一個(gè)智慧門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭曉君　韓培珊　黃翔琪　謝松

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；紅外測(cè)溫；人臉識(shí)別；溫濕度傳感器；小程序

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）36-0097-03

1 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和科技不斷進(jìn)步，人們追求的生活質(zhì)量水平越來越高。近年來，倉庫失火、實(shí)驗(yàn)室失火等事件時(shí)有發(fā)生，甚至于發(fā)生頻率逐年增高，80%的原因都是因?yàn)闆]有足夠的消防意識(shí)導(dǎo)致未能及時(shí)得到救援。人們的住房意識(shí)，尤其是來訪安全意識(shí)也在提高，面對(duì)每天來訪人員數(shù)量龐大的問題，來訪安全逐漸成為人們追求更高生活質(zhì)量的必備意識(shí)。

2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過紅外線檢測(cè)來訪者體溫和人臉識(shí)別檢測(cè)來訪者身份信息來保障防疫安全，溫濕度傳感器和煙霧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫濕度以及煙霧濃度來保障室內(nèi)環(huán)境的安全，實(shí)現(xiàn)在疫情緊張時(shí)期保證發(fā)生火災(zāi)事故能立即自動(dòng)報(bào)警，在最短的時(shí)間達(dá)到最快救援的效果，同時(shí)還能在室外進(jìn)行人臉識(shí)別和人體溫度檢測(cè)的防疫安全，并能讓戶主同步獲取來訪人員身份信息以及溫度信息等[1]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 紅外線監(jiān)測(cè)體溫保障防疫安全

新冠肺炎疫情危及全球，測(cè)量體溫已經(jīng)成為人們出入場(chǎng)所的必要步驟，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫方式也已不能滿足現(xiàn)代一些領(lǐng)域的測(cè)溫需求，對(duì)非接觸、遠(yuǎn)距離測(cè)溫技術(shù)的需求越來越大。紅外測(cè)溫技術(shù)是非接觸式測(cè)溫技術(shù)中應(yīng)用廣泛的一種，此溫度測(cè)量系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)大面積的測(cè)溫，也可以是被測(cè)物體上某一點(diǎn)的溫度測(cè)量。其有便攜和固定式兩種方式，并且使用方便；它的制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)溫時(shí)可以不接觸被測(cè)物體，具有響應(yīng)時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。紅外測(cè)溫技術(shù)的這一優(yōu)點(diǎn)在防控新冠肺炎疫情中發(fā)揮著重要的作用。

紅外測(cè)溫的測(cè)溫原理是黑體輻射定律。眾所周知，自然界中一切高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。通過傳感器接收被測(cè)物體發(fā)出的紅外能量將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最終把該信號(hào)的溫度讀數(shù)顯示出來。

項(xiàng)目中使用的是GY-906 紅外測(cè)溫傳感器模塊，3cm內(nèi)精度高0.5度左右，支持帶有10K上拉電阻的I2C 接口。此款溫度傳感器的出廠校準(zhǔn)為：傳感器溫度范圍為-40至125 攝氏度，物體溫度范圍為-70至380攝氏度。傳感器的誤差范圍約為0.5攝氏度。被測(cè)目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度能通過單通道輸出，并有兩種輸出接口。通過讀取對(duì)應(yīng)的地址獲取溫度數(shù)據(jù)，用式子T=value*0.02-273.15轉(zhuǎn)換成可直接閱讀的溫度值。

3.2 人臉識(shí)別保障來訪安全

人臉識(shí)別是基于人的臉部特征信息，用攝像機(jī)采集含有人臉的圖像并檢測(cè)跟蹤人臉，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行臉部識(shí)別進(jìn)行身份識(shí)別的一系列相關(guān)技術(shù)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)研究方面，人臉識(shí)別是一項(xiàng)熱門的領(lǐng)域，其中包括人臉追蹤偵測(cè)、自動(dòng)調(diào)整曝光強(qiáng)度、夜間紅外偵測(cè)、自動(dòng)調(diào)整影像放大等技術(shù)[2]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人臉識(shí)別技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于政府、軍隊(duì)、銀行、社會(huì)福利保障、安全防務(wù)等領(lǐng)域。日常生活中，刷臉支付成為繼微信支付之后支付速度更上一臺(tái)階的支付方式。安防上，人臉識(shí)別能夠準(zhǔn)確識(shí)別出每個(gè)人的身份信息，提高了安檢速度。

項(xiàng)目使用的是百度云自帶的人臉識(shí)別技術(shù)，百度AI人臉識(shí)別技術(shù)基于深度學(xué)習(xí)的人臉識(shí)別方案，準(zhǔn)確識(shí)別攝像頭拍攝到的人臉信息，提供人臉屬性識(shí)別、關(guān)鍵點(diǎn)定位、人臉1：1比對(duì)、活體檢測(cè)等能力，在強(qiáng)大的人臉識(shí)別算法加持下輕松實(shí)現(xiàn)刷臉門禁、簽到、安防監(jiān)控、人臉支付等功能環(huán)節(jié)，滿足安防、金融、教育、娛樂等場(chǎng)景需求[3]。

