林俊強(qiáng)，唐艷鳳，鄭煥坡，馬振豐

（廣州華立學(xué)院，廣東 廣州 511325）

0 引 言

當(dāng)今科技發(fā)展迅速，智慧城市乃至智慧地球建設(shè)被提上日程。智能家居作為智慧城市的基礎(chǔ)單位，與人們的生活息息相關(guān)。一套功能現(xiàn)代化的智能門禁管理系統(tǒng)，既能夠方便用戶的出入，又可以大大提高用戶進(jìn)出的安全性。目前，國(guó)內(nèi)外的智能門禁系統(tǒng)主要有射頻識(shí)別IC卡門禁系統(tǒng)和電子密碼門禁系統(tǒng)、生物識(shí)別接入控制系統(tǒng)，如虹膜識(shí)別、人臉識(shí)別、指紋識(shí)別等等。伴隨著WiFi通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)運(yùn)而生的智能家居技術(shù)也日趨成熟。

本設(shè)計(jì)通過(guò)接入blinker物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)APP和手機(jī)語(yǔ)音助手控制智能門禁完成互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程開關(guān)操作，并且可以通過(guò)光學(xué)指紋驗(yàn)證以及人臉識(shí)別控制無(wú)關(guān)人員的進(jìn)出；通過(guò)樹莓派無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且可以對(duì)多次指紋識(shí)別或人臉識(shí)別錯(cuò)誤認(rèn)證的人員進(jìn)行圖像捕抓。這樣的設(shè)計(jì)既方便了用戶的出入，也可以通過(guò)對(duì)門禁的控制限制無(wú)關(guān)人員的進(jìn)出以提供安全保障；同時(shí)具有人體感應(yīng)功能，可用于檢測(cè)可疑人員和保證在門外無(wú)人的情況下進(jìn)入休眠狀態(tài)以減少電量損耗，達(dá)到節(jié)約環(huán)保、長(zhǎng)續(xù)航工作的效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、易安裝、安全性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，非常容易應(yīng)用于家庭、酒店、工作室、工廠等場(chǎng)所。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以ESP32芯片作為系統(tǒng)主控，并圍繞其設(shè)計(jì)了一系列外圍電路。系統(tǒng)通過(guò)由多種函數(shù)庫(kù)搭建完成的Arduino IDE開發(fā)環(huán)境對(duì)使用IC、SCCB等通信協(xié)議的各類外設(shè)模塊進(jìn)行控制。同時(shí)通過(guò)MQTT協(xié)議接入blinker物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，以ESP32為主控，通過(guò)間接或直接的方式對(duì)外圍電路、外圍模塊進(jìn)行控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ESP-WROOM-32

ESP32配合Arduino IDE編程而不用51單片機(jī)或者STM32單片機(jī)，是因?yàn)橄鄬?duì)于后兩者來(lái)說(shuō)，ESP32體積小巧。這就決定了本設(shè)備主控部分占位小，產(chǎn)品使用輕便、外觀簡(jiǎn)潔，擁有40 nm工藝、雙核32位MCU、2.4 GHz雙模WiFi和藍(lán)牙芯片，主頻高達(dá)230 MHz，計(jì)算能力可達(dá)600 DMIPS，其原理如圖2所示?？赏ㄟ^(guò)WiFi接入網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制智能門禁工作，讓使用者更好地進(jìn)行人機(jī)交互，使用起來(lái)更加方便。ESP32性能強(qiáng)而且功率低，對(duì)比相同性能的主控板，ESP32的性價(jià)比更高。ESP32能使用Arduino IDE進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)程序更加簡(jiǎn)潔易懂、易修改，功能執(zhí)行起來(lái)更加精確。

圖2 ESP32最小系統(tǒng)

2.2 樹莓派4B

樹莓派4B是一臺(tái)迷你的嵌入式計(jì)算機(jī)，支持Raspbian、Ubuntn Mate、OpenELEC、Windows 10 IoT等系統(tǒng)，其CPU采用ARM Cortex-A72 1.5 GHz（四核），具有USB3.0高速傳輸端口，支持高達(dá)4K 30 Hz的雙顯示器并以60 Hz輸出4K視頻。內(nèi)存有1 GB/2 GB/4 GB LPDDR4等型號(hào)可選，功能和性能較強(qiáng)。其接口電路如圖3所示。

圖3 樹莓派接口電路

2.3 AS608光學(xué)指紋模塊

圖4所示的AS608高性能光學(xué)指紋模塊，通過(guò)串口通信從主控系統(tǒng)和電腦接收指紋識(shí)別信息，使用簡(jiǎn)單方便。指紋識(shí)別芯片內(nèi)置DSP運(yùn)算單元并集成了先進(jìn)的指紋識(shí)別算法，具有較高的識(shí)別精度。

