基于物联网云平台的智能门禁系统设计

林俊强，唐艳凤，郑焕坡，马振丰

（广州华立学院，广东 广州 511325）

0 引 言

当今科技发展迅速，智慧城市乃至智慧地球建设被提上日程。智能家居作为智慧城市的基础单位，与人们的生活息息相关。一套功能现代化的智能门禁管理系统，既能够方便用户的出入，又可以大大提高用户进出的安全性。目前，国内外的智能门禁系统主要有射频识别IC卡门禁系统和电子密码门禁系统、生物识别接入控制系统，如虹膜识别、人脸识别、指纹识别等等。伴随着WiFi通信技术、物联网技术的快速发展，应运而生的智能家居技术也日趋成熟。

本设计通过接入blinker物联网平台，实现通过手机APP和手机语音助手控制智能门禁完成互联网远程开关操作，并且可以通过光学指纹验证以及人脸识别控制无关人员的进出；通过树莓派无线通信技术实现实时监控，并且可以对多次指纹识别或人脸识别错误认证的人员进行图像捕抓。这样的设计既方便了用户的出入，也可以通过对门禁的控制限制无关人员的进出以提供安全保障；同时具有人体感应功能，可用于检测可疑人员和保证在门外无人的情况下进入休眠状态以减少电量损耗，达到节约环保、长续航工作的效果，具有一定的应用价值。该系统操作简单、易安装、安全性强、稳定性好，非常容易应用于家庭、酒店、工作室、工厂等场所。

1 系统总体设计

本系统以ESP32芯片作为系统主控，并围绕其设计了一系列外围电路。系统通过由多种函数库搭建完成的Arduino IDE开发环境对使用IC、SCCB等通信协议的各类外设模块进行控制。同时通过MQTT协议接入blinker物联网平台，以实现通过物联网对系统进行远程控制。系统结构框图如图1所示，以ESP32为主控，通过间接或直接的方式对外围电路、外围模块进行控制。

图1 系统结构框图

2 硬件电路设计

2.1 ESP-WROOM-32

ESP32配合Arduino IDE编程而不用51单片机或者STM32单片机，是因为相对于后两者来说，ESP32体积小巧。这就决定了本设备主控部分占位小，产品使用轻便、外观简洁，拥有40 nm工艺、双核32位MCU、2.4 GHz双模WiFi和蓝牙芯片，主频高达230 MHz，计算能力可达600 DMIPS，其原理如图2所示。可通过WiFi接入网络来控制智能门禁工作，让使用者更好地进行人机交互，使用起来更加方便。ESP32性能强而且功率低，对比相同性能的主控板，ESP32的性价比更高。ESP32能使用Arduino IDE进行编程，设计程序更加简洁易懂、易修改，功能执行起来更加精确。

图2 ESP32最小系统

2.2 树莓派4B

树莓派4B是一台迷你的嵌入式计算机，支持Raspbian、Ubuntn Mate、OpenELEC、Windows 10 IoT等系统，其CPU采用ARM Cortex-A72 1.5 GHz（四核），具有USB3.0高速传输端口，支持高达4K 30 Hz的双显示器并以60 Hz输出4K视频。内存有1 GB/2 GB/4 GB LPDDR4等型号可选，功能和性能较强。其接口电路如图3所示。

图3 树莓派接口电路

2.3 AS608光学指纹模块

图4所示的AS608高性能光学指纹模块，通过串口通信从主控系统和电脑接收指纹识别信息，使用简单方便。指纹识别芯片内置DSP运算单元并集成了先进的指纹识别算法，具有较高的识别精度。

图4 光学指纹接口电路

2.4 Camer V2摄像头

Camer V2摄像头像素达800万以上，感光芯片为索尼IMX219，有3.15 mm的焦距，对角视场角有160°，支持1080p30、720p60以及640×480p90视频录像，能够控制拍照和录制视频，可用于精确的人脸识别、实时监控等功能的操作。

2.5 SSD1306荧屏

图5所示的SSD1306是一个单片CMOS OLED/PLED驱动芯片，可以驱动有机/聚合发光二极管点阵图形显示系统，由128Segments和64Commons组成。该芯片专用公阴极OLED面板设计。

图5 荧屏电路连接图

SSD1306中采用Adafruit_G FXe库于Arduino IDE开发环境进行开发，并嵌入了对比度控制器、显示RAM和晶振，因此减少了外部器件和功耗。有256级亮度控制；数据/命令的发送有三种接口可选择：6800/8000串口、IC接口或SPI接口。本项目产品作为人机交互界面，可显示当前时间、设备工作状态等。

2.6 热释电红外传感器

图6所示的热释电红外传感器对于人体的敏感度与人的运动方向有很大的关系，其探测元的高热电材料是一种广谱材料，探测波长范围为0.2～20 μm；同时，其本身不散发任何类型的辐射，功耗小、隐蔽性好，符合该设备所具有的安全保障性能，且价格低廉。

因此，在教学设计时，根据学生的知识基础,在圆锥曲线的2000多年的发展史中选取学生能够理解且有一定教学价值的部分按历史顺序“去支强干”进行重组，对学生理解有负面作用的部分作合理改编(例如：椭圆的起源有许多其他猜想，仅选取“削尖的木桩”作为椭圆的起源介绍给学生)对难度过高的内容作以调整(例如:选取圆柱背景的“丹德林球”发现椭圆的性质，而非圆锥背景的“丹德林球”证明发现)，将这些丰富的数学文化以符合学生认知基础和认知规律的教学形态呈现给学生.

