单片机在智能家居控制系统中的应用与性能改进.pdf

技术与创新 技术与创新 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料82摘要：单片机在智能家居控制系统中的应用广泛而深入，它们不仅被用于执行简单的开关操作，还承担着更复杂的任务，如数据处理、通信协议实施和能源管理等。然而，随着智能家居系统的复杂性和功能需求的增加，单片机在智能家居控制系统中的技术应用仍有待进一步改善。文章概述了智能家居控制系统的基本原理和功能，重点阐述了单片机在该系统中的应用，并提出了一系列性能改进方法，通过实施这些改进方法对原系统进行了全面优化。研究表明，经过性能改进后的智能家居控制系统在各方面都表现出显著提升。控制精度得到提高，设备兼容性增强，智能化程度提升，数据处理能力加强，系统稳定性和可靠性得到保障。关键词：单片机；智能家居控制系统；传感器；移动互联技术分类号：TP368.11 智能家居控制系统概述1.1 智能家居控制系统的定义智能家居控制系统是一种综合性的家居自动化解决方案，它运用先进的计算机技术、网络通信技术、智能云端控制、综合布线技术以及医疗电子技术，以人体工程学原理为基础，结合个性化需求，将家居生活中涉及的各个子系统有机地整合在一起1。1.2 智能家居控制系统架构文章提出一种智能家居控制系统综合设计方案，从创新设计角度出发，结合移动互联技术和无线局域网2。将智能家居控制系统与嵌入式设备、移动终端、云平台、Wi-Fi 组网、语音控制、智能安防 GPRS 报警系统等有机结合起来，集成机智云网络控制、利用嵌入式技术将传感器、执行器等设备嵌入家居，实现数据采集、环境监测、智能控制等功能。该系统借助云计算技术，将智能家居数据上传到云端进行存储和分析处理，实现数据共享、任务调度和智能决策等功能。2 单片机在智能家居控制系统中的应用以 DHT11 温湿度传感器为例，它与单片机的联机相对简单3。DHT11 输出的是数字信号，单片机通过I/O 端口与 DHT11 连接，利用单线制串行接口进行通信。在通信过程中，单片机发送开始信号后，DHT11会响应并发送 40 位的数据帧，其中包括 16 位的湿度数据、16 位的温度数据以及 8 位的校验和。单片机接收数据后，进行相应的处理即可得到环境的温湿度值。在 DHT11 传感器与单片机进行通信和处理的过程中，温度值计算公式如下：25610HLTTT+=（1）式中：T 为计算得出的温度值；TH为 DHT11 数据帧中的温度高位数据；TL为 DHT11 数据帧中的温度低位数据。式（1）将温度高位和低位数据组合，并除以 10来获得实际的温度值4。在 DHT11 传感器与单片机进行通信和处理的过程中，湿度值计算公式如下：25610HLHHH+=（2）式中：H 为计算得出的湿度值；HH为 DHT11 数据帧中的湿度高位数据；HL为 DHT11 数据帧中的湿度低位数据。MQ-135 有害气体检测模块输出是模拟信号，因此需要通过单片机的 AD 转换模块将模拟信号转换为数字信号5。MQ-135 的模拟输出与单片机的 AD 输入端口连接，通过合适的采样率和分辨率设置，单片机可以实时获取环境中的有害气体浓度。模拟信号转换公式如下：单片机在智能家居控制系统中的应用与性能改进*刘 昊兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730060文章编号：2096-3092（2024）02-0082-03*基金项目：兰州石化职业技术大学 2023 年度校级科研项目教学研究项目“物联网应用技术专业核心能力模型建设与实践研究”（2023JY-07）作者简介：刘昊，男，本科，讲师，研究方向为物联网、网络技术。