树莓派和STM32的智能门禁系统

华南农业大学电子工程学院、人工智能学院 魏宝源 梁文添 梁俊轩 徐梅宣

针对当前居家普遍使用的传统机械门锁存在的易破解、易损坏、自动化程度不高的情况，本文提出基于树莓派和STM32的智能门禁系统。该系统通过摄像头对开门者进行人脸识别及监控，通过指纹识别模块进行指纹识别，结合显示屏实现人机交互。针对正确的解锁信息，系统建立树莓派与STM32的串口通信，接收解锁信号并控制电磁锁进行开关锁动作；同时，系统通过pistreaming进行监控图像远程传送，通过SMTP协议进行异常开锁提醒功能。系统具有高识别率、方便快捷，可广泛应用于住宅门锁领域。

门锁作为人们居家必备的生活用具，成为保护个人隐私和财产安全的第一道防线。2019年，据公安部统计数据显示，我国因入室盗窃造成的家庭经济损失超过11300亿元，其中撬锁入室的比例接近80%。罪犯不断升级的盗窃技能使传统机械锁锁的防护功能遭受巨大考验，传统机械锁结构简单，安全性能低下，居民的个人和财产安全难以得到良好保障。随着智能家居的快速发展和应用，智能化的门锁系统因其更高的便捷性、安全性和实用性，成为门锁系统的设计趋势。

1 系统功能及总体设计

该系统主要研究生物信息识别功能，以STM32单片机和树莓派作为系统核心处理器，结合外接模块实现家居门锁的人脸识别、指纹识别、密码解锁功能，访客到访提醒功能以及远程监控报警功能，提供全面的门锁安全服务。该系统由解锁信息采集系统、预警提醒系统、开锁执行系统组成，系统的总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 实现原理及流程

2.1 解锁信息采集系统

（1）人脸识别模块

系统由树莓派、CSI摄像头、HDMI触摸屏组成，人脸识别监控预警流程如图2所示。

图2 人脸识别监控预警流程图

预先在上位机云端建立人脸库，本系统投入使用时，利用CSI摄像头对进入采集区的人脸进行拍摄，将人脸数据与人脸数据库中人脸信息进行匹配，当匹配成功时，树莓派向STM32发送解锁信号， STM32通过UART串口接收解锁信号后驱动硬件完成开锁动作。当匹配不成功时，树莓派通过SMTP协议向住户的移动终端发送邮件、微信小程序提醒，住户可通过移动终端Web浏览器查看实时监控。

（2）指纹识别模块

该模块由指纹识别和显示一体化模块及STM32处理器组成。指纹识别模块内置手指探测电路，实时检测指纹按压情况。当检测到开锁行为时对指纹进行匹配，通过电容屏进行识别结果显示。匹配成功后将开锁信号传送到STM32处理器触发开锁动作。同时电容屏进入管理员模式，使用者可通过电容屏进行指纹录入、删除操作。AS608指纹模块如图3所示，指纹识别流程如图4所示。

图3 指纹模块

图4 指纹识别流程图

图5 人机交互界面流程图

（3）密码解锁及人机交互模块

人机交互界面由HDMI触摸屏进行显示。HDMI触摸屏的图形界面设计由PyQt5编程完成，图形界面内置触屏按键、人脸识别、到访提醒等功能，用户通过密码解锁后进入管理员模式，树莓派向STM32发送开锁信号进行开锁。用户点击人脸识别按钮即可使用人脸识别功能，识别通过后可以开锁。访客到访可点击到访提醒按钮对主人进行提醒。人机交互界面系统流程如图5所示，界面如图6所示。

图6 人机交互界面图

2.2 预警提醒系统

（1）提醒邮件发送

SMTP是一种提供高效便捷的电子邮件传输的协议。SMTP是建立在FTP文件传输服务上的一种邮件服务，主要用于系统之间的邮件信息传递，并提供有关来信的通知。本系统使用中，访客到访时通过人机交互界面选择到访提醒服务，树莓派通过STMP通信协议对用户绑定邮箱发送到访提醒信息。提醒信息如图7所示。当人脸识别匹配不成功时，系统即认为出现异常开锁情况，树莓派通过SMTP通信协议对用户邮箱发送异常开锁报警信息。

图7 邮箱访客到访提醒

（2）远程视频监控

Pistreaming是一种基于Web服务器访问IP地址实现远程视频实时传输的树莓派流媒体项目。通过python3中的server库调用摄像头进行实时图像采集，用户可通过移动终端的web浏览器访问树莓派IP地址，实现实时监控的查看。本系统使用中，用户可通过手机浏览器访问门禁系统IP地址查看住宅实时监控，确定住宅和财产的安全。

2.3 开锁执行系统

该系统由电机驱动模块、步进电机和电磁锁硬件组成。对于开锁动作，STM32处理器接收到开锁信号后对电机驱动模块的4个引脚轮流输出高电平，进而对四相步进电机励磁，实现转动动作，带动电磁锁硬件完成开关锁动作。对于关锁动作，当门锁与扣板两端的霍尔传感器接触时产生电磁感应，输出低电平作为关锁信号，STM32接收关锁信号后对步进电机进行反向励磁，从而实现关锁动作。电机驱动模块如图8所示。

图8 电机驱动模块

3 系统测试

完成本系统各子系统及其相关软件、硬件设计后对整个系统进行检验测试。已经实现在下位机通过人脸识别、指纹识别、密码输入等方式进行开锁。并可以在上位机通过浏览器访问IP地址进行监控录像查看和预警信息查看。上位机、下位机通信测试如图9所示。

图9 系统封装测试图

3.1 系统功能设计

（1）当人脸识别、指纹识别、密码解锁成功时，电磁锁完成开锁动作。

（2）当解锁行为异常时，对用户邮箱发送警告提醒信息。

（3）当访客通过人机交互界面选择到访提醒时，对用户邮箱发送方可到访提醒信息。

（4）当用户通过浏览器访问系统IP地址时，传送实时监控录像。

3.2 系统功能测试

本文通过设计多次重复解锁实验验证系统功能的成功率和可靠性，测试结果如图10所示。

图10 测试结果统计

以上测试结果表明，系统各子系统均能实现预定功能，系统测试成功。

4 结论

针对当前居家普遍使用的传统机械门锁存在的易破解、易损坏、自动化程度不高的情况，本文设计了通过STM32开发板和树莓派3B+搭建的具有人脸识别、指纹识别、远程监控等功能的智能门禁系统。系统在现有门锁的基础上将多种生物信息识别的解锁方式结合，通过摄像头实现人脸信息的采集从而完成人脸识别。采用光学指纹模组实现指纹识别功能。同时创新性地通过SMTP协议将异常开锁信息及时发送到住户的电子邮箱，并基于Python ws4py、FFmpeg库将实时监控传输到手机浏览器，为住户提供了便捷、高效、安全的门禁服务。由于系统使用STM32搭载了指纹模组、电磁锁模组和显示屏模块，在识别精度、开锁速度等方面有一定延迟局限性，仍需在后续研究中进一步优化系统资源分配，减少延迟误差局限性。