基于M2M技术的家庭智能镜系统设计与实现

滕玮 郭帅民 黄秋斌 潘饶

【摘 要】随着物联网技术的迅速发展，各类智能化设备层出不穷，在智能家居中扮演了十分重要的作用。本文将传统的镜子作为研究对象，运用M2M技术对其进行智能化改造，设计了一个家庭智能镜系统，具有一定的市场应用前景与价值。

【关键词】智能家居;智能镜;M2M;树莓派

中图分类号： TN929.5;TP391.44;TP277 文献标识码： A 文章编号： 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年被譽为是智能家居的元年，几乎所有家电巨头都进军智能家电领域，无数大企业和小公司积极推出相关产品。目前，全球智能家居市场容量排名前五的国家分别是：美国、日本、德国、中国、英国[1]。我国智能家居行业还处在技术推广阶段，关注产品的易用性和实用性是行业得到快速的发展关键，设计价格低廉、使用方便、扩展性好的智能家居系统已成为当前关注的热点[2]。本文运用M2M技术，基于树莓派（Raspberry Pi）平台，将常用的镜子改造为一个智能镜系统，实现对室内环境的监控、新闻浏览、事务提醒、课程表等功能，方便实用，是智能家居的重要组成部分。

1 系统设计

本系统基于M2M应用框架设计[3]，主要包括智能镜终端、系统服务器、Web应用端和移动应用APP端，如图1所示。

1.1 M2M终端-智能镜模块

智能镜，顾名思义，就是将普通镜子智能化。本系统使用单面透视镜，将树莓派嵌在镜子的反面。当屏幕熄灭时用户看到的是一面普通的镜子，当屏幕亮起时，用户透过单面镜就能看到屏幕上所显示的内容，主要包括时间、室内温湿度信息和烟雾状况，并将这些室内环境数据上传至服务器，方便实现数据管理和移动终端访问;还可以通过网络远程访问服务器，获取当日天气、备忘录、课程表、新闻等信息。

1.2 M2M应用—web端应用和移动端APP

系统的应用客户端包括web端应用和移动端APP两个用户终端。其中，web端应用运行于PC端，通过与服务器的交互，实现对采集的家居环境数据（温湿度、烟雾情况）、备忘录、课表等的查询、更新和删除等操作。移动端APP亦可通过与服务器的交互，获取并管理各类数据，方便用户及时了解家居环境及其变化情况，实现对系统的远程控制。

1.3 M2M平台-系统后台服务器

系统的后台服务器是核心模块，部署在阿里云上。由于整个系统的业务不多，逻辑也并不复杂，所以将文件、应用程序、数据库都部署在一个服务器上。一方面，服务器和智能镜终端交互。通过有线网络或无线网络，服务器接收智能镜上传的室内温湿度、烟雾数据等室内环境数据，并对其进行存储、管理与维护;同时，访问开放的天气信息源和新闻信息源（新浪新闻网的世界新闻），并将天气和新闻推送到智能镜端显示。一方面，接收M2M应用（web端应用和移动端APP）对室内温湿度、烟雾数据、新闻、天气等数据的访问请求，实现对备忘录、课表的管理和维护。

2 系统实现

根据系统总体设计，对各模块进行设计与实现。

2.1 智能镜采集端设计

智能镜采集端基于树莓派开发，主界面采用的PyQt设计。PyQt是一个创建GUI应用的工具包，是Python与QT库的成功融合[5]。主界面如图2所示。

（1）温湿度传感器及烟雾传感器数据的采集

将DHT11温湿度传感器和MQ-2烟雾传感器直接连接在树莓派的GPIO引脚上。其中， DHT11的引脚接线方式是VCC端接5v电压，即树莓派（BOARD）的4号引脚，接地端接6号引脚，DATA接11号引脚。MQ-2烟雾传感器拥有四个管脚，即VCC、GND、DOUT和AOUT。VCC和GND接线方式同前，没有使用AOUT端。因为是用DOUT端去判断烟雾浓度是否超过阈值，超出则报警，所以只需要将DOUT端端与树莓派的7引脚相连接即可。通过运行采集数据程序，将数据显示在智能镜上（图2）;再使用MQTT协议，智能镜端作为推送方（publisher）将采集到的室内环境数据推送至服务器，服务器再将之上传到数据库。

