樹莓派和STM32的智能門禁系統

華南農業大學電子工程學院、人工智能學院 魏寶源 梁文添 梁俊軒 徐梅宣

針對當前居家普遍使用的傳統機械門鎖存在的易破解、易損壞、自動化程度不高的情況，本文提出基于樹莓派和STM32的智能門禁系統。該系統通過攝像頭對開門者進行人臉識別及監控，通過指紋識別模塊進行指紋識別，結合顯示屏實現人機交互。針對正確的解鎖信息，系統建立樹莓派與STM32的串口通信，接收解鎖信號并控制電磁鎖進行開關鎖動作；同時，系統通過pistreaming進行監控圖像遠程傳送，通過SMTP協議進行異常開鎖提醒功能。系統具有高識別率、方便快捷，可廣泛應用于住宅門鎖領域。

門鎖作為人們居家必備的生活用具，成為保護個人隱私和財產安全的第一道防線。2019年，據公安部統計數據顯示，我國因入室盜竊造成的家庭經濟損失超過11300億元，其中撬鎖入室的比例接近80%。罪犯不斷升級的盜竊技能使傳統機械鎖鎖的防護功能遭受巨大考驗，傳統機械鎖結構簡單，安全性能低下，居民的個人和財產安全難以得到良好保障。隨著智能家居的快速發展和應用，智能化的門鎖系統因其更高的便捷性、安全性和實用性，成為門鎖系統的設計趨勢。

1 系統功能及總體設計

該系統主要研究生物信息識別功能，以STM32單片機和樹莓派作為系統核心處理器，結合外接模塊實現家居門鎖的人臉識別、指紋識別、密碼解鎖功能，訪客到訪提醒功能以及遠程監控報警功能，提供全面的門鎖安全服務。該系統由解鎖信息采集系統、預警提醒系統、開鎖執行系統組成，系統的總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 實現原理及流程

2.1 解鎖信息采集系統

（1）人臉識別模塊

系統由樹莓派、CSI攝像頭、HDMI觸摸屏組成，人臉識別監控預警流程如圖2所示。

圖2 人臉識別監控預警流程圖

預先在上位機云端建立人臉庫，本系統投入使用時，利用CSI攝像頭對進入采集區的人臉進行拍攝，將人臉數據與人臉數據庫中人臉信息進行匹配，當匹配成功時，樹莓派向STM32發送解鎖信號， STM32通過UART串口接收解鎖信號后驅動硬件完成開鎖動作。當匹配不成功時，樹莓派通過SMTP協議向住戶的移動終端發送郵件、微信小程序提醒，住戶可通過移動終端Web瀏覽器查看實時監控。

（2）指紋識別模塊

該模塊由指紋識別和顯示一體化模塊及STM32處理器組成。指紋識別模塊內置手指探測電路，實時檢測指紋按壓情況。當檢測到開鎖行為時對指紋進行匹配，通過電容屏進行識別結果顯示。匹配成功后將開鎖信號傳送到STM32處理器觸發開鎖動作。同時電容屏進入管理員模式，使用者可通過電容屏進行指紋錄入、刪除操作。AS608指紋模塊如圖3所示，指紋識別流程如圖4所示。

圖3 指紋模塊

圖4 指紋識別流程圖

圖5 人機交互界面流程圖

（3）密碼解鎖及人機交互模塊

人機交互界面由HDMI觸摸屏進行顯示。HDMI觸摸屏的圖形界面設計由PyQt5編程完成，圖形界面內置觸屏按鍵、人臉識別、到訪提醒等功能，用戶通過密碼解鎖后進入管理員模式，樹莓派向STM32發送開鎖信號進行開鎖。用戶點擊人臉識別按鈕即可使用人臉識別功能，識別通過后可以開鎖。訪客到訪可點擊到訪提醒按鈕對主人進行提醒。人機交互界面系統流程如圖5所示，界面如圖6所示。

