基于單片機的智能家庭門禁系統的設計

宋天慧 曾建 錢進 賈保凱 王靜

關鍵詞：門禁系統；STM32；人臉識別；WiFi；二維碼；GSM

0 引言

隨著物聯網技術的蓬勃發展和科技服務生活理念的深入人心，人們對家庭門禁系統的安全性、便捷性和智能性的要求逐步提高[1-3]。在現有的門禁系統中，2016年廖杰和黃文強提出了基于云計算的動態密碼門禁系統，通過手機App和云平臺獲取隨機動態密碼開鎖[4]，解決了密碼遺忘和易破解的問題，安全性高，但操作復雜。2021年金陵科技學院的顧姍姍等人提出了基于STM32的智能指紋門禁系統，將指紋作為開門密鑰，具備便捷性的優點[5]，但存在指紋可復制，破損或潮濕的指紋難以識別的問題。2021年淮南師范學院的蔡俊等人提出了基于二維碼識別的門禁系統，將用戶信息制作成唯一的二維碼，掃碼后開門，該系統操作方便[6]，但二維碼圖片丟失被他人獲取即可開門，存在一定的安全問題。以上設計的開門方式均較為單一，無法滿足復雜多變的應用情況。

本論文結合以上三種門禁系統的優勢，設計了基于STM32的智能家庭門禁系統，該系統以難以復制的人臉信息作為開門密鑰，訪客到來時可通過手機App、WiFi和云平臺實現遠程開門。若家中斷網，可通過手機App生成加密二維碼發給訪客開門。若有入侵者企圖撬門，則啟動報警模塊警告，并發送短信提醒用戶。該系統通過生物識別技術、無線通信技術等，提高了門禁系統的安全性能和用戶使用的便利性，采用多種開門方式，提高了門禁系統的穩定性。

1 系統設計

該門禁系統以STM32F103C8T6最小核心板為主控，接收并處理紅外傳感器和震動傳感器采集的信息，同時通過ESP8266和云平臺接收App發送的指令進行開關門，通過MF1進行人臉識別，GM65進行二維碼識別，識別的信息經主控模塊分析處理，判斷是否開門，若感受到威脅，主控發送相應指令控制GSM模塊發送短信提醒。外設與主控采用星形拓撲結構連接，人臉識別、二維碼、WiFi、GSM 四個模塊分別與STM32的不同串行通信接口進行通信，任一模塊出現故障并不會影響其他模塊，門禁系統仍能保持正常工作，且出現故障易診斷，系統構架圖如圖1所示。

1.1 系統電路設計

1.1.1 人臉識別模塊

本系統采用了Sipeed公司設計的基于K210的AI視覺處理模組（Sipeed MF1） 作為人臉識別的核心圖像處理單元[7]。如圖2所示，本設計中MF1與STM32共地，TX、RX引腳連接STM32的串口2進行通信，MF1的引腳VSYS、USB與PNP晶體三極管IRF5210的漏極連接，三極管的源極接5V電源，柵極接STM32的B15引腳，通過光電傳感器控制MF1上電工作，如圖3所示，光電傳感器的輸出引腳連接STM32的B14，若感應到人，輸入低電平，此時STM32向B15引腳輸出低電平，三極管導通，人臉識別模塊上電啟動。

1.1.2 二維碼識別模塊

本系統使用GM65實現二維碼掃描，能識別手機屏幕上的二維碼，在本系統中用TTL232串行通信接口與STM32的串口1連接，若串口1收到的二維碼數據經過異或運算解密后與設定的密碼相同，STM32控制舵機開門，電路圖如圖4所示。

1.1.3 WiFi 模塊

ESP8266與STM32通過串口3連接，二者共地，手機App通過云服務器向ESP8266模塊發送開門指令，識別到指令后，ESP8266 模塊通過串口發送相應數據，STM32接收到數據后進行判斷，一致則控制舵機轉動，模塊電路圖如圖5所示。

