陳 本，李士軍，歐陽航，孟 楚，肖 培，孫 宇

（1.吉林農業(yè)大學 信息技術學院，吉林 長春 130118；2.吉林省智能環(huán)境工程中心，吉林 長春 130118）

0 引 言

隨著生命科學技術的不斷發(fā)展，細胞體外培養(yǎng)技術已成為一種現代科研的基礎手段[1]。體外培養(yǎng)技術的關鍵是搭建出一個仿真活體的生存環(huán)境，如適宜的空氣溫濕度、合適的光照度、適當的CO2濃度等，整個過程需要對搭建的模擬環(huán)境的溫濕度和氣體濃度進行相應的實施控制[2-3]。國內實驗室常用的是傳統(tǒng)普通的恒溫恒濕箱，其內部基本上沒有除菌裝置，而對于某些細胞培養(yǎng)實驗，實驗人員可在局部凈化的無菌工作臺上進行操作[4]，將細胞放置在培養(yǎng)皿中，將培養(yǎng)皿蓋上蓋子后，使用封口膜將培養(yǎng)皿封閉，保證其內部不受外界干擾。密封后的培養(yǎng)皿會放置在恒溫恒濕箱內進行進一步培養(yǎng)，培養(yǎng)皿內部的溫度可由恒溫恒濕箱內部的溫度控制，而培養(yǎng)皿內部的濕度則因為外部封閉而導致內部變?yōu)橐粋€封閉環(huán)境，所以無法由恒溫恒濕箱來控制。通常的解決辦法是向培養(yǎng)皿中間滴1～2滴水，測得其內部濕度數值，這種方法精度較低，實驗效果不理想，極大影響實驗結果。但若不將培養(yǎng)皿封蓋，則會受到恒溫恒濕箱內部的交叉污染，同樣會影響實驗結果，對科研人員的實驗進程造成困難[5-7]。

為了解決上述問題，部分高校、研究所組建了無菌實驗室，但大部分高校、研究所等無力搭建無菌實驗室、更難以承受無菌實驗室的后續(xù)維護成本。本文主要設計了一種無菌恒濕實驗裝置，其優(yōu)點表現在：結構簡單、組裝方便，不污染恒溫恒濕箱內部環(huán)境、可廣泛在常規(guī)實驗室中使用，提高了實驗數據的準確率。

1 實驗裝置總體設計

1.1 硬件總體結構設計

本文所設計的無菌恒濕裝置整體結構示意圖如圖1所示，其內部分為三個艙室：培養(yǎng)皿艙室，加濕干燥艙室和控制艙室，其中，培養(yǎng)皿艙室密封性良好，通過密封圈和鎖扣可以很好地把艙室內部與外界隔絕開，免除外界對實驗的干擾。加濕干燥艙室中主要由水箱和干燥管組成，因為培養(yǎng)皿艙室內部空間較小，僅靠水蒸氣自然揮發(fā)就可以對培養(yǎng)皿艙室進行加濕，若增加加濕器，雖然加濕速度變快了，但是會導致培養(yǎng)皿艙室內部的相對濕度出現較大的波動，穩(wěn)定性較差。使用干燥管進行干燥，同樣是為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)的功耗?？刂婆撌矣肧TM32F103ZET6作為控制芯片，所需要的空氣溫濕度傳感器、顯示模塊，電源模塊都與其連接，采用模糊PID算法對氣泵進行控制，使其實現增濕和排濕功能。實驗人員可在超凈工作臺對本裝置進行殺菌處理，最后把裝置放進普通恒溫恒濕箱。從圖1中可以看出，導氣管與塑料接頭相接，培養(yǎng)皿艙室不與外界接觸，可以有效降低外界感染的風險，培養(yǎng)皿艙室艙門上安裝有密封墊圈及鎖扣裝置，更加確保了內部是一個閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 無菌恒濕裝置整體結構示意圖

1.2 裝置工作流程

裝置工作流程如圖2所示。其主要包括SHT10空氣溫濕度的數據采集，LCD顯示屏，控制信號產生，控制算法和無線通信。首先，通電后對系統(tǒng)進行初始化，STM32讀取當前時間和實驗設定時間，SHT10傳感器讀出裝置內部當前空氣溫濕度，通過單片機和4G通信模塊分別在LCD顯示屏和PC端顯示出來，用戶可以通過裝置外部按鍵和PC端輸入目標值，PID算法可以對當前值和目標值進行比對，單片機控制氣泵做出加濕或除濕操作，并對時間進行判定，若達到實驗終止時間，則發(fā)出警報，并記錄數據，未到達時間，則重新讀取當前時間和實驗設定時間，并最終達到實驗設定時間。

