新型門控系統(tǒng)的設(shè)計

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(哈爾濱理工大學(xué) 榮成學(xué)院，山東 榮成 264300)

0 引言

隨著全球信息化進(jìn)程的飛速發(fā)展，人類社會正逐步蛻變?yōu)橐灾橇Y源為首要依托的智能型社會[1]。人們生活水平的提高，生活品質(zhì)的追求更是推動了科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種類型的智能產(chǎn)品應(yīng)運而生。門控系統(tǒng)作為方便人類生活的環(huán)節(jié)之一，也開始踏上多樣化、智能化的道路，其運用以計算機技術(shù)為核心，包括通訊技術(shù)、電子技術(shù)在內(nèi)的信息技術(shù)與現(xiàn)代建筑技術(shù)相結(jié)合，為人們多方位提供自動化應(yīng)用功能的服務(wù)。

為滿足人們對產(chǎn)品的需求，市場上出現(xiàn)了一些遙控開門的裝置[1]，但遙控信號傳輸不穩(wěn)定，且無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，給用戶的實際使用帶來了諸多不便。此研究系統(tǒng)利用Openwrt可以掛載攝像頭這一功能，不僅能夠做到實時監(jiān)測，實現(xiàn)了居家防盜的目的，而且還具有短信通知與控制功能[1]，不僅實現(xiàn)了程控開門，同時可及時回饋當(dāng)前狀態(tài)。與市面上同類產(chǎn)品相比，降低了使用難度，方便用戶的使用，節(jié)省了用戶的時間成本，具有一定的現(xiàn)實價值。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)以STC公司的12系列單片機作為主控制器。此系統(tǒng)主要由訪客識別系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)、防盜報警系統(tǒng)以及電機驅(qū)動系統(tǒng)四大部分組成：訪客識別系統(tǒng)由振動傳感器、人體感應(yīng)模塊、按鍵電路構(gòu)成；圖像傳輸模塊由HG255D路由器、USB攝像頭組成；防盜報警系統(tǒng)獨立于主進(jìn)程，作為系統(tǒng)的第二模式，由ESP8288作為控制核心，外設(shè)連接振動與紅外傳感器。在主進(jìn)程運行時，訪客控制系統(tǒng)識別到訪客請求便向單片機發(fā)送信號同時驅(qū)動蜂鳴器，然后單片機控制SIM900A模塊向用戶發(fā)送通知短信。用戶接收短信后打開用花生殼設(shè)置好的網(wǎng)頁可以對門外情況進(jìn)行實時查看，之后可以以短信的形式向單片機回送開門指令，接收指令后單片機通過驅(qū)動板驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動，為訪客開門。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖像傳輸系統(tǒng)采用HG255D路由器刷取其固件，固件里至少要包括兩個與攝像頭相關(guān)內(nèi)核kmod-video-core,kmod-video-u-vc，以及mjpeg-streamer軟件，應(yīng)用Linux的開源版本的特性，實現(xiàn)圖像的遠(yuǎn)程傳輸。此研究中搭載了實現(xiàn)視頻傳輸?shù)膍jpeg-streamer軟件，用于將mjpeg格式的文件變成流媒體輸出，由于其自帶web網(wǎng)頁且支持用戶密碼登陸，所以用戶可以用瀏覽器來查看攝像頭的圖像，安全性也較高。為了實現(xiàn)外網(wǎng)訪問攝像頭，可以使用花生殼進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透。此外在攝像頭的選擇上，采用了微軟的HD3000 720P高清攝像頭，因為其免驅(qū)并支持MJPEG，去除了HD5000里作用不大的自動對焦功能，同時價格比HD5000更加親民。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

門禁系統(tǒng)以STC12單片機的最小系統(tǒng)為主體，HG255D路由器與最小系統(tǒng)并行工作。在單片機的I/O接口連接獨立按鍵、蜂鳴器、SW-420傳感器、人體感應(yīng)模塊、直流電機驅(qū)動板。單片機最小系統(tǒng)由單片機芯片，時鐘電路、復(fù)位電路[2]和電源構(gòu)成。

2.1 訪客行為識別系統(tǒng)

