基于單片機的智能家庭門禁系統(tǒng)的設計

宋天慧 曾建 錢進 賈保凱 王靜

關鍵詞：門禁系統(tǒng)；STM32；人臉識別；WiFi；二維碼；GSM

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的蓬勃發(fā)展和科技服務生活理念的深入人心，人們對家庭門禁系統(tǒng)的安全性、便捷性和智能性的要求逐步提高[1-3]。在現(xiàn)有的門禁系統(tǒng)中，2016年廖杰和黃文強提出了基于云計算的動態(tài)密碼門禁系統(tǒng)，通過手機App和云平臺獲取隨機動態(tài)密碼開鎖[4]，解決了密碼遺忘和易破解的問題，安全性高，但操作復雜。2021年金陵科技學院的顧姍姍等人提出了基于STM32的智能指紋門禁系統(tǒng)，將指紋作為開門密鑰，具備便捷性的優(yōu)點[5]，但存在指紋可復制，破損或潮濕的指紋難以識別的問題。2021年淮南師范學院的蔡俊等人提出了基于二維碼識別的門禁系統(tǒng)，將用戶信息制作成唯一的二維碼，掃碼后開門，該系統(tǒng)操作方便[6]，但二維碼圖片丟失被他人獲取即可開門，存在一定的安全問題。以上設計的開門方式均較為單一，無法滿足復雜多變的應用情況。

本論文結合以上三種門禁系統(tǒng)的優(yōu)勢，設計了基于STM32的智能家庭門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)以難以復制的人臉信息作為開門密鑰，訪客到來時可通過手機App、WiFi和云平臺實現(xiàn)遠程開門。若家中斷網(wǎng)，可通過手機App生成加密二維碼發(fā)給訪客開門。若有入侵者企圖撬門，則啟動報警模塊警告，并發(fā)送短信提醒用戶。該系統(tǒng)通過生物識別技術、無線通信技術等，提高了門禁系統(tǒng)的安全性能和用戶使用的便利性，采用多種開門方式，提高了門禁系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)設計

該門禁系統(tǒng)以STM32F103C8T6最小核心板為主控，接收并處理紅外傳感器和震動傳感器采集的信息，同時通過ESP8266和云平臺接收App發(fā)送的指令進行開關門，通過MF1進行人臉識別，GM65進行二維碼識別，識別的信息經(jīng)主控模塊分析處理，判斷是否開門，若感受到威脅，主控發(fā)送相應指令控制GSM模塊發(fā)送短信提醒。外設與主控采用星形拓撲結構連接，人臉識別、二維碼、WiFi、GSM 四個模塊分別與STM32的不同串行通信接口進行通信，任一模塊出現(xiàn)故障并不會影響其他模塊，門禁系統(tǒng)仍能保持正常工作，且出現(xiàn)故障易診斷，系統(tǒng)構架圖如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)電路設計

1.1.1 人臉識別模塊

本系統(tǒng)采用了Sipeed公司設計的基于K210的AI視覺處理模組（Sipeed MF1） 作為人臉識別的核心圖像處理單元[7]。如圖2所示，本設計中MF1與STM32共地，TX、RX引腳連接STM32的串口2進行通信，MF1的引腳VSYS、USB與PNP晶體三極管IRF5210的漏極連接，三極管的源極接5V電源，柵極接STM32的B15引腳，通過光電傳感器控制MF1上電工作，如圖3所示，光電傳感器的輸出引腳連接STM32的B14，若感應到人，輸入低電平，此時STM32向B15引腳輸出低電平，三極管導通，人臉識別模塊上電啟動。

1.1.2 二維碼識別模塊

本系統(tǒng)使用GM65實現(xiàn)二維碼掃描，能識別手機屏幕上的二維碼，在本系統(tǒng)中用TTL232串行通信接口與STM32的串口1連接，若串口1收到的二維碼數(shù)據(jù)經(jīng)過異或運算解密后與設定的密碼相同，STM32控制舵機開門，電路圖如圖4所示。

1.1.3 WiFi 模塊

ESP8266與STM32通過串口3連接，二者共地，手機App通過云服務器向ESP8266模塊發(fā)送開門指令，識別到指令后，ESP8266 模塊通過串口發(fā)送相應數(shù)據(jù)，STM32接收到數(shù)據(jù)后進行判斷，一致則控制舵機轉動，模塊電路圖如圖5所示。

1.1.4 系統(tǒng)報警模塊

震動傳感器電路圖如圖6所示，其數(shù)字量輸出口DO與STM32的A1引腳連接，感受到震動時，震動勢能傳到傳感器內(nèi)的彈簧末端引起共振，彈簧觸碰到金屬內(nèi)壁形成通路，此時A1輸入低電平，若同時光電傳感器感應到人，STM32控制有源蜂鳴器連接的B0口為低電平，蜂鳴器長鳴，并通過虛擬串口向GSM模塊發(fā)送AT指令，控制GSM發(fā)送短信給戶主進行提醒，電路圖如圖7和圖8所示。

