多門控制及圖像實時采集系統(tǒng)的設(shè)計

田志宏， 王 瑩， 王 杰， 陳 浩， 趙永光

(天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津300222)

0 引 言

在數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，門禁技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。門禁系統(tǒng)早已超越了單純的門道及鑰匙管理，它已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一套完整的出入管理系統(tǒng)。它在工作環(huán)境安全、人事考勤管理等行政管理工作中發(fā)揮著巨大的作用。然而傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)越來越不能滿足現(xiàn)代商業(yè)活動的需求，畢竟無論是鑰匙、電子磁卡鎖還是電子密碼鎖都有信息被復制的可能，安全系數(shù)很低［1］。

生物識別技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使門禁系統(tǒng)得到了飛躍式的進步。市場上開始出現(xiàn)感應卡式門禁系統(tǒng)、指紋門禁系統(tǒng)、面部識別門禁系統(tǒng)，它們在安全性、方便性及易管理性等方面各有所長。其中指紋識別技術(shù)因其具有唯一、穩(wěn)定、不可復制的特點而越來越多地被應用于門禁及考勤系統(tǒng)［2-3］。

數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展同樣推動著門禁系統(tǒng)的現(xiàn)代化，越來越多的攝像頭、電子眼等圖像采集裝置開始應用在門禁系統(tǒng)中。圖像和視頻的實時采集技術(shù)應用于門禁系統(tǒng)將使其更為安全、可靠。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)以HT66FU50 單片機［4］作為核心控制器，通過串口連接WEL-406 指紋識別模塊，模擬串口連接無線傳輸模塊，外接指示燈、報警器、獨立按鍵，同時手機或上位機可以通過Wi-Fi 無線技術(shù)連接到攝像頭，完成視頻和圖像的采集工作，而Wi-Fi 模塊和單片機同樣通過串口和單片機進行通信，從而實現(xiàn)上位機和手機對門禁系統(tǒng)的控制。

系統(tǒng)總體框架如圖1 所示，其中WEL-406 光學指紋識別模塊配合單片機可以完成指紋登記、指紋采集、指紋比對(1∶1)和指紋搜索(1∶N)功能［5-9］。上位機或手機通過Wi-Fi［10-11］攝像頭以及串口和單片機進行通信，指紋比對結(jié)果也通過串口傳給HT66FU50 單片機。單片機根據(jù)接收到的信息，通過軟件編程對外接電路的指示燈進行控制，當有異常發(fā)生時，報警器報警，同時單片機通過串口將結(jié)果通過GSM［12-13］無線傳輸模塊傳送給用戶。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計及電路

硬件電路主要包括單片機最小系統(tǒng)的電路、指紋模塊接口電路、指紋模塊手指感應輸入電壓電路、GSM模塊接口電路、Wi-Fi 模塊接口電路，以及電控鎖、蜂鳴器、指紋模塊的開關(guān)電路。

2.1 控制模塊

本系統(tǒng)的控制模塊采用臺灣盛群公司的HT66FU50 單片機。HT66FU50 是一款具有AD 功能并且支持串口通信的8 位高性能精簡指令集Flash 單片機，可以多次燒寫，并且具有PWM 功能，能滿足本系統(tǒng)的要求。通用異步接受/發(fā)送器(UART)與指紋模塊進行通信。此外，系統(tǒng)用軟件另外模擬一個串口:模擬串口的發(fā)送端連接無線模塊的接收端，向無線模塊發(fā)送報警的AT 指令;模擬串口的接收端通過USB 接口連接Wi-Fi 模塊的發(fā)送端，接收手機或PC 機控制端通過Wi-Fi 發(fā)送的指令，用來控制攝像頭上、下、左、右四個方向的旋轉(zhuǎn)。

2.2 指紋采集模塊

系統(tǒng)采用WEL_406 作為指紋采集模塊。其主頻為120 MHz，通訊時，為半雙工異步通訊，默認波特率為57.6 kb/s，傳送的幀格式為10 位，一位0 起始位，8位數(shù)據(jù)(低位在前)和一位停止位，無校檢位。指紋模塊具有如下功能:

