基于物聯網云平臺的智能門禁系統設計

林俊強，唐艷鳳，鄭煥坡，馬振豐

（廣州華立學院，廣東 廣州 511325）

0 引 言

當今科技發展迅速，智慧城市乃至智慧地球建設被提上日程。智能家居作為智慧城市的基礎單位，與人們的生活息息相關。一套功能現代化的智能門禁管理系統，既能夠方便用戶的出入，又可以大大提高用戶進出的安全性。目前，國內外的智能門禁系統主要有射頻識別IC卡門禁系統和電子密碼門禁系統、生物識別接入控制系統，如虹膜識別、人臉識別、指紋識別等等。伴隨著WiFi通信技術、物聯網技術的快速發展，應運而生的智能家居技術也日趨成熟。

本設計通過接入blinker物聯網平臺，實現通過手機APP和手機語音助手控制智能門禁完成互聯網遠程開關操作，并且可以通過光學指紋驗證以及人臉識別控制無關人員的進出；通過樹莓派無線通信技術實現實時監控，并且可以對多次指紋識別或人臉識別錯誤認證的人員進行圖像捕抓。這樣的設計既方便了用戶的出入，也可以通過對門禁的控制限制無關人員的進出以提供安全保障；同時具有人體感應功能，可用于檢測可疑人員和保證在門外無人的情況下進入休眠狀態以減少電量損耗，達到節約環保、長續航工作的效果，具有一定的應用價值。該系統操作簡單、易安裝、安全性強、穩定性好，非常容易應用于家庭、酒店、工作室、工廠等場所。

1 系統總體設計

本系統以ESP32芯片作為系統主控，并圍繞其設計了一系列外圍電路。系統通過由多種函數庫搭建完成的Arduino IDE開發環境對使用IC、SCCB等通信協議的各類外設模塊進行控制。同時通過MQTT協議接入blinker物聯網平臺，以實現通過物聯網對系統進行遠程控制。系統結構框圖如圖1所示，以ESP32為主控，通過間接或直接的方式對外圍電路、外圍模塊進行控制。

圖1 系統結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 ESP-WROOM-32

ESP32配合Arduino IDE編程而不用51單片機或者STM32單片機，是因為相對于后兩者來說，ESP32體積小巧。這就決定了本設備主控部分占位小，產品使用輕便、外觀簡潔，擁有40 nm工藝、雙核32位MCU、2.4 GHz雙模WiFi和藍牙芯片，主頻高達230 MHz，計算能力可達600 DMIPS，其原理如圖2所示。可通過WiFi接入網絡來控制智能門禁工作，讓使用者更好地進行人機交互，使用起來更加方便。ESP32性能強而且功率低，對比相同性能的主控板，ESP32的性價比更高。ESP32能使用Arduino IDE進行編程，設計程序更加簡潔易懂、易修改，功能執行起來更加精確。

圖2 ESP32最小系統

2.2 樹莓派4B

樹莓派4B是一臺迷你的嵌入式計算機，支持Raspbian、Ubuntn Mate、OpenELEC、Windows 10 IoT等系統，其CPU采用ARM Cortex-A72 1.5 GHz（四核），具有USB3.0高速傳輸端口，支持高達4K 30 Hz的雙顯示器并以60 Hz輸出4K視頻。內存有1 GB/2 GB/4 GB LPDDR4等型號可選，功能和性能較強。其接口電路如圖3所示。

圖3 樹莓派接口電路

2.3 AS608光學指紋模塊

圖4所示的AS608高性能光學指紋模塊，通過串口通信從主控系統和電腦接收指紋識別信息，使用簡單方便。指紋識別芯片內置DSP運算單元并集成了先進的指紋識別算法，具有較高的識別精度。

圖4 光學指紋接口電路

2.4 Camer V2攝像頭

Camer V2攝像頭像素達800萬以上，感光芯片為索尼IMX219，有3.15 mm的焦距，對角視場角有160°，支持1080p30、720p60以及640×480p90視頻錄像，能夠控制拍照和錄制視頻，可用于精確的人臉識別、實時監控等功能的操作。

2.5 SSD1306熒屏

圖5所示的SSD1306是一個單片CMOS OLED/PLED驅動芯片，可以驅動有機/聚合發光二極管點陣圖形顯示系統，由128Segments和64Commons組成。該芯片專用公陰極OLED面板設計。

圖5 熒屏電路連接圖

SSD1306中采用Adafruit_G FXe庫于Arduino IDE開發環境進行開發，并嵌入了對比度控制器、顯示RAM和晶振，因此減少了外部器件和功耗。有256級亮度控制；數據/命令的發送有三種接口可選擇：6800/8000串口、IC接口或SPI接口。本項目產品作為人機交互界面，可顯示當前時間、設備工作狀態等。

2.6 熱釋電紅外傳感器

圖6所示的熱釋電紅外傳感器對于人體的敏感度與人的運動方向有很大的關系，其探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，探測波長范圍為0.2～20 μm；同時，其本身不散發任何類型的輻射，功耗小、隱蔽性好，符合該設備所具有的安全保障性能，且價格低廉。

因此，在教學設計時，根據學生的知識基礎,在圓錐曲線的2000多年的發展史中選取學生能夠理解且有一定教學價值的部分按歷史順序“去支強干”進行重組，對學生理解有負面作用的部分作合理改編(例如：橢圓的起源有許多其他猜想，僅選取“削尖的木樁”作為橢圓的起源介紹給學生)對難度過高的內容作以調整(例如:選取圓柱背景的“丹德林球”發現橢圓的性質，而非圓錐背景的“丹德林球”證明發現)，將這些豐富的數學文化以符合學生認知基礎和認知規律的教學形態呈現給學生.