該項(xiàng)目在百度AI開放平臺(tái)創(chuàng)建人臉識(shí)別應(yīng)用，獲得AppID、API Key和Secret Key，并搭建人臉庫，用來存放人臉數(shù)據(jù)，百度人臉識(shí)別提供人臉注冊(cè)、更新和刪除，用戶信息查詢，獲取用戶人臉列表，復(fù)制、刪除用戶，創(chuàng)建和刪除用戶組等接口。人臉庫、用戶組、用戶、用戶下的人臉層級(jí)關(guān)系如圖2所示。

人臉庫搭建完成后，下載相應(yīng)的SDK，運(yùn)行編好的程序，通過手機(jī)自帶攝像頭進(jìn)行拍照，將圖片上傳到百度人臉識(shí)別上進(jìn)行識(shí)別，并將結(jié)果通過API接口發(fā)送到小程序上，方便用戶進(jìn)行操作。

3.3 實(shí)時(shí)檢測(cè)溫濕度以及煙霧濃度保障室內(nèi)安全

MQ-2煙霧傳感器常用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息。需要注意的是，其在使用之前必須加熱一段時(shí)間，否則其輸出的電阻和電壓不準(zhǔn)確。

通過DHT11溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)的溫濕度以及煙霧濃度[4]，并且將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)同步到所開發(fā)的小程序上。一旦室內(nèi)煙霧濃度達(dá)到5%OBS/M-15%OBS/M時(shí)蜂鳴器將自動(dòng)發(fā)出警報(bào)并且LED警示燈會(huì)閃爍，從而達(dá)到在最短的時(shí)間引起周圍注意且提醒人們采取解救行動(dòng)的效果[5]。同時(shí)，室內(nèi)的人想隨時(shí)知道此時(shí)室內(nèi)的溫濕度可以直接從App上得知。這大大方便了人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境安全信息的掌握，同時(shí)也讓人們及時(shí)知道室內(nèi)是否安全，從而能及時(shí)脫離不安全的環(huán)境到達(dá)安全的室外環(huán)境以保障人身安全，減少突如其來的火災(zāi)帶來的危險(xiǎn)和傷亡等悲慘事故。

3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步到小程序

首先，在小程序上設(shè)計(jì)好溫濕度和煙霧濃度顯示的圖標(biāo)。其次，通過USB燒寫數(shù)據(jù)線將在主機(jī)寫好的程序代碼燒錄到DHT11溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器并且檢測(cè)是否燒錄成功。打開小程序，用濕潤(rùn)的手掌靠近溫濕度傳感器，查看小程序上的溫濕度是否有變化；向煙霧傳感器吹氣，查看小程序上的煙霧濃度是否有變化，如果小程序上的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了變化則代表燒錄成功，若無變化則需檢驗(yàn)是否USB燒寫數(shù)據(jù)線出現(xiàn)問題、接觸不良、代碼有錯(cuò)誤等問題。

所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)同步到小程序上的誤差時(shí)間不會(huì)太大。也就是說，延時(shí)時(shí)間不會(huì)因?yàn)樘L(zhǎng)而導(dǎo)致室內(nèi)人們沒有及時(shí)得知所處環(huán)境不安全而導(dǎo)致沒有即時(shí)脫離危險(xiǎn)環(huán)境造成人員傷亡。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 申請(qǐng)AppID、API Key 和Secret key

在百度AI開放平臺(tái)中注冊(cè)賬號(hào)，申請(qǐng)API，創(chuàng)建應(yīng)用，獲取token、AppID、API Key和Secret key等設(shè)備信息，有效期30天左右，需更新或者每次調(diào)用之前重新獲取。

4.2 創(chuàng)建人臉識(shí)別數(shù)據(jù)庫

百度AI 開放平臺(tái)中的人臉庫管理中新建用戶組，再從用戶組中新建用戶，添加人臉id和照片。添加成功后，需獲取Access token用于校驗(yàn)，因?yàn)樵谡{(diào)用API時(shí)必須在URL中帶上access_token參數(shù)。

4.3 編寫代碼

運(yùn)用Arduino開源硬件開發(fā)平臺(tái)編寫代碼。由于Arduino核心庫是對(duì)AVR-gcc的封裝，故使用C++語法進(jìn)行編譯開發(fā)。Arduino的開發(fā)需要編寫、校驗(yàn)、上第18卷第36期（2022年12月） and Technology電腦知識(shí)與技術(shù)本欄目責(zé)任編輯：梁書工程應(yīng)用傳三個(gè)環(huán)節(jié)，并且可任意通過核心庫中的庫函數(shù)對(duì)與板子相連的硬件進(jìn)行控制，部分代碼示例圖4。

5 總

結(jié)圖5為項(xiàng)目使用設(shè)備圖片。本文提出了一種用于保障室內(nèi)安全、來訪安全、防疫安全的項(xiàng)目研究。該項(xiàng)目研究通過DHT11溫濕度傳感器模塊和MQ-2煙霧傳感器模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控保障室內(nèi)安全，通過樹莓派實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別和GY-906紅外測(cè)溫模塊保障來訪和防疫安全。小程序與傳感器以及百度AI平臺(tái)的組合應(yīng)用將大大提高實(shí)用性和方便性。該系統(tǒng)能保證設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作，易于購買和安裝。它可以有效地保障在疫情期間人員的人身情況，減少財(cái)產(chǎn)損失。