圖6 人機交互界面圖

2.2 預警提醒系統

（1）提醒郵件發送

SMTP是一種提供高效便捷的電子郵件傳輸的協議。SMTP是建立在FTP文件傳輸服務上的一種郵件服務，主要用于系統之間的郵件信息傳遞，并提供有關來信的通知。本系統使用中，訪客到訪時通過人機交互界面選擇到訪提醒服務，樹莓派通過STMP通信協議對用戶綁定郵箱發送到訪提醒信息。提醒信息如圖7所示。當人臉識別匹配不成功時，系統即認為出現異常開鎖情況，樹莓派通過SMTP通信協議對用戶郵箱發送異常開鎖報警信息。

圖7 郵箱訪客到訪提醒

（2）遠程視頻監控

Pistreaming是一種基于Web服務器訪問IP地址實現遠程視頻實時傳輸的樹莓派流媒體項目。通過python3中的server庫調用攝像頭進行實時圖像采集，用戶可通過移動終端的web瀏覽器訪問樹莓派IP地址，實現實時監控的查看。本系統使用中，用戶可通過手機瀏覽器訪問門禁系統IP地址查看住宅實時監控，確定住宅和財產的安全。

2.3 開鎖執行系統

該系統由電機驅動模塊、步進電機和電磁鎖硬件組成。對于開鎖動作，STM32處理器接收到開鎖信號后對電機驅動模塊的4個引腳輪流輸出高電平，進而對四相步進電機勵磁，實現轉動動作，帶動電磁鎖硬件完成開關鎖動作。對于關鎖動作，當門鎖與扣板兩端的霍爾傳感器接觸時產生電磁感應，輸出低電平作為關鎖信號，STM32接收關鎖信號后對步進電機進行反向勵磁，從而實現關鎖動作。電機驅動模塊如圖8所示。

圖8 電機驅動模塊

3 系統測試

完成本系統各子系統及其相關軟件、硬件設計后對整個系統進行檢驗測試。已經實現在下位機通過人臉識別、指紋識別、密碼輸入等方式進行開鎖。并可以在上位機通過瀏覽器訪問IP地址進行監控錄像查看和預警信息查看。上位機、下位機通信測試如圖9所示。

圖9 系統封裝測試圖

3.1 系統功能設計

（1）當人臉識別、指紋識別、密碼解鎖成功時，電磁鎖完成開鎖動作。

（2）當解鎖行為異常時，對用戶郵箱發送警告提醒信息。

（3）當訪客通過人機交互界面選擇到訪提醒時，對用戶郵箱發送方可到訪提醒信息。

（4）當用戶通過瀏覽器訪問系統IP地址時，傳送實時監控錄像。

3.2 系統功能測試

本文通過設計多次重復解鎖實驗驗證系統功能的成功率和可靠性，測試結果如圖10所示。

圖10 測試結果統計

以上測試結果表明，系統各子系統均能實現預定功能，系統測試成功。

4 結論

針對當前居家普遍使用的傳統機械門鎖存在的易破解、易損壞、自動化程度不高的情況，本文設計了通過STM32開發板和樹莓派3B+搭建的具有人臉識別、指紋識別、遠程監控等功能的智能門禁系統。系統在現有門鎖的基礎上將多種生物信息識別的解鎖方式結合，通過攝像頭實現人臉信息的采集從而完成人臉識別。采用光學指紋模組實現指紋識別功能。同時創新性地通過SMTP協議將異常開鎖信息及時發送到住戶的電子郵箱，并基于Python ws4py、FFmpeg庫將實時監控傳輸到手機瀏覽器，為住戶提供了便捷、高效、安全的門禁服務。由于系統使用STM32搭載了指紋模組、電磁鎖模組和顯示屏模塊，在識別精度、開鎖速度等方面有一定延遲局限性，仍需在后續研究中進一步優化系統資源分配，減少延遲誤差局限性。