CN105573268A - 一种pcr仪的无线监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PCR仪的无线监控方法，包括以下步骤：步骤一，布设在PCR仪工作现场的温度控制系统与布设在远程监控中心的监控中心上位机通过无线宽带互联网建立通信连接；步骤二，参数采集命令发送与接收；步骤三，温度信号采集与处理；步骤四，PID参数计算；步骤五，控制命令接收，温度实时调节；步骤六，数据显示及温度超限报警。本发明控制实时性能好，监控界面生动准确；能够同时对样品基座的底座和侧壁的温度进行无线远程监控，保证了样品基座温度分布的均匀性，使样品基座的每个反应槽的温度以及温度保持的时间控制精确，有效解决了现有监控方法精度不高、DNA片段扩增的效率低、工人劳动强度大、工作效率低等问题。

Description

一种PCR仪的无线监控方法

技术领域

本发明涉及一种监控方法，尤其是涉及一种PCR仪的无线监控方法。

背景技术

生命科学仪器的发展为生命科学提供了有效工具和强有力的研究手段。使其从细胞水平上的研究飞跃发展到分子层次上的深入研究。离开这些现代化生命科学仪器的支撑，许多重大的研究项目和工程都将举步维艰。PCR仪器是一种应用广泛、十分重要的生命科学仪器。聚合酶链式反应(polymerasechainreaction，PCR)是一种体外快速扩增特异性DNA片段的酶学方法，其PCR反应的基本过程分为三步。第一步，DNA变性(94℃)，双链DNA模板在热作用下氢键断裂，形成单链DNA；第二步，退火(55℃)，系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部双链；第三步，延伸(72℃)，在Taq酶的作用下，以dNTP为原料从引物的5端到3端延伸，合成与模板互补的DNA链。PCR仪就是通过控制样品达到不同温度，对被扩增的DNA片段进行变性、退火和聚合处理，以达到将DNA片段的量成倍扩增的目的。因此，温度控制的精度，尤其是各个温度值的时间控制，直接影响DNA片段扩增的效率。

现有PCR仪的监控方法通常都只对样品基座底部进行温度采样和控制，没有考虑样品基座的侧壁与外围空气的对流换热对基座温度均匀性的影响，从而达不到较高的控温精度，影响了DNA片段扩增的效率。另一方面，现有监控系统的人机交互界面主要通过机械按钮输入，LCD显示输出信息来实现人机交互。这就意味着PCR仪运行时，工作人员必须在仪器旁边，而一个PCR的运行时间为2～4小时。因此难以实现实时监控，且增加了劳动强度，降低了工作效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种PCR仪的无线监控方法，能够对PCR仪的运行程序进行无线远程设定和对PCR仪的温控系统实现实时监控。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种PCR仪的无线监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立无线通信连接:布设在PCR仪工作现场的温度控制系统与布设在远程监控中心的监控中心上位机通过无线宽带互联网建立通信连接；所述温度控制系统和监控中心上位机均连接有WIFI无线网卡；所述温度控制系统包括主控芯片、EPROM存储器、LCD显示器、信号隔离电路、放大滤波电路、A/D转换电路、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一温控电路、第二温控电路、加热电路、由底座和侧壁组成的样品基座、设置在所述样品基座上用于放置试管的反应槽，以及设置在所述反应槽正上方用于维持所述试管顶部温度以防止试液蒸发在所述试管顶部形成冷凝水的热盖；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器均与信号隔离电路相接，所述信号隔离电路、放大滤波电路、A/D转换电路和主控芯片依次相接，所述第一温控电路分别与主控芯片和所述底座相接，所述第二温控电路分别与主控芯片和所述侧壁相接，所述加热电路分别与主控芯片和热盖相接，所述EPROM存储器和LCD显示器均与主控芯片相接；

步骤二，参数采集命令发送与接收：监控中心上位机通过WIFI无线网卡经互联网向主控芯片发送参数采集命令，其温度采样频率设置为50HZ；主控芯片接收到所述参数采集命令后，通知所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器按照所述采样频率进行温度信号采集；

步骤三，温度信号采集与处理：第一温度传感器对分布在底座中间部分的反应槽温度进行实时检测；第二温度传感器对靠近侧壁的反应槽温度进行实时检测；第三温度传感器对热盖的温度进行实时检测；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器将检测到的温度信号分别经信号隔离电路传输给放大滤波电路；放大滤波电路对所述温度信号进行放大和滤波处理，然后传输给A/D转换电路；A/D转换电路将所述温度信号转换为数字量后传输给主控芯片；

