胡慧之 陳從悅 惠蘊(yùn)心 秦瑤

摘要：為了提高智能門禁的安全性和控制設(shè)計(jì)成本，本文提出了基于STM32的人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心，以串口觸摸屏為人機(jī)交互窗口，以家用USB攝像頭為圖像采集設(shè)備，以WIFI模塊傳輸圖像數(shù)據(jù)和匹配結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了刷臉開鎖。通過測(cè)試，系統(tǒng)功能穩(wěn)定，且易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32;人臉識(shí)別;智能門禁;WIFI模塊

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2018）34-0176-02

1 引言

隨著科技的迅猛發(fā)展和人們物質(zhì)水平的提高，人們對(duì)居住安全的要求也越來越高。門禁控制作為安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，越來越受到人們的關(guān)注。鑰匙、密碼鍵盤、IC卡等傳統(tǒng)方式在使用過程中存在取用不便、易丟失、易竊取等缺陷，安全性較低，已無法滿足現(xiàn)代人的需要。

近年來，隨著生物識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，其具有的便攜性、非易失性、不會(huì)被遺忘、難盜用等優(yōu)勢(shì)也逐步應(yīng)用到門禁系統(tǒng)中。常見的生物識(shí)別技術(shù)有：指紋、虹膜、語音、人臉等多種識(shí)別方式[1]。雖然人臉識(shí)別容易受到光照強(qiáng)度、采集角度等諸多因素的影響，但它具有非接觸式、可在人們毫無察覺的情況下進(jìn)行圖像采集和不易被仿造、識(shí)別率較高的優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。因此，本文將人臉識(shí)別技術(shù)和智能門禁系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種使用方便、可靠性高、應(yīng)用范圍廣的新型智能門禁系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要以 STM32系列單片機(jī)作為微控制器，以串口觸摸屏為人機(jī)交互窗口，以家用USB攝像頭為圖像采集設(shè)備，另外加入了人體紅外感應(yīng)模塊、LED燈和語音提示等部件，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

當(dāng)人體紅外檢測(cè)模塊檢測(cè)到人體時(shí)，USB攝像頭采集圖像，通過WIFI上傳至上位機(jī)，與預(yù)先存儲(chǔ)的用戶人臉圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別匹配，匹配完成后再將結(jié)果經(jīng)由WIFI發(fā)送回STM32單片機(jī)。STM32單片機(jī)根據(jù)接收到的信息控制門鎖的開合，并在串口觸摸屏上顯示相關(guān)信息，同時(shí)輔以語音提示。若在光線較暗的情況下檢測(cè)到人體，可由STM32單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED燈進(jìn)行照明，提高人體識(shí)別的準(zhǔn)確度。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的主控芯片是STM32F103，它是首款基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC（精簡指令集）處理器，具有執(zhí)行代碼效率高，外設(shè)資源豐富等眾多優(yōu)點(diǎn)。該系列微處理器工作頻率設(shè)定在72MHz，有高達(dá)128K字節(jié)的內(nèi)置Flash存儲(chǔ)器和20K字節(jié)的SRAM，方便程序編寫，而且具有豐富的通用I/O端口。其最小系統(tǒng)電路主要由主控芯片、電源模塊、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試接口電路和啟動(dòng)模式選擇電路組成。

3.2 WIFI模塊

本系統(tǒng)選擇OpenWRT WIFI模塊實(shí)現(xiàn)圖像傳輸、圖像的實(shí)時(shí)顯示以及匹配結(jié)果的傳輸，在上位機(jī)中使用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)用戶信息及開門記錄。OpenWRT是一個(gè)高度模塊化與自動(dòng)化的嵌入式Linux系統(tǒng)，裝載有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)接口，并且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性[2]。本W(wǎng)IFI模塊的核心芯片是高通AR9331，集成MIPS 24K內(nèi)核、1個(gè)五端口百兆以太網(wǎng)交換機(jī)、高速串口和USB2.0 Host/Device接口[3]，最高主頻400MHz，板載64MB DDR2 RAM和8MB flash;支持 IEEE802.11 b/g/n，無線傳輸速率最大150Mbps，無線傳輸距離100m。WIFI模塊與STM32單片機(jī)的連接如圖2所示，通過串口進(jìn)行通信，WIFI模塊的RXD接STM32的TXD，TXD接STM32的RXD。

3.3 串口觸摸屏模塊

本系統(tǒng)選用可編程的串口觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，它擁有先進(jìn)的人機(jī)界面處理系統(tǒng)和美觀的嵌入式圖形界面。串口屏是由液晶屏+單片機(jī)+存儲(chǔ)器三部分構(gòu)成的，由計(jì)算機(jī)將圖片和漢字點(diǎn)陣通過GpuMaker程序預(yù)先存儲(chǔ)到串口屏的存儲(chǔ)器中，然后由單片機(jī)通過串口發(fā)送指令調(diào)用顯示即可。在串口屏上還可以設(shè)置熱區(qū)，當(dāng)觸摸熱區(qū)時(shí)，串口屏?xí)祷責(zé)釁^(qū)編號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)識(shí)別后進(jìn)行相應(yīng)的控制。

