基于stm32 系统与物联网的AI 多功能门禁系统研究

林佳智 常凤筠* 朱文斌 朱瑞昕 张天赐 王志鹏

(辽宁科技大学电子与信息工程学院,辽宁 鞍山114000)

对于当前小区及公司等大型区域,门卫是必不可少的存在,24 小时随时控制人员进出、人员安全和留言通话可以说是特别繁重的工作,除去人力的不确定因素,可以说既伤财又费力。

现阶段社会已经步入自动化,AI 代替了很多人力,然而门卫这一行业的不确定性和多样性导致没有一个AI 产品可以很好地全面取而代之。指纹锁、人脸识别锁、基础的可通话门禁,他们都有很大的局限性,只能局部控制和维护安全,因此引发了我们团队对此项目的开发和拓展[1]。

1 系统框图

以stm32 为主要系统,通过物联网模块、红外测温模块、AS608 指纹识别模块、LCD 显示屏等外设模块。进行园区门禁控制、人员体温监控、指纹识别身份、外来人员认证身份和对住户留言以及近期状况的记忆功能,实现对于门禁的多功能全自动化[2]。其系统框图如图1。

2 系统的硬件电路设计

图1 多功能门禁系统系统框图

2.1 处理器模块的选择及功能介绍

微处理器采用STM32F103ZET6 作为主控芯片,其内核为ARM32 位的Cortex-M3,优势在于低功耗、低成本、高性能。STM32F103 具有最高72MHz 的工作频率,内置高达512K 字节的闪存程序储存器和64K 字节的SRAM,载有最多11 个定时器和84 个中断,并配有丰富外设,具有极高的集成度。其极低的价格和开发成本,有意的实时性能和杰出的功耗控制为STM32F103MCU 带来了广泛的应用[3]。

2.2 显示控制电路的设计

本设计中显示部分较为复杂,并且用其进行触屏控制,因此选用了LCD 液晶显示屏。通过触屏点击实现控制门禁、通话、留言等功能。二极管显示和数码管都不足以达到这些效果与功能,因此选择了1602 液晶显示屏。

2.3 门禁电路以及报警电路的设计

本设计中门禁有两种控制方式：第一种是指纹识别认证身份开启门禁,第二种是物联网住户远程开启门禁。报警电路设计则是在出现体温不正常或者指纹不匹配的人试图进入该场所时,通过蜂鸣器发出警报声,并通过物联网无线发送信号给管理人员。

2.4 应用物联网的设计

本设计突出的地方便是通过物联网实现的的住户一键通话和门禁远程控制。选择了正点原子的SIM800C 物联网模块,突破WiFi 的限制,可以直接插SIM卡通话和全国范围内的通讯控制。其工作频率为GSM/GPRS,可以实现低功耗语音、数据和信息的传输,尺寸小巧,价格相对较低。缺点是信号强度比较弱、冷启动慢,但是比起其他同层次物联网模块更为可靠,开发难度小[4]。

2.5 指纹模块电路的设计

生物识别技术在国外的到了越来越广泛的研究。人脸识别、指纹识别、虹膜识别等识别技术已经陆续被广泛应用。其中指纹自动识别技术是当今发展最成熟的一种生物识别技术,作为人体生物识别的一种方式,它具有准确性、唯一性、采样简单、占用资源小等显著的优点。所以,认为在门禁设计方面该识别技术是最合适的。

图2 业主和员工开启门禁程序框图

图3 外来人员开启门禁程序框图

AS608 是一个光学指纹识别模块内部的DSP 单元集成了指纹识别算法,提高了采集图像和识别指纹特征的效率,处理一个指纹只需要不到0.4 秒的事件,且拒真率和认假率极低,识别率非常好。该模块非常适合本设计对于门禁识别的需要,因此选择了AS608 指纹识别模块[5]。

2.6 温度传感器模块电路的设计

本设计加入了测温传感器,可以有效抑制传播性感冒的散播。普通温度传感器一般温度较高,单对于运动体和非接触物体会产生极大的误差。因此我们选用了GY-906 红外测温传感器,利用红外线的物理性质来测量温度,只要物理本身具有高于绝对零度的温度,被红外线点到,就会产生温度,并且有灵敏度高、反应快等优点[6]。

3 系统程序的软件设计

根据多功能门禁系统的实际要求,本系统的主要流程如下：住户或员工在此前应该进行一次整体指纹采集,将指纹储存在门禁系统里。当他们从外面进来时先进行非接触式的红外测温检测,如果额头温度不正常蜂鸣器报警,不允许进入,温度正常则进行指纹比对,对比成功则开门,对比失败则蜂鸣器报警。如果非住户及员工想要进入需要得到该业主与在职员工许可,此时可以用触屏操作LCD 液晶显示屏的方式通过SIM800C物联网模块进行一键通话或发送信息,业主与在职员工确定之后通过SIM800C 物联网模块远程输出指令开启门禁。储存器模块会储存近期门禁系统的操作记录,以便人工查询。如若门禁系统遇到报警情况,SIM800C 模块都会向人工应急组发送报警信息。

4 系统仿真调试

本论文采用Protues 仿真软件进行系统仿真调试。利用其对虚拟单片机仿真具有丰富的器件库、完善的电路仿真功能等多个优点,对本系统的实验效果进行仿真调试。

4.1 系统仿真实验电路图

本系统的仿真电路图,其中包含各种实现功能的模块,能够在仿真中模拟系统要求的各种功能。

4.2 业主远程开门功能

本功能具体要求住户在通过互联网模块sim 卡通话得知人员信息后,可以使用住户系统的LCD 触屏一键开门键,利用互联网模块发送开启门禁“0x01”数据,小区门禁系统收到数据系统将其转化为指令信号,自动开启门禁,lcd 显示“门禁开启”。

4.3 人员安全监测功能

本功能具体要求进入小区人员通过GY-906 进行非接触式测温,采集温度参数后系统内部进行温度补偿,使其趋近于不受环境影响的测量温度。将计算好的温度与安全温度阈值进行比较,在阈值范围内系统则判定温度正常,lcd 显示“温度正常”；超过阈值范围则判定温度不正常,报警电路进行报警,wifi 模块进行网络信息传输通知安保人员,lcd 显示“温度不正常 禁止入内”。

4.4 指纹认证开门功能

本功能具体要求小区内人员首先进行整体录入指纹,每人录入两次指纹进行指纹拟合作为指纹认证模型。业主开启门禁时再通过安全监测后进行指纹认证,通过AS608 光学指纹模块录入指纹,与之前两次指纹拟合认证模型进行匹配,如果找到匹配指纹,则系统判定其为小区业主,自主传递指令开启门禁,lcd 显示“门禁开启”；如果未找到匹配指纹,则系统判定其为外来人员,门禁开启失败,lcd 显示“请重新录入指纹 门禁开启失败”。

5 结论

本系统是以STM32F103 为主控、结合物联网以及多种模块构建的AI 多功能门禁系统。全文从项目背景、系统框图、硬件电路搭配、程序软件设计、系统仿真调试几个方面论述了该系统。由此可见,这样一个多功能、高智能、可远程控制的门禁系统会有一个很好的应用前景。