基于二維碼識(shí)別的門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡俊 張玉新 朱家兵

摘要：為減少病毒接觸性傳播，滿足疫情防控所需，設(shè)計(jì)了一套適用于公共場(chǎng)所的非接觸式門禁系統(tǒng)。以嵌入式技術(shù)、二維碼圖像識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)主要由下位機(jī)和LabVIEW上位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)結(jié)合視覺開發(fā)模塊IMAQ Vision，主要實(shí)現(xiàn)二維碼圖像的獲取和識(shí)別功能，通過串口將識(shí)別結(jié)果發(fā)送至下位機(jī);經(jīng)STM32分析處理后，下位機(jī)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)繼電器開關(guān)的控制、液晶屏的顯示以及語(yǔ)音播報(bào)功能。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能有效實(shí)現(xiàn)二維碼識(shí)別及門禁系統(tǒng)控制。

關(guān)鍵詞：STM32;LabVIEW;二維碼;門禁系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-7394（2021）06-0042-08

當(dāng)前，一場(chǎng)突如其來的新冠疫情打破了人們的正常生活節(jié)奏。新冠病毒主要是通過飛沫和接觸傳播的[1]，而商務(wù)樓宇等公共場(chǎng)所大多采用刷卡、人臉識(shí)別或者指紋識(shí)別等門禁管理方式，這無(wú)疑增加了病毒傳播風(fēng)險(xiǎn);因此，亟需開發(fā)設(shè)計(jì)新的門禁系統(tǒng)。

近年來，智能門禁技術(shù)發(fā)展迅猛。朱得旭等人[2]以智慧安防為背景，介紹了門禁技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展;張瑋[3]充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套學(xué)生公寓門禁系統(tǒng);江鵬等人[4]綜合Android、二維碼以及人臉識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)了新型門禁系統(tǒng);胡鋒等人[5]以STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控模塊，將QR二維碼應(yīng)用到公司訪客門禁管理系統(tǒng)中;景光錚等人[6]基于Linux嵌入式系統(tǒng)的樹莓派，以二維碼圖像作為身份信息載體，設(shè)計(jì)了一套適用于遠(yuǎn)距離授權(quán)的門禁系統(tǒng)。

本文基于LabVIEW環(huán)境、STM32微處理器以及二維碼圖像識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套非接觸式的門禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)開發(fā)成本低、操作方便、功能穩(wěn)定且易于推廣，能夠適用于小型公共場(chǎng)所。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分，上位機(jī)、下位機(jī)之間采用串口通信方式，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)作。如圖1所示，為系統(tǒng)總體框圖。其中：上位機(jī)選用NI LabVIEW軟件，它負(fù)責(zé)采集、識(shí)別用戶二維碼圖像，檢測(cè)用戶信息的合法性，并將識(shí)別結(jié)果發(fā)送至下位機(jī);下位機(jī)主要由STM32微處理器、繼電器、LCD顯示屏以及語(yǔ)音播報(bào)模塊等組成，它依據(jù)上位機(jī)對(duì)二維碼圖像的識(shí)別結(jié)果，控制液晶屏的顯示、門禁系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)，并語(yǔ)音播報(bào)相應(yīng)提示語(yǔ)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1MCU模塊

設(shè)計(jì)中，選用STM32F103RCT6作為門禁控制系統(tǒng)的微控制器芯片。STM32首先對(duì)串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷是否為合法系統(tǒng)用戶;再由其根據(jù)解析結(jié)果控制繼電器狀態(tài)、LCD顯示以及語(yǔ)音播報(bào)功能。

2.2繼電器控制電路

在門禁控制系統(tǒng)中，選用光耦隔離繼電器作為動(dòng)作執(zhí)行元件，它根據(jù)控制系統(tǒng)的要求產(chǎn)生響應(yīng)。當(dāng)下位機(jī)STM32接收到的信息為合法系統(tǒng)用戶時(shí)，控制繼電器IO口為高電平，觸發(fā)繼電器吸合，門禁系統(tǒng)開;若信息為非系統(tǒng)用戶時(shí)，則維持IO口低電平繼電器釋放，門禁系統(tǒng)關(guān)。

