基于stm32 系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的AI 多功能門禁系統(tǒng)研究

林佳智 常鳳筠* 朱文斌 朱瑞昕 張?zhí)熨n 王志鵬

(遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,遼寧 鞍山114000)

對(duì)于當(dāng)前小區(qū)及公司等大型區(qū)域,門衛(wèi)是必不可少的存在,24 小時(shí)隨時(shí)控制人員進(jìn)出、人員安全和留言通話可以說(shuō)是特別繁重的工作,除去人力的不確定因素,可以說(shuō)既傷財(cái)又費(fèi)力。

現(xiàn)階段社會(huì)已經(jīng)步入自動(dòng)化,AI 代替了很多人力,然而門衛(wèi)這一行業(yè)的不確定性和多樣性導(dǎo)致沒(méi)有一個(gè)AI 產(chǎn)品可以很好地全面取而代之。指紋鎖、人臉識(shí)別鎖、基礎(chǔ)的可通話門禁,他們都有很大的局限性,只能局部控制和維護(hù)安全,因此引發(fā)了我們團(tuán)隊(duì)對(duì)此項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和拓展[1]。

1 系統(tǒng)框圖

以stm32 為主要系統(tǒng),通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)模塊、紅外測(cè)溫模塊、AS608 指紋識(shí)別模塊、LCD 顯示屏等外設(shè)模塊。進(jìn)行園區(qū)門禁控制、人員體溫監(jiān)控、指紋識(shí)別身份、外來(lái)人員認(rèn)證身份和對(duì)住戶留言以及近期狀況的記憶功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)于門禁的多功能全自動(dòng)化[2]。其系統(tǒng)框圖如圖1。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

圖1 多功能門禁系統(tǒng)系統(tǒng)框圖

2.1 處理器模塊的選擇及功能介紹

微處理器采用STM32F103ZET6 作為主控芯片,其內(nèi)核為ARM32 位的Cortex-M3,優(yōu)勢(shì)在于低功耗、低成本、高性能。STM32F103 具有最高72MHz 的工作頻率,內(nèi)置高達(dá)512K 字節(jié)的閃存程序儲(chǔ)存器和64K 字節(jié)的SRAM,載有最多11 個(gè)定時(shí)器和84 個(gè)中斷,并配有豐富外設(shè),具有極高的集成度。其極低的價(jià)格和開(kāi)發(fā)成本,有意的實(shí)時(shí)性能和杰出的功耗控制為STM32F103MCU 帶來(lái)了廣泛的應(yīng)用[3]。

2.2 顯示控制電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中顯示部分較為復(fù)雜,并且用其進(jìn)行觸屏控制,因此選用了LCD 液晶顯示屏。通過(guò)觸屏點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)控制門禁、通話、留言等功能。二極管顯示和數(shù)碼管都不足以達(dá)到這些效果與功能,因此選擇了1602 液晶顯示屏。

2.3 門禁電路以及報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中門禁有兩種控制方式：第一種是指紋識(shí)別認(rèn)證身份開(kāi)啟門禁,第二種是物聯(lián)網(wǎng)住戶遠(yuǎn)程開(kāi)啟門禁。報(bào)警電路設(shè)計(jì)則是在出現(xiàn)體溫不正?；蛘咧讣y不匹配的人試圖進(jìn)入該場(chǎng)所時(shí),通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲,并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線發(fā)送信號(hào)給管理人員。

2.4 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)突出的地方便是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的的住戶一鍵通話和門禁遠(yuǎn)程控制。選擇了正點(diǎn)原子的SIM800C 物聯(lián)網(wǎng)模塊,突破WiFi 的限制,可以直接插SIM卡通話和全國(guó)范圍內(nèi)的通訊控制。其工作頻率為GSM/GPRS,可以實(shí)現(xiàn)低功耗語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和信息的傳輸,尺寸小巧,價(jià)格相對(duì)較低。缺點(diǎn)是信號(hào)強(qiáng)度比較弱、冷啟動(dòng)慢,但是比起其他同層次物聯(lián)網(wǎng)模塊更為可靠,開(kāi)發(fā)難度小[4]。

2.5 指紋模塊電路的設(shè)計(jì)

生物識(shí)別技術(shù)在國(guó)外的到了越來(lái)越廣泛的研究。人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、虹膜識(shí)別等識(shí)別技術(shù)已經(jīng)陸續(xù)被廣泛應(yīng)用。其中指紋自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是當(dāng)今發(fā)展最成熟的一種生物識(shí)別技術(shù),作為人體生物識(shí)別的一種方式,它具有準(zhǔn)確性、唯一性、采樣簡(jiǎn)單、占用資源小等顯著的優(yōu)點(diǎn)。所以,認(rèn)為在門禁設(shè)計(jì)方面該識(shí)別技術(shù)是最合適的。

圖2 業(yè)主和員工開(kāi)啟門禁程序框圖

圖3 外來(lái)人員開(kāi)啟門禁程序框圖

AS608 是一個(gè)光學(xué)指紋識(shí)別模塊內(nèi)部的DSP 單元集成了指紋識(shí)別算法,提高了采集圖像和識(shí)別指紋特征的效率,處理一個(gè)指紋只需要不到0.4 秒的事件,且拒真率和認(rèn)假率極低,識(shí)別率非常好。該模塊非常適合本設(shè)計(jì)對(duì)于門禁識(shí)別的需要,因此選擇了AS608 指紋識(shí)別模塊[5]。

