PID驅(qū)蚊劑智能釋放系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

蔡麗莎　鄭景珂　陳州顥　黃凱

摘要：根據(jù)現(xiàn)實需求，基于PID閉環(huán)控制與單片機，設(shè)計與實現(xiàn)一種智能驅(qū)蚊劑釋放裝置。通過氣體探測器測定密閉空間固體顆粒濃度變化得到驅(qū)蚊劑空間濃度，通過溫度傳感器得到驅(qū)蚊器加熱溫度，確定兩者關(guān)系。通過單片機進行PID閉環(huán)控制，通過實現(xiàn)溫度在一定時間范圍內(nèi)的精確控制，實現(xiàn)驅(qū)蚊劑智能釋放系統(tǒng)。從而改進現(xiàn)有單一的電蚊香釋放邏輯與設(shè)備。

關(guān)鍵詞：PID；驅(qū)蚊劑；智能；單片機

1、引言

蚊蟲能夠傳播80多種疾病，驅(qū)蚊防蚊是我們不可避免的重要任務(wù)。目前，市售驅(qū)蚊產(chǎn)品中，主要有化學(xué)驅(qū)避劑和電子驅(qū)蚊器[1]。化學(xué)驅(qū)蚊劑主要含有避蚊胺、驅(qū)蚊酯、羥哌酯等，如驅(qū)蚊花露水、驅(qū)蚊液等，需要噴灑于皮膚表面使用，作用時間短。此類成分已被研究證實長期使用會導(dǎo)致皮膚損害、誘發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)疾病、DNA損傷等危害[2-4]。電子驅(qū)蚊器主要通過加熱釋放擬除蟲菊酯類化合物實現(xiàn)驅(qū)蚊作用，包括氯氰菊酯、丙炔菊酯、丙烯菊酯、ES生物菊酯等。已有文獻(xiàn)報道，人類暴露于高濃度的擬除蟲菊酯類成分中，會發(fā)生呼吸困難、咳嗽、支氣管痙攣、惡心、頭痛等急性癥狀，嚴(yán)重者會產(chǎn)生發(fā)育神經(jīng)毒性、生殖毒性和免疫系統(tǒng)毒性。因此如何安全有效的使用擬除蟲菊酯類電子驅(qū)蚊器，成為關(guān)系到人們身體健康的重要問題。

智能控制驅(qū)蚊劑的釋放量，對在密閉空間特別是有嬰幼兒的室內(nèi)環(huán)境中的驅(qū)蚊安全性是必要的。而目前市售電子驅(qū)蚊產(chǎn)品，均無法調(diào)節(jié)釋放濃度，只能在固定溫度下持續(xù)釋放擬除蟲菊酯類化學(xué)驅(qū)蚊劑。在密閉室內(nèi)使用，極易導(dǎo)致擬除蟲菊酯類濃度超標(biāo)，引發(fā)上述毒副作用。本文描述一種智能的驅(qū)蚊劑釋放系統(tǒng)設(shè)計，通過前期基本實驗，結(jié)合單片機的PID控制，最終實現(xiàn)驅(qū)蚊劑的智能釋放，并最終實現(xiàn)空間驅(qū)蚊劑濃度的精準(zhǔn)智能控制。

2、總體設(shè)計

智能驅(qū)蚊劑釋放系統(tǒng)包含三個部分：傳感器系統(tǒng)，主控運算單元與執(zhí)行器系統(tǒng)。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1：智能驅(qū)蚊系統(tǒng)總體構(gòu)成

⑴傳感器系統(tǒng)：傳感器系統(tǒng)包括氣體傳感器，非接觸式溫度傳感器。采用氣體傳感器對空氣中的驅(qū)蚊劑平均濃度進行測定，利用非接觸式溫度傳感器采集加熱器表面的溫度，經(jīng)過信號處理，將電信號傳輸?shù)街骺剡\算單元。