2.3LCD顯示電路

選用由薄膜晶體管組成的TFT-LCD作為門禁控制系統(tǒng)的顯示屏。TFT具有使用壽命長(zhǎng)、分辨率高等特點(diǎn)，其采用16位的并行方式與外部電路連接，通過運(yùn)用STM32芯片IO口模擬8080總線控制液晶屏的顯示內(nèi)容。在設(shè)計(jì)中，LCD屏用于顯示用戶身份以及是否允許通行等信息。

2.4語(yǔ)音播報(bào)模塊

在門禁控制系統(tǒng)中，通過UNV6288語(yǔ)音模塊播報(bào)相關(guān)提示語(yǔ)。該模塊體積小巧、價(jià)格低廉、使用方便，可實(shí)現(xiàn)中文、英文及數(shù)字的語(yǔ)音合成。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1上位機(jī)LabVIEW設(shè)計(jì)

LabVIEW被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[7]，它提供了大量的驅(qū)動(dòng)程序和控件，可兼容大多數(shù)的硬件接口，從而為門禁系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)帶來方便。系統(tǒng)LabVIEW界面主要包括二維碼圖像采集區(qū)域、操作區(qū)域及識(shí)別結(jié)果顯示區(qū)域。在圖像采集區(qū)域，可先后顯示由筆記本攝像頭拍攝到的原始圖像、灰度化及濾波處理后的二維碼圖像;操作區(qū)域主要完成通信串口、相機(jī)設(shè)備的選擇以及上位機(jī)系統(tǒng)功能的退出。如圖2所示，為上位機(jī)VI設(shè)計(jì)。右側(cè)為識(shí)別結(jié)果區(qū)域，當(dāng)識(shí)別到二維碼圖像信息時(shí)，指示燈處于常亮狀態(tài)，同時(shí)顯示用戶身份信息。

3.2二維碼識(shí)別功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)二維碼圖像識(shí)別功能的設(shè)計(jì)調(diào)用了NIIMAQ Vision視覺開發(fā)工具包[8]，該工具包可應(yīng)用于圖像處理、特征匹配、目標(biāo)檢測(cè)以及目標(biāo)分類等多個(gè)方面。二維碼識(shí)別功能包含圖像采集、灰度化處理、濾波處理以及圖像識(shí)別四個(gè)步驟。

3.2.1圖像采集

圖像信息的獲取是二維碼識(shí)別功能的第一步，如圖3（a）所示為圖像采集流程。

如圖3（b）所示，為二維碼圖像采集程序。在LabVIEW中調(diào)用打開攝像頭vi，選擇筆記本自帶攝像頭cam0;打開攝像頭后，調(diào)用IMAQdx Configure Grab.vi配置開始連續(xù)采集圖像，通過IMAQdx Grab.vi獲取輸出當(dāng)前幀圖像;在IMAQdx Grab.vi的入口參數(shù)image in選擇IMAQ Create.vi為圖像創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)的存儲(chǔ)單元，獲取外部采集的圖像;最后，通過IMAQdx Close Camera VI停止圖像的獲取，釋放獲取圖像所占用的資源，關(guān)閉相機(jī)。

3.2.2圖像灰度化處理

由攝像頭采集到的二維碼圖像默認(rèn)為RGB彩色圖像，為方便后續(xù)對(duì)二維碼的定位、識(shí)別處理，需要利用IMAQ dx ExtractSingColorPlane VI將原始彩色圖像轉(zhuǎn)換為8bit灰度圖像，以突出圖像中的重要信息。如圖4所示，為圖像灰度化處理程序。

