田志宏， 王 瑩， 王 杰， 陳 浩， 趙永光

(天津科技大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津300222)

0 引 言

在數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，門(mén)禁技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。門(mén)禁系統(tǒng)早已超越了單純的門(mén)道及鑰匙管理，它已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一套完整的出入管理系統(tǒng)。它在工作環(huán)境安全、人事考勤管理等行政管理工作中發(fā)揮著巨大的作用。然而傳統(tǒng)門(mén)禁系統(tǒng)越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代商業(yè)活動(dòng)的需求，畢竟無(wú)論是鑰匙、電子磁卡鎖還是電子密碼鎖都有信息被復(fù)制的可能，安全系數(shù)很低［1］。

生物識(shí)別技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使門(mén)禁系統(tǒng)得到了飛躍式的進(jìn)步。市場(chǎng)上開(kāi)始出現(xiàn)感應(yīng)卡式門(mén)禁系統(tǒng)、指紋門(mén)禁系統(tǒng)、面部識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)，它們?cè)诎踩浴⒎奖阈约耙坠芾硇缘确矫娓饔兴L(zhǎng)。其中指紋識(shí)別技術(shù)因其具有唯一、穩(wěn)定、不可復(fù)制的特點(diǎn)而越來(lái)越多地被應(yīng)用于門(mén)禁及考勤系統(tǒng)［2-3］。

數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展同樣推動(dòng)著門(mén)禁系統(tǒng)的現(xiàn)代化，越來(lái)越多的攝像頭、電子眼等圖像采集裝置開(kāi)始應(yīng)用在門(mén)禁系統(tǒng)中。圖像和視頻的實(shí)時(shí)采集技術(shù)應(yīng)用于門(mén)禁系統(tǒng)將使其更為安全、可靠。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)以HT66FU50 單片機(jī)［4］作為核心控制器，通過(guò)串口連接WEL-406 指紋識(shí)別模塊，模擬串口連接無(wú)線傳輸模塊，外接指示燈、報(bào)警器、獨(dú)立按鍵，同時(shí)手機(jī)或上位機(jī)可以通過(guò)Wi-Fi 無(wú)線技術(shù)連接到攝像頭，完成視頻和圖像的采集工作