（2）天气、新闻信息的获取与显示

利用HTTP协议通信，访问的天气信息源（url=http：//wthrcdn.etouch.cn）和新浪新闻信息源（url=http：//news.sina.com.cm/worl）并获取天气和新闻信息，将获取的信息处理为json格式，最后返回至智能镜终端显示（图2）。

（3）备忘录、课表信息的获取与显示

备忘录信息和课表信息存放在系统后台服务器，智能镜终端同样利用HTTP协议向服务器发送请求，从服务器端得到备忘录信息并在智能镜终端上显示（图2）。

2.2 web端应用和移动端APP

系统web端运用HTML5技术进行web前端设计，使用php语言实现与服务器端的交互。web端应用包括管理员和普通用户两种身份。当普通用户登录系统后，就可以向服务器发送查询室内环境数据、备忘录和课表等的请求。室内环境数据（温湿度、烟雾情况）用折线图的形式显示，如图3所示。用户可以进行备忘录的設置与更新、删除等操作。当管理员登录系统后，可以对所有数据库中信息进行管理，亦可以对于普通用户进行禁止登录或者恢复登录的操作，如图4所示。

系统移动端基于Android开发平台，通过与云服务器及系统服务器的交互，实现对室内环境数据的查询与显示、备忘录的设置、课表的导入与显示等功能（图4-5），方便用户随时随地的了解家居环境及其变化情况，实现对系统的远程控制。

2.3 系统后台服务器设计

系统的后台服务器部分基于WAMP框架开发，部署在阿里云上，开源跨平台，安全可靠。服务器在与web应用端和移动端交互是常规的B/S和C/S模式，实现功能在3.2中已经阐述。服务器在与智能镜进行交互时，智能镜对天气、新闻、备忘录等信息的请求，也是C/S模式。

但是对采集的室内环境数据的获取是采用基于MQTT协议的Publisher/Subscriber模式。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）协议是一种即时通讯协议，是现代的物联网应用中的重要组成部分[6]。它基于主题发布，订阅的体系结构，一般会在中间层设置代理，Publisher（即本系统的智能镜采集模块）发布主题到代理，Subscriber（即本系统的后台服务器）通过订阅代理来获取信息，但相比于HTTP协议MQTT有较低的协议开销，可以进行一对多，多对多的通信[6]。

3 总结

本文基于M2M技术，选用树莓派3代作为智能镜系统的开发版，运用web开发和移动终端开发技术，设计了一个智能镜系统，具有价格低、操作方便、可维护和可扩展性好的特点。同时，将服务器部署在阿里云上，缩短了开发周期，降低了开发成本。经测试，可以实现对室内境数据的采集与显示，实现对日常信息的显示，且界面设计良好，操作简单。进一步的工作是实现对室内的远程监控功能，实现对图像的抓拍、视频的传输等功能，使本系统进一步完善，以满足人们对智能家居的需要。

【参考文献】

[1]2018-2024年中国智能家居行业分析与投资决策咨询报告[R]，智研咨询集团，2018年1月.

[2]乐军.智能家居市场将迎来爆发式增长[N]. 中国消费报，2017-03-30（003）.

[3]冯英伟，范晶晶，王庆福.基于M2M的智能家居关键问题研究[J].河北建筑工程学院学报，2015，33（02）：52-54.

[4]冷静. 基于M2M的物联网网关平台设计及实现[D].西安电子科技大学，2014.

[5]肖文鹏.用PyQt进行Python下的GUI开发[J].中文信息，2002（07）：73-75.

[6]马跃，孙翱，贾军营，孙建伟，于碧辉，杨雪华.MQTT协议在移动互联网即时通信中的应用[J].计算机系统应用，2016，25（03）：170-176.