可遠(yuǎn)程控制的人臉識(shí)別智能宿舍門鎖的設(shè)計(jì)

南京工程學(xué)院信息與通信工程學(xué)院 劉廷泰 王斌 唐蕾 劉攀鋒 金擇真

引言

如今，在學(xué)校宿舍中，很容易出現(xiàn)學(xué)生忘帶鑰匙的情況，在此情況下，如果宿舍沒(méi)有人，需要找宿管才可開(kāi)門，不是很方便。同時(shí)，學(xué)生間相互串宿舍也是很常見(jiàn)的現(xiàn)象，但是如果宿舍里的人都離門比較遠(yuǎn)，且在手頭都有事情做的情況下，跑去門邊開(kāi)門不僅會(huì)浪費(fèi)時(shí)間，還有可能會(huì)打斷當(dāng)前所在進(jìn)行的工作。伴隨著時(shí)代技術(shù)的發(fā)展，人臉識(shí)別技術(shù)的進(jìn)一步成熟，針對(duì)以上的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種可遠(yuǎn)程控制的人臉識(shí)別門鎖。通過(guò)人臉識(shí)別開(kāi)啟門鎖，非接觸式、基于生物識(shí)別的解鎖方式無(wú)須攜帶鑰匙，可以使生活更方便、快捷；同時(shí)，在宿舍內(nèi)不移動(dòng)的情況下通過(guò)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程控制門鎖開(kāi)啟，可以免去生活中的一些煩瑣，在帶來(lái)便捷性的時(shí)候能夠提高生活質(zhì)量[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本門鎖由三個(gè)主要控制模塊組成，分別是低電壓控制設(shè)備、高電壓受控設(shè)備和上機(jī)位控制端。其中，低電壓控制設(shè)備模塊包括樹(shù)莓派攝像頭和樹(shù)莓派4B 組成；高電壓受控設(shè)備由電磁鎖組成； 上機(jī)位控制端模塊由控制按鍵、STC89C52 單片機(jī)和LCD1602 顯示屏組成。其中由低電壓控制設(shè)備和高電壓受控設(shè)備組合成門鎖的本體，通過(guò)繼電器來(lái)連接；低電壓控制設(shè)備與上機(jī)位控制端以ZigBee 串口通信模塊連接[2]。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

在該設(shè)計(jì)中，人臉識(shí)別用于從室外開(kāi)啟門鎖，宿舍舍員可以通過(guò)刷臉的方式打開(kāi)門鎖，同時(shí)可在室內(nèi)上機(jī)位的LCD1602 顯示器上讀出開(kāi)啟門鎖的人員信息；當(dāng)有別的宿舍人需要進(jìn)門的時(shí)候，宿舍里面的人員可以通過(guò)室內(nèi)上機(jī)位的控制按鍵來(lái)開(kāi)啟門鎖[3]。此設(shè)計(jì)方案可以很好地解決“開(kāi)門”問(wèn)題，宿舍內(nèi)的人員開(kāi)門不再需要鑰匙了，可以使生活更方便；當(dāng)有別的宿舍的需要進(jìn)入，也不需要室內(nèi)的人跑到門邊開(kāi)門了。

2 門鎖的設(shè)計(jì)

門鎖本體由低電壓控制設(shè)備和高電壓受控設(shè)備組成。門鎖主要由攝像頭、樹(shù)莓派4B 開(kāi)發(fā)板、繼電器、電磁鎖、ZigBee 串口通信模塊及兩個(gè)電源（一個(gè)為DC5V3A，另一個(gè)為DC24V）構(gòu)成。其電路連接圖如下：

圖2 門鎖電路連接圖

攝像頭和樹(shù)莓派4B 開(kāi)發(fā)板間通過(guò)樹(shù)莓派CIS 視頻接口連接；繼電器的IN 端與樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板的GPIO17 口連接；繼電器的COM端連接DC24V 電源的正極，NO 端連接電磁鎖的正極；Zig-Bee 串口通信模塊通過(guò)UART 接口與樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板連接；電磁鎖的負(fù)極與DC24V 電源的負(fù)極相連。

