基于M2M技術(shù)的家庭智能鏡系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

滕瑋 郭帥民 黃秋斌 潘饒

【摘 要】隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，各類智能化設(shè)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(tǒng)的鏡子作為研究對象，運用M2M技術(shù)對其進行智能化改造，設(shè)計了一個家庭智能鏡系統(tǒng)，具有一定的市場應(yīng)用前景與價值。

【關(guān)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(biāo)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(lǐng)域，無數(shù)大企業(yè)和小公司積極推出相關(guān)產(chǎn)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(yè)還處在技術(shù)推廣階段，關(guān)注產(chǎn)品的易用性和實用性是行業(yè)得到快速的發(fā)展關(guān)鍵，設(shè)計價格低廉、使用方便、擴展性好的智能家居系統(tǒng)已成為當(dāng)前關(guān)注的熱點[2]。本文運用M2M技術(shù)，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(tǒng)，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控、新聞瀏覽、事務(wù)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(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)基于M2M應(yīng)用框架設(shè)計[3]，主要包括智能鏡終端、系統(tǒng)服務(wù)器、Web應(yīng)用端和移動應(yīng)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(tǒng)使用單面透視鏡，將樹莓派嵌在鏡子的反面。當(dāng)屏幕熄滅時用戶看到的是一面普通的鏡子，當(dāng)屏幕亮起時，用戶透過單面鏡就能看到屏幕上所顯示的內(nèi)容，主要包括時間、室內(nèi)溫濕度信息和煙霧狀況，并將這些室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和移動終端訪問;還可以通過網(wǎng)絡(luò)遠程訪問服務(wù)器，獲取當(dāng)日天氣、備忘錄、課程表、新聞等信息。

1.2 M2M應(yīng)用—web端應(yīng)用和移動端APP

系統(tǒng)的應(yīng)用客戶端包括web端應(yīng)用和移動端APP兩個用戶終端。其中，web端應(yīng)用運行于PC端，通過與服務(wù)器的交互，實現(xiàn)對采集的家居環(huán)境數(shù)據(jù)（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(wù)器的交互，獲取并管理各類數(shù)據(jù)，方便用戶及時了解家居環(huán)境及其變化情況，實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程控制。

1.3 M2M平臺-系統(tǒng)后臺服務(wù)器

系統(tǒng)的后臺服務(wù)器是核心模塊，部署在阿里云上。由于整個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)不多，邏輯也并不復(fù)雜，所以將文件、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫都部署在一個服務(wù)器上。一方面，服務(wù)器和智能鏡終端交互。通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器接收智能鏡上傳的室內(nèi)溫濕度、煙霧數(shù)據(jù)等室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，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(wǎng)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(yīng)用（web端應(yīng)用和移動端APP）對室內(nèi)溫濕度、煙霧數(shù)據(jù)、新聞、天氣等數(shù)據(jù)的訪問請求，實現(xiàn)對備忘錄、課表的管理和維護。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計，對各模塊進行設(shè)計與實現(xiàn)。

2.1 智能鏡采集端設(shè)計

智能鏡采集端基于樹莓派開發(fā)，主界面采用的PyQt設(shè)計。PyQt是一個創(chuàng)建GUI應(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)程序，將數(shù)據(jù)顯示在智能鏡上（圖2）;再使用MQTT協(xié)議，智能鏡端作為推送方（publisher）將采集到的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)推送至服務(wù)器，服務(wù)器再將之上傳到數(shù)據(jù)庫。

（2）天氣、新聞信息的獲取與顯示

利用HTTP協(xié)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(tǒng)后臺服務(wù)器，智能鏡終端同樣利用HTTP協(xié)議向服務(wù)器發(fā)送請求，從服務(wù)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(yīng)用和移動端APP

系統(tǒng)web端運用HTML5技術(shù)進行web前端設(shè)計，使用php語言實現(xiàn)與服務(wù)器端的交互。web端應(yīng)用包括管理員和普通用戶兩種身份。當(dāng)普通用戶登錄系統(tǒng)后，就可以向服務(wù)器發(fā)送查詢室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)、備忘錄和課表等的請求。室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)（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(shè)置與更新、刪除等操作。當(dāng)管理員登錄系統(tǒng)后，可以對所有數(shù)據(jù)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(fù)登錄的操作，如圖4所示。

系統(tǒng)移動端基于Android開發(fā)平臺，通過與云服務(wù)器及系統(tǒng)服務(wù)器的交互，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的查詢與顯示、備忘錄的設(shè)置、課表的導(dǎo)入與顯示等功能（圖4-5），方便用戶隨時隨地的了解家居環(huán)境及其變化情況，實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程控制。

2.3 系統(tǒng)后臺服務(wù)器設(shè)計

系統(tǒng)的后臺服務(wù)器部分基于WAMP框架開發(fā)，部署在阿里云上，開源跨平臺，安全可靠。服務(wù)器在與web應(yīng)用端和移動端交互是常規(guī)的B/S和C/S模式，實現(xiàn)功能在3.2中已經(jīng)闡述。服務(wù)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(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取是采用基于MQTT協(xié)議的Publisher/Subscriber模式。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）協(xié)議是一種即時通訊協(xié)議，是現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的重要組成部分[6]。它基于主題發(fā)布，訂閱的體系結(jié)構(gòu)，一般會在中間層設(shè)置代理，Publisher（即本系統(tǒng)的智能鏡采集模塊）發(fā)布主題到代理，Subscriber（即本系統(tǒng)的后臺服務(wù)器）通過訂閱代理來獲取信息，但相比于HTTP協(xié)議MQTT有較低的協(xié)議開銷，可以進行一對多，多對多的通信[6]。

3 總結(jié)

本文基于M2M技術(shù)，選用樹莓派3代作為智能鏡系統(tǒng)的開發(fā)版，運用web開發(fā)和移動終端開發(fā)技術(shù)，設(shè)計了一個智能鏡系統(tǒng)，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(wù)器部署在阿里云上，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。經(jīng)測試，可以實現(xiàn)對室內(nèi)境數(shù)據(jù)的采集與顯示，實現(xiàn)對日常信息的顯示，且界面設(shè)計良好，操作簡單。進一步的工作是實現(xiàn)對室內(nèi)的遠程監(jiān)控功能，實現(xiàn)對圖像的抓拍、視頻的傳輸?shù)裙δ?，使本系統(tǒng)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(yè)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(fā)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(guān)鍵問題研究[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報，2015，33（02）：52-54.

[4]冷靜. 基于M2M的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)平臺設(shè)計及實現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2014.

[5]肖文鵬.用PyQt進行Python下的GUI開發(fā)[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(xié)議在移動互聯(lián)網(wǎng)即時通信中的應(yīng)用[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2016，25（03）：170-176.