當(dāng)訪客來訪時，表現(xiàn)出的行為體現(xiàn)在對門的敲擊和按壓門鈴。利用這些特征設(shè)計訪客行為識別系統(tǒng)，門鈴的引腳與單片機的I/O口通過電路相接，門鈴按下時通過按鍵電路產(chǎn)生低電平信號，單片機采用掃描法讀取到低電平，控制蜂鳴器響的同時給用戶發(fā)送來訪信息，告知用戶有人來訪；采用SW-420振動開關(guān)搭建的振動傳感器模塊，當(dāng)有人敲門時帶動傳感器內(nèi)彈簧震動輸出低電平，把敲擊門的振動轉(zhuǎn)換成電平的變化。此外，系統(tǒng)還使用了HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊來確保振動是由人體活動所引起的，人體感應(yīng)模塊感應(yīng)角度最大可達(dá)100°錐角，識別范圍最大7米，能夠識別用戶門前所有大型生命體的存在，如果在檢測范圍內(nèi)有人出現(xiàn)，人體感應(yīng)模塊將會輸出低電平信號。當(dāng)且僅當(dāng)振動傳感器與人體感應(yīng)模塊同時發(fā)生電平變化時才向單片機發(fā)出請求信號。傳感器模擬信號輸出與LM393集成運放相連，將模擬輸入量放大作為ADC0809芯片的輸入。如圖2所示。

圖2 訪客識別系統(tǒng)電路圖

2.2 主控系統(tǒng)

系統(tǒng)的主控電路以單片機最小系統(tǒng)為核心，采用軟件上電復(fù)位。STC12c5a60s2單片機內(nèi)部含有兩個串口，可同時向手機發(fā)送信息和在PC端進(jìn)行調(diào)試，抗干擾性強，成本較低，比傳統(tǒng)的51系列單片機速度快8-12倍，可以滿足軟實時性下的系統(tǒng)設(shè)計。如圖3所示，單片機共40個I/O引腳，選擇P3口推挽輸出，P2口作電機驅(qū)動信號輸出，P0口連接傳感器和蜂鳴器，各引腳之間相互獨立。220 V市電經(jīng)過電源適配器輸入單片機，7805具有穩(wěn)壓和過流保護(hù)的作用。外部晶振11.0592 MHz，用于為單片機提供時鐘信號。系統(tǒng)主體電路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主體電路圖

2.3 電機驅(qū)動電路

為了滿足電機的功率需求，設(shè)計了L298N驅(qū)動電路。L298N芯片可以用來驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；也可以直接用單片機的IO口提供信號[3]。單片機的P2.6-P2.7引腳控制電機的轉(zhuǎn)動及方向，直接與驅(qū)動芯片的INA、INB連接，當(dāng)收到開門信號單片機通過這兩個引腳向INA、INB發(fā)送一個PWM波，控制電機轉(zhuǎn)動。降壓模塊將經(jīng)過適配器的24 V電壓降至9 V，通過IN+和IN-引腳輸入驅(qū)動提供工作電壓[4]。電機驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 電機驅(qū)動電路圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的開發(fā)平臺是Keil公司的μvision，采用C語言編程，是面向過程的語言，具有可讀性強的特點。主要針對單片機STC12C5A60S2進(jìn)行設(shè)計，包含主程序、訪客識別程序以及電機控制子程序。

3.1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計

主程序主要包括系統(tǒng)初始化程序、和對其他子程序的調(diào)用。系統(tǒng)的初始化包括定時器、檢測信號的I/O引腳、時鐘、串口的初始化。初始化完成后，進(jìn)入while死循環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)所需的子函數(shù)，同時等待外部中斷與串行口中斷。根據(jù)程序設(shè)計，傳感器能感知訪客到來并通過總線向單片機發(fā)出請求，傳感器的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑陆笛貜膯纹瑱C的外部中斷引腳輸入給單片機，該信號被系統(tǒng)檢測到后驅(qū)動SIM900A模塊向用戶發(fā)送短信。若傳感器信號無變化，則在循環(huán)內(nèi)等待[5]。若用戶對系統(tǒng)請求作出回應(yīng)，單片機則驅(qū)動電機做出相應(yīng)的控制。傳感器的I/O采用的是程序傳送方式，串行口采用的中斷傳輸方式。程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 訪客識別的軟件設(shè)計

由于傳感器采用電平觸發(fā)方式[6]，訪客行為會在短時間內(nèi)向單片機發(fā)出多次信號，單片機向用戶連續(xù)多次發(fā)出來訪通知。這種情形既占用了單片機線程資源又給用戶帶來了困擾，針對這一問題，添加了一個標(biāo)志位cmdd，設(shè)計出了訪客行為識別算法，算法框圖如圖6所示。

圖6 訪客行為識別流程圖

系統(tǒng)上電之后，在主程序里對訪客識別所需的軟硬件進(jìn)行初始化，將軟件里的標(biāo)志位cmdd初始化為0。初始化完畢后，程序設(shè)定對與傳感器相連的I/O口進(jìn)行輪詢，只有在兩個傳感器都向單片機發(fā)出高電平信號，單片機才控制sim900A模塊向用戶發(fā)送信息，并將cmdd置1，否則就將一直對I/O進(jìn)行檢測。當(dāng)用戶收到短信并給系統(tǒng)以開門的指令系統(tǒng)將設(shè)定的標(biāo)志位cmdd置0，否則就保持標(biāo)志位不變[7]。這樣，即便訪客連續(xù)多次觸發(fā)傳感器與按鍵，系統(tǒng)也只在短時間內(nèi)向用戶通知一次，避免了一次來訪行為向用戶發(fā)送多次短信。