步骤四，PID参数计算：主控芯片一方面将温度数据存储在与其相接的EPROM存储器中，另一方面与监控中心上位机进行信息交互，将所述温度数据通过WIFI网络传输给监控中心上位机；监控中心上位机将接收到的温度信号与预设温度值进行比较，得出温度偏差值，然后采用遗传算法根据温度偏差值和偏差的变化率计算出比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数等PID参数，并向主控芯片发出温度控制命令；

步骤五，控制命令接收，温度实时调节：主控芯片接收到所述温度控制命令后，根据所述比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数和温度偏差值对PCR仪的温度进行调节，包括以下方式：

采用第一温控电路对底座的温度进行调节；

采用第二温控电路对侧壁的温度进行调节；

采用加热电路将热盖加热到设定温度；

步骤六，数据显示及温度超限报警：主控芯片根据检测到的温度信号和PCR仪的运行工况，通过内部集成的图形生成软件得出温度控制曲线，并在LCD显示器上实时显示出来以供参考；同时监控中心上位机对温度数据做出实时判断，若超出设定范围，则驱动与其相接的报警装置发出报警信号，并向工作人员的WIFI手机发出故障通知短信；所述WIFI手机与监控中心上位机无线连接。

上述一种PCR仪的无线监控方法，其特征是：所述主控芯片为ARM微处理器。

上述一种PCR仪的无线监控方法，其特征是：所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器均为铂热电阻PT1000。

上述一种PCR仪的无线监控方法，其特征是：所述遗传算法计算所述PID参数时采用的是实数编码方式。

本发明与现有技术相比具有以下优点：步骤简单，灵活方便；控制实时性能好，监控界面生动准确；能够同时对样品基座的底座和侧壁的温度进行无线远程监控，保证了样品基座温度分布的均匀性，使样品基座的每个反应槽的温度以及温度保持的时间控制精确，有效解决了现有监控方法精度不高、DNA片段扩增的效率低、工人劳动强度大、工作效率低等问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括以下步骤：

步骤一，建立无线通信连接:布设在PCR仪工作现场的温度控制系统与布设在远程监控中心的监控中心上位机通过无线宽带互联网建立通信连接；所述温度控制系统和监控中心上位机均连接有WIFI无线网卡；所述温度控制系统包括主控芯片、EPROM存储器、LCD显示器、信号隔离电路、放大滤波电路、A/D转换电路、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一温控电路、第二温控电路、加热电路、由底座和侧壁组成的样品基座、设置在所述样品基座上用于放置试管的反应槽，以及设置在所述反应槽正上方用于维持所述试管顶部温度以防止试液蒸发在所述试管顶部形成冷凝水的热盖；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器均与信号隔离电路相接，所述信号隔离电路、放大滤波电路、A/D转换电路和主控芯片依次相接，所述第一温控电路分别与主控芯片和所述底座相接，所述第二温控电路分别与主控芯片和所述侧壁相接，所述加热电路分别与主控芯片和热盖相接，所述EPROM存储器和LCD显示器均与主控芯片相接；

步骤二，参数采集命令发送与接收：监控中心上位机通过WIFI无线网卡经互联网向主控芯片发送参数采集命令，其温度采样频率设置为50HZ；主控芯片接收到所述参数采集命令后，通知所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器按照所述采样频率进行温度信号采集；

步骤三，温度信号采集与处理：第一温度传感器对分布在底座中间部分的反应槽温度进行实时检测；第二温度传感器对靠近侧壁的反应槽温度进行实时检测；第三温度传感器对热盖的温度进行实时检测；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器将检测到的温度信号分别经信号隔离电路传输给放大滤波电路；放大滤波电路对所述温度信号进行放大和滤波处理，然后传输给A/D转换电路；A/D转换电路将所述温度信号转换为数字量后传输给主控芯片；

步骤四，PID参数计算：主控芯片一方面将温度数据存储在与其相接的EPROM存储器中，另一方面与监控中心上位机进行信息交互，将所述温度数据通过WIFI网络传输给监控中心上位机；监控中心上位机将接收到的温度信号与预设温度值进行比较，得出温度偏差值，然后采用遗传算法根据温度偏差值和偏差的变化率计算出比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数等PID参数，并向主控芯片发出温度控制命令；

