一个智慧门禁系统的设计与实现_郑晓君.pdf

Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)工程应用本栏目责任编辑：梁书一个智慧门禁系统的设计与实现郑晓君，韩培珊，黄翔琪，谢松（广东外语外贸大学南国商学院 计算机学院，广东 广州 510545）摘要：为了保障室内安全的同时以及应对疫情防控的需要，该文设计了一种智慧门禁系统，该系统可通过红外线来测量温度，通过人脸识别技术辨认来访者身份，利用温湿度、烟雾传感器实时监测室内环境，所有数据通过云物联网平台实时传送到小程序上，以便使用者实时操控和监测。关键词：物联网；红外测温；人脸识别；温湿度传感器；小程序中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：1009-3044(2022)36-0097-03开放科学（资源服务）标识码（OSID）：1 引言随着社会的快速发展和科技不断进步，人们追求的生活质量水平越来越高。近年来，仓库失火、实验室失火等事件时有发生，甚至于发生频率逐年增高，80%的原因都是因为没有足够的消防意识导致未能及时得到救援。人们的住房意识，尤其是来访安全意识也在提高，面对每天来访人员数量庞大的问题，来访安全逐渐成为人们追求更高生活质量的必备意识。2 系统的总体方案设计该系统通过红外线检测来访者体温和人脸识别检测来访者身份信息来保障防疫安全，温湿度传感器和烟雾传感器实时监测室内温湿度以及烟雾浓度来保障室内环境的安全，实现在疫情紧张时期保证发生火灾事故能立即自动报警，在最短的时间达到最快救援的效果，同时还能在室外进行人脸识别和人体温度检测的防疫安全，并能让户主同步获取来访人员身份信息以及温度信息等1。3 系统硬件设计3.1 红外线监测体温保障防疫安全新冠肺炎疫情危及全球，测量体温已经成为人们出入场所的必要步骤，随着科学技术的发展，传统的接触式测温方式也已不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。红外测温技术是非接触式测温技术中应用广泛的一种，此温度测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测物体上某一点的温度测量。其有便携和固定式两种方式，并且使用方便；它的制造工艺简单，成本低，测温时可以不接触被测物体，具有响应时间短、使用寿命长、操作方便等优点。红外测温技术的这一优点在防控新冠肺炎疫情中发挥着重要的作用。红外测温的测温原理是黑体辐射定律。众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停地向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。通过传感器接收被测物体发出的红外能量将其转换为电信号，最终把该信号的温度读数显示出来。项目中使用的是GY-906 红外测温传感器模块，3cm内精度高0.5度左右，支持带有 10K上拉电阻的I2C 接口。此款温度传感器的出厂校准为：传感器温度范围为-40至125 摄氏度，物体温度范围为-70至380摄氏度。传感器的误差范围约为0.5摄氏度。被测目标温度和环境温度能通过单通道输出，并有两种输出接口。通过读取对应的地址获取温度数据，用式子T=value*0.02-273.15 转换成可直接阅读收稿日期：2022-03-20基金项目：2021年度广东省级大学生创新训练项目（S202112620030）作者简介：郑晓君（2001），女，广东潮阳人，本科；韩培珊（2001），女，广东中山人，本科，主要研究方向为物联网工程；黄翔琪（2000），女，广东汕头人，本科，主要研究方向为物联网工程；谢松（2003），男，广东湛江人，本科，主要研究方向为计算机科学与技术。图 1 系统总体结构图E-mail：http：/Tel：[phone] 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.18,No.36,December202297DOI:10.14004/ki.ckt.2022.2272Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)本栏目责任编辑：梁书工程应用的温度值。