造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 技术与创新技术与创新83outinlsVVRR=Rl（3）式中：Vout 为 MQ-135 模块输出的模拟电压信号；Vin为 MQ-135 模块输入的工作电压；Rl为电路负载电阻；Rs为 MQ-135 模块的传感器电阻。通过上述公式，可以将 MQ-135 模块输出的模拟电压信号转换为相应的数字值，这可以帮助单片机获取环境中的有害气体浓度数据。光敏电阻模块与单片机的联机也与 MQ-135 模块类似，光敏电阻的阻值随光线变化而变化，通过电阻分压电路将变化转换为电压信号，再输入到单片机的AD 转换模块进行处理6。3 单片机在智能家居控制系统中的控制原理及局限单片机在智能家居控制系统中的控制原理如表 1所示。综上所述，当前的智能家居控制系统通常只能执行预设的固定指令，对于用户多样化的需求和环境变化缺乏足够的适应性，现有的单片机控制系统可能难以满足日益增长的扩展需求。目前，智能家居市场上存在众多不同的标准和协议，导致设备之间的互通性受限7。单片机控制系统需要跨越这些障碍，实现不同品牌和类型设备之间的无缝连接和协同工作。为此，针对此类不利条件，需要对单片机进行性能的优化改造。4 单机片性能改进方法文章系统采用三层体系结构，云端网络层、控制层、设备层。基于云端网络技术的 Wi-Fi 组网技术8，控制核心选用 Arduino 开发板，监控形式选用手机 App远程和近程监控，通过模拟软件进行系统功能的初步验证9。4.1 硬件性能改进单片机在智能家居控制系统中的硬件性能改进数据如表 2 所示。通过硬件性能的改进，单片机在智能家居控制系统中的性能得到了全面提升，包括处理速度、存储容量、数据处理能力、通信接口和低功耗等方面的改进，这将为用户提供更快速、准确和智能的家居控制体验，推动智能家居领域的发展10。4.2 软件性能改进单片机在智能家居控制系统中的软件性能改进效表 1 单片机在智能家居控制系统中的控制原理仪表编号型号设备性能控制原理001ESP32-WROOM-32Wi-Fi+BT+BLE+MCU 模组，功能强大，用途广泛通过 Wi-Fi 或蓝牙接收控制指令，控制家居设备的开关、亮度等002DHT11数字温湿度传感器，已校准数字信号输出，高可靠性与稳定性将检测到的温湿度数据发送给单片机，单片机根据数据控制空调、加湿器等设备003MQ-135有害气体检测模块，对氨气、硫化物、苯系蒸汽敏感将检测到的有害气体浓度数据发送给单片机，单片机根据数据控制空气净化器、排风扇等设备004光敏电阻模块检测环境光线亮度，与单片机直接相连将检测到的光线亮度数据发送给单片机，单片机根据数据控制窗帘、照明等设备005继电器模块高电平触发继电器，控制大电流设备的开关接收单片机的控制信号，控制风扇、电源插座等设备的开关006SSD1306OLED 点阵图形显示驱动器，带控制器接收单片机的显示数据，驱动 OLED 显示屏显示相关信息，如温度、湿度等007风扇模块V、0.2 A 小风扇模块，用于降温和通风接收单片机的控制信号，控制风扇的开关和转速表 2 单片机在智能家居控制系统中的硬件性能改进数据改进项目原性能指标改进后性能指标改进效果处理器速度MHzMHz提高处理速度，实现更快速的响应和控制Flash 存储容量KBKB增加存储容量，支持更复杂的算法和更多功能RAM 容量KBKB扩大 RAM 容量，提高数据处理和多任务处理能力模数转换器（ADC）分辨率10 位12 位提高模拟信号转换精度，准确获取传感器数据通信接口UARTUART、SPI、I2C、CAN增加多种通信接口，方便与其他设备连接和通信电源管理无低功耗模式引入低功耗模式，降低功耗至原来的 50%延长单片机在智能家居系统中的使用寿命 技术与创新 技术与创新 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料84果如表 3 所示。通过软件性能的改进，显著增强了单片机在智能家居控制系统中的功能。