3.2.3圖像濾波處理

攝像頭采集到的二維碼圖像往往會(huì)受到周圍環(huán)境噪聲的干擾，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，影響識(shí)別結(jié)果，這就需要進(jìn)一步濾波處理以達(dá)到降噪的目的。在設(shè)計(jì)中，調(diào)用IMAQ Convolute VI設(shè)置中值濾波處理，在降噪的同時(shí)盡可能保護(hù)圖像的邊緣。如圖5所示，為圖像濾波處理程序。

3.2.4二維碼定位與識(shí)別

攝像頭采集的圖像中往往包含多余背景圖像，進(jìn)一步調(diào)用Vision and Motion 中的IMAQ Read QR code函數(shù)可實(shí)現(xiàn)二維碼區(qū)域的定位與識(shí)別。依據(jù)二維碼3個(gè)角的定位標(biāo)志，判斷所處的二維坐標(biāo)，以此識(shí)別二維碼區(qū)域，即感興趣區(qū)域ROI。

如圖6（a）所示，IMAQ Read QR code函數(shù)的QR Code Report端子是一個(gè)簇，包含了QR碼描述選項(xiàng)。利用按名稱解除捆綁函數(shù)把簇的3個(gè)子項(xiàng)單獨(dú)顯示：Data項(xiàng)顯示二維碼所蘊(yùn)含的信息;Found項(xiàng)連接一個(gè)指示燈，識(shí)別到二維碼信息后顯示燈亮，否則燈滅;Bounding Box是包含二維碼的最小矩形。如圖6（b）所示，為二維碼定位與識(shí)別程序。

3.3串口通信功能設(shè)計(jì)

3.3.1串口發(fā)送

上位機(jī)LabVIEW使用VISA函數(shù)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的串口通信功能，將二維碼圖像識(shí)別結(jié)果通過串口發(fā)送給下位機(jī)STM32。如表1所示，為串口通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)。

利用VISA配置串口控件來配置串口波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)，串口通信參數(shù)必須與下位機(jī)保持一致，否則無(wú)法正常通信。采用條件結(jié)構(gòu)語(yǔ)句，為每個(gè)合法系統(tǒng)用戶、非系統(tǒng)用戶對(duì)應(yīng)寫入唯一的Data字符，通過字符串連接函數(shù)連接包頭包尾，打包成數(shù)據(jù)包由VISA寫入控件寫入串口。如圖7所示，為串口發(fā)送數(shù)據(jù)程序。

3.3.2串口接收

在下位機(jī)串口通信接收程序中，需要配置串口參數(shù)，并保證波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)與上位機(jī)保持一致。STM32打開串口，接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，按照表1串口通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。

3.4下位機(jī)門禁控制功能總體設(shè)計(jì)

下位機(jī)STM32通過串口接收上位機(jī)發(fā)送的二維碼識(shí)別結(jié)果后，判斷是否為系統(tǒng)用戶。若為系統(tǒng)用戶，控制繼電器吸合，門禁開啟，LCD顯示用戶信息，語(yǔ)音播報(bào)歡迎您;若非系統(tǒng)用戶，控制繼電器斷開，門禁不開啟，LCD顯示非法用戶。如圖8所示，為門禁控制功能工作流程。

圖8顯示，下位機(jī)STM32從串口接收數(shù)據(jù)，判斷是否為系統(tǒng)用戶，運(yùn)用光耦隔離繼電器模塊來模擬門禁的開關(guān)。若是系統(tǒng)用戶，STM32控制繼電器IO口為高電平，觸發(fā)繼電器吸合，STM32向UNV6288模塊發(fā)送指令，進(jìn)行語(yǔ)音合成播報(bào)歡迎您;若不是系統(tǒng)用戶，維持IO低電平繼電器釋放。

4系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)測(cè)試主要包含上位機(jī)LabVIEW功能測(cè)試，以及門禁控制系統(tǒng)中繼電器狀態(tài)、LCD液晶屏和語(yǔ)音播報(bào)模塊的受控情況。