3.2 人脸识别保障来访安全人脸识别是基于人的脸部特征信息，用摄像机采集含有人脸的图像并检测跟踪人脸，进而对检测到的人脸进行脸部识别进行身份识别的一系列相关技术。在计算机技术研究方面，人脸识别是一项热门的领域，其中包括人脸追踪侦测、自动调整曝光强度、夜间红外侦测、自动调整影像放大等技术2。随着科学技术的不断发展和进步，人脸识别技术已经被广泛应用于政府、军队、银行、社会福利保障、安全防务等领域。日常生活中，刷脸支付成为继微信支付之后支付速度更上一台阶的支付方式。安防上，人脸识别能够准确识别出每个人的身份信息，提高了安检速度。项目使用的是百度云自带的人脸识别技术，百度AI人脸识别技术基于深度学习的人脸识别方案，准确识别摄像头拍摄到的人脸信息，提供人脸属性识别、关键点定位、人脸1：1比对、活体检测等能力，在强大的人脸识别算法加持下轻松实现刷脸门禁、签到、安防监控、人脸支付等功能环节，满足安防、金融、教育、娱乐等场景需求3。该项目在百度AI开放平台创建人脸识别应用，获得AppID、API Key和Secret Key，并搭建人脸库，用来存放人脸数据，百度人脸识别提供人脸注册、更新和删除，用户信息查询，获取用户人脸列表，复制、删除用户，创建和删除用户组等接口。人脸库、用户组、用户、用户下的人脸层级关系如图2所示。人脸库搭建完成后，下载相应的SDK，运行编好的程序，通过手机自带摄像头进行拍照，将图片上传到百度人脸识别上进行识别，并将结果通过API接口发送到小程序上，方便用户进行操作。图 2 人脸层级关系3.3 实时检测温湿度以及烟雾浓度保障室内安全MQ-2烟雾传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，优点是灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单、具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息。需要注意的是，其在使用之前必须加热一段时间，否则其输出的电阻和电压不准确。通过DHT11温湿度传感器和MQ-2烟雾传感器实时监控室内的温湿度以及烟雾浓度4，并且将检测到的数据同步到所开发的小程序上。一旦室内烟雾浓度达到5%OBS/M-15%OBS/M时蜂鸣器将自动发出警报并且LED警示灯会闪烁，从而达到在最短的时间引起周围注意且提醒人们采取解救行动的效果5。同时，室内的人想随时知道此时室内的温湿度可以直接从App上得知。这大大方便了人们对室内环境安全信息的掌握，同时也让人们及时知道室内是否安全，从而能及时脱离不安全的环境到达安全的室外环境以保障人身安全，减少突如其来的火灾带来的危险和伤亡等悲惨事故。3.4 监测数据同步到小程序首先，在小程序上设计好温湿度和烟雾浓度显示的图标。其次，通过USB烧写数据线将在主机写好的程序代码烧录到DHT11温湿度传感器和MQ-2烟雾传感器并且检测是否烧录成功。打开小程序，用湿润的手掌靠近温湿度传感器，查看小程序上的温湿度是否有变化；向烟雾传感器吹气，查看小程序上的烟雾浓度是否有变化，如果小程序上的数据出现了变化则代表烧录成功，若无变化则需检验是否USB烧写数据线出现问题、接触不良、代码有错误等问题。所监测到的数据同步到小程序上的误差时间不会太大。也就是说，延时时间不会因为太长而导致室内人们没有及时得知所处环境不安全而导致没有即时脱离危险环境造成人员伤亡。图3 小程序界面截图4系统软件设计4.1 申请AppID、API Key和Secret key在百度AI开放平台中注册账号，申请API，创建应用，获取token、AppID、API Key和Secret key等设备信息，有效期30天左右，需更新或者每次调用之前重新获取。4.2 创建人脸识别数据库百度 AI 开放平台中的人脸库管理中新建用户组，再从用户组中新建用户，添加人脸id和照片。添加成功后，需获取Access token用于校验，因为在调用API时必须在URL中带上access_token参数。4.3 编写代码运用Arduino开源硬件开发平台编写代码。由于Arduino核心库是对AVR-gcc的封装，故使用C+语法进行编译开发。