樹莓派和STM32的智能門禁系統(tǒng)

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院、人工智能學(xué)院 魏寶源 梁文添 梁俊軒 徐梅宣

針對(duì)當(dāng)前居家普遍使用的傳統(tǒng)機(jī)械門鎖存在的易破解、易損壞、自動(dòng)化程度不高的情況，本文提出基于樹莓派和STM32的智能門禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)攝像頭對(duì)開(kāi)門者進(jìn)行人臉識(shí)別及監(jiān)控，通過(guò)指紋識(shí)別模塊進(jìn)行指紋識(shí)別，結(jié)合顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。針對(duì)正確的解鎖信息，系統(tǒng)建立樹莓派與STM32的串口通信，接收解鎖信號(hào)并控制電磁鎖進(jìn)行開(kāi)關(guān)鎖動(dòng)作；同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)pistreaming進(jìn)行監(jiān)控圖像遠(yuǎn)程傳送，通過(guò)SMTP協(xié)議進(jìn)行異常開(kāi)鎖提醒功能。系統(tǒng)具有高識(shí)別率、方便快捷，可廣泛應(yīng)用于住宅門鎖領(lǐng)域。

門鎖作為人們居家必備的生活用具，成為保護(hù)個(gè)人隱私和財(cái)產(chǎn)安全的第一道防線。2019年，據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)因入室盜竊造成的家庭經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)11300億元，其中撬鎖入室的比例接近80%。罪犯不斷升級(jí)的盜竊技能使傳統(tǒng)機(jī)械鎖鎖的防護(hù)功能遭受巨大考驗(yàn)，傳統(tǒng)機(jī)械鎖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性能低下，居民的個(gè)人和財(cái)產(chǎn)安全難以得到良好保障。隨著智能家居的快速發(fā)展和應(yīng)用，智能化的門鎖系統(tǒng)因其更高的便捷性、安全性和實(shí)用性，成為門鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)功能及總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要研究生物信息識(shí)別功能，以STM32單片機(jī)和樹莓派作為系統(tǒng)核心處理器，結(jié)合外接模塊實(shí)現(xiàn)家居門鎖的人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、密碼解鎖功能，訪客到訪提醒功能以及遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警功能，提供全面的門鎖安全服務(wù)。該系統(tǒng)由解鎖信息采集系統(tǒng)、預(yù)警提醒系統(tǒng)、開(kāi)鎖執(zhí)行系統(tǒng)組成，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 實(shí)現(xiàn)原理及流程

2.1 解鎖信息采集系統(tǒng)

（1）人臉識(shí)別模塊

系統(tǒng)由樹莓派、CSI攝像頭、HDMI觸摸屏組成，人臉識(shí)別監(jiān)控預(yù)警流程如圖2所示。

圖2 人臉識(shí)別監(jiān)控預(yù)警流程圖

預(yù)先在上位機(jī)云端建立人臉庫(kù)，本系統(tǒng)投入使用時(shí)，利用CSI攝像頭對(duì)進(jìn)入采集區(qū)的人臉進(jìn)行拍攝，將人臉數(shù)據(jù)與人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中人臉信息進(jìn)行匹配，當(dāng)匹配成功時(shí)，樹莓派向STM32發(fā)送解鎖信號(hào)， STM32通過(guò)UART串口接收解鎖信號(hào)后驅(qū)動(dòng)硬件完成開(kāi)鎖動(dòng)作。當(dāng)匹配不成功時(shí)，樹莓派通過(guò)SMTP協(xié)議向住戶的移動(dòng)終端發(fā)送郵件、微信小程序提醒，住戶可通過(guò)移動(dòng)終端Web瀏覽器查看實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）指紋識(shí)別模塊

該模塊由指紋識(shí)別和顯示一體化模塊及STM32處理器組成。指紋識(shí)別模塊內(nèi)置手指探測(cè)電路，實(shí)時(shí)檢測(cè)指紋按壓情況。當(dāng)檢測(cè)到開(kāi)鎖行為時(shí)對(duì)指紋進(jìn)行匹配，通過(guò)電容屏進(jìn)行識(shí)別結(jié)果顯示。匹配成功后將開(kāi)鎖信號(hào)傳送到STM32處理器觸發(fā)開(kāi)鎖動(dòng)作。同時(shí)電容屏進(jìn)入管理員模式，使用者可通過(guò)電容屏進(jìn)行指紋錄入、刪除操作。AS608指紋模塊如圖3所示，指紋識(shí)別流程如圖4所示。

圖3 指紋模塊

圖4 指紋識(shí)別流程圖

圖5 人機(jī)交互界面流程圖

（3）密碼解鎖及人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互界面由HDMI觸摸屏進(jìn)行顯示。HDMI觸摸屏的圖形界面設(shè)計(jì)由PyQt5編程完成，圖形界面內(nèi)置觸屏按鍵、人臉識(shí)別、到訪提醒等功能，用戶通過(guò)密碼解鎖后進(jìn)入管理員模式，樹莓派向STM32發(fā)送開(kāi)鎖信號(hào)進(jìn)行開(kāi)鎖。用戶點(diǎn)擊人臉識(shí)別按鈕即可使用人臉識(shí)別功能，識(shí)別通過(guò)后可以開(kāi)鎖。訪客到訪可點(diǎn)擊到訪提醒按鈕對(duì)主人進(jìn)行提醒。人機(jī)交互界面系統(tǒng)流程如圖5所示，界面如圖6所示。

