基于機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)的PCR溫度控制

本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的PCR溫度控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的溫度控制。通過將檢測(cè)設(shè)備端接入機(jī)智云平臺(tái)，使檢測(cè)人員能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控PCR儀的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)現(xiàn)場的無人值守，減輕檢測(cè)人員的負(fù)擔(dān)，并提高檢測(cè)的效率。

遠(yuǎn)程PCR儀溫度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的PCR溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括PCR溫度控制單元和基于機(jī)智云平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控單元。
PCR溫度控制單元主要包括控制器、溫度測(cè)量單元以及PCR加熱平臺(tái)，通過將合適的控制算法部署到控制器上，保證PCR加熱平臺(tái)為生物反應(yīng)提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境。遠(yuǎn)程監(jiān)控單元包括Wi-Fi模塊、機(jī)智云云端以及遠(yuǎn)程端監(jiān)控界面，PCR溫度控制單元與機(jī)智云平臺(tái)之間通過Wi-Fi模塊進(jìn)行通信，同時(shí)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程端監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)與用戶之間的友好交互，降低遠(yuǎn)程監(jiān)控的操作難度。

該系統(tǒng)加熱平臺(tái)的實(shí)物圖如圖1所示，主要包括銅板、制熱元件、散熱元件以及導(dǎo)熱硅脂。制熱元件選擇帕爾貼(馬洛XLT2418-05AC),通過改變其輸入電壓的極性能夠?qū)崿F(xiàn)制冷制熱功能的快速切換。

溫度控制系統(tǒng)包括控制器、檢測(cè)單元和執(zhí)行單元?？刂破鬟x擇STM32F103ZET6微處理器，檢測(cè)單元的敏感元件為熱敏電阻(安費(fèi)諾SC30F103VN,精度±0.1℃),執(zhí)行單元是帕爾貼和散熱風(fēng)扇。該系統(tǒng)的硬件電路包括溫度測(cè)量電路、帕爾貼驅(qū)動(dòng)電路、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路，以及用于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤i-Fi模塊(樂鑫esp8266模塊)。Wi-Fi模塊作為STM32的從機(jī)，與STM32之間通過串口進(jìn)行通信。STM32通過串口將測(cè)得的溫度等數(shù)據(jù)傳輸給Wi-Fi模塊，Wi-Fi模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上報(bào)給機(jī)智云云端，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與云端的數(shù)據(jù)交互。

01

溫度控制算法

溫度控制系統(tǒng)框圖如下圖3所示，輸入變量為PCR反應(yīng)各階段的設(shè)定溫度，輸出變量為加熱平臺(tái)實(shí)際測(cè)量溫度，控制器的輸出u為H橋驅(qū)動(dòng)電路的輸入占空比，通過調(diào)節(jié)該占空比調(diào)整帕爾貼制熱制冷的效率。選擇Bang-Bang控制和分段式PID相結(jié)合的控制方法，當(dāng)設(shè)定值與測(cè)量值之間差值大于10℃或小于-10℃時(shí)，采用Bang-Bang控制，控制器輸出的u設(shè)定為0.85,使系統(tǒng)獲得盡可能大的升降溫速率。

當(dāng)設(shè)定值與測(cè)量值之間差值在±10℃以內(nèi)時(shí)，采用PID控制保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，根據(jù)設(shè)定溫度分段調(diào)節(jié)PID參數(shù)，在提高系統(tǒng)升降溫速度的同時(shí)，盡量減少系統(tǒng)的超調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差。

02

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括設(shè)置PCR反應(yīng)參數(shù)、控制設(shè)備運(yùn)行、實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與數(shù)據(jù)并能夠?qū)?shù)據(jù)導(dǎo)出，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、故障診斷提供支持。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。PCR儀的數(shù)據(jù)每隔1s通過Wi-Fi上報(bào)給機(jī)智云云端，手機(jī)端和網(wǎng)頁端通過云端可實(shí)時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)并下發(fā)指令。

為了將該溫度控制系統(tǒng)接入物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與機(jī)智云云端的數(shù)據(jù)交互，除了將設(shè)備端STM32微處理器與Wi-Fi模塊通過串口連接外，還需要在Wi-Fi模塊中燒錄機(jī)智云平臺(tái)的固件(GAgent)以實(shí)現(xiàn)底層的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。在機(jī)智云平臺(tái)創(chuàng)建產(chǎn)品和需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)點(diǎn)后，利用平臺(tái)提供的DemoAPP,可以對(duì)該溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。在平臺(tái)原有網(wǎng)頁的基礎(chǔ)上，通過UI設(shè)計(jì)對(duì)監(jiān)控界面進(jìn)行優(yōu)化，利用Highcharts實(shí)現(xiàn)了溫度曲線的實(shí)時(shí)更新，方便操作人員的觀察。同時(shí)增加導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)的功能，能夠?qū)⒃O(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)及時(shí)導(dǎo)出到本地存儲(chǔ)。

03

結(jié)果與分析

在遠(yuǎn)程端設(shè)置PCR反應(yīng)的參數(shù)如下：設(shè)定第一階段50℃預(yù)變性2min,第二階段95℃變性10min,第三階段95℃變性10s,第四階段60℃退火延伸60s,后兩個(gè)階段循環(huán)40次。開啟加熱后，遠(yuǎn)程端網(wǎng)頁界面和機(jī)智云DemoAPP界面如下圖5所示。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行的溫度、反應(yīng)階段以及控制器的輸出值等數(shù)據(jù)，網(wǎng)頁端溫度曲線能夠?qū)崟r(shí)更新。

將系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，得到該系統(tǒng)的溫度測(cè)試曲線如下圖6所示。該溫度控制系統(tǒng)的升溫與降溫速率均達(dá)到3℃/s,穩(wěn)態(tài)誤差在±0.3℃,超調(diào)不超過0.6%,能夠滿足PCR反應(yīng)的正常進(jìn)行。

本文開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的PCR溫度控制系統(tǒng)。選用帕爾貼、散熱器和銅片等搭建了一套小型化的PCR溫度系統(tǒng)，通過熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，采用Bang-Bang控制和分段式PID相結(jié)合的方式，使該系統(tǒng)的升溫降溫速率達(dá)到3℃/s,穩(wěn)態(tài)誤差在±0.3℃以內(nèi)，為PCR反應(yīng)提供了合適的溫度環(huán)境。

利用機(jī)智云平臺(tái)連接遠(yuǎn)程監(jiān)控端和PCR溫度系統(tǒng)，操作人員在手機(jī)APP和網(wǎng)頁端能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控PCR反應(yīng)的進(jìn)行，并能夠?qū)С鰯?shù)據(jù)供后續(xù)的分析和管理。與單純的PCR溫度系統(tǒng)相比，該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)PCR檢測(cè)的無人值守，減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)，提高了檢測(cè)效率。