1.2 系統(tǒng)軟件設計

1.2.1 人臉識別模塊程序設計

該系統(tǒng)采用的人臉識別算法是K210官方提供的開源人臉識別模型，檢測到人臉后，獲取左右眼、鼻子、左右嘴角五個關鍵點的坐標，根據(jù)該坐標與標準正臉坐標獲取仿射變換矩陣，對原始的人臉圖像進行仿射變換，變?yōu)檎槇D像，接著計算并存儲正臉圖像的196維特征值，再次識別到人臉時，將該人臉圖像計算出的特征值與存儲的特征值一一對比，若最大分數(shù)大于85，則被認定為同一人。

本系統(tǒng)使用2個按鍵進行人臉圖像的存儲和刪除。以增加人臉數(shù)據(jù)為例，按下按鍵1，首先清屏，準備增加人臉數(shù)據(jù)。若按下的時間小于等于1秒，UID加一，將該UID添加到數(shù)組中，再次按下按鍵1，若時間大于1秒，根據(jù)K210的串口通信協(xié)議，STM32通過串口發(fā)送“指定UID添加人臉”的信息，發(fā)送完數(shù)據(jù)后初始化發(fā)送緩沖區(qū)，為下一次發(fā)送數(shù)據(jù)做準備。K210接收到指令后將人臉數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中并返回添加結果，添加人臉數(shù)據(jù)的流程圖如圖9所示。下面是發(fā)送指令的代碼。

1.2.2 二維碼開門模塊程序設計

二維碼加密方法為異或加密，該方法易于實現(xiàn)，計算成本小。信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)（Claude ElwoodShannon） 證明了在滿足以下兩個條件的情況下，異或加密是無法破解的。

（1） 密鑰的長度大于等于信息。

（2） 密鑰必須是一次性的，且每次都隨機產(chǎn)生。

于是在本設計中，將開門信息初始化為四位數(shù)，每生成一次二維碼該信息加一，加密的密鑰初始化為六位數(shù)，每次減一，來保證二者異或生成的二維碼數(shù)據(jù)的一次性和隨機性，提高門禁系統(tǒng)的安全性。使用localstorage本地存儲這些數(shù)據(jù)，確保App關閉后重新打開時這些數(shù)據(jù)保持不變。

二維碼開門模塊中，GM65模塊掃描加密二維碼，STM32預先存儲了初始信息和加密信息在數(shù)組中，每接收到串口1傳來的二維碼信息，將初始信息加一，加密信息減一，通過函數(shù)將加密信息字符串和串口接收的字符串轉換成整形數(shù)字，并進行異或運算，得到結果后將數(shù)字轉換成字符串，然后與初始信息字符串對比，相同則開門。

1.2.3 WiFi 模塊程序設計

本設計選擇貝殼物聯(lián)作為手機App和ESP8266溝通的橋梁，設計ESP8266與云平臺之間進行TCP通信，手機端與云平臺通過websocket 協(xié)議通信。ESP8266的STA工作模式可實現(xiàn)硬件設備的遠程控制，于是設計ESP8266工作在STA模式下作為客戶端接收家庭路由器的信號進行聯(lián)網(wǎng)。ESP8266與STM32之間通過串口3進行通信，這部分的通信連接示意圖如圖10所示。

申請貝殼物聯(lián)的設備編號和密鑰，開啟串口后，根據(jù)ssid和密碼連接家中路由器，連接成功后根據(jù)貝殼物聯(lián)服務器的網(wǎng)址和TCP端口創(chuàng)建TCP連接，進行數(shù)據(jù)透傳。根據(jù)申請的設備編號和密鑰向服務器發(fā)送登錄指令，服務器收到指令后會判斷登錄信息是否正確，若正確，將返回登錄成功的結果。此時可與其他設備互相收發(fā)信息。

在手機App中點擊開門按鍵，觸發(fā)send事件發(fā)送內(nèi)容為“sw”的指令，用相應ID 指示發(fā)送目標為ESP8266端設備，在ESP8266端，對收到的信息JSON解析，信息中的ID指示該指令來源為手機端設備，若M 的內(nèi)容為“say”且C 的內(nèi)容為“sw”，通過串口向STM32發(fā)送“9”，STM32判斷接收的數(shù)據(jù)為0x39，則控制舵機開門，并向WiFi模塊發(fā)送字符“o”，WiFi模塊收到字符“o”就向手機端設備發(fā)送內(nèi)容為“the door'sopen！”的指令，手機端設備解析出指令內(nèi)容就在div框中打印開門信息。

