PID驱蚊剂智能释放系统设计与实现

蔡丽莎　郑景珂　陈州颢　黄凯

摘要：根据现实需求，基于PID闭环控制与单片机，设计与实现一种智能驱蚊剂释放装置。通过气体探测器测定密闭空间固体颗粒浓度变化得到驱蚊剂空间浓度，通过温度传感器得到驱蚊器加热温度，确定两者关系。通过单片机进行PID闭环控制，通过实现温度在一定时间范围内的精确控制，实现驱蚊剂智能释放系统。从而改进现有单一的电蚊香释放逻辑与设备。

关键词：PID；驱蚊剂；智能；单片机

1、引言

蚊虫能够传播80多种疾病，驱蚊防蚊是我们不可避免的重要任务。目前，市售驱蚊产品中，主要有化学驱避剂和电子驱蚊器[1]。化学驱蚊剂主要含有避蚊胺、驱蚊酯、羟哌酯等，如驱蚊花露水、驱蚊液等，需要喷洒于皮肤表面使用，作用时间短。此类成分已被研究证实长期使用会导致皮肤损害、诱发神经系统疾病、DNA损伤等危害[2-4]。电子驱蚊器主要通过加热释放拟除虫菊酯类化合物实现驱蚊作用，包括氯氰菊酯、丙炔菊酯、丙烯菊酯、ES生物菊酯等。已有文献报道，人类暴露于高浓度的拟除虫菊酯类成分中，会发生呼吸困难、咳嗽、支气管痉挛、恶心、头痛等急性癥状，严重者会产生发育神经毒性、生殖毒性和免疫系统毒性。因此如何安全有效的使用拟除虫菊酯类电子驱蚊器，成为关系到人们身体健康的重要问题。

智能控制驱蚊剂的释放量，对在密闭空间特别是有婴幼儿的室内环境中的驱蚊安全性是必要的。而目前市售电子驱蚊产品，均无法调节释放浓度，只能在固定温度下持续释放拟除虫菊酯类化学驱蚊剂。在密闭室内使用，极易导致拟除虫菊酯类浓度超标，引发上述毒副作用。本文描述一种智能的驱蚊剂释放系统设计，通过前期基本实验，结合单片机的PID控制，最终实现驱蚊剂的智能释放，并最终实现空间驱蚊剂浓度的精准智能控制。

2、总体设计

智能驱蚊剂释放系统包含三个部分：传感器系统，主控运算单元与执行器系统。系统总体构成如图1所示。

图1：智能驱蚊系统总体构成

⑴传感器系统：传感器系统包括气体传感器，非接触式温度传感器。采用气体传感器对空气中的驱蚊剂平均浓度进行测定，利用非接触式温度传感器采集加热器表面的温度，经过信号处理，将电信号传输到主控运算单元。

⑵主控运算单元。对传感器采集到的浓度与温度值，通过前期建模构建的PID控制算法，完成对执行器系统的控制算法。

⑶执行器系统。主要由继电器与PTC加热器构成。通过接收主控运算单元传送的控制信号，实现驱蚊剂加热器的温度与时间控制。主控单元利用前期的建模和PID控制算法，并通过执行器系统，最终实现在密闭空间中释放适量的驱蚊剂。加热器可以通过PWM进行能量输出控制，而继电器可以在温度过高时瞬间切断，以实现快速降温。

3、核心算法模型的确立

PID控制包括比例积分微分三个部分。如图2所示，通过确定KP，KI，KD的值。在驱蚊剂控制系统中，调节对象是加热器，最终控制为空间驱蚊剂浓度。首先需要确定驱蚊剂浓度、加热温度与时间之间的关系。通过气体传感器获得的浓度值与非接触式温度传感器获得的相应数值并建立对应关系。根据实验建立时间浓度曲线，得到空间安全浓度在不同温度条件下的时间。如图3所示。

通过该曲线，得到T温度--t时间--N浓度函数，确定控制对象为浓度的情况下，通过控制特定温度的加热时间，控制空间驱蚊剂浓度。对于单片机控制算法，核心是控制加热器的温度与加热时间，系统控制的传递函数为Output = kp * error + ki * errSum + kd * dErr;通过调节KP，KI，KD，可以实现控制曲线的性能。最终确定PID参数，获得良好的控制曲线，如图4。

图2PID控制示意图

图3时间浓度曲线

图4 PID控制曲线

4、各部分软硬件实现方法

⑴传感器系统：由MLX90614非接触式温度传感器，AGS01DB气体传感器构成。温度传感器精度为0.01℃，测量温度范围-70.01℃至+382.19℃，满足测温区间要求。气体传感器有一定的预热时间，：采样周期>= 2 秒/次。

⑵主控运算单元。选用基于Atmel Atmega328单片机的主控板，支持40mA的数字IO电流，通过数字口的PWM输出控制加热器输出功率，通过数字IO控制继电器通断来瞬间切断加热器供电，从而精准控制加热时间。单片机使用PID库，通过加热器控制空间浓度。

⑶执行器系统。执行机构主要有加热器与继电器构成，通过单片机数字IO的PWM输出，对接加热器控制口，实现加热器功率控制，通过继电器控制加热器瞬间切断，将加热时间精准控制在0.5ms的精度内。

结论：本文研究的基于PID控制的智能驱蚊剂释放系统，在传统加热释放方式的基础上，通过实验得到空间浓度加热温度时间曲线，并由此构建PID控制算法，调节PID控制参数，最终通过搭建单片机软硬件平台实现该设计。这种智能释放器大大提高了在居家密闭空间使用驱蚊剂的安全性，对于婴幼儿和敏感人群尤为有效，可作为未来驱蚊器产品实用尝试。

参考文献：

[1]康庆玲,林红. 消灭蚊子[J]. 大自然探索,2016,(9):68-75.

[2]陶波,张大伟. 蚊虫驱避剂的研究进展[J]. 东北农业大学学报,2014,45(2):123-128.

作者简介：蔡丽莎（1997.8-），女，本科生，共同第一作者；郑景珂（1996.11-），男，本科生，共同第一作者；黄凯（1986.5-），男，讲师，通讯作者。

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目201913023003、201913023007；杭州医学院校级大学生创新创业训练计划项目S201913023021、S201913023022、S201913023041）。