圖4 光學(xué)指紋接口電路

2.4 Camer V2攝像頭

Camer V2攝像頭像素達(dá)800萬(wàn)以上，感光芯片為索尼IMX219，有3.15 mm的焦距，對(duì)角視場(chǎng)角有160°，支持1080p30、720p60以及640×480p90視頻錄像，能夠控制拍照和錄制視頻，可用于精確的人臉識(shí)別、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能的操作。

2.5 SSD1306熒屏

圖5所示的SSD1306是一個(gè)單片CMOS OLED/PLED驅(qū)動(dòng)芯片，可以驅(qū)動(dòng)有機(jī)/聚合發(fā)光二極管點(diǎn)陣圖形顯示系統(tǒng)，由128Segments和64Commons組成。該芯片專用公陰極OLED面板設(shè)計(jì)。

圖5 熒屏電路連接圖

SSD1306中采用Adafruit_G FXe庫(kù)于Arduino IDE開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，并嵌入了對(duì)比度控制器、顯示RAM和晶振，因此減少了外部器件和功耗。有256級(jí)亮度控制；數(shù)據(jù)/命令的發(fā)送有三種接口可選擇：6800/8000串口、IC接口或SPI接口。本項(xiàng)目產(chǎn)品作為人機(jī)交互界面，可顯示當(dāng)前時(shí)間、設(shè)備工作狀態(tài)等。

2.6 熱釋電紅外傳感器

圖6所示的熱釋電紅外傳感器對(duì)于人體的敏感度與人的運(yùn)動(dòng)方向有很大的關(guān)系，其探測(cè)元的高熱電材料是一種廣譜材料，探測(cè)波長(zhǎng)范圍為0.2～20 μm；同時(shí)，其本身不散發(fā)任何類型的輻射，功耗小、隱蔽性好，符合該設(shè)備所具有的安全保障性能，且價(jià)格低廉。

因此，在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ),在圓錐曲線的2000多年的發(fā)展史中選取學(xué)生能夠理解且有一定教學(xué)價(jià)值的部分按歷史順序“去支強(qiáng)干”進(jìn)行重組，對(duì)學(xué)生理解有負(fù)面作用的部分作合理改編(例如：橢圓的起源有許多其他猜想，僅選取“削尖的木樁”作為橢圓的起源介紹給學(xué)生)對(duì)難度過(guò)高的內(nèi)容作以調(diào)整(例如:選取圓柱背景的“丹德林球”發(fā)現(xiàn)橢圓的性質(zhì)，而非圓錐背景的“丹德林球”證明發(fā)現(xiàn))，將這些豐富的數(shù)學(xué)文化以符合學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)和認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)形態(tài)呈現(xiàn)給學(xué)生.

圖6 熱釋電紅外傳感器接口電路

2.7 5 V有源蜂鳴器

圖7所示為5 V有源蜂鳴器。由于蜂鳴器振動(dòng)才可以發(fā)聲，所以給有源蜂鳴器加上直流電源時(shí)，內(nèi)部電路會(huì)自動(dòng)地給線圈加上不斷變化的電流，讓磁場(chǎng)吸引音膜不斷地變形，從而會(huì)發(fā)出聲音。

圖7 蜂鳴器接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 工作流程

用戶通過(guò)手機(jī)或電腦對(duì)應(yīng)的IP地址，可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用指紋認(rèn)證、人臉識(shí)別、手機(jī)APP以及手機(jī)語(yǔ)音等認(rèn)證，可打開門鎖。用戶的具體操作流程如圖8所示。

圖8 用戶操作流程

3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

從網(wǎng)絡(luò)安全考慮，本文選擇了樹莓派Linux系統(tǒng)作為服務(wù)器操作平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，可隨時(shí)用手機(jī)或電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、對(duì)攝像頭云臺(tái)操作以及大門開鎖操控。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操作

本文的門禁系統(tǒng)接入blinker物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制。采用Arduino_blinker庫(kù)與接口函數(shù)，并通過(guò)手機(jī)APP或手機(jī)語(yǔ)音的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。利用公有云服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，使該門禁能夠作為智能家居被用戶使用。

3.4 認(rèn)證錯(cuò)誤圖像捕抓、報(bào)警功能

當(dāng)人員進(jìn)行指紋認(rèn)證或人臉識(shí)別認(rèn)證錯(cuò)誤達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，蜂鳴器將進(jìn)行報(bào)警；同時(shí)樹莓派Camer V2攝像頭將對(duì)門禁外的人員進(jìn)行抓拍，并將圖像與抓拍時(shí)間存儲(chǔ)至管理員設(shè)備的管理數(shù)據(jù)庫(kù)中。充分地表現(xiàn)出該門禁系統(tǒng)強(qiáng)大的安全防范功能以及對(duì)人員日常進(jìn)出的管理，同時(shí)對(duì)追蹤不法分子能夠提供有力的幫助。