圖2 裝置工作流程圖

1.3 裝置使用流程

以細胞體外培養(yǎng)實驗為例，簡述裝置使用流程：

1）在實驗開始前，使用肥皂洗手；

2）將該實驗箱放置在超凈工作臺，啟動超凈工作臺的排風、紫光燈，對培養(yǎng)皿艙室、水箱、干燥管、導氣管進行充分殺菌，給水箱內倒入蒸餾水；

3）在超凈工作臺中，實驗培養(yǎng)皿制作完畢后，將培養(yǎng)皿放入培養(yǎng)皿艙室，關閉培養(yǎng)皿艙室艙門，將整套設備搬離超凈工作臺；

4）將實驗箱放入普通恒溫恒濕箱中，電源插頭插在培養(yǎng)箱內部的電源接口；

5）通過按動開機按鍵，啟動實驗箱控制單元，顯示屏顯示當前培養(yǎng)皿艙室中的濕度，實驗人員可通過濕度調高、調低兩個按鍵選擇目標濕度，按下確定按鍵，控制單元即可按照既定程序開始工作，并通過實驗箱側方的4G天線將實驗過程中的濕度數據上傳至服務器存儲。

2 裝置硬件電路設計

為了防止污染恒溫恒濕箱及交叉感染，本文設計的無菌恒濕系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。按照實驗目的和要求，對控制部分的硬件進行選型，其結構框圖如圖3所示。其主要由7個部分組成：單片機、SHT10空氣溫濕度傳感器、氣泵、4G模塊、按鍵、LCD顯示屏和電源供給模塊。

圖3 硬件結構框圖

本文所采用的MCU是STM32F103ZET6，STM32采用32位Cortex-M3內核，其內部的數據路徑、寄存器以及存儲接口都為32位。為了使得取指令以及數據訪問之間不沖突，CM3采用的是哈弗結構。CM3處理器是Cortex系列的首款產品，采用的是最新的設計技術，在同樣的主頻之下，可以完成更多的任務，同時其具有低功耗以及高實時性的特點[8-10]。

空氣溫濕度傳感器選用SHT10，其電路原理圖如圖4所示。SHT10采用高分子PE材料濾芯，在保證測量度的同時濾除灰塵，對高速流動的氣體起到緩沖作用，使測量結果更為準確，其溫度量程范圍是-40～123℃，誤差為±5℃；濕度量程范圍是0%RH～100%RH，誤差為±4.5%RH，滿足實驗要求。

圖4 空氣溫濕度傳感器SHT10

電機驅動模塊選用的是L298N，其電路原理圖如圖5所示。L298N可以直接驅動兩路3～30 V直流電機，并且支持MCU控制，可以方便地控制直流電機的速度和方向。氣泵選用的是EDLP600，它是一款微型隔膜泵，根據容積式泵的原理設計而成，有電機轉動提供動力，通過電機軸上的偏心輪，驅動橡膠循環(huán)、往復運動，在腔體里面形成吸、排動作，通過單向閥的閉合/打開，從而達到吸入和排出氣體的作用。其具有體積小、低噪音、免維護、壽命長、應用廣、密封性好等特點。

圖5 L298N電機驅動模塊

無線通信模塊選用億佰特的E840-TTL-4G02模塊，其電路原理圖如圖6所示。4G的無線通信信號更加穩(wěn)定，提高數據的傳輸速率，兼容性也更加平滑，通信質量更高。在某些WiFi未覆蓋區(qū)域或某些WiFi網絡差的區(qū)域，4G無疑有更大的優(yōu)勢。使用4G模塊進行通信可以提高數據傳輸的可靠性和即時性[11]，同時數據上傳至服務器，也能供后續(xù)科研實驗使用。

