基于STM32的人臉識別門禁系統的設計

胡慧之 陳從悅 惠蘊心 秦瑤

摘要：為了提高智能門禁的安全性和控制設計成本，本文提出了基于STM32的人臉識別門禁系統的設計方案。系統以STM32單片機為控制核心，以串口觸摸屏為人機交互窗口，以家用USB攝像頭為圖像采集設備，以WIFI模塊傳輸圖像數據和匹配結果，實現了刷臉開鎖。通過測試，系統功能穩定，且易于實現，具有一定的應用價值。

關鍵詞：STM32;人臉識別;智能門禁;WIFI模塊

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）34-0176-02

1 引言

隨著科技的迅猛發展和人們物質水平的提高，人們對居住安全的要求也越來越高。門禁控制作為安全防范系統的重要組成部分，越來越受到人們的關注。鑰匙、密碼鍵盤、IC卡等傳統方式在使用過程中存在取用不便、易丟失、易竊取等缺陷，安全性較低，已無法滿足現代人的需要。

近年來，隨著生物識別技術的不斷發展與成熟，其具有的便攜性、非易失性、不會被遺忘、難盜用等優勢也逐步應用到門禁系統中。常見的生物識別技術有：指紋、虹膜、語音、人臉等多種識別方式[1]。雖然人臉識別容易受到光照強度、采集角度等諸多因素的影響，但它具有非接觸式、可在人們毫無察覺的情況下進行圖像采集和不易被仿造、識別率較高的優勢，具有廣泛的應用價值和市場前景。因此，本文將人臉識別技術和智能門禁系統有機結合，設計了一種使用方便、可靠性高、應用范圍廣的新型智能門禁系統。

2 系統總體方案設計

本系統主要以 STM32系列單片機作為微控制器，以串口觸摸屏為人機交互窗口，以家用USB攝像頭為圖像采集設備，另外加入了人體紅外感應模塊、LED燈和語音提示等部件，系統總體設計框圖如圖1所示。

當人體紅外檢測模塊檢測到人體時，USB攝像頭采集圖像，通過WIFI上傳至上位機，與預先存儲的用戶人臉圖像數據進行識別匹配，匹配完成后再將結果經由WIFI發送回STM32單片機。STM32單片機根據接收到的信息控制門鎖的開合，并在串口觸摸屏上顯示相關信息，同時輔以語音提示。若在光線較暗的情況下檢測到人體，可由STM32單片機驅動LED燈進行照明，提高人體識別的準確度。

3 硬件設計

3.1 主控模塊設計

本系統選用的主控芯片是STM32F103，它是首款基于ARMv7-M體系結構的32位標準RISC（精簡指令集）處理器，具有執行代碼效率高，外設資源豐富等眾多優點。該系列微處理器工作頻率設定在72MHz，有高達128K字節的內置Flash存儲器和20K字節的SRAM，方便程序編寫，而且具有豐富的通用I/O端口。其最小系統電路主要由主控芯片、電源模塊、時鐘電路、復位電路、JTAG調試接口電路和啟動模式選擇電路組成。

3.2 WIFI模塊

本系統選擇OpenWRT WIFI模塊實現圖像傳輸、圖像的實時顯示以及匹配結果的傳輸，在上位機中使用MySQL數據庫存儲用戶信息及開門記錄。OpenWRT是一個高度模塊化與自動化的嵌入式Linux系統，裝載有強大的網絡接口，并且具有很強的擴展性[2]。本WIFI模塊的核心芯片是高通AR9331，集成MIPS 24K內核、1個五端口百兆以太網交換機、高速串口和USB2.0 Host/Device接口[3]，最高主頻400MHz，板載64MB DDR2 RAM和8MB flash;支持 IEEE802.11 b/g/n，無線傳輸速率最大150Mbps，無線傳輸距離100m。WIFI模塊與STM32單片機的連接如圖2所示，通過串口進行通信，WIFI模塊的RXD接STM32的TXD，TXD接STM32的RXD。

3.3 串口觸摸屏模塊

本系統選用可編程的串口觸摸屏實現人機交互，它擁有先進的人機界面處理系統和美觀的嵌入式圖形界面。串口屏是由液晶屏+單片機+存儲器三部分構成的，由計算機將圖片和漢字點陣通過GpuMaker程序預先存儲到串口屏的存儲器中，然后由單片機通過串口發送指令調用顯示即可。在串口屏上還可以設置熱區，當觸摸熱區時，串口屏會返回熱區編號給單片機，單片機識別后進行相應的控制。