3.5 光學(xué)指紋認(rèn)證

為了使門禁可以有效控制和管理人員的進(jìn)出并提供快捷方便的開鎖體驗(yàn)，系統(tǒng)接入了AS608光學(xué)指紋感應(yīng)模塊。該模塊采用Adafruit_Fingerprint庫(kù)和Wire庫(kù)于Arduino IDE開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，對(duì)已錄入指紋的用戶能夠通過(guò)連接USB轉(zhuǎn)TTL模塊，以UART異步串口通信的方式與主控ESP32之間進(jìn)行通信，完成對(duì)指紋的采集和比對(duì)，從而達(dá)成指紋認(rèn)證與注冊(cè)。

3.6 人臉識(shí)別

采用樹莓派Camer V2攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像捕抓，并由樹莓派4B上傳至百度AI物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)及識(shí)別功能。用戶將自己的頭像照片經(jīng)過(guò)處理上傳至云平臺(tái)的用戶庫(kù)中。當(dāng)紅外熱釋電人體感應(yīng)模塊感應(yīng)到有人體經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)進(jìn)行一次圖形捕獲，并且上傳到百度AI云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，與百度AI物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)已有用戶庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。若匹配成功，則樹莓派4B執(zhí)行開門指令，ESP32接收到對(duì)應(yīng)指令后發(fā)出開鎖命令。人臉識(shí)別工作過(guò)程如圖9所示。

圖9 人臉識(shí)別工作流程

3.7 監(jiān)控云臺(tái)雙自由度控制

圖10 云臺(tái)控制界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

圖11所示為測(cè)試設(shè)備原型及調(diào)試場(chǎng)景。具體測(cè)試過(guò)程和結(jié)果如下：

圖11 設(shè)備原型及調(diào)試場(chǎng)景

（1）各種方式認(rèn)證開鎖測(cè)試：接通電源，即可進(jìn)行指紋認(rèn)證解鎖。當(dāng)門禁系統(tǒng)通過(guò)家庭WiFi接入網(wǎng)絡(luò)后，手機(jī)APP將顯示設(shè)備在線，可以通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程控制、進(jìn)行人臉識(shí)別認(rèn)證和開鎖操作。經(jīng)多次可靠性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)各種方式認(rèn)證速度較快、誤判率低，可通過(guò)門禁系統(tǒng)安全可靠地進(jìn)行人員進(jìn)出管理工作。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試：系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)后，用戶能夠正常通過(guò)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和對(duì)攝像頭云臺(tái)進(jìn)行控制。

（3）人員進(jìn)出記錄測(cè)試：門禁系統(tǒng)啟動(dòng)后，當(dāng)有人員進(jìn)出或進(jìn)行認(rèn)證，無(wú)論是否認(rèn)證成功，都會(huì)對(duì)人員姓名、認(rèn)證時(shí)間進(jìn)行記錄，且管理員能夠通過(guò)接入該系統(tǒng)導(dǎo)出該記錄日志進(jìn)行查看和管理。

（4）多次認(rèn)證失敗圖像捕抓和警報(bào)功能測(cè)試：系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)后，能夠?qū)Χ啻握J(rèn)證錯(cuò)誤的人員或長(zhǎng)時(shí)間逗留人員進(jìn)行圖像捕抓并且令蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，然后將圖像上傳至管理員設(shè)備。經(jīng)過(guò)多次可靠性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的圖像捕抓速度和上傳速度都較快，充分地表現(xiàn)出該門禁系統(tǒng)強(qiáng)大的安全防范功能以及對(duì)人員日常進(jìn)出的管理功能，同時(shí)能為追蹤不法分子提供有力的幫助。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)存在鑰匙管理不便、安全性差等問(wèn)題，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了使用手機(jī)APP和手機(jī)語(yǔ)音助手控制智能門禁完成互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程開關(guān)操作，并且可以通過(guò)光學(xué)指紋驗(yàn)證以及人臉識(shí)別控制無(wú)關(guān)人員的進(jìn)出；通過(guò)樹莓派無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且可以對(duì)多次指紋識(shí)別或人臉識(shí)別認(rèn)證錯(cuò)誤的人員進(jìn)行圖像捕抓。既方便了用戶的出入，也可以通過(guò)對(duì)門禁的控制限制無(wú)關(guān)人員的進(jìn)出，以提供安全保障。在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步優(yōu)化該門禁系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)和功能，從而提高該門禁系統(tǒng)的精確性與智能性。