多門控制及圖像實時采集系統的設計

田志宏， 王 瑩， 王 杰， 陳 浩， 趙永光

(天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津300222)

0 引 言

在數字技術、網絡技術飛速發展的今天，門禁技術得到了迅猛的發展。門禁系統早已超越了單純的門道及鑰匙管理，它已經逐漸發展成為一套完整的出入管理系統。它在工作環境安全、人事考勤管理等行政管理工作中發揮著巨大的作用。然而傳統門禁系統越來越不能滿足現代商業活動的需求，畢竟無論是鑰匙、電子磁卡鎖還是電子密碼鎖都有信息被復制的可能，安全系數很低［1］。

生物識別技術和網絡技術的發展，使門禁系統得到了飛躍式的進步。市場上開始出現感應卡式門禁系統、指紋門禁系統、面部識別門禁系統，它們在安全性、方便性及易管理性等方面各有所長。其中指紋識別技術因其具有唯一、穩定、不可復制的特點而越來越多地被應用于門禁及考勤系統［2-3］。

數字圖像技術的發展同樣推動著門禁系統的現代化，越來越多的攝像頭、電子眼等圖像采集裝置開始應用在門禁系統中。圖像和視頻的實時采集技術應用于門禁系統將使其更為安全、可靠。

1 系統總體設計方案

系統以HT66FU50 單片機［4］作為核心控制器，通過串口連接WEL-406 指紋識別模塊，模擬串口連接無線傳輸模塊，外接指示燈、報警器、獨立按鍵，同時手機或上位機可以通過Wi-Fi 無線技術連接到攝像頭，完成視頻和圖像的采集工作，而Wi-Fi 模塊和單片機同樣通過串口和單片機進行通信，從而實現上位機和手機對門禁系統的控制。

系統總體框架如圖1 所示，其中WEL-406 光學指紋識別模塊配合單片機可以完成指紋登記、指紋采集、指紋比對(1∶1)和指紋搜索(1∶N)功能［5-9］。上位機或手機通過Wi-Fi［10-11］攝像頭以及串口和單片機進行通信，指紋比對結果也通過串口傳給HT66FU50 單片機。單片機根據接收到的信息，通過軟件編程對外接電路的指示燈進行控制，當有異常發生時，報警器報警，同時單片機通過串口將結果通過GSM［12-13］無線傳輸模塊傳送給用戶。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計及電路

硬件電路主要包括單片機最小系統的電路、指紋模塊接口電路、指紋模塊手指感應輸入電壓電路、GSM模塊接口電路、Wi-Fi 模塊接口電路，以及電控鎖、蜂鳴器、指紋模塊的開關電路。

2.1 控制模塊

本系統的控制模塊采用臺灣盛群公司的HT66FU50 單片機。HT66FU50 是一款具有AD 功能并且支持串口通信的8 位高性能精簡指令集Flash 單片機，可以多次燒寫，并且具有PWM 功能，能滿足本系統的要求。通用異步接受/發送器(UART)與指紋模塊進行通信。此外，系統用軟件另外模擬一個串口:模擬串口的發送端連接無線模塊的接收端，向無線模塊發送報警的AT 指令;模擬串口的接收端通過USB 接口連接Wi-Fi 模塊的發送端，接收手機或PC 機控制端通過Wi-Fi 發送的指令，用來控制攝像頭上、下、左、右四個方向的旋轉。

2.2 指紋采集模塊

系統采用WEL_406 作為指紋采集模塊。其主頻為120 MHz，通訊時，為半雙工異步通訊，默認波特率為57.6 kb/s，傳送的幀格式為10 位，一位0 起始位，8位數據(低位在前)和一位停止位，無校檢位。指紋模塊具有如下功能:

(1)指紋登記。采集3 次指紋特征，合成指紋模版，登記到指紋庫中。

(2)指紋比對與搜索。可以進行指紋比對和指紋搜索。

(3)緩沖區與指紋庫。芯片內設有2 個512 bytes大小的特征文件緩沖區，既可以用于存放普通特征文件也可以用于存放模板特征文件。指紋庫容為512 枚指紋，如有需要可擴展到1 024 枚。

(4)特征與模版。指紋特征文件大小為256 B，包含特征點信息與總體信息;模板大小為256 B，是2個相同指紋特征合成。

WEL-406 與單片機接口電路如圖2 所示，其中管腳5 為手指感應輸入，要求電壓為3.3 V 左右，所以采用紅色發光二極管，其壓價為2.0 ～2.2 V。

圖2 WEL-406 與單片機接口電路

通過串口接收和發送固定的16 進制數據，實現登記、錄入和搜索、清空指紋的功能。

2.3 GSM 模塊

系統采用MC39i 完成無線報警，其也采用串口通信，而單片機只有一個串口，所以需要用軟件模擬一個串口，系統中GSM 模塊只需要接收單片機發送的指令，因此只連接模擬串口RX。另外GSM 模塊采用RS-232 電平，需用MAX232 芯片進行電平轉換，接口電路如圖3 所示。

圖3 GSM 模塊與單片機接口電路

2.4 Wi-Fi 攝像頭模塊

系統所用的Wi-Fi 模塊參數如下:輸入電壓為5V/1A，采用IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b 無線標準，具有1 個10/100 Mb/s LAN/WAN 復用網絡接口、1 個USB2.0 接口(用于連接攝像頭)、1 個TTL 串口和內置天線。

Wi-Fi 模塊可以通過USB 接口連接攝像頭，另外通過串口和單片機進行通信。

3 軟件設計

3.1 下位機部分

下位機軟件部分包括指紋處理程序、按鍵掃描和指紋感應程序、無線報警程序，上位機和手機通過Wi-Fi 向單片機模擬串口發送控制命令的程序，PWM 輸出控制舵機轉向的程序。此外，還有聲光報警等外圍設備的控制程序。其流程圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 指紋登記和清空軟件流程圖

3.2 Android 手機控制端

Android 系統［14］內核是Linux，是一款開源的手機操作系統。Android 系統的開發性、高兼容性的特點使其成為近年來主流的手機操作系統。在本系統中，使用Android 手機作為遙控器對門禁系統中攝像頭的方向進行控制，是操作更為簡便。

圖5 指紋開門軟件流程圖

首先搭建 Android 應用程序開發環境eclipse［15-16］，利用Java 語言進行手機控制端軟件開發。

3.3 PC 機控制端

PC 機的控制端采用C#語言進行編程，由于PC 機的硬盤容量較大，可以保存較大的圖片和視頻，因此比Android 手機控制端多了拍照和錄制視頻功能，將圖片和視頻以時間格式命名，保存在本地文件夾中。

4 結 語

本文介紹了一種基于指紋識別和圖像實時監控的多門控制系統的設計。系統主要由指紋處理部分、無線報警部分、攝像頭舵機控制部分、Android 手機端控制部分和PC 機端控制部分組成。整個系統采用Wi-Fi 技術、指紋識別技術、圖像采集技術、Android 應用開發等控制方法，使得門禁系統更加安全可靠，也更加智能化、人性化。系統特色:

(1)安全可靠性高，指紋具有唯一、穩定性高、便于采集、不易復制、安全性高的特點，GSM 無線通信技術的使用可以使用戶及時了解發生的狀況，同時添加圖像實時監控功能，使得該門禁系統更為安全可靠。

(2)設計更為人性化，指紋和按鍵的結合使用使操作更為便捷。

(3)多門控制開發不僅僅限于家居應用，也可應用于小區、辦公、學校等場所。

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