圖6 熱釋電紅外傳感器接口電路

2.7 5 V有源蜂鳴器

圖7所示為5 V有源蜂鳴器。由于蜂鳴器振動才可以發聲，所以給有源蜂鳴器加上直流電源時，內部電路會自動地給線圈加上不斷變化的電流，讓磁場吸引音膜不斷地變形，從而會發出聲音。

圖7 蜂鳴器接口電路

3 軟件設計

3.1 工作流程

用戶通過手機或電腦對應的IP地址，可進行實時監控。利用指紋認證、人臉識別、手機APP以及手機語音等認證，可打開門鎖。用戶的具體操作流程如圖8所示。

圖8 用戶操作流程

3.2 實時監控系統

從網絡安全考慮，本文選擇了樹莓派Linux系統作為服務器操作平臺，通過網絡通信技術、Web服務器和數據庫的建立，可隨時用手機或電腦進行實時監控、對攝像頭云臺操作以及大門開鎖操控。

3.3 物聯網遠程操作

本文的門禁系統接入blinker物聯網云平臺，以實現物聯網遠程控制。采用Arduino_blinker庫與接口函數，并通過手機APP或手機語音的方式來實現遠程操作。利用公有云服務進行數據傳輸，進而對其進行遠程操控，使該門禁能夠作為智能家居被用戶使用。

3.4 認證錯誤圖像捕抓、報警功能

當人員進行指紋認證或人臉識別認證錯誤達到一定次數時，蜂鳴器將進行報警；同時樹莓派Camer V2攝像頭將對門禁外的人員進行抓拍，并將圖像與抓拍時間存儲至管理員設備的管理數據庫中。充分地表現出該門禁系統強大的安全防范功能以及對人員日常進出的管理，同時對追蹤不法分子能夠提供有力的幫助。

3.5 光學指紋認證

為了使門禁可以有效控制和管理人員的進出并提供快捷方便的開鎖體驗，系統接入了AS608光學指紋感應模塊。該模塊采用Adafruit_Fingerprint庫和Wire庫于Arduino IDE開發環境進行開發，對已錄入指紋的用戶能夠通過連接USB轉TTL模塊，以UART異步串口通信的方式與主控ESP32之間進行通信，完成對指紋的采集和比對，從而達成指紋認證與注冊。

3.6 人臉識別

采用樹莓派Camer V2攝像頭實現圖像捕抓，并由樹莓派4B上傳至百度AI物聯網云平臺，實現人臉檢測及識別功能。用戶將自己的頭像照片經過處理上傳至云平臺的用戶庫中。當紅外熱釋電人體感應模塊感應到有人體經過時會進行一次圖形捕獲，并且上傳到百度AI云平臺進行數據處理，與百度AI物聯網云平臺已有用戶庫數據進行匹配。若匹配成功，則樹莓派4B執行開門指令，ESP32接收到對應指令后發出開鎖命令。人臉識別工作過程如圖9所示。

圖9 人臉識別工作流程

3.7 監控云臺雙自由度控制

圖10 云臺控制界面

4 系統測試

圖11所示為測試設備原型及調試場景。具體測試過程和結果如下：

圖11 設備原型及調試場景

（1）各種方式認證開鎖測試：接通電源，即可進行指紋認證解鎖。當門禁系統通過家庭WiFi接入網絡后，手機APP將顯示設備在線，可以通過手機遠程控制、進行人臉識別認證和開鎖操作。經多次可靠性測試發現，系統各種方式認證速度較快、誤判率低，可通過門禁系統安全可靠地進行人員進出管理工作。

（2）遠程監控測試：系統接入網絡后，用戶能夠正常通過APP進行遠程監控和對攝像頭云臺進行控制。

（3）人員進出記錄測試：門禁系統啟動后，當有人員進出或進行認證，無論是否認證成功，都會對人員姓名、認證時間進行記錄，且管理員能夠通過接入該系統導出該記錄日志進行查看和管理。

（4）多次認證失敗圖像捕抓和警報功能測試：系統接入網絡后，能夠對多次認證錯誤的人員或長時間逗留人員進行圖像捕抓并且令蜂鳴器發出警報，然后將圖像上傳至管理員設備。經過多次可靠性測試發現，系統的圖像捕抓速度和上傳速度都較快，充分地表現出該門禁系統強大的安全防范功能以及對人員日常進出的管理功能，同時能為追蹤不法分子提供有力的幫助。

5 結 語

本文針對傳統門禁系統存在鑰匙管理不便、安全性差等問題，提出一種基于物聯網云平臺的智能門禁系統的設計方案，實現了使用手機APP和手機語音助手控制智能門禁完成互聯網遠程開關操作，并且可以通過光學指紋驗證以及人臉識別控制無關人員的進出；通過樹莓派無線通信技術實現實時監控，并且可以對多次指紋識別或人臉識別認證錯誤的人員進行圖像捕抓。既方便了用戶的出入，也可以通過對門禁的控制限制無關人員的進出，以提供安全保障。在后續的研究中，將進一步優化該門禁系統的程序設計和功能，從而提高該門禁系統的精確性與智能性。