基于防疫需求的非接觸式智能監(jiān)控門禁系統(tǒng)

葉海彬 李春林 黃永睿 羅夢(mèng)良 梁翁浦

摘? 要：門禁系統(tǒng)作為一種無(wú)人值守的通道管理系統(tǒng)，在人員識(shí)別、進(jìn)出通道及安全管理方面起到重要的作用。面對(duì)復(fù)雜多變的新冠疫情，進(jìn)出通道安裝非接觸式智能門禁系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)公共場(chǎng)所或特定場(chǎng)所人員出入的自動(dòng)管理控制，達(dá)到降低人員交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)和篩查體溫異常人員的效果。研究和開(kāi)發(fā)非接觸式智能監(jiān)控門禁系統(tǒng)，是適應(yīng)疫情防控常態(tài)化的需求，通過(guò)使用該系統(tǒng)進(jìn)行智能檢測(cè)，將大大節(jié)約人力成本。本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是以STM32為中心控制芯片，外加OLED作為顯示模塊、IC卡識(shí)別模塊、面部識(shí)別模塊、紅外測(cè)溫模塊和門鎖控制模塊，此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的使用性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：智能門禁系統(tǒng);非接觸式;口罩識(shí)別

1 研究意義

由于疫情防控的需求，非接觸實(shí)時(shí)監(jiān)控門禁在專業(yè)工作管理區(qū)，如關(guān)口、公司、實(shí)驗(yàn)室等，也可應(yīng)用在公共場(chǎng)合，如商場(chǎng)超市、校園、公園等有著廣泛的應(yīng)用[1]。本文設(shè)計(jì)的非接觸實(shí)時(shí)監(jiān)控門禁設(shè)計(jì)了紅外測(cè)溫、非接觸式RFID識(shí)別、面部識(shí)別等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員身份的智能識(shí)別，并且解決了公共場(chǎng)所下疫情防控必須有專門的人員必須佩戴口罩、測(cè)溫的問(wèn)題，無(wú)需人員看守;在特殊場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)人員身份的識(shí)別與核驗(yàn)，可以全自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)工作，并控制進(jìn)出通道門禁的開(kāi)啟關(guān)閉，節(jié)約人力成本，減少人員交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制中心，通過(guò)K210攝像頭進(jìn)行口罩識(shí)別，GY906紅外模塊檢測(cè)人體體溫，RC522無(wú)線射頻模塊進(jìn)行IC卡識(shí)別，SR90舵機(jī)控制門禁開(kāi)啟與關(guān)閉，0.96寸的OLED屏幕進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)供電電壓3.3V。模塊之間的通信方式主要為串口通信和IIC通信，K210攝像頭跟STM32單片機(jī)之間的通信方式為串口通信，RC522無(wú)線射頻模塊與單片機(jī)之間的通信方式為SPI通信，GY906紅外測(cè)溫模塊和OLED顯示模塊跟STM32單片機(jī)之間的通信方式為IIC通信，SR90舵機(jī)受STM32單片機(jī)輸出的PWM脈沖調(diào)制信號(hào)控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

3 系統(tǒng)論證與選取

3.1 主控制器

STM32F103C8T6的優(yōu)勢(shì)在于，封裝的引腳少，所以體積小，價(jià)格相對(duì)與同一家族的其他芯片而言比較低廉，與51等8位單片機(jī)相比性能更強(qiáng)大，使用STM32系列芯片，性價(jià)比較高，后期也有一定的升級(jí)空間，而且可以滿足我們的項(xiàng)目需求。如果采用STC12C5A60S2芯片作為總控制器。STC12C5A60S2相較于傳統(tǒng)的51單片機(jī)而言，擁有更快的速度，前者的速度是后者的8-12倍。而且STC12C5A60S2同時(shí)還具有低功耗的特點(diǎn)，但是相較于STM32F103C8T6而言功能及性能比較低，后期升級(jí)空間相對(duì)而言小了很多。STC12C5A60S2系列單片機(jī)目前足以滿足此設(shè)備所有的數(shù)據(jù)搜集要求。根據(jù)實(shí)際情況，此系統(tǒng)采用STM32F103C8T6較為合適。

