將 2.4～2.408GHz頻段劃分 16個通道，可固定某些通道讓協(xié)調(diào)器掃描，以建立網(wǎng)絡(luò)。

4）OI：16位個域網(wǎng)地址。為減少通信報文長度，同一個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點以16位的OI來標識所在網(wǎng)絡(luò)地址。OI是協(xié)調(diào)器在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)后，隨機產(chǎn)生的，其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，繼承該OI。OI可以在協(xié)調(diào)器中通過命令“ATII+地址”指定。

5）DH DL為64位目的地址。每個節(jié)點都有惟一地址，此外，為方便管理，ZigBee協(xié)議又將0x0000 0000定義為廣播地址，0x0000 FFFF定義為協(xié)調(diào)器地址。

6）C2R模式，主站的DH DL為廣播地址，終端的為協(xié)調(diào)器地址。路由算法選擇多對一模式，AR=0x3C，代表協(xié)調(diào)器每隔1min發(fā)送一次廣播幀；終端 NW=1代表設(shè)置了看門狗，在（3*NW）min時間內(nèi)如果沒有收到協(xié)調(diào)器的響應，重新搜索網(wǎng)絡(luò)。

7）R2R模式，主站的DH DL同樣為廣播地址，終端的為主站64位節(jié)點地址（非0x0000 FFFF）。如果在運行過程中主站的 XBee模塊故障，更換XBee后需將新地址廣播給終端，終端收到地址，將其寫入 DH DL中。路由算法選擇 AODV（AR=0xFF），關(guān)閉看門狗、上電確認網(wǎng)絡(luò)等功能。在這種模式下，起動協(xié)調(diào)器，終端和主站加入網(wǎng)絡(luò)后，就將網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（主要是OI）寫入非易失區(qū)，即使協(xié)調(diào)器失去功能，終端依然可以和在網(wǎng)的主站通信。

采用C2R模式，應用方便、網(wǎng)絡(luò)靈活，但是協(xié)調(diào)器在重新上電的時候可能會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整當前通道和OI，會出現(xiàn)節(jié)點短暫離網(wǎng)的情況；而采用R2R模式，程序較為復雜，網(wǎng)絡(luò)不夠靈活，但若入網(wǎng)就不會離網(wǎng)，在沒有其他網(wǎng)絡(luò)干擾信道的情況下，通信成功率較高。

7 結(jié)論

將裝置安裝于950mm×670mm×1780mm的端子箱中進行試驗，在35℃/85%RH的工作環(huán)境下，24h出水量達300mL。裝置已于2013年3月在福建邵武某220kV變電站投入運行，除濕效果良好。

基于 WSN及半導體制冷的端子箱防潮控溫裝置是解決端子箱防潮、除濕、控溫問題的新方案，通過 WSN進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)遠程監(jiān)控；采用半導體制冷配合加熱板，既能除濕，又可控溫；運用在線變增益PID算法進行輸出控制，控制平穩(wěn)、響應速度快。此外，只需增大電源的輸出功率，實現(xiàn)除濕控溫單元級聯(lián)控制，本方案即可推廣應用于環(huán)網(wǎng)柜和箱式變。

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Design of Temperature-controlling and Moisture-proof Device for Terminal Box based on WSN and Semiconductor Refrigeration

Xu Libin1Gao Yuan2,3Gao Wei1
(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116;2. State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007;3. Enterprise Key Laboratory of Electric Distribution Technology for High Reliable Power Supply of Fujian Province, Fuzhou 350007)

A temperature-controlling and moisture-proof device for terminal box based on WSN and semiconductor refrigeration technologies is designed in substation. The characteristic of semiconductor refrigeration is utilized to make water vapor condense into water droplet discharged in the refrigeration terminal and wireless sensor network is established to exchange information with master station system in order to implement the function of real-time monitoring and effective dehumidification simultaneously. In software, the Kalman filter algorithm is adopted to optimize the monitoring data and the online variable gain PID controlling algorithm is applied to control output for achieving the accurate and fast control. In addition, the identification method of communication message integrity and the construction scheme of wireless sensor network are put forward. The test of the on-the-spot operation shows that the designed device operates reliably and solves the condensation problem of terminal box effectively.

terminal box for substation; temperature-controlling and moisture-proof device;wireless sensor network (WSN); semiconductor refrigeration; Kalman filter; the online variable gain PID controlling

福建省教育廳中青年教師教育科研項目（JA15086）

許立彬（1993-），女，漢族，福建莆田，碩士研究生，從事配電網(wǎng)自動化技術(shù)研究工作。