基于物联网的PCR温度控制系统

孟加拉球

摘要:核酸检测在疫情防控中发挥着重要作用，目前商品化PCR仪通常需要专业的技术人员和实验室，耗费大量的时间和人力。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。

引言

核酸检测是新冠疫情防控中最科学有效的手段之一，在临床诊断、食品安全检测、公共卫生监测以及环境保护等方面都发挥着重要的作用。核酸检测从基因水平上揭示了关于致病病原体和发病机制的相关信息，有助于疾病的预防、监测，并指导后续的疾病治疗。核酸检测通常需要在体外进行核酸扩增，最常用的方法是聚合酶链式反应,它具有灵敏度高、特异性好、扩增效率高等特点。PCR反应是在酶和温度的共同作用下实现DNA的体外复制，在一个PCR循环中，DNA在高温下先解旋变性为单链(高温变性),接着引物与单链DNA通过碱基互补配对相结合(低温退火),最后在DNA聚合酶的作用下进行延伸(中温延伸),不断重复该循环，目标DNA分子数量会呈现指数型的增长。

PCR仪能够为PCR热循环提供所需的温度环境，保证扩增的正常进行，其温度系统的快速性、准确性和稳定性对扩增效率起决定性作用，较低的降温速率还会影响扩增的特异性。为提高PCR温度系统的控制精度和升温与降温速度，需要对其温度控制算法进行优化，目前常用的温度控制方法主要是基于比例积分微分(PID)控制的改进，包括分段式PID控制、基于BP神经网络的PID控制以及模糊PID控制等。

本文设计了一种基于物联网的PCR温度控制系统，该系统要包括温度控制单元和远程监控单元。温度控制单元采用Bang-Bang控制和分段式PID相结合的控制策略，通过控制半导体制冷片(帕尔贴)的输入电压，调整系统加热和制冷速率，为PCR反应提供稳定、准确的热循环温度环境。利用Wi-Fi模块将该设备接入机智云平台，用户可在远程端(网页端和手机APP端)访问云平台，实时监控管理PCR系统的运行、读取并存储设备相关数据。最后对温度系统的快速性、稳定性和控制精度进行测试，测试结果满足PCR反应的需求。

1 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。

1.1 温度系统硬件结构

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。帕尔贴一端与铜板相连，另一端与散热元件(政久1U散热器)相连，所有接触面上均涂有导热硅脂以增大传热效率。当加热平台需要降温时，帕尔贴靠近铜板的一侧开始制冷，靠近散热元件的一侧制热，为保证降温的速率，需要通过散热器将帕尔贴产生的热量及时散出。

图1 PCR加热平台实物图

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。如图2所示，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。

帕尔贴通过外部的H桥电路进行驱动，STM32通过脉冲宽度调剂(PulseWidthModulation,PWM)控制H桥驱动电路的输出电压大小在0-12V之间变化，电压越大，帕尔贴的制热制冷功率越大，系统温度变化越快。风扇驱动电路已经集成在散热器中，STM32通过输出不同占空比的PWM控制风扇的转速。当温度在0-100℃之间变化时，热敏电阻(25℃10kΩ)阻值在0.683kΩ-3.274kΩ之间变化，温度测量电路由热敏电阻和标准电阻(1kΩ)串联组成，并在标准电阻两端并联0.1μF的电容进行滤波。STM32通过ADC测量热敏电阻两端的电压，并根据厂家提供的电阻-电压之间的对应关系计算得到温度测量值。

1.2 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。

（b）外部驱动电路

图2 PCR系统结构示意图

图3 PCR温度控制系统框图

1.3 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。

图4 PCR远程监控系统结构示意图

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。

2 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。

(b)手机APP

（a）网页端

图5 远程端监控界面

（b）单个循环湿度曲线大放图

图6 PCR温度循环曲线

3 总结

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，为核酸检测的现场化提供了可能。