本系統選用的4.6寸的串口觸摸屏有4 個標準的引出腳+5v、RX、TX、GND;支持波特率2400～256000，存儲器8M，自帶漢字庫，支持橫豎屏顯示;支持點，線，圓，方框，填充框等基本圖形顯示;內部集成觸摸屏標準界面，支持32個熱區。串口屏接口電路如圖3所示，VCC5（+5V） 和DGND 對等連接，串口屏的RX接STM32的TX，TX接STM32的RX。

3.4 人體紅外檢測模塊

本系統中使用紅外熱釋電傳感器來感應人體，只有當檢測到人體時，由單片機啟動攝像頭進行圖像采集并進行數據傳輸，以此減小系統功耗。本系統選用的紅外檢測模塊是微型SR602人體感應模塊，此模塊靈敏度高，響應速度快，靜態功耗小、體積小巧。模塊工作電壓為3.3V～15V，可全自動感應，感應距離0～5米;在感應范圍內感應到人體后，輸出高電平，可重復觸發;IC置于鐵殼內，抗干擾能力強，EMI小。模塊為數字開關量輸出，輸出腳OUT可直接連接單片機通用I/O端口。

3.5 語音提示模塊

本系統選擇XFS5152CE語音合成芯片實現系統工作時的狀態播報，如：當系統啟動時播報“人臉識別門禁系統已就緒！”;當人臉識別成功開鎖后，播報“門已打開”等，同時可通過按鍵來控制音量。XFS5152CE是一款高集成度的語音合成芯片，可實現中文、英文語音合成;并集成了語音編碼、解碼功能，可支持用戶進行錄音和播放;除此之外，還創新性地集成了輕量級的語音識別功能，支持30個命令詞的識別，并且支持用戶的命令詞定制需求。它支持UART、I2C、SPI三種通訊方式，UART串口支持4種通訊波特率可設：4800 bps、9600bps、57600bps、115200bps。本系統中采用的是串口通信模式。

4 軟件設計

系統軟件設計分為單片機程序和上位機程序兩部分。單片機部分程序主要由系統主程序、底層驅動程序、各功能模塊子程序組成，各程序均由獨立的C語言文件編寫。主程序流程圖如圖5所示。系統軟硬件配置好后，首先對系統進行初始化處理，確定整個系統正常運行。當在感應區內檢測到人體時，打開攝像頭進行圖像采集并通過WIFI上傳至上位機，在上位機中將采集到人臉信息與庫中保存的人臉信息進行匹配，匹配完成后再將結果通過WIFI傳給單片機，由單片機控制相應部件工作。

上位機軟件主要完成人臉識別任務，可以通過軟件平臺對系統進行開發。選擇合適的軟件平臺，不僅能給開發人員帶來方便，而且還能節省開發時間。本文選用Linux操作系統和OpenCV開源計算機視覺庫進行系統軟件開發。OpenCV應用的系統很多，它的移植性強，其庫函數大部分為C函數，源代碼完全對外開放，包含很多圖像處理和計算機視覺方面的算法，并且代碼基本免費，所以對于開發人員來說是一個很好的選擇。

5 結束語

本文介紹了基于STM32單片機的智能門禁系統的設計方案及實現過程，系統以高性能單片機、串口觸摸屏、攝像頭、WIFI模塊等核心部件實現了人臉識別門禁功能。通過測試表明，已錄入系統的用戶可通過人臉識別實現開鎖功能，并能通過串口屏人機交互實現刪除用戶、增加用戶等功能。系統的人臉信息采集通過家用USB攝像頭，人臉識別功能是通過WIFI傳輸到上位機上完成，整個系統兼容性高、可移植性強。

參考文獻：

[1] 譚鐵牛.智能化時代生物識別的機遇與挑戰[J].重慶理工大學學報，2015（10）.

[2] 張浩.基于WIFI可視化門禁系統的設計與實現.信息技術與信息化方案與應用，2018（4）.

[3] 張萍，等.基于Android平臺的WIFI遙控智能小車的設計.計算機測量與控制，2018，26（6）.

【通聯編輯：光文玲】