3.2 識(shí)別模塊

RC522 RFID配合IC卡或者是復(fù)旦卡來(lái)使用，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式信息驗(yàn)證，且RC522 RFID使用方便，成本低廉。配合上IC卡或復(fù)旦卡的小巧體積，也方便用戶攜帶。MAIX Bit K210模塊擁有KPU運(yùn)算芯片，并且其圖形運(yùn)算能力相對(duì)STM32而言更強(qiáng)，而且比openMV的價(jià)格更加低廉，配合攝像頭非常適合做口罩識(shí)別功能。密碼鎖可以采用多種組合方式，在密碼位數(shù)多的時(shí)候安全性較高。但是密碼鎖的密碼是唯一的，為了安全用戶可能會(huì)經(jīng)常更換密碼，但常換密碼的用戶可能會(huì)出現(xiàn)忘記新密碼的情況，且用戶家人可能會(huì)因沒(méi)有及時(shí)了解新密碼而無(wú)法進(jìn)門;或是把密碼告訴親友后可能會(huì)引起密碼的泄露;有意之人用特殊手段窺視而獲取密碼等一系列問(wèn)題。如有以上問(wèn)題，這鎖將會(huì)給用戶帶來(lái)麻煩。根據(jù)上述分析情況，采用RC522 RFID和MAIX Bit K210模塊比較適合本作品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3.3 體溫測(cè)量模塊

GY906紅外測(cè)溫傳感器。該模塊非常便宜，易于集成，并且支持帶有10K上拉電阻的I2C接口。非接觸、可以在圖像中選取被測(cè)目標(biāo)、可以遠(yuǎn)距離測(cè)量、靈敏度 高、速度快、測(cè)溫范圍廣等。DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器。該傳感器具有體積小，硬件開(kāi)銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)，屬于接觸性測(cè)溫元件。研究課題要求非接觸性測(cè)溫，所以采用GY906紅外測(cè)溫傳感器比較合適。

綜合分析與選擇，整個(gè)作品以STM32F103C8T6芯片為主，利用GY906紅外測(cè)溫傳感器測(cè)量人體體溫，采用STM32F103C8T6芯片作為控制器內(nèi)部寄存器及擴(kuò)展口功能，利用RC522 RFID模塊、K210攝像頭模塊、SG90舵機(jī)模塊、OLED顯示模塊、電源組合，可以實(shí)現(xiàn)IC卡、口罩識(shí)別解鎖的功能。

4 功能分析

4.1 RC522 RFID功能分析

RFID射頻模塊電路采用Philips MFRC522原裝芯片設(shè)計(jì)讀卡電路，使用方法簡(jiǎn)便，性價(jià)比高，模塊使用的電壓相對(duì)與5V來(lái)講較低，為3.3V，使用SPI通信協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通信，占用的IO較少[2]。只要供電穩(wěn)定，并且通訊正常，就可以保證模塊穩(wěn)定可靠的工作，并保證有一定的讀卡距離。

4.2 口罩識(shí)別功能分析

口罩識(shí)別是通過(guò)K210模塊內(nèi)部所存儲(chǔ)的人臉口罩佩戴特征信息和正在進(jìn)行口罩識(shí)別的人的臉部特征信息進(jìn)行比較，如果特征信息重合度大于一定的數(shù)值，則口罩識(shí)別通過(guò)。識(shí)別的過(guò)程為：首先判斷攝像頭抓取的像素中是否存在人臉，如果識(shí)別到人臉，在此基礎(chǔ)上識(shí)別是否佩戴口罩，人臉保持在攝像頭抓取的范圍內(nèi)想要嘗試進(jìn)行識(shí)別，則識(shí)別出臉部特征在存儲(chǔ)在設(shè)備中的模型進(jìn)行比對(duì)，并且確定對(duì)比度大小，從而實(shí)現(xiàn)口罩識(shí)別的功能[3]。

4.3 體溫檢測(cè)功能分析

GY906紅外測(cè)溫傳感器測(cè)溫原理是通過(guò)對(duì)物體自身紅外輻射的測(cè)量，能準(zhǔn)確地確定其表面溫度，紅外測(cè)溫就是利用這一原理測(cè)量溫度的。涉及到光學(xué)系統(tǒng)和信號(hào)放大處理等技術(shù)。GY906傳感器通過(guò)匯聚視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量的大小，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理，將采集到的溫度值輸出，以IIC通信方式交給STM32主控處理并顯示在OLED屏幕上。測(cè)溫模塊是整個(gè)系統(tǒng)最重要的部分之一，承擔(dān)著篩查體溫異常人員的重要職責(zé)，只有體溫正常才能進(jìn)行口罩識(shí)別和IC卡識(shí)別，否則體溫異常系統(tǒng)會(huì)通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，及時(shí)通知相關(guān)人員，妥善處理和加強(qiáng)防疫措施。10EEEAFC-BE65-487A-91BC-2EEE043309D6

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1 主控電路設(shè)計(jì)

