本文設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的PCR溫度控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)快速、準確的溫度控制。通過將檢測設備端接入機智云平臺，使檢測人員能夠遠程監(jiān)控PCR儀的運行，實現(xiàn)檢測現(xiàn)場的無人值守，減輕檢測人員的負擔，并提高檢測的效率。

遠程PCR儀溫度系統(tǒng)設計

本文設計了一種基于物聯(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智云平臺的遠程監(jiān)控單元。
PCR溫度控制單元主要包括控制器、溫度測量單元以及PCR加熱平臺，通過將合適的控制算法部署到控制器上，保證PCR加熱平臺為生物反應提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境。遠程監(jiān)控單元包括Wi-Fi模塊、機智云云端以及遠程端監(jiān)控界面，PCR溫度控制單元與機智云平臺之間通過Wi-Fi模塊進行通信，同時設計遠程端監(jiān)控界面，實現(xiàn)云平臺與用戶之間的友好交互，降低遠程監(jiān)控的操作難度。

該系統(tǒng)加熱平臺的實物圖如圖1所示，主要包括銅板、制熱元件、散熱元件以及導熱硅脂。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實現(xiàn)制冷制熱功能的快速切換。

溫度控制系統(tǒng)包括控制器、檢測單元和執(zhí)行單元。控制器選擇STM32F103ZET6微處理器，檢測單元的敏感元件為熱敏電阻(安費諾SC30F103VN,精度±0.1℃),執(zhí)行單元是帕爾貼和散熱風扇。該系統(tǒng)的硬件電路包括溫度測量電路、帕爾貼驅動電路、風扇驅動電路，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，與STM32之間通過串口進行通信。STM32通過串口將測得的溫度等數(shù)據(jù)傳輸給Wi-Fi模塊，Wi-Fi模塊通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上報給機智云云端，實現(xiàn)設備與云端的數(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反應各階段的設定溫度，輸出變量為加熱平臺實際測量溫度，控制器的輸出u為H橋驅動電路的輸入占空比，通過調節(jié)該占空比調整帕爾貼制熱制冷的效率。選擇Bang-Bang控制和分段式PID相結合的控制方法，當設定值與測量值之間差值大于10℃或小于-10℃時，采用Bang-Bang控制，控制器輸出的u設定為0.85,使系統(tǒng)獲得盡可能大的升降溫速率。

當設定值與測量值之間差值在±10℃以內時，采用PID控制保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，根據(jù)設定溫度分段調節(jié)PID參數(shù)，在提高系統(tǒng)升降溫速度的同時，盡量減少系統(tǒng)的超調和穩(wěn)態(tài)誤差。

02

遠程監(jiān)控系統(tǒng)

該遠程監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括設置PCR反應參數(shù)、控制設備運行、實時顯示設備運行狀態(tài)與數(shù)據(jù)并能夠將數(shù)據(jù)導出，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、故障診斷提供支持。遠程監(jiān)控系統(tǒng)的結構如圖4所示。PCR儀的數(shù)據(jù)每隔1s通過Wi-Fi上報給機智云云端，手機端和網(wǎng)頁端通過云端可實時查看相關數(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)，實現(xiàn)與機智云云端的數(shù)據(jù)交互，除了將設備端STM32微處理器與Wi-Fi模塊通過串口連接外，還需要在Wi-Fi模塊中燒錄機智云平臺的固件(GAgent)以實現(xiàn)底層的網(wǎng)絡傳輸功能。在機智云平臺創(chuàng)建產(chǎn)品和需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)點后，利用平臺提供的DemoAPP,可以對該溫度控制系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控。在平臺原有網(wǎng)頁的基礎上，通過UI設計對監(jiān)控界面進行優(yōu)化，利用Highcharts實現(xiàn)了溫度曲線的實時更新，方便操作人員的觀察。同時增加導出歷史數(shù)據(jù)的功能，能夠將設備運行數(shù)據(jù)及時導出到本地存儲。

03

結果與分析

在遠程端設置PCR反應的參數(shù)如下：設定第一階段50℃預變性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,后兩個階段循環(huán)40次。開啟加熱后，遠程端網(wǎng)頁界面和機智云DemoAPP界面如下圖5所示。系統(tǒng)能夠實時顯示設備運行的溫度、反應階段以及控制器的輸出值等數(shù)據(jù)，網(wǎng)頁端溫度曲線能夠實時更新。

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

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)，通過熱敏電阻實現(xiàn)溫度的準確測量，采用Bang-Bang控制和分段式PID相結合的方式，使該系統(tǒng)的升溫降溫速率達到3℃/s,穩(wěn)態(tài)誤差在±0.3℃以內，為PCR反應提供了合適的溫度環(huán)境。

利用機智云平臺連接遠程監(jiān)控端和PCR溫度系統(tǒng)，操作人員在手機APP和網(wǎng)頁端能夠實時監(jiān)控PCR反應的進行，并能夠導出數(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，該遠程監(jiān)控系統(tǒng)能夠實現(xiàn)PCR檢測的無人值守，減輕了工作人員的負擔，提高了檢測效率。