⑵主控運算單元。對傳感器采集到的濃度與溫度值，通過前期建模構(gòu)建的PID控制算法，完成對執(zhí)行器系統(tǒng)的控制算法。

⑶執(zhí)行器系統(tǒng)。主要由繼電器與PTC加熱器構(gòu)成。通過接收主控運算單元傳送的控制信號，實現(xiàn)驅(qū)蚊劑加熱器的溫度與時間控制。主控單元利用前期的建模和PID控制算法，并通過執(zhí)行器系統(tǒng)，最終實現(xiàn)在密閉空間中釋放適量的驅(qū)蚊劑。加熱器可以通過PWM進行能量輸出控制，而繼電器可以在溫度過高時瞬間切斷，以實現(xiàn)快速降溫。

3、核心算法模型的確立

PID控制包括比例積分微分三個部分。如圖2所示，通過確定KP，KI，KD的值。在驅(qū)蚊劑控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)對象是加熱器，最終控制為空間驅(qū)蚊劑濃度。首先需要確定驅(qū)蚊劑濃度、加熱溫度與時間之間的關(guān)系。通過氣體傳感器獲得的濃度值與非接觸式溫度傳感器獲得的相應(yīng)數(shù)值并建立對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)實驗建立時間濃度曲線，得到空間安全濃度在不同溫度條件下的時間。如圖3所示。

通過該曲線，得到T溫度--t時間--N濃度函數(shù)，確定控制對象為濃度的情況下，通過控制特定溫度的加熱時間，控制空間驅(qū)蚊劑濃度。對于單片機控制算法，核心是控制加熱器的溫度與加熱時間，系統(tǒng)控制的傳遞函數(shù)為Output = kp * error + ki * errSum + kd * dErr;通過調(diào)節(jié)KP，KI，KD，可以實現(xiàn)控制曲線的性能。最終確定PID參數(shù)，獲得良好的控制曲線，如圖4。

圖2PID控制示意圖

圖3時間濃度曲線

圖4 PID控制曲線

4、各部分軟硬件實現(xiàn)方法

⑴傳感器系統(tǒng)：由MLX90614非接觸式溫度傳感器，AGS01DB氣體傳感器構(gòu)成。溫度傳感器精度為0.01℃，測量溫度范圍-70.01℃至+382.19℃，滿足測溫區(qū)間要求。氣體傳感器有一定的預(yù)熱時間，：采樣周期>= 2 秒/次。

⑵主控運算單元。選用基于Atmel Atmega328單片機的主控板，支持40mA的數(shù)字IO電流，通過數(shù)字口的PWM輸出控制加熱器輸出功率，通過數(shù)字IO控制繼電器通斷來瞬間切斷加熱器供電，從而精準(zhǔn)控制加熱時間。單片機使用PID庫，通過加熱器控制空間濃度。

⑶執(zhí)行器系統(tǒng)。執(zhí)行機構(gòu)主要有加熱器與繼電器構(gòu)成，通過單片機數(shù)字IO的PWM輸出，對接加熱器控制口，實現(xiàn)加熱器功率控制，通過繼電器控制加熱器瞬間切斷，將加熱時間精準(zhǔn)控制在0.5ms的精度內(nèi)。

結(jié)論：本文研究的基于PID控制的智能驅(qū)蚊劑釋放系統(tǒng)，在傳統(tǒng)加熱釋放方式的基礎(chǔ)上，通過實驗得到空間濃度加熱溫度時間曲線，并由此構(gòu)建PID控制算法，調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)，最終通過搭建單片機軟硬件平臺實現(xiàn)該設(shè)計。這種智能釋放器大大提高了在居家密閉空間使用驅(qū)蚊劑的安全性，對于嬰幼兒和敏感人群尤為有效，可作為未來驅(qū)蚊器產(chǎn)品實用嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1]康慶玲,林紅. 消滅蚊子[J]. 大自然探索,2016,(9):68-75.

[2]陶波,張大偉. 蚊蟲驅(qū)避劑的研究進展[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,45(2):123-128.

作者簡介：蔡麗莎（1997.8-），女，本科生，共同第一作者；鄭景珂（1996.11-），男，本科生，共同第一作者；黃凱（1986.5-），男，講師，通訊作者。

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目201913023003、201913023007；杭州醫(yī)學(xué)院校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目S201913023021、S201913023022、S201913023041）。