1.1.4 系統報警模塊

震動傳感器電路圖如圖6所示，其數字量輸出口DO與STM32的A1引腳連接，感受到震動時，震動勢能傳到傳感器內的彈簧末端引起共振，彈簧觸碰到金屬內壁形成通路，此時A1輸入低電平，若同時光電傳感器感應到人，STM32控制有源蜂鳴器連接的B0口為低電平，蜂鳴器長鳴，并通過虛擬串口向GSM模塊發送AT指令，控制GSM發送短信給戶主進行提醒，電路圖如圖7和圖8所示。

1.2 系統軟件設計

1.2.1 人臉識別模塊程序設計

該系統采用的人臉識別算法是K210官方提供的開源人臉識別模型，檢測到人臉后，獲取左右眼、鼻子、左右嘴角五個關鍵點的坐標，根據該坐標與標準正臉坐標獲取仿射變換矩陣，對原始的人臉圖像進行仿射變換，變為正臉圖像，接著計算并存儲正臉圖像的196維特征值，再次識別到人臉時，將該人臉圖像計算出的特征值與存儲的特征值一一對比，若最大分數大于85，則被認定為同一人。

本系統使用2個按鍵進行人臉圖像的存儲和刪除。以增加人臉數據為例，按下按鍵1，首先清屏，準備增加人臉數據。若按下的時間小于等于1秒，UID加一，將該UID添加到數組中，再次按下按鍵1，若時間大于1秒，根據K210的串口通信協議，STM32通過串口發送“指定UID添加人臉”的信息，發送完數據后初始化發送緩沖區，為下一次發送數據做準備。K210接收到指令后將人臉數據存儲在內存中并返回添加結果，添加人臉數據的流程圖如圖9所示。下面是發送指令的代碼。

1.2.2 二維碼開門模塊程序設計

二維碼加密方法為異或加密，該方法易于實現，計算成本小。信息論的創始人香農（Claude ElwoodShannon） 證明了在滿足以下兩個條件的情況下，異或加密是無法破解的。

（1） 密鑰的長度大于等于信息。

（2） 密鑰必須是一次性的，且每次都隨機產生。

于是在本設計中，將開門信息初始化為四位數，每生成一次二維碼該信息加一，加密的密鑰初始化為六位數，每次減一，來保證二者異或生成的二維碼數據的一次性和隨機性，提高門禁系統的安全性。使用localstorage本地存儲這些數據，確保App關閉后重新打開時這些數據保持不變。

二維碼開門模塊中，GM65模塊掃描加密二維碼，STM32預先存儲了初始信息和加密信息在數組中，每接收到串口1傳來的二維碼信息，將初始信息加一，加密信息減一，通過函數將加密信息字符串和串口接收的字符串轉換成整形數字，并進行異或運算，得到結果后將數字轉換成字符串，然后與初始信息字符串對比，相同則開門。

1.2.3 WiFi 模塊程序設計

本設計選擇貝殼物聯作為手機App和ESP8266溝通的橋梁，設計ESP8266與云平臺之間進行TCP通信，手機端與云平臺通過websocket 協議通信。ESP8266的STA工作模式可實現硬件設備的遠程控制，于是設計ESP8266工作在STA模式下作為客戶端接收家庭路由器的信號進行聯網。ESP8266與STM32之間通過串口3進行通信，這部分的通信連接示意圖如圖10所示。

申請貝殼物聯的設備編號和密鑰，開啟串口后，根據ssid和密碼連接家中路由器，連接成功后根據貝殼物聯服務器的網址和TCP端口創建TCP連接，進行數據透傳。根據申請的設備編號和密鑰向服務器發送登錄指令，服務器收到指令后會判斷登錄信息是否正確，若正確，將返回登錄成功的結果。此時可與其他設備互相收發信息。

在手機App中點擊開門按鍵，觸發send事件發送內容為“sw”的指令，用相應ID 指示發送目標為ESP8266端設備，在ESP8266端，對收到的信息JSON解析，信息中的ID指示該指令來源為手機端設備，若M 的內容為“say”且C 的內容為“sw”，通過串口向STM32發送“9”，STM32判斷接收的數據為0x39，則控制舵機開門，并向WiFi模塊發送字符“o”，WiFi模塊收到字符“o”就向手機端設備發送內容為“the door'sopen！”的指令，手機端設備解析出指令內容就在div框中打印開門信息。