2.6 溫度傳感器模塊電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)加入了測(cè)溫傳感器,可以有效抑制傳播性感冒的散播。普通溫度傳感器一般溫度較高,單對(duì)于運(yùn)動(dòng)體和非接觸物體會(huì)產(chǎn)生極大的誤差。因此我們選用了GY-906 紅外測(cè)溫傳感器,利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)測(cè)量溫度,只要物理本身具有高于絕對(duì)零度的溫度,被紅外線點(diǎn)到,就會(huì)產(chǎn)生溫度,并且有靈敏度高、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[6]。

3 系統(tǒng)程序的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)多功能門禁系統(tǒng)的實(shí)際要求,本系統(tǒng)的主要流程如下：住戶或員工在此前應(yīng)該進(jìn)行一次整體指紋采集,將指紋儲(chǔ)存在門禁系統(tǒng)里。當(dāng)他們從外面進(jìn)來(lái)時(shí)先進(jìn)行非接觸式的紅外測(cè)溫檢測(cè),如果額頭溫度不正常蜂鳴器報(bào)警,不允許進(jìn)入,溫度正常則進(jìn)行指紋比對(duì),對(duì)比成功則開(kāi)門,對(duì)比失敗則蜂鳴器報(bào)警。如果非住戶及員工想要進(jìn)入需要得到該業(yè)主與在職員工許可,此時(shí)可以用觸屏操作LCD 液晶顯示屏的方式通過(guò)SIM800C物聯(lián)網(wǎng)模塊進(jìn)行一鍵通話或發(fā)送信息,業(yè)主與在職員工確定之后通過(guò)SIM800C 物聯(lián)網(wǎng)模塊遠(yuǎn)程輸出指令開(kāi)啟門禁。儲(chǔ)存器模塊會(huì)儲(chǔ)存近期門禁系統(tǒng)的操作記錄,以便人工查詢。如若門禁系統(tǒng)遇到報(bào)警情況,SIM800C 模塊都會(huì)向人工應(yīng)急組發(fā)送報(bào)警信息。

4 系統(tǒng)仿真調(diào)試

本論文采用Protues 仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真調(diào)試。利用其對(duì)虛擬單片機(jī)仿真具有豐富的器件庫(kù)、完善的電路仿真功能等多個(gè)優(yōu)點(diǎn),對(duì)本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行仿真調(diào)試。

4.1 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)電路圖

本系統(tǒng)的仿真電路圖,其中包含各種實(shí)現(xiàn)功能的模塊,能夠在仿真中模擬系統(tǒng)要求的各種功能。

4.2 業(yè)主遠(yuǎn)程開(kāi)門功能

本功能具體要求住戶在通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)模塊sim 卡通話得知人員信息后,可以使用住戶系統(tǒng)的LCD 觸屏一鍵開(kāi)門鍵,利用互聯(lián)網(wǎng)模塊發(fā)送開(kāi)啟門禁“0x01”數(shù)據(jù),小區(qū)門禁系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)化為指令信號(hào),自動(dòng)開(kāi)啟門禁,lcd 顯示“門禁開(kāi)啟”。

4.3 人員安全監(jiān)測(cè)功能

本功能具體要求進(jìn)入小區(qū)人員通過(guò)GY-906 進(jìn)行非接觸式測(cè)溫,采集溫度參數(shù)后系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行溫度補(bǔ)償,使其趨近于不受環(huán)境影響的測(cè)量溫度。將計(jì)算好的溫度與安全溫度閾值進(jìn)行比較,在閾值范圍內(nèi)系統(tǒng)則判定溫度正常,lcd 顯示“溫度正?！保怀^(guò)閾值范圍則判定溫度不正常,報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警,wifi 模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息傳輸通知安保人員,lcd 顯示“溫度不正常 禁止入內(nèi)”。

4.4 指紋認(rèn)證開(kāi)門功能

本功能具體要求小區(qū)內(nèi)人員首先進(jìn)行整體錄入指紋,每人錄入兩次指紋進(jìn)行指紋擬合作為指紋認(rèn)證模型。業(yè)主開(kāi)啟門禁時(shí)再通過(guò)安全監(jiān)測(cè)后進(jìn)行指紋認(rèn)證,通過(guò)AS608 光學(xué)指紋模塊錄入指紋,與之前兩次指紋擬合認(rèn)證模型進(jìn)行匹配,如果找到匹配指紋,則系統(tǒng)判定其為小區(qū)業(yè)主,自主傳遞指令開(kāi)啟門禁,lcd 顯示“門禁開(kāi)啟”；如果未找到匹配指紋,則系統(tǒng)判定其為外來(lái)人員,門禁開(kāi)啟失敗,lcd 顯示“請(qǐng)重新錄入指紋 門禁開(kāi)啟失敗”。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)是以STM32F103 為主控、結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)以及多種模塊構(gòu)建的AI 多功能門禁系統(tǒng)。全文從項(xiàng)目背景、系統(tǒng)框圖、硬件電路搭配、程序軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真調(diào)試幾個(gè)方面論述了該系統(tǒng)。由此可見(jiàn),這樣一個(gè)多功能、高智能、可遠(yuǎn)程控制的門禁系統(tǒng)會(huì)有一個(gè)很好的應(yīng)用前景。