PID驅蚊劑智能釋放系統設計與實現

蔡麗莎　鄭景珂　陳州顥　黃凱

摘要：根據現實需求，基于PID閉環控制與單片機，設計與實現一種智能驅蚊劑釋放裝置。通過氣體探測器測定密閉空間固體顆粒濃度變化得到驅蚊劑空間濃度，通過溫度傳感器得到驅蚊器加熱溫度，確定兩者關系。通過單片機進行PID閉環控制，通過實現溫度在一定時間范圍內的精確控制，實現驅蚊劑智能釋放系統。從而改進現有單一的電蚊香釋放邏輯與設備。

關鍵詞：PID；驅蚊劑；智能；單片機

1、引言

蚊蟲能夠傳播80多種疾病，驅蚊防蚊是我們不可避免的重要任務。目前，市售驅蚊產品中，主要有化學驅避劑和電子驅蚊器[1]。化學驅蚊劑主要含有避蚊胺、驅蚊酯、羥哌酯等，如驅蚊花露水、驅蚊液等，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致皮膚損害、誘發神經系統疾病、DNA損傷等危害[2-4]。電子驅蚊器主要通過加熱釋放擬除蟲菊酯類化合物實現驅蚊作用，包括氯氰菊酯、丙炔菊酯、丙烯菊酯、ES生物菊酯等。已有文獻報道，人類暴露于高濃度的擬除蟲菊酯類成分中，會發生呼吸困難、咳嗽、支氣管痙攣、惡心、頭痛等急性癥狀，嚴重者會產生發育神經毒性、生殖毒性和免疫系統毒性。因此如何安全有效的使用擬除蟲菊酯類電子驅蚊器，成為關系到人們身體健康的重要問題。

智能控制驅蚊劑的釋放量，對在密閉空間特別是有嬰幼兒的室內環境中的驅蚊安全性是必要的。而目前市售電子驅蚊產品，均無法調節釋放濃度，只能在固定溫度下持續釋放擬除蟲菊酯類化學驅蚊劑。在密閉室內使用，極易導致擬除蟲菊酯類濃度超標，引發上述毒副作用。本文描述一種智能的驅蚊劑釋放系統設計，通過前期基本實驗，結合單片機的PID控制，最終實現驅蚊劑的智能釋放，并最終實現空間驅蚊劑濃度的精準智能控制。

2、總體設計

智能驅蚊劑釋放系統包含三個部分：傳感器系統，主控運算單元與執行器系統。系統總體構成如圖1所示。

圖1：智能驅蚊系統總體構成

⑴傳感器系統：傳感器系統包括氣體傳感器，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，經過信號處理，將電信號傳輸到主控運算單元。

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

⑶執行器系統。主要由繼電器與PTC加熱器構成。通過接收主控運算單元傳送的控制信號，實現驅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，并通過執行器系統，最終實現在密閉空間中釋放適量的驅蚊劑。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。在驅蚊劑控制系統中，調節對象是加熱器，最終控制為空間驅蚊劑濃度。首先需要確定驅蚊劑濃度、加熱溫度與時間之間的關系。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數值并建立對應關系。根據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，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，系統控制的傳遞函數為Output = kp * error + ki * errSum + kd * dErr;通過調節KP，KI，KD，可以實現控制曲線的性能。最終確定PID參數，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、各部分軟硬件實現方法

⑴傳感器系統：由MLX90614非接觸式溫度傳感器，AGS01DB氣體傳感器構成。溫度傳感器精度為0.01℃，測量溫度范圍-70.01℃至+382.19℃，滿足測溫區間要求。氣體傳感器有一定的預熱時間，：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的數字IO電流，通過數字口的PWM輸出控制加熱器輸出功率，通過數字IO控制繼電器通斷來瞬間切斷加熱器供電，從而精準控制加熱時間。單片機使用PID庫，通過加熱器控制空間濃度。

⑶執行器系統。執行機構主要有加熱器與繼電器構成，通過單片機數字IO的PWM輸出，對接加熱器控制口，實現加熱器功率控制，通過繼電器控制加熱器瞬間切斷，將加熱時間精準控制在0.5ms的精度內。

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

參考文獻：

[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. 蚊蟲驅避劑的研究進展[J]. 東北農業大學學報,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：國家級大學生創新創業訓練計劃項目201913023003、201913023007；杭州醫學院校級大學生創新創業訓練計劃項目S201913023021、S201913023022、S201913023041）。