主控制器采用STM32F103C8T6單片機(jī)來(lái)控制，主要運(yùn)用單片機(jī)的中斷、定時(shí)器、IO口來(lái)實(shí)現(xiàn)基本功能。為給單片機(jī)提供穩(wěn)定的輸入電壓，在主控電路中需要設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，使輸入電壓穩(wěn)定在3.3V。K210口罩識(shí)別模塊是通過(guò)STM32單片機(jī)內(nèi)部的UART進(jìn)行通信的，UART通信屬于串行通信的一種，采用全雙工異步通信，所需通信線少，通信效率可靠，在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換過(guò)程中通信雙方必須要求波特率相等。RFID IC卡識(shí)別模塊使用的是SPI全雙工通信方式，這種通信方式操作簡(jiǎn)單，而且通信效率比較高。STM32單片機(jī)擁有很多外設(shè)功能，在速度上也是性價(jià)比較高的一款控制芯片，在進(jìn)行測(cè)溫和顯示功能時(shí)，采用的是雙總線通信方式，所以在主控電路設(shè)計(jì)中引出了40個(gè)引腳提供IIC模塊使用。

5.2 K210模塊電路的設(shè)計(jì)

K210模塊具有獨(dú)立性，有獨(dú)立的圖像處理能力，可通過(guò)串口將處理結(jié)果傳輸給單片機(jī)，緩解單片機(jī)CPU壓力，使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率大大提高。此次作品使用的是Maix Bit開(kāi)發(fā)板，這個(gè)開(kāi)發(fā)板使用了RISC-V內(nèi)核的AI芯片K210，該芯片帶有獨(dú)立FPU的雙核處理器和獨(dú)立的64位CPU。實(shí)現(xiàn)口罩識(shí)別功能，需要在maixHub平臺(tái)訓(xùn)練口罩識(shí)別模型，再下載道模塊中。攝像頭將采集到的一幀一幀圖像傳到模塊中的圖像處理器，然后跟模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比的相似度通過(guò)計(jì)算顯示在LCD屏幕上。如果相似度大于65%，模塊會(huì)通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送檢測(cè)到佩戴口罩的信息，單片機(jī)接收到信息后輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)控制舵機(jī)開(kāi)啟門禁。

5.3 RC522 RFID模塊電路的設(shè)計(jì)

RFID無(wú)線射頻模塊跟單片機(jī)通信使用的是SPI全雙工通信方式，射頻IC卡擁有8kbit的存儲(chǔ)容量，內(nèi)部存儲(chǔ)的密碼和控制指令是分開(kāi)的，在向射頻卡寫入密碼時(shí)，需要用到讀寫器，單片機(jī)與讀寫器通過(guò)SPI通信控制射頻IC卡的讀寫操作。

5.4 系統(tǒng)流程

此作品應(yīng)用于公共場(chǎng)所的出入口，這些場(chǎng)合需要對(duì)進(jìn)出人員佩戴口罩進(jìn)行識(shí)別，前提是在測(cè)量體溫正常情況下。在體溫過(guò)高的情況下，無(wú)論是有無(wú)佩戴口罩，蜂鳴器都會(huì)發(fā)出警報(bào)，并且在信息顯示器上顯示“體溫過(guò)高”，且無(wú)法開(kāi)啟門禁。在正常體溫情況下，進(jìn)入口罩識(shí)別判斷，識(shí)別到?jīng)]有佩戴口罩，在信息顯示器上顯示“未佩戴口罩”，門禁不開(kāi)啟;如果識(shí)別到已經(jīng)佩戴口罩，在信息顯示器上顯示“已佩戴口罩”，則會(huì)開(kāi)啟門禁。RFID IC卡識(shí)別為整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供了保障，首先使用IC卡識(shí)別可以快速且無(wú)接觸進(jìn)出通道，一般給管理工作人員使用，其次在口罩識(shí)別功能出現(xiàn)故障時(shí)，可采用IC卡識(shí)別臨時(shí)代替，避免進(jìn)出通道人員密集，影像通道通過(guò)效率。

6 結(jié)論

利用STM32f103C8T6、K210攝像頭模塊、RC522 RFID、SG90舵機(jī)、OLED顯示屏等，實(shí)現(xiàn)并完善了一種非接觸性智能門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)注重時(shí)需、功耗低、且能夠順暢的運(yùn)行。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，使用雙識(shí)別驗(yàn)證模式，可以使用口罩識(shí)別，也可以使用RFID IC卡識(shí)別，適用于不同的場(chǎng)合和管控需求。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：葉海彬（1997.12），男 ，漢族，廣西梧州，百色學(xué)院本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。

基金項(xiàng)目：百色學(xué)院2021年廣西自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：基于防疫需求的非接觸式智能監(jiān)控門禁系統(tǒng)（項(xiàng)目編號(hào)：202110609132）10EEEAFC-BE65-487A-91BC-2EEE043309D6