(1)指紋登記。采集3 次指紋特征，合成指紋模版，登記到指紋庫中。

(2)指紋比對與搜索?？梢赃M行指紋比對和指紋搜索。

(3)緩沖區(qū)與指紋庫。芯片內(nèi)設(shè)有2 個512 bytes大小的特征文件緩沖區(qū)，既可以用于存放普通特征文件也可以用于存放模板特征文件。指紋庫容為512 枚指紋，如有需要可擴展到1 024 枚。

(4)特征與模版。指紋特征文件大小為256 B，包含特征點信息與總體信息;模板大小為256 B，是2個相同指紋特征合成。

WEL-406 與單片機接口電路如圖2 所示，其中管腳5 為手指感應輸入，要求電壓為3.3 V 左右，所以采用紅色發(fā)光二極管，其壓價為2.0 ～2.2 V。

圖2 WEL-406 與單片機接口電路

通過串口接收和發(fā)送固定的16 進制數(shù)據(jù)，實現(xiàn)登記、錄入和搜索、清空指紋的功能。

2.3 GSM 模塊

系統(tǒng)采用MC39i 完成無線報警，其也采用串口通信，而單片機只有一個串口，所以需要用軟件模擬一個串口，系統(tǒng)中GSM 模塊只需要接收單片機發(fā)送的指令，因此只連接模擬串口RX。另外GSM 模塊采用RS-232 電平，需用MAX232 芯片進行電平轉(zhuǎn)換，接口電路如圖3 所示。

圖3 GSM 模塊與單片機接口電路

2.4 Wi-Fi 攝像頭模塊

系統(tǒng)所用的Wi-Fi 模塊參數(shù)如下:輸入電壓為5V/1A，采用IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b 無線標準，具有1 個10/100 Mb/s LAN/WAN 復用網(wǎng)絡(luò)接口、1 個USB2.0 接口(用于連接攝像頭)、1 個TTL 串口和內(nèi)置天線。

Wi-Fi 模塊可以通過USB 接口連接攝像頭，另外通過串口和單片機進行通信。

3 軟件設(shè)計

3.1 下位機部分

下位機軟件部分包括指紋處理程序、按鍵掃描和指紋感應程序、無線報警程序，上位機和手機通過Wi-Fi 向單片機模擬串口發(fā)送控制命令的程序，PWM 輸出控制舵機轉(zhuǎn)向的程序。此外，還有聲光報警等外圍設(shè)備的控制程序。其流程圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 指紋登記和清空軟件流程圖

3.2 Android 手機控制端

Android 系統(tǒng)［14］內(nèi)核是Linux，是一款開源的手機操作系統(tǒng)。Android 系統(tǒng)的開發(fā)性、高兼容性的特點使其成為近年來主流的手機操作系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，使用Android 手機作為遙控器對門禁系統(tǒng)中攝像頭的方向進行控制，是操作更為簡便。

圖5 指紋開門軟件流程圖

首先搭建 Android 應用程序開發(fā)環(huán)境eclipse［15-16］，利用Java 語言進行手機控制端軟件開發(fā)。

3.3 PC 機控制端

PC 機的控制端采用C#語言進行編程，由于PC 機的硬盤容量較大，可以保存較大的圖片和視頻，因此比Android 手機控制端多了拍照和錄制視頻功能，將圖片和視頻以時間格式命名，保存在本地文件夾中。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種基于指紋識別和圖像實時監(jiān)控的多門控制系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)主要由指紋處理部分、無線報警部分、攝像頭舵機控制部分、Android 手機端控制部分和PC 機端控制部分組成。整個系統(tǒng)采用Wi-Fi 技術(shù)、指紋識別技術(shù)、圖像采集技術(shù)、Android 應用開發(fā)等控制方法，使得門禁系統(tǒng)更加安全可靠，也更加智能化、人性化。系統(tǒng)特色:

(1)安全可靠性高，指紋具有唯一、穩(wěn)定性高、便于采集、不易復制、安全性高的特點，GSM 無線通信技術(shù)的使用可以使用戶及時了解發(fā)生的狀況，同時添加圖像實時監(jiān)控功能，使得該門禁系統(tǒng)更為安全可靠。

(2)設(shè)計更為人性化，指紋和按鍵的結(jié)合使用使操作更為便捷。

(3)多門控制開發(fā)不僅僅限于家居應用，也可應用于小區(qū)、辦公、學校等場所。

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