3.3 電機控制的軟件設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)接收到用戶的開門指令，就要控制電機完成開門的動作。開門動作主要分為兩大部分，一部分是將門把手下拉，另一部分是將下拉的門把手復(fù)位，使用PWM波控制電機的轉(zhuǎn)動[8]，并用2個光電傳感器配合完成門的開啟。電機控制相關(guān)程序的流程如圖7所示。

圖7 電機控制流程圖

兩個光電傳感器分別位于門把手移動位置的上限與下限。單片機通過P2.6和P2.7引腳向電機驅(qū)動芯片L298N發(fā)出PWM波[9]，控制直流電機轉(zhuǎn)動，帶動門把手下移，當(dāng)把手下移至光電傳感器1的位置，光電傳感器1輸出低電平給單片機，此時系統(tǒng)延時等待5S(多次測試得出)，給訪客充足的開門的時間，隨后輸出反相的PWM波，控制電機反轉(zhuǎn)，將門把手復(fù)位，當(dāng)把手上移至光電傳感器2所處的位置，光電傳感器2輸出低電平給單片機，隨后，單片機停止對電機的控制，電機停轉(zhuǎn)，整個開門動作完成。

4 實驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)的實用性是首要的，為了定量衡量系統(tǒng)的實用性[10]，進(jìn)行對照實驗，比較完成一次開門動作系統(tǒng)所需時間與人工所需時間。實驗組對象是新型開門系統(tǒng)，對照組是大學(xué)校園里5名年齡在20～22歲的志愿者，其中，男性志愿者3名，女性志愿者兩名。實驗組對系統(tǒng)進(jìn)行100次整機測試，采集了如下幾類信息：1)識別訪客時間(從訪客敲門至系統(tǒng)檢測到有人來訪所需時間)；2)短信發(fā)送到用戶手機的時間；3)開門信息發(fā)出到達(dá)用系統(tǒng)開門的時間差。考慮到實驗組在測試過程中外界環(huán)境的影響與信道中噪聲的干擾，對采集到的數(shù)據(jù)用三次立方法進(jìn)行去噪，然后采用KS檢驗篩選出滿足一致性檢驗的數(shù)據(jù)，將滿足假設(shè)檢驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均作為系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標(biāo)。穩(wěn)定性相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 整機測試相關(guān)參數(shù) s

對照組模擬正常情況下訪客來訪時屋里的人員從離開當(dāng)前所在位置到在門前確定完門外情況給訪客開門的整套動作。我們選用的實驗場地是面積約為25平方米的正方形，測試者與門連線恰為場地的對角線。每個測試者進(jìn)行5次測試，用秒表分別測量測試者從接收到來訪信號到啟動的時間(稱之為反應(yīng)時間)、從起始位置到達(dá)門前的時間(稱之為運動時間)以及確認(rèn)門外情況所用時間(稱之為確認(rèn)時間)。測試結(jié)果如表2所示。

對測試得到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以直觀的看到，開門系統(tǒng)完成一次操作所需時間平均為11.42 s,遠(yuǎn)低于測試者親自完成為訪客開門所用時間(25.5 s)。雖然實驗選取的測試者年齡沒有明顯的分層，場地大小固定，但是，由于青年人的運動速度明顯快于其他年齡段的人，故實驗可以證明系統(tǒng)有較高的實際效用，確實能夠大大節(jié)省用戶的時間成本。

表2 志愿者測試相關(guān)參數(shù) s

5 結(jié)束語

新型門控系統(tǒng)，采用智能化、模塊化的設(shè)計，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和實時監(jiān)測功能。本系統(tǒng)利用單片機作為主控制器，使整個控制系統(tǒng)更加簡潔。同時通過手機短信控制系統(tǒng)的運行，當(dāng)遇到異常情況時就向用戶發(fā)送報警短信，提高系統(tǒng)的安全性，由于短信控制的操作簡單，適合各年齡段人群使用，所以實用性、靈活性更強。此外本研究加入的視頻傳輸功能，使用戶可以實時看到家里的情況，安全性、有效性得到了進(jìn)一步的提升。本設(shè)計匯聚當(dāng)下炙手可熱的安全、智能等話題，不僅符合大眾對智能生活的追求，其人性化的設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)化的服務(wù)更為人們提供了不一樣的生活品質(zhì)，同時也為智能家居的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)，具有一定的市場價值與實用價值。