从实时任务调度、数据处理、用户交互、网络通信到安全防护，这些软件都使单片机更加智能、高效和安全11。4.3 系统性能改进单片机在智能家居控制系统中的系统性能改进如表 4 所示。经过一系列的测试和验证，最终的测试结果表明，该系统操作简便，反应速度快，为室内智能家居系统的改进设计提供了新的思路。在测试过程中，模拟了各种实际使用场景，包括家庭、办公室等不同环境下的使用情况。结果表明，该系统能够很好地适应各种环境，为用户提供便捷、高效的智能家居服务。该系统的操作非常简便，用户只需通过简单的语音指令或触摸操作即可实现各种智能家居设备的控制。同时，该系统还具备学习能力，能够根据用户的使用习惯和需求进行自我优化和调整，不断提高用户的使用体验。相信在未来的智能家居市场中，该系统将会成为一款备受欢迎的智能家居产品。5 结束语以 ESP32 为主控板结合 OneNET 物联网平台搭建的智能家居控制系统具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力，随着物联网技术的不断发展和普及，系统技术将为用户提供更加先进、便捷和智能的家居体验。参考文献1 王爱利.基于ESP32的智能家居系统的设计与实现D.沈阳:沈阳师范大学,2023.2 周灿.基于云平台和WiFi的智能家居系统设计与实现D.武汉:武汉工程大学,2023.3 何莉,尹晓峰,陈彦,等.KNX在智能家居控制系统中的应用J.造纸装备及材料,2022,51(1):47-49.4 程翔,许正荣,张昆明.基于物联网的智能家居控制系统设计J.传感器与微系统,2021,40(3):106-108,111.5 梁海洁,陈娇英,陈延明.基于嵌入式ARM构架的智能家居控制系统设计J.广西大学学报(自然科学版),2021,46(1):144-149.6 张启龙,陈湘萍.OneNET云平台WiFi远程控制的智能家居系统J.现代电子技术,2020,43(14):25-29.7 黄晓斌.一种基于STM32单片机的多功能智能家居控制系统D.西安:西安电子科技大学,2021.8 余胜贤.基于蓝牙Mesh和WiFi的智能家居控制系统设计与实现D.杭州:杭州电子科技大学,2023.9 李敏波,吴宇,卢晨耀.面向情景感知的物联网设备智能控制系统J.小型微型计算机系统,2021,42(12):2637-2644.10 郎洪林.基于物联网的智能家居监测控制系统研究与设计D.重庆:重庆理工大学,2022.11 刘鹏飞,张微风,吴晨旭,等.基于STM32的智慧家庭设计J.液晶与显示,2021,36(6):876-885.表 3 单片机在智能家居控制系统中的软件性能改进效果改进项目软件功效引入实时操作系统（RTOS）提供实时任务调度和多任务处理能力，确保系统响应速度和稳定性引入数据处理算法库集成各种优化算法，如神经网络、模糊控制等，提高数据处理效率和准确性引入图形化用户界面库支持图形化界面开发，提供直观的交互体验，方便用户操作和控制实现网络通信协议栈实现网络通信功能，支持 MQTT、CoAP 等高级通信协议，实现远程控制和数据上传云端引入安全防护软件提供安全防护机制，如 AES 加密、防火墙等，确保系统安全性和数据保密性表 4 单片机在智能家居控制系统中的系统性能改进改进项目原系统性能改进后系统性能改进效果控制精度温度控制误差 2 温度控制误差 0.5 提高控制精度，提供更舒适的环境设备兼容性支持 10 种不同品牌和型号设备连接支持 50 种以上不同标准和协议的设备连接增强设备兼容性，实现更广泛的设备连接和协同工作智能化程度手动设置和控制语音控制、自适应调节、学习用户习惯等提高智能化程度，更方便、智能地满足用户需求数据处理能力处理速度较慢，容易受干扰提升处理速度，降低干扰影响提高数据处理效率，更准确地控制家居设备系统安全可靠性故障率较高，需频繁维护降低故障率，实现自恢复功能增强系统稳定性和可靠性，减少维护成本和用户不便