步骤五，控制命令接收，温度实时调节：主控芯片接收到所述温度控制命令后，根据所述比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数和温度偏差值对PCR仪的温度进行调节，包括以下方式：

采用第一温控电路对底座的温度进行调节；

采用第二温控电路对侧壁的温度进行调节；

采用加热电路将热盖加热到设定温度；

步骤六，数据显示及温度超限报警：主控芯片根据检测到的温度信号和PCR仪的运行工况，通过内部集成的图形生成软件得出温度控制曲线，并在LCD显示器上实时显示出来以供参考；同时监控中心上位机对温度数据做出实时判断，若超出设定范围，则驱动与其相接的报警装置发出报警信号，并向工作人员的WIFI手机发出故障通知短信；所述WIFI手机与监控中心上位机无线连接。

本实施例中，所述主控芯片为ARM微处理器。

本实施例中，所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器均为铂热电阻PT1000。

本实施例中，所述遗传算法计算所述PID参数时采用的是实数编码方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种PCR仪的无线监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立无线通信连接:布设在PCR仪工作现场的温度控制系统与布设在远程监控中心的监控中心上位机通过无线宽带互联网建立通信连接；所述温度控制系统和监控中心上位机均连接有WIFI无线网卡；所述温度控制系统包括主控芯片、EPROM存储器、LCD显示器、信号隔离电路、放大滤波电路、A/D转换电路、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一温控电路、第二温控电路、加热电路、由底座和侧壁组成的样品基座、设置在所述样品基座上用于放置试管的反应槽，以及设置在所述反应槽正上方用于维持所述试管顶部温度以防止试液蒸发在所述试管顶部形成冷凝水的热盖；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器均与信号隔离电路相接，所述信号隔离电路、放大滤波电路、A/D转换电路和主控芯片依次相接，所述第一温控电路分别与主控芯片和所述底座相接，所述第二温控电路分别与主控芯片和所述侧壁相接，所述加热电路分别与主控芯片和热盖相接，所述EPROM存储器和LCD显示器均与主控芯片相接；

步骤二，参数采集命令发送与接收：监控中心上位机通过WIFI无线网卡经互联网向主控芯片发送参数采集命令，其温度采样频率设置为50HZ；主控芯片接收到所述参数采集命令后，通知所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器按照所述采样频率进行温度信号采集；

步骤三，温度信号采集与处理：第一温度传感器对分布在底座中间部分的反应槽温度进行实时检测；第二温度传感器对靠近侧壁的反应槽温度进行实时检测；第三温度传感器对热盖的温度进行实时检测；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器将检测到的温度信号分别经信号隔离电路传输给放大滤波电路；放大滤波电路对所述温度信号进行放大和滤波处理，然后传输给A/D转换电路；A/D转换电路将所述温度信号转换为数字量后传输给主控芯片；

步骤四，PID参数计算：主控芯片一方面将温度数据存储在与其相接的EPROM存储器中，另一方面与监控中心上位机进行信息交互，将所述温度数据通过WIFI网络传输给监控中心上位机；监控中心上位机将接收到的温度信号与预设温度值进行比较，得出温度偏差值，然后采用遗传算法根据温度偏差值和偏差的变化率计算出比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数等PID参数，并向主控芯片发出温度控制命令；

步骤五，控制命令接收，温度实时调节：主控芯片接收到所述温度控制命令后，根据所述比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数和温度偏差值对PCR仪的温度进行调节，包括以下方式：

采用第一温控电路对底座的温度进行调节；

采用第二温控电路对侧壁的温度进行调节；

采用加热电路将热盖加热到设定温度；

步骤六，数据显示及温度超限报警：主控芯片根据检测到的温度信号和PCR仪的运行工况，通过内部集成的图形生成软件得出温度控制曲线，并在LCD显示器上实时显示出来以供参考；同时监控中心上位机对温度数据做出实时判断，若超出设定范围，则驱动与其相接的报警装置发出报警信号，并向工作人员的WIFI手机发出故障通知短信；所述WIFI手机与监控中心上位机无线连接。

2.按照权利要求1所述的一种PCR仪的无线监控方法，其特征在于：所述主控芯片为ARM微处理器。

3.按照权利要求1或2所述的一种PCR仪的无线监控方法，其特征在于：所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器均为铂热电阻PT1000。

4.按照权利要求1或2所述的一种PCR仪的无线监控方法，其特征在于：所述遗传算法计算所述PID参数时采用的是实数编码方式。