图6 热释电红外传感器接口电路

2.7 5 V有源蜂鸣器

图7所示为5 V有源蜂鸣器。由于蜂鸣器振动才可以发声，所以给有源蜂鸣器加上直流电源时，内部电路会自动地给线圈加上不断变化的电流，让磁场吸引音膜不断地变形，从而会发出声音。

图7 蜂鸣器接口电路

3 软件设计

3.1 工作流程

用户通过手机或电脑对应的IP地址，可进行实时监控。利用指纹认证、人脸识别、手机APP以及手机语音等认证，可打开门锁。用户的具体操作流程如图8所示。

图8 用户操作流程

3.2 实时监控系统

从网络安全考虑，本文选择了树莓派Linux系统作为服务器操作平台，通过网络通信技术、Web服务器和数据库的建立，可随时用手机或电脑进行实时监控、对摄像头云台操作以及大门开锁操控。

3.3 物联网远程操作

本文的门禁系统接入blinker物联网云平台，以实现物联网远程控制。采用Arduino_blinker库与接口函数，并通过手机APP或手机语音的方式来实现远程操作。利用公有云服务进行数据传输，进而对其进行远程操控，使该门禁能够作为智能家居被用户使用。

3.4 认证错误图像捕抓、报警功能

当人员进行指纹认证或人脸识别认证错误达到一定次数时，蜂鸣器将进行报警；同时树莓派Camer V2摄像头将对门禁外的人员进行抓拍，并将图像与抓拍时间存储至管理员设备的管理数据库中。充分地表现出该门禁系统强大的安全防范功能以及对人员日常进出的管理，同时对追踪不法分子能够提供有力的帮助。

3.5 光学指纹认证

为了使门禁可以有效控制和管理人员的进出并提供快捷方便的开锁体验，系统接入了AS608光学指纹感应模块。该模块采用Adafruit_Fingerprint库和Wire库于Arduino IDE开发环境进行开发，对已录入指纹的用户能够通过连接USB转TTL模块，以UART异步串口通信的方式与主控ESP32之间进行通信，完成对指纹的采集和比对，从而达成指纹认证与注册。

3.6 人脸识别

采用树莓派Camer V2摄像头实现图像捕抓，并由树莓派4B上传至百度AI物联网云平台，实现人脸检测及识别功能。用户将自己的头像照片经过处理上传至云平台的用户库中。当红外热释电人体感应模块感应到有人体经过时会进行一次图形捕获，并且上传到百度AI云平台进行数据处理，与百度AI物联网云平台已有用户库数据进行匹配。若匹配成功，则树莓派4B执行开门指令，ESP32接收到对应指令后发出开锁命令。人脸识别工作过程如图9所示。

图9 人脸识别工作流程

3.7 监控云台双自由度控制

图10 云台控制界面

4 系统测试

图11所示为测试设备原型及调试场景。具体测试过程和结果如下：

图11 设备原型及调试场景

（1）各种方式认证开锁测试：接通电源，即可进行指纹认证解锁。当门禁系统通过家庭WiFi接入网络后，手机APP将显示设备在线，可以通过手机远程控制、进行人脸识别认证和开锁操作。经多次可靠性测试发现，系统各种方式认证速度较快、误判率低，可通过门禁系统安全可靠地进行人员进出管理工作。

（2）远程监控测试：系统接入网络后，用户能够正常通过APP进行远程监控和对摄像头云台进行控制。

（3）人员进出记录测试：门禁系统启动后，当有人员进出或进行认证，无论是否认证成功，都会对人员姓名、认证时间进行记录，且管理员能够通过接入该系统导出该记录日志进行查看和管理。

（4）多次认证失败图像捕抓和警报功能测试：系统接入网络后，能够对多次认证错误的人员或长时间逗留人员进行图像捕抓并且令蜂鸣器发出警报，然后将图像上传至管理员设备。经过多次可靠性测试发现，系统的图像捕抓速度和上传速度都较快，充分地表现出该门禁系统强大的安全防范功能以及对人员日常进出的管理功能，同时能为追踪不法分子提供有力的帮助。

5 结 语

本文针对传统门禁系统存在钥匙管理不便、安全性差等问题，提出一种基于物联网云平台的智能门禁系统的设计方案，实现了使用手机APP和手机语音助手控制智能门禁完成互联网远程开关操作，并且可以通过光学指纹验证以及人脸识别控制无关人员的进出；通过树莓派无线通信技术实现实时监控，并且可以对多次指纹识别或人脸识别认证错误的人员进行图像捕抓。既方便了用户的出入，也可以通过对门禁的控制限制无关人员的进出，以提供安全保障。在后续的研究中，将进一步优化该门禁系统的程序设计和功能，从而提高该门禁系统的精确性与智能性。