基于机智云物联网的PCR温度控制

本文设计了基于物联网的PCR温度控制系统，能够实现快速、准确的温度控制。通过将检测设备端接入机智云平台，使检测人员能够远程监控PCR仪的运行，实现检测现场的无人值守，减轻检测人员的负担，并提高检测的效率。

 

远程PCR仪温度系统设计

 

 

本文设计了一种基于物联网的PCR温度控制系统，该系统主要包括PCR温度控制单元和基于机智云平台的远程监控单元。
PCR温度控制单元主要包括控制器、温度测量单元以及PCR加热平台，通过将合适的控制算法部署到控制器上，保证PCR加热平台为生物反应提供稳定的温度环境。远程监控单元包括Wi-Fi模块、机智云云端以及远程端监控界面，PCR温度控制单元与机智云平台之间通过Wi-Fi模块进行通信，同时设计远程端监控界面，实现云平台与用户之间的友好交互，降低远程监控的操作难度。
 

 

该系统加热平台的实物图如图1所示，主要包括铜板、制热元件、散热元件以及导热硅脂。制热元件选择帕尔贴(马洛XLT2418-05AC),通过改变其输入电压的极性能够实现制冷制热功能的快速切换。

 

 

温度控制系统包括控制器、检测单元和执行单元。控制器选择STM32F103ZET6微处理器，检测单元的敏感元件为热敏电阻(安费诺SC30F103VN,精度±0.1℃),执行单元是帕尔贴和散热风扇。该系统的硬件电路包括温度测量电路、帕尔贴驱动电路、风扇驱动电路，以及用于无线数据传输的Wi-Fi模块(乐鑫esp8266模块)。Wi-Fi模块作为STM32的从机，与STM32之间通过串口进行通信。STM32通过串口将测得的温度等数据传输给Wi-Fi模块，Wi-Fi模块通过无线网络将数据上报给机智云云端，实现设备与云端的数据交互。

 

 

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温度控制算法

温度控制系统框图如下图3所示，输入变量为PCR反应各阶段的设定温度，输出变量为加热平台实际测量温度，控制器的输出u为H桥驱动电路的输入占空比，通过调节该占空比调整帕尔贴制热制冷的效率。选择Bang-Bang控制和分段式PID相结合的控制方法，当设定值与测量值之间差值大于10℃或小于-10℃时，采用Bang-Bang控制，控制器输出的u设定为0.85,使系统获得尽可能大的升降温速率。

 

当设定值与测量值之间差值在±10℃以内时，采用PID控制保证系统的稳定性和准确性，根据设定温度分段调节PID参数，在提高系统升降温速度的同时，尽量减少系统的超调和稳态误差。

02

远程监控系统

该远程监控系统的主要功能包括设置PCR反应参数、控制设备运行、实时显示设备运行状态与数据并能够将数据导出，为后续的数据分析、故障诊断提供支持。远程监控系统的结构如图4所示。PCR仪的数据每隔1s通过Wi-Fi上报给机智云云端，手机端和网页端通过云端可实时查看相关数据并下发指令。

 

为了将该温度控制系统接入物联网，实现与机智云云端的数据交互，除了将设备端STM32微处理器与Wi-Fi模块通过串口连接外，还需要在Wi-Fi模块中烧录机智云平台的固件(GAgent)以实现底层的网络传输功能。在机智云平台创建产品和需要传输的数据点后，利用平台提供的DemoAPP,可以对该温度控制系统进行远程监控。在平台原有网页的基础上，通过UI设计对监控界面进行优化，利用Highcharts实现了温度曲线的实时更新，方便操作人员的观察。同时增加导出历史数据的功能，能够将设备运行数据及时导出到本地存储。

 

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结果与分析

在远程端设置PCR反应的参数如下：设定第一阶段50℃预变性2min,第二阶段95℃变性10min,第三阶段95℃变性10s,第四阶段60℃退火延伸60s,后两个阶段循环40次。开启加热后，远程端网页界面和机智云DemoAPP界面如下图5所示。系统能够实时显示设备运行的温度、反应阶段以及控制器的输出值等数据，网页端温度曲线能够实时更新。

 

将系统历史数据导出后，得到该系统的温度测试曲线如下图6所示。该温度控制系统的升温与降温速率均达到3℃/s,稳态误差在±0.3℃,超调不超过0.6%,能够满足PCR反应的正常进行。

 

 

 

 

本文开发了一种基于物联网的PCR温度控制系统。选用帕尔贴、散热器和铜片等搭建了一套小型化的PCR温度系统，通过热敏电阻实现温度的准确测量，采用Bang-Bang控制和分段式PID相结合的方式，使该系统的升温降温速率达到3℃/s,稳态误差在±0.3℃以内，为PCR反应提供了合适的温度环境。

 

利用机智云平台连接远程监控端和PCR温度系统，操作人员在手机APP和网页端能够实时监控PCR反应的进行，并能够导出数据供后续的分析和管理。与单纯的PCR温度系统相比，该远程监控系统能够实现PCR检测的无人值守，减轻了工作人员的负担，提高了检测效率。