本設(shè)計(jì)中的門鎖需要預(yù)先通過(guò)攝像頭采集宿舍人員的臉部圖像，并將圖像傳送給微處理器分析、提取數(shù)據(jù)，并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中；當(dāng)宿舍人員需要開(kāi)門時(shí)，攝像頭會(huì)自動(dòng)采集人員臉部圖片，在提取、分析數(shù)據(jù)后，與數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)數(shù)據(jù)置信度達(dá)到閾值75%時(shí)，身份驗(yàn)證成功，此時(shí)樹(shù)莓派4B 的GPIO17口會(huì)給繼電器一個(gè)高電平觸發(fā)信號(hào)，繼電器收到信號(hào)后，會(huì)連接COM端和NO 端，讓電磁鎖通路，從而使電磁鎖舌被磁力吸引，門鎖開(kāi)啟，成功開(kāi)門，同時(shí)，當(dāng)人臉數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比后，樹(shù)莓派會(huì)把開(kāi)啟門鎖的人員姓名及時(shí)間通過(guò)ZigBee 串口通信模塊發(fā)送到上機(jī)位；兩秒后，樹(shù)莓派向繼電器發(fā)送的信號(hào)會(huì)恢復(fù)成低電平信號(hào)，繼電器收到信號(hào)后，會(huì)斷開(kāi)COM端和NO 端的連接，電磁鎖被斷路，電磁鎖舌在失去電磁力吸引的情況下彈出，門鎖再次鎖上。

3 室內(nèi)控制器的設(shè)計(jì)

為了方便在室內(nèi)控制開(kāi)啟門鎖，我們還設(shè)計(jì)了門鎖對(duì)應(yīng)的上機(jī)位——室內(nèi)控制器。該控制器由STC89C52 單片機(jī)、控制按鍵、LCD1602 顯示屏、ZigBee 串口通信模塊和DC5V 電源組成。

圖3 上機(jī)位電路連接圖

當(dāng)有宿舍的人通過(guò)刷臉開(kāi)門時(shí)，室內(nèi)控制器會(huì)通過(guò)ZigBee串口通信模塊接收從門鎖發(fā)送過(guò)來(lái)的人員信息和開(kāi)鎖時(shí)間，并在LCD1602 顯示器上顯示出來(lái)；當(dāng)有其他宿舍的人串門時(shí)，室內(nèi)人員可按下室內(nèi)控制器上的控制按鍵，此時(shí)單片機(jī)通過(guò)ZigBee串口通信模塊向樹(shù)莓派發(fā)送開(kāi)鎖信號(hào)，從而開(kāi)門。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為樹(shù)莓派上的人臉識(shí)別門鎖程序和上機(jī)位室內(nèi)控制器單片機(jī)程序兩部分。人臉識(shí)別門鎖程序由Python 編寫(xiě)，需要配置OpenCV 環(huán)境；單片機(jī)程序由C 語(yǔ)言編寫(xiě)。

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)，門鎖會(huì)自動(dòng)檢測(cè)控制器是否發(fā)送開(kāi)鎖的信號(hào)。如果有開(kāi)鎖信號(hào)，就會(huì)直接打開(kāi)門鎖，同時(shí)室內(nèi)控制器的顯示屏上會(huì)顯示開(kāi)鎖成功。如果沒(méi)有開(kāi)鎖信號(hào)，門鎖會(huì)自動(dòng)檢測(cè)是否有用戶，當(dāng)用戶出現(xiàn)，會(huì)通過(guò)人臉檢測(cè)采集人臉圖像并進(jìn)行特征提取，然后將特征數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行特征對(duì)比，由此判斷身份，如果身份驗(yàn)證成功，門鎖會(huì)打開(kāi)，并且人員信息會(huì)發(fā)送給室內(nèi)控制端，并在顯示器上顯示出來(lái)；如果身份驗(yàn)證失敗，則無(wú)法打開(kāi)門鎖。

圖4 軟件工作流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科技發(fā)展，人臉識(shí)別技術(shù)日趨成熟，人臉識(shí)別門鎖的安全性得到了一定的保證。同時(shí)相對(duì)傳統(tǒng)的鑰匙開(kāi)鎖，人臉識(shí)別門鎖無(wú)須攜帶鑰匙，使得生活變得更加簡(jiǎn)單，也更符合時(shí)代潮流的發(fā)展。在人臉識(shí)別門鎖中加入遠(yuǎn)程控制的功能，能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步方便宿舍生活，解決了跑去門邊開(kāi)鎖的煩瑣過(guò)程，可以大大提高宿舍生活的質(zhì)量。