圖6 E840-TTL-4G02電路原理圖

本裝置采用220 V交流供電，使用開關電源220 V轉12 V，以獲得穩(wěn)定的12 V直流電壓。使用MP1584電源轉換模塊獲取穩(wěn)定的5 V直流電壓，使用ASM1117穩(wěn)壓模塊獲取3.3 V直流電壓，其電路原理圖如圖7所示。

圖7 電源供給系統(tǒng)

人機交互模塊包括按鍵，LCD顯示屏，用戶可以通過按鍵選擇目標濕度，并通過LCD顯示屏直觀觀察到裝置內部實時溫濕度變化。

3 模糊PID控制

模糊PID控制器的系統(tǒng)結構主要由參數可調PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分構成，其結構如圖8所示[12-14]。

由圖8可知，模糊控制由5個控制變量：e()t為輸入偏差值；ec()t為輸入偏差變化率值；kP為比例因子；kI為積分因子；kD為微分因子。

圖8 自適應模糊PID控制器結構

本文裝置設計的模糊推理系統(tǒng)為兩輸入三輸出系統(tǒng)，e(t)，ec(t)為模糊輸入，模糊控制系統(tǒng)經模糊化、模糊推理、解模糊實時整定kP，kI，kD三個參數，他們的論域分別為NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB七個等級，輸入變量的范圍為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；輸出的變量范圍為{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}。他們的隸屬度函數都采用三角形分布。其控制規(guī)則如下：

1.If（e is NB）and（ec is NB）then（kp is PB，ki is NB，kd is PS）else；

2.If（e is NB）and（ec is NM）then（kp is PB，ki is NB，kd is NS）else。

4 結果分析

4.1 裝置組裝

無菌恒濕實驗箱由三個艙室組成：培養(yǎng)皿艙室、水箱和干燥管艙室、控制艙室。整個裝置由15 mm厚的透明亞克力板制作而成，并且在培養(yǎng)皿艙室中，艙門上裝有密封圈，培養(yǎng)皿艙室艙門四周裝有彈簧卡扣，用來鎖緊艙門并壓緊密封圈，消除艙門與艙室的縫隙，管道插頭和傳感器都由玻璃膠固定封死，有效地保證其內部氣密性及無菌效果。水箱和干燥管控制室內裝有的水箱和干燥管，水箱中并沒有放置超聲波加濕器，因為培養(yǎng)皿艙室內部空間較小，僅靠水汽自然揮發(fā)就可以達到實驗效果，并利用干燥管是向培養(yǎng)皿艙室中通干空氣，達到除濕目的。

4.2 運行結果

在濕度控制過程中設置加濕目標相對濕度為50%RH，其對應的濕度控制實際采樣曲線如圖9所示。從初始相對濕度35%RH升至50%RH，記錄的時間為1 h，設置1 s采1次數據，延遲1 s，實際每間隔2.5 s采樣1次數據，可以從圖9中看出，濕度波動范圍較小，在達到穩(wěn)定狀態(tài)情況下，濕度最大達到50.6%RH，最小為49.6%RH，誤差為±1%RH。設置除濕目標濕度為40%RH，初始濕度為55%RH，記錄的時間為1 h，在到達穩(wěn)定狀態(tài)情況下，相對濕度最大達到40.3%RH，最小為39.8%RH，誤差為±1%RH。綜上，雖然相對濕度達到穩(wěn)態(tài)時間耗時較長，但培養(yǎng)艙室內部濕度波動更加穩(wěn)定，可以為實驗細胞提供良好的生長環(huán)境，同時達到實驗要求。

圖9 濕度控制曲線

5 結 論

本文針對細胞體外培養(yǎng)技術中的技術難點，分析現有恒溫恒濕箱的特點，提出一種基于模糊PID控制的無菌恒濕實驗裝置。文中首先設計了整個裝置的硬件部分，其次設計了整個裝置的軟件流程，最后提出整個裝置的相對濕度模型及模糊PID控制推理系統(tǒng)。通過實驗表明，本文裝置可以很好地解決體外培養(yǎng)技術中的技術難點，整個系統(tǒng)為閉環(huán)循環(huán)，不與外界接觸，減小了實驗細胞和培養(yǎng)箱外部交叉感染的概率，并且通過實測裝置內部濕度控制箱內情況，可以看出本裝置響應速度快，控制算法精度高，超調小。本文裝置可大大提升科研數據準確率，對細胞培養(yǎng)的精確控制具有推廣性意義。