本系統(tǒng)選用的4.6寸的串口觸摸屏有4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的引出腳+5v、RX、TX、GND;支持波特率2400～256000，存儲(chǔ)器8M，自帶漢字庫，支持橫豎屏顯示;支持點(diǎn)，線，圓，方框，填充框等基本圖形顯示;內(nèi)部集成觸摸屏標(biāo)準(zhǔn)界面，支持32個(gè)熱區(qū)。串口屏接口電路如圖3所示，VCC5（+5V） 和DGND 對(duì)等連接，串口屏的RX接STM32的TX，TX接STM32的RX。

3.4 人體紅外檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)中使用紅外熱釋電傳感器來感應(yīng)人體，只有當(dāng)檢測(cè)到人體時(shí)，由單片機(jī)啟動(dòng)攝像頭進(jìn)行圖像采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以此減小系統(tǒng)功耗。本系統(tǒng)選用的紅外檢測(cè)模塊是微型SR602人體感應(yīng)模塊，此模塊靈敏度高，響應(yīng)速度快，靜態(tài)功耗小、體積小巧。模塊工作電壓為3.3V～15V，可全自動(dòng)感應(yīng)，感應(yīng)距離0～5米;在感應(yīng)范圍內(nèi)感應(yīng)到人體后，輸出高電平，可重復(fù)觸發(fā);IC置于鐵殼內(nèi)，抗干擾能力強(qiáng)，EMI小。模塊為數(shù)字開關(guān)量輸出，輸出腳OUT可直接連接單片機(jī)通用I/O端口。

3.5 語音提示模塊

本系統(tǒng)選擇XFS5152CE語音合成芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作時(shí)的狀態(tài)播報(bào)，如：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)播報(bào)“人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)已就緒！”;當(dāng)人臉識(shí)別成功開鎖后，播報(bào)“門已打開”等，同時(shí)可通過按鍵來控制音量。XFS5152CE是一款高集成度的語音合成芯片，可實(shí)現(xiàn)中文、英文語音合成;并集成了語音編碼、解碼功能，可支持用戶進(jìn)行錄音和播放;除此之外，還創(chuàng)新性地集成了輕量級(jí)的語音識(shí)別功能，支持30個(gè)命令詞的識(shí)別，并且支持用戶的命令詞定制需求。它支持UART、I2C、SPI三種通訊方式，UART串口支持4種通訊波特率可設(shè)：4800 bps、9600bps、57600bps、115200bps。本系統(tǒng)中采用的是串口通信模式。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為單片機(jī)程序和上位機(jī)程序兩部分。單片機(jī)部分程序主要由系統(tǒng)主程序、底層驅(qū)動(dòng)程序、各功能模塊子程序組成，各程序均由獨(dú)立的C語言文件編寫。主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)軟硬件配置好后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，確定整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)在感應(yīng)區(qū)內(nèi)檢測(cè)到人體時(shí)，打開攝像頭進(jìn)行圖像采集并通過WIFI上傳至上位機(jī)，在上位機(jī)中將采集到人臉信息與庫中保存的人臉信息進(jìn)行匹配，匹配完成后再將結(jié)果通過WIFI傳給單片機(jī)，由單片機(jī)控制相應(yīng)部件工作。

上位機(jī)軟件主要完成人臉識(shí)別任務(wù)，可以通過軟件平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。選擇合適的軟件平臺(tái)，不僅能給開發(fā)人員帶來方便，而且還能節(jié)省開發(fā)時(shí)間。本文選用Linux操作系統(tǒng)和OpenCV開源計(jì)算機(jī)視覺庫進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)。OpenCV應(yīng)用的系統(tǒng)很多，它的移植性強(qiáng)，其庫函數(shù)大部分為C函數(shù)，源代碼完全對(duì)外開放，包含很多圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的算法，并且代碼基本免費(fèi)，所以對(duì)于開發(fā)人員來說是一個(gè)很好的選擇。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于STM32單片機(jī)的智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)過程，系統(tǒng)以高性能單片機(jī)、串口觸摸屏、攝像頭、WIFI模塊等核心部件實(shí)現(xiàn)了人臉識(shí)別門禁功能。通過測(cè)試表明，已錄入系統(tǒng)的用戶可通過人臉識(shí)別實(shí)現(xiàn)開鎖功能，并能通過串口屏人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)刪除用戶、增加用戶等功能。系統(tǒng)的人臉信息采集通過家用USB攝像頭，人臉識(shí)別功能是通過WIFI傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上完成，整個(gè)系統(tǒng)兼容性高、可移植性強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：光文玲】