基于M2M技術的家庭智能鏡系統設計與實現

滕瑋 郭帥民 黃秋斌 潘饒

【摘 要】隨著物聯網技術的迅速發展，各類智能化設備層出不窮，在智能家居中扮演了十分重要的作用。本文將傳統的鏡子作為研究對象，運用M2M技術對其進行智能化改造，設計了一個家庭智能鏡系統，具有一定的市場應用前景與價值。

【關鍵詞】智能家居;智能鏡;M2M;樹莓派

中圖分類號： TN929.5;TP391.44;TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）07-0017-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.006

【Abstract】With the rapid development of the Internet of Things technology， various types of intelligent devices emerged which play a very important role in smart homes. In this paper， the traditional mirror is taken as the research object. A home intelligent mirror system is designed based on M2M technology， which has certain market application prospects and value.

【Key words】Smart home; Smart mirror; M2M; Raspberry Pi

0 引言

2014年被譽為是智能家居的元年，幾乎所有家電巨頭都進軍智能家電領域，無數大企業和小公司積極推出相關產品。目前，全球智能家居市場容量排名前五的國家分別是：美國、日本、德國、中國、英國[1]。我國智能家居行業還處在技術推廣階段，關注產品的易用性和實用性是行業得到快速的發展關鍵，設計價格低廉、使用方便、擴展性好的智能家居系統已成為當前關注的熱點[2]。本文運用M2M技術，基于樹莓派（Raspberry Pi）平臺，將常用的鏡子改造為一個智能鏡系統，實現對室內環境的監控、新聞瀏覽、事務提醒、課程表等功能，方便實用，是智能家居的重要組成部分。

1 系統設計

本系統基于M2M應用框架設計[3]，主要包括智能鏡終端、系統服務器、Web應用端和移動應用APP端，如圖1所示。

1.1 M2M終端-智能鏡模塊

智能鏡，顧名思義，就是將普通鏡子智能化。本系統使用單面透視鏡，將樹莓派嵌在鏡子的反面。當屏幕熄滅時用戶看到的是一面普通的鏡子，當屏幕亮起時，用戶透過單面鏡就能看到屏幕上所顯示的內容，主要包括時間、室內溫濕度信息和煙霧狀況，并將這些室內環境數據上傳至服務器，方便實現數據管理和移動終端訪問;還可以通過網絡遠程訪問服務器，獲取當日天氣、備忘錄、課程表、新聞等信息。

1.2 M2M應用—web端應用和移動端APP

系統的應用客戶端包括web端應用和移動端APP兩個用戶終端。其中，web端應用運行于PC端，通過與服務器的交互，實現對采集的家居環境數據（溫濕度、煙霧情況）、備忘錄、課表等的查詢、更新和刪除等操作。移動端APP亦可通過與服務器的交互，獲取并管理各類數據，方便用戶及時了解家居環境及其變化情況，實現對系統的遠程控制。

1.3 M2M平臺-系統后臺服務器

系統的后臺服務器是核心模塊，部署在阿里云上。由于整個系統的業務不多，邏輯也并不復雜，所以將文件、應用程序、數據庫都部署在一個服務器上。一方面，服務器和智能鏡終端交互。通過有線網絡或無線網絡，服務器接收智能鏡上傳的室內溫濕度、煙霧數據等室內環境數據，并對其進行存儲、管理與維護;同時，訪問開放的天氣信息源和新聞信息源（新浪新聞網的世界新聞），并將天氣和新聞推送到智能鏡端顯示。一方面，接收M2M應用（web端應用和移動端APP）對室內溫濕度、煙霧數據、新聞、天氣等數據的訪問請求，實現對備忘錄、課表的管理和維護。

2 系統實現

根據系統總體設計，對各模塊進行設計與實現。

2.1 智能鏡采集端設計

智能鏡采集端基于樹莓派開發，主界面采用的PyQt設計。PyQt是一個創建GUI應用的工具包，是Python與QT庫的成功融合[5]。主界面如圖2所示。

（1）溫濕度傳感器及煙霧傳感器數據的采集

將DHT11溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器直接連接在樹莓派的GPIO引腳上。其中， DHT11的引腳接線方式是VCC端接5v電壓，即樹莓派（BOARD）的4號引腳，接地端接6號引腳，DATA接11號引腳。MQ-2煙霧傳感器擁有四個管腳，即VCC、GND、DOUT和AOUT。VCC和GND接線方式同前，沒有使用AOUT端。因為是用DOUT端去判斷煙霧濃度是否超過閾值，超出則報警，所以只需要將DOUT端端與樹莓派的7引腳相連接即可。通過運行采集數據程序，將數據顯示在智能鏡上（圖2）;再使用MQTT協議，智能鏡端作為推送方（publisher）將采集到的室內環境數據推送至服務器，服務器再將之上傳到數據庫。