4.1系統(tǒng)功能測(cè)試

如圖9所示，當(dāng)識(shí)別的二維碼信息為系統(tǒng)用戶時(shí)，上位機(jī)顯示用戶姓名，下位機(jī)STM32控制繼電器吸合，LCD顯示具體用戶信息，語(yǔ)音模塊播報(bào)歡迎您。

如圖10所示，當(dāng)識(shí)別的二維碼信息為非系統(tǒng)用戶時(shí)，上位機(jī)顯示姓名，下位機(jī)STM32控制繼電器閉合，LCD顯示非法用戶。

4.2數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)有效性，在光照強(qiáng)度充足、二維碼圖像保持垂直且與攝像頭間距為20 cm左右的條件下，分別對(duì)30組系統(tǒng)用戶和非系統(tǒng)用戶的二維碼圖像進(jìn)行功能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明：在光照充足、二維碼圖像保持垂直且與攝像頭間距為20 cm左右的情況下，系統(tǒng)基本能夠正確識(shí)別二維碼，控制門禁開關(guān)，整體功能測(cè)試穩(wěn)定。

在光照充足、二維碼垂直放置的前提下，分別選取30組系統(tǒng)和非系統(tǒng)用戶二維碼，改變攝像頭與二維碼的間距進(jìn)行二維碼識(shí)別功能測(cè)試。如圖11所示，展示了二維碼識(shí)別準(zhǔn)確率與距離之間的關(guān)系。從圖11可以看出：當(dāng)攝像頭與二維碼距離保持在15～50 cm之間時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確率可維持在90%以上;而當(dāng)攝像頭與二維碼距離太近或太遠(yuǎn)時(shí)，攝像頭無(wú)法正確識(shí)別二維碼信息。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證光照強(qiáng)度、二維碼放置角度對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響，以系統(tǒng)用戶小李的二維碼圖像為例，在二維碼與攝像頭間距為20 cm左右的情況下，分別改變環(huán)境光照強(qiáng)度、手機(jī)屏幕亮度及傾斜角度進(jìn)行測(cè)試。如表3所示為測(cè)試結(jié)果。

由表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：環(huán)境光照強(qiáng)度、手機(jī)屏幕亮度以及手機(jī)與攝像頭的傾斜角度，均會(huì)影響二維碼的識(shí)別準(zhǔn)確率。

5結(jié)語(yǔ)

本文基于STM32單片機(jī)、LabVIEW軟件和IMAQ Vision視覺開發(fā)模塊設(shè)計(jì)了一套二維碼識(shí)別門禁系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)操作方便，識(shí)別準(zhǔn)確率能夠維持在90%以上，門禁控制功能運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好，基本能夠滿足日常所需。但是，現(xiàn)有系統(tǒng)也存在一些不足之處，有待進(jìn)一步完善：（1）二維碼圖像的識(shí)別準(zhǔn)確率易受環(huán)境光照強(qiáng)度、二維碼與攝像頭的間距及角度的影響;（2）系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)中缺乏對(duì)歷史數(shù)據(jù)的記錄和管理功能，后續(xù)研究可考慮融合SQL數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。

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Design of Access Control System Based on of Two-dimensional Code Recognition

CAI Jun，ZHANG Yuxin，ZHU Jiabing

（School of Electronic Engineering，Huainan Normal University，Huainan 232000，China）

Abstract：In order to prevent and control the epidemic and reduce the contact transmission of the virus，a set of non- contact access control system suitable for public places is designed. Based on embedded technology and two-dimensional code image recognition technology，the system is mainly composed of lower computer and LabVIEW upper computer. Combined with the vision development module IMAQ Vision，the upper computer mainly realizes the acquisition and recognition function of two-dimensional code image，and sends the recognition result to the lower computer through the serial port. After STM32 analysis and processing，the relay switch control，LCD display and voice broadcast function are further realized. The test results show that the system is stable and reliable，which can realize the recognition of the two-dimensional code and the control of the access system.

Key words：STM32;LabVIEW;two-dimensional code;access control system