Arduino的开发需要编写、校验、上98Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)工程应用本栏目责任编辑：梁书传三个环节，并且可任意通过核心库中的库函数对与板子相连的硬件进行控制，部分代码示例图4。图4 部分代码示例5 总结图5为项目使用设备图片。本文提出了一种用于保障室内安全、来访安全、防疫安全的项目研究。该项目研究通过DHT11温湿度传感器模块和MQ-2烟雾传感器模块实时监控保障室内安全，通过树莓派实现人脸识别和GY-906红外测温模块保障来访和防疫安全。小程序与传感器以及百度AI平台的组合应用将大大提高实用性和方便性。该系统能保证设备长时间工作，易于购买和安装。它可以有效地保障在疫情期间人员的人身情况，减少财产损失。图5 项目使用设备图参考文献：1 兰鸽,刘文平.基于树莓派的实验室人脸识别门禁系统设计J.信息记录材料,2021,22(2):190-192.2 张宣妮,马秀霞,鲁方莹,等.智慧小区的人脸识别门禁系统J.信息系统工程,2021(4):95-96.3 叶阳,顾国民.基于百度API的实时人脸检测J.信息记录材料,2020,21(5):226-227.4 Cheon J,Lee J,Lee I,et al.A single-chip CMOS smoke andtemperature sensor for an intelligent fire detectorJ.IEEE Sensors Journal,2009,9(8):914-921.5 Wang J X,Su J P,Hua R Y.Design of a smart independentsmoke sense system based on NB-IoT technologyC/International Conference on Intelligent Transportation,Big Data&Smart City(ICITBS).Changsha,China.IEEE,2019:397-400.【通联编辑：代影】（上接第96页）是否出现错误等内容。软件部分测试主要包括检测GSM服务是否正常，上位机连接情况，AT指令响应速度等内容。此外，为避免本地网络故障对系统测试产生影响，还应在系统测试前检测本地网络的延时和丢包情况。5.2 测试过程使用 JTAG 串口线将本系统与电脑USB 接口连接，通过 USB 驱动软件成功识别 USB 设备，然后打开下载软件，将编译生成的 hex 文件烧录到芯片。将USB 串口线拔下来，对主控模块进行断电处理，提前插好 SIM 卡，对整个系统进行上电。这时 SIM900A模块右上方会有一个 LED 灯在快闪，等待十几秒后会变为慢闪，这说明 GPRS 模块已成功附着 GPRS网络。这时再插上 USB 串口线对主控模块进行供电，显示屏亮。连接网线，打开网络调试助手，将 IP 地址修改为 PC 上网的公网 IP 地址，建立服务端，这样整个系统就可以正常工作了。温湿度传感器 SHT20 每隔十几秒就采集周围环境的温湿度参数，为两个数字量。如果采集到的数据超过预先设置好的阈值范围，就会向预先设置好的用户号码发送报警短信息，短信息内容包含“温度和湿度是否超标，当前温度和湿度为多少”，及时提醒管理人员。并且采集的温湿度还可以通过显示模块实时显示在OLED屏幕上。经调试表明本系统整体工作正常，实现了温湿度测量与显示，无线数据收发，报警信息提醒等功能。6 总结本文利用 STM32103ZE 单片机、GPRS 无线传输模块，SHT20温湿度传感器等硬件，经软件设计和调试实现了一种集温湿度采集与无线传输报警的嵌入式系统。该系统结构简单，成本低廉，整体稳定性好，适用于多种无线数据测量场景。此外，该系统还可与大数据技术相结合，实现云端数据的有效利用。参考文献：1 鲍尚东,洪震.嵌入式GPRS数据采集模块设计J.阴山学刊(自然科学版),2018,32(4):63-65.2 王婷,朱宝平.基于GPRS的环境监测系统J.自动化与仪器仪表,2016(3):142-144.3 徐晶,聂思兵,陈阵,等.基于GPRS的远程无线串口通信系统设计J.山西电子技术,2021(4):64-67.4 曾红梅.GPRS系统原理及其实现J.移动通信,2002,26(12):40-42.5 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