（2）天氣、新聞信息的獲取與顯示

利用HTTP協議通信，訪問的天氣信息源（url=http：//wthrcdn.etouch.cn）和新浪新聞信息源（url=http：//news.sina.com.cm/worl）并獲取天氣和新聞信息，將獲取的信息處理為json格式，最后返回至智能鏡終端顯示（圖2）。

（3）備忘錄、課表信息的獲取與顯示

備忘錄信息和課表信息存放在系統后臺服務器，智能鏡終端同樣利用HTTP協議向服務器發送請求，從服務器端得到備忘錄信息并在智能鏡終端上顯示（圖2）。

2.2 web端應用和移動端APP

系統web端運用HTML5技術進行web前端設計，使用php語言實現與服務器端的交互。web端應用包括管理員和普通用戶兩種身份。當普通用戶登錄系統后，就可以向服務器發送查詢室內環境數據、備忘錄和課表等的請求。室內環境數據（溫濕度、煙霧情況）用折線圖的形式顯示，如圖3所示。用戶可以進行備忘錄的設置與更新、刪除等操作。當管理員登錄系統后，可以對所有數據庫中信息進行管理，亦可以對于普通用戶進行禁止登錄或者恢復登錄的操作，如圖4所示。

系統移動端基于Android開發平臺，通過與云服務器及系統服務器的交互，實現對室內環境數據的查詢與顯示、備忘錄的設置、課表的導入與顯示等功能（圖4-5），方便用戶隨時隨地的了解家居環境及其變化情況，實現對系統的遠程控制。

2.3 系統后臺服務器設計

系統的后臺服務器部分基于WAMP框架開發，部署在阿里云上，開源跨平臺，安全可靠。服務器在與web應用端和移動端交互是常規的B/S和C/S模式，實現功能在3.2中已經闡述。服務器在與智能鏡進行交互時，智能鏡對天氣、新聞、備忘錄等信息的請求，也是C/S模式。

但是對采集的室內環境數據的獲取是采用基于MQTT協議的Publisher/Subscriber模式。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）協議是一種即時通訊協議，是現代的物聯網應用中的重要組成部分[6]。它基于主題發布，訂閱的體系結構，一般會在中間層設置代理，Publisher（即本系統的智能鏡采集模塊）發布主題到代理，Subscriber（即本系統的后臺服務器）通過訂閱代理來獲取信息，但相比于HTTP協議MQTT有較低的協議開銷，可以進行一對多，多對多的通信[6]。

3 總結

本文基于M2M技術，選用樹莓派3代作為智能鏡系統的開發版，運用web開發和移動終端開發技術，設計了一個智能鏡系統，具有價格低、操作方便、可維護和可擴展性好的特點。同時，將服務器部署在阿里云上，縮短了開發周期，降低了開發成本。經測試，可以實現對室內境數據的采集與顯示，實現對日常信息的顯示，且界面設計良好，操作簡單。進一步的工作是實現對室內的遠程監控功能，實現對圖像的抓拍、視頻的傳輸等功能，使本系統進一步完善，以滿足人們對智能家居的需要。

【參考文獻】

[1]2018-2024年中國智能家居行業分析與投資決策咨詢報告[R]，智研咨詢集團，2018年1月.

[2]樂軍.智能家居市場將迎來爆發式增長[N]. 中國消費報，2017-03-30（003）.

[3]馮英偉，范晶晶，王慶福.基于M2M的智能家居關鍵問題研究[J].河北建筑工程學院學報，2015，33（02）：52-54.

[4]冷靜. 基于M2M的物聯網網關平臺設計及實現[D].西安電子科技大學，2014.

[5]肖文鵬.用PyQt進行Python下的GUI開發[J].中文信息，2002（07）：73-75.

[6]馬躍，孫翱，賈軍營，孫建偉，于碧輝，楊雪華.MQTT協議在移動互聯網即時通信中的應用[J].計算機系統應用，2016，25（03）：170-176.