可遠程控制的人臉識別智能宿舍門鎖的設計

南京工程學院信息與通信工程學院 劉廷泰 王斌 唐蕾 劉攀鋒 金擇真

引言

如今，在學校宿舍中，很容易出現學生忘帶鑰匙的情況，在此情況下，如果宿舍沒有人，需要找宿管才可開門，不是很方便。同時，學生間相互串宿舍也是很常見的現象，但是如果宿舍里的人都離門比較遠，且在手頭都有事情做的情況下，跑去門邊開門不僅會浪費時間，還有可能會打斷當前所在進行的工作。伴隨著時代技術的發展，人臉識別技術的進一步成熟，針對以上的問題，設計出一種可遠程控制的人臉識別門鎖。通過人臉識別開啟門鎖，非接觸式、基于生物識別的解鎖方式無須攜帶鑰匙，可以使生活更方便、快捷；同時，在宿舍內不移動的情況下通過開關遠程控制門鎖開啟，可以免去生活中的一些煩瑣，在帶來便捷性的時候能夠提高生活質量[1]。

1 系統總體設計

本門鎖由三個主要控制模塊組成，分別是低電壓控制設備、高電壓受控設備和上機位控制端。其中，低電壓控制設備模塊包括樹莓派攝像頭和樹莓派4B 組成；高電壓受控設備由電磁鎖組成； 上機位控制端模塊由控制按鍵、STC89C52 單片機和LCD1602 顯示屏組成。其中由低電壓控制設備和高電壓受控設備組合成門鎖的本體，通過繼電器來連接；低電壓控制設備與上機位控制端以ZigBee 串口通信模塊連接[2]。

圖1 總體設計圖

在該設計中，人臉識別用于從室外開啟門鎖，宿舍舍員可以通過刷臉的方式打開門鎖，同時可在室內上機位的LCD1602 顯示器上讀出開啟門鎖的人員信息；當有別的宿舍人需要進門的時候，宿舍里面的人員可以通過室內上機位的控制按鍵來開啟門鎖[3]。此設計方案可以很好地解決“開門”問題，宿舍內的人員開門不再需要鑰匙了，可以使生活更方便；當有別的宿舍的需要進入，也不需要室內的人跑到門邊開門了。

2 門鎖的設計

門鎖本體由低電壓控制設備和高電壓受控設備組成。門鎖主要由攝像頭、樹莓派4B 開發板、繼電器、電磁鎖、ZigBee 串口通信模塊及兩個電源（一個為DC5V3A，另一個為DC24V）構成。其電路連接圖如下：

圖2 門鎖電路連接圖

攝像頭和樹莓派4B 開發板間通過樹莓派CIS 視頻接口連接；繼電器的IN 端與樹莓派開發板的GPIO17 口連接；繼電器的COM端連接DC24V 電源的正極，NO 端連接電磁鎖的正極；Zig-Bee 串口通信模塊通過UART 接口與樹莓派開發板連接；電磁鎖的負極與DC24V 電源的負極相連。

本設計中的門鎖需要預先通過攝像頭采集宿舍人員的臉部圖像，并將圖像傳送給微處理器分析、提取數據，并保存在數據庫中；當宿舍人員需要開門時，攝像頭會自動采集人員臉部圖片，在提取、分析數據后，與數據庫中數據進行對比，當數據置信度達到閾值75%時，身份驗證成功，此時樹莓派4B 的GPIO17口會給繼電器一個高電平觸發信號，繼電器收到信號后，會連接COM端和NO 端，讓電磁鎖通路，從而使電磁鎖舌被磁力吸引，門鎖開啟，成功開門，同時，當人臉數據與數據庫對比后，樹莓派會把開啟門鎖的人員姓名及時間通過ZigBee 串口通信模塊發送到上機位；兩秒后，樹莓派向繼電器發送的信號會恢復成低電平信號，繼電器收到信號后，會斷開COM端和NO 端的連接，電磁鎖被斷路，電磁鎖舌在失去電磁力吸引的情況下彈出，門鎖再次鎖上。

3 室內控制器的設計

為了方便在室內控制開啟門鎖，我們還設計了門鎖對應的上機位——室內控制器。該控制器由STC89C52 單片機、控制按鍵、LCD1602 顯示屏、ZigBee 串口通信模塊和DC5V 電源組成。

圖3 上機位電路連接圖

當有宿舍的人通過刷臉開門時，室內控制器會通過ZigBee串口通信模塊接收從門鎖發送過來的人員信息和開鎖時間，并在LCD1602 顯示器上顯示出來；當有其他宿舍的人串門時，室內人員可按下室內控制器上的控制按鍵，此時單片機通過ZigBee串口通信模塊向樹莓派發送開鎖信號，從而開門。

4 軟件設計

系統軟件分為樹莓派上的人臉識別門鎖程序和上機位室內控制器單片機程序兩部分。人臉識別門鎖程序由Python 編寫，需要配置OpenCV 環境；單片機程序由C 語言編寫。

當系統啟動，門鎖會自動檢測控制器是否發送開鎖的信號。如果有開鎖信號，就會直接打開門鎖，同時室內控制器的顯示屏上會顯示開鎖成功。如果沒有開鎖信號，門鎖會自動檢測是否有用戶，當用戶出現，會通過人臉檢測采集人臉圖像并進行特征提取，然后將特征數據與數據庫中數據進行特征對比，由此判斷身份，如果身份驗證成功，門鎖會打開，并且人員信息會發送給室內控制端，并在顯示器上顯示出來；如果身份驗證失敗，則無法打開門鎖。

圖4 軟件工作流程圖

5 結語

隨著科技發展，人臉識別技術日趨成熟，人臉識別門鎖的安全性得到了一定的保證。同時相對傳統的鑰匙開鎖，人臉識別門鎖無須攜帶鑰匙，使得生活變得更加簡單，也更符合時代潮流的發展。在人臉識別門鎖中加入遠程控制的功能，能夠在此基礎上進一步方便宿舍生活，解決了跑去門邊開鎖的煩瑣過程，可以大大提高宿舍生活的質量。