圖6 人機(jī)交互界面圖

2.2 預(yù)警提醒系統(tǒng)

（1）提醒郵件發(fā)送

SMTP是一種提供高效便捷的電子郵件傳輸?shù)膮f(xié)議。SMTP是建立在FTP文件傳輸服務(wù)上的一種郵件服務(wù)，主要用于系統(tǒng)之間的郵件信息傳遞，并提供有關(guān)來(lái)信的通知。本系統(tǒng)使用中，訪客到訪時(shí)通過(guò)人機(jī)交互界面選擇到訪提醒服務(wù)，樹莓派通過(guò)STMP通信協(xié)議對(duì)用戶綁定郵箱發(fā)送到訪提醒信息。提醒信息如圖7所示。當(dāng)人臉識(shí)別匹配不成功時(shí)，系統(tǒng)即認(rèn)為出現(xiàn)異常開(kāi)鎖情況，樹莓派通過(guò)SMTP通信協(xié)議對(duì)用戶郵箱發(fā)送異常開(kāi)鎖報(bào)警信息。

圖7 郵箱訪客到訪提醒

（2）遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

Pistreaming是一種基于Web服務(wù)器訪問(wèn)IP地址實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)臉漭闪髅襟w項(xiàng)目。通過(guò)python3中的server庫(kù)調(diào)用攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集，用戶可通過(guò)移動(dòng)終端的web瀏覽器訪問(wèn)樹莓派IP地址，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的查看。本系統(tǒng)使用中，用戶可通過(guò)手機(jī)瀏覽器訪問(wèn)門禁系統(tǒng)IP地址查看住宅實(shí)時(shí)監(jiān)控，確定住宅和財(cái)產(chǎn)的安全。

2.3 開(kāi)鎖執(zhí)行系統(tǒng)

該系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)和電磁鎖硬件組成。對(duì)于開(kāi)鎖動(dòng)作，STM32處理器接收到開(kāi)鎖信號(hào)后對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的4個(gè)引腳輪流輸出高電平，進(jìn)而對(duì)四相步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，帶動(dòng)電磁鎖硬件完成開(kāi)關(guān)鎖動(dòng)作。對(duì)于關(guān)鎖動(dòng)作，當(dāng)門鎖與扣板兩端的霍爾傳感器接觸時(shí)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，輸出低電平作為關(guān)鎖信號(hào)，STM32接收關(guān)鎖信號(hào)后對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行反向勵(lì)磁，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鎖動(dòng)作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊如圖8所示。

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

3 系統(tǒng)測(cè)試

完成本系統(tǒng)各子系統(tǒng)及其相關(guān)軟件、硬件設(shè)計(jì)后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在下位機(jī)通過(guò)人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、密碼輸入等方式進(jìn)行開(kāi)鎖。并可以在上位機(jī)通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)IP地址進(jìn)行監(jiān)控錄像查看和預(yù)警信息查看。上位機(jī)、下位機(jī)通信測(cè)試如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)封裝測(cè)試圖

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）當(dāng)人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、密碼解鎖成功時(shí)，電磁鎖完成開(kāi)鎖動(dòng)作。

（2）當(dāng)解鎖行為異常時(shí)，對(duì)用戶郵箱發(fā)送警告提醒信息。

（3）當(dāng)訪客通過(guò)人機(jī)交互界面選擇到訪提醒時(shí)，對(duì)用戶郵箱發(fā)送方可到訪提醒信息。

（4）當(dāng)用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)IP地址時(shí)，傳送實(shí)時(shí)監(jiān)控錄像。

3.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

本文通過(guò)設(shè)計(jì)多次重復(fù)解鎖實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)功能的成功率和可靠性，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

以上測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)各子系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，系統(tǒng)測(cè)試成功。

4 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前居家普遍使用的傳統(tǒng)機(jī)械門鎖存在的易破解、易損壞、自動(dòng)化程度不高的情況，本文設(shè)計(jì)了通過(guò)STM32開(kāi)發(fā)板和樹莓派3B+搭建的具有人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能的智能門禁系統(tǒng)。系統(tǒng)在現(xiàn)有門鎖的基礎(chǔ)上將多種生物信息識(shí)別的解鎖方式結(jié)合，通過(guò)攝像頭實(shí)現(xiàn)人臉信息的采集從而完成人臉識(shí)別。采用光學(xué)指紋模組實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別功能。同時(shí)創(chuàng)新性地通過(guò)SMTP協(xié)議將異常開(kāi)鎖信息及時(shí)發(fā)送到住戶的電子郵箱，并基于Python ws4py、FFmpeg庫(kù)將實(shí)時(shí)監(jiān)控傳輸?shù)绞謾C(jī)瀏覽器，為住戶提供了便捷、高效、安全的門禁服務(wù)。由于系統(tǒng)使用STM32搭載了指紋模組、電磁鎖模組和顯示屏模塊，在識(shí)別精度、開(kāi)鎖速度等方面有一定延遲局限性，仍需在后續(xù)研究中進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)資源分配，減少延遲誤差局限性。