1.2.4 短信報警模塊程序設計

短信報警模塊首先對相應的串口和I/O口初始化，判斷若紅外傳感器感應到人且同時震動傳感器感受到震動，即PB14和PA1輸入為低電平時，STM32向串口4發(fā)送AT指令，將發(fā)送的短信設置為文本格式，然后設置接收短信的手機號碼，接著發(fā)送短信信息，最后發(fā)送“0x1a”，即短信發(fā)送標志。

GSM模塊連接的是虛擬串口，在模擬串口時，本設計采用的是延時法，發(fā)送數(shù)據(jù)時先是發(fā)送一位起始位，再從低位到高位發(fā)送8位數(shù)據(jù)，最后發(fā)送一位停止位，串口通信的波特率，是每位電平持續(xù)的時間，波特率越高，持續(xù)的時間越短。如波特率為9600bps，表示1 秒傳輸9600 位數(shù)據(jù)，傳輸一位數(shù)據(jù)需要1s/9600=104us。在代碼中可以通過每發(fā)送或接收一位數(shù)據(jù)就延時104us來實現(xiàn)串口的數(shù)據(jù)傳輸。

1.2.5 舵機控制模塊程序設計

使用STM32控制SG90舵機，首先需產(chǎn)生基本的PWM 脈沖信號，本設計中舵機的信號線連接在STM32的PB9引腳，所以利用TIM4的CH4產(chǎn)生一路20ms 的脈沖信號，在該信號中，0.5ms 對應-90 度，1.0ms對應-45度，依次類推。其次是調整占空比，占空比為信號在整個信號周期內(nèi)處于高電平的時間百分比。PWM所使用的公式如下：

時鐘頻率f=f0（/ TIM_Prescaler+1）

其中，f0表示對應定時器頻率，本設計中取值為72MHz。

脈沖周期T=（TIM_Period+1）/f

占空比N=TIM_Pulse M/ T

為使脈沖周期為20ms，在設計中令TIM_Period為1 999，TIM_Prescaler 為719，（2 000*720） /72 000 000=0.02=20ms，由于PB9 引腳是TIM4 的4 路PWM 輸出口，所以使用TIM_SetCompare4（TIM4，Compare4） 函數(shù)控制PWM輸出，想要舵機轉到0度位置，即TIM_Pulse為1.5ms，占空比為1.5ms/20ms=7.5%，只需令Com?pare4的值為2 000-2 000*0.075=1 850。

2 系統(tǒng)測試

2.1 人臉識別模塊測試

人臉識別模塊測試，如圖11所示。按下按鍵，在屏幕上顯示相應的UID，未錄入人臉信息時進行人臉識別，舵機無法轉動，不能開門；錄入人臉信息后，進行人臉識別，識別成功后舵機能正常轉動，且屏幕上顯示W(wǎng)elcome字樣，如圖12所示，人臉識別模塊功能正常。而使用照片或錄制的人像視頻進行人臉識別時，識別不通過，進一步保證了門禁系統(tǒng)的安全性。

2.2 手機App 測試

本設計中實現(xiàn)的App可通過用戶手機錄入的指紋登錄或以貝殼物聯(lián)的設備號及密鑰作為用戶名和密碼登錄，如圖13所示，點擊開門按鈕后，舵機成功轉動后，主界面div框中打印相應的時間和信息提示用戶門已打開。如圖14和15所示，每點擊一次生成二維碼按鈕，輸入框中的數(shù)值都相應變化，考慮到若門禁系統(tǒng)斷電重啟，門禁端的開門密碼將變?yōu)槌跏贾?，所以在手機App上增加了重置按鈕，點擊該按鈕，密碼和加密密鑰都將變?yōu)槌跏贾担_保手機端和門禁端密碼相同，手機App的功能均正常實現(xiàn)。

3 結論

針對目前存在的幾種門禁系統(tǒng)存在的安全性低、操作復雜、指紋磨損或臟污難以識別等問題，設計了以STM32F103C8T6最小核心板為主控，集人臉識別開門的便捷性、二維碼識別開門的安全性、App遠程開門的智能性為一體，兼具防盜報警功能的家庭智能門禁系統(tǒng)。經(jīng)軟硬件測試，本設計的功能均能夠實現(xiàn)，紅外傳感器一旦感應到人，MF1模塊上電，可通過人臉識別開門，訪客到來可用手機App遠程一鍵開門，如果斷網(wǎng)可以通過手機App生成加密的一次性二維碼發(fā)給訪客掃碼開門，紅外傳感器感應到人且震動傳感器感受到震動則觸發(fā)蜂鳴器響，短信模塊發(fā)送短信提醒。整個設計實現(xiàn)了智能門禁所需要的智能性、安全性、便利性等優(yōu)點。當然，本次設計也有很多不足之處，比如手機App中無法保存開門數(shù)據(jù)等，后續(xù)可以與SQL數(shù)據(jù)庫結合進行優(yōu)化。