1.2.4 短信報警模塊程序設計

短信報警模塊首先對相應的串口和I/O口初始化，判斷若紅外傳感器感應到人且同時震動傳感器感受到震動，即PB14和PA1輸入為低電平時，STM32向串口4發送AT指令，將發送的短信設置為文本格式，然后設置接收短信的手機號碼，接著發送短信信息，最后發送“0x1a”，即短信發送標志。

GSM模塊連接的是虛擬串口，在模擬串口時，本設計采用的是延時法，發送數據時先是發送一位起始位，再從低位到高位發送8位數據，最后發送一位停止位，串口通信的波特率，是每位電平持續的時間，波特率越高，持續的時間越短。如波特率為9600bps，表示1 秒傳輸9600 位數據，傳輸一位數據需要1s/9600=104us。在代碼中可以通過每發送或接收一位數據就延時104us來實現串口的數據傳輸。

1.2.5 舵機控制模塊程序設計

使用STM32控制SG90舵機，首先需產生基本的PWM 脈沖信號，本設計中舵機的信號線連接在STM32的PB9引腳，所以利用TIM4的CH4產生一路20ms 的脈沖信號，在該信號中，0.5ms 對應-90 度，1.0ms對應-45度，依次類推。其次是調整占空比，占空比為信號在整個信號周期內處于高電平的時間百分比。PWM所使用的公式如下：

時鐘頻率f=f0（/ TIM_Prescaler+1）

其中，f0表示對應定時器頻率，本設計中取值為72MHz。

脈沖周期T=（TIM_Period+1）/f

占空比N=TIM_Pulse M/ T

為使脈沖周期為20ms，在設計中令TIM_Period為1 999，TIM_Prescaler 為719，（2 000*720） /72 000 000=0.02=20ms，由于PB9 引腳是TIM4 的4 路PWM 輸出口，所以使用TIM_SetCompare4（TIM4，Compare4） 函數控制PWM輸出，想要舵機轉到0度位置，即TIM_Pulse為1.5ms，占空比為1.5ms/20ms=7.5%，只需令Com?pare4的值為2 000-2 000*0.075=1 850。

2 系統測試

2.1 人臉識別模塊測試

人臉識別模塊測試，如圖11所示。按下按鍵，在屏幕上顯示相應的UID，未錄入人臉信息時進行人臉識別，舵機無法轉動，不能開門；錄入人臉信息后，進行人臉識別，識別成功后舵機能正常轉動，且屏幕上顯示Welcome字樣，如圖12所示，人臉識別模塊功能正常。而使用照片或錄制的人像視頻進行人臉識別時，識別不通過，進一步保證了門禁系統的安全性。

2.2 手機App 測試

本設計中實現的App可通過用戶手機錄入的指紋登錄或以貝殼物聯的設備號及密鑰作為用戶名和密碼登錄，如圖13所示，點擊開門按鈕后，舵機成功轉動后，主界面div框中打印相應的時間和信息提示用戶門已打開。如圖14和15所示，每點擊一次生成二維碼按鈕，輸入框中的數值都相應變化，考慮到若門禁系統斷電重啟，門禁端的開門密碼將變為初始值，所以在手機App上增加了重置按鈕，點擊該按鈕，密碼和加密密鑰都將變為初始值，確保手機端和門禁端密碼相同，手機App的功能均正常實現。

3 結論

針對目前存在的幾種門禁系統存在的安全性低、操作復雜、指紋磨損或臟污難以識別等問題，設計了以STM32F103C8T6最小核心板為主控，集人臉識別開門的便捷性、二維碼識別開門的安全性、App遠程開門的智能性為一體，兼具防盜報警功能的家庭智能門禁系統。經軟硬件測試，本設計的功能均能夠實現，紅外傳感器一旦感應到人，MF1模塊上電，可通過人臉識別開門，訪客到來可用手機App遠程一鍵開門，如果斷網可以通過手機App生成加密的一次性二維碼發給訪客掃碼開門，紅外傳感器感應到人且震動傳感器感受到震動則觸發蜂鳴器響，短信模塊發送短信提醒。整個設計實現了智能門禁所需要的智能性、安全性、便利性等優點。當然，本次設計也有很多不足之處，比如手機App中無法保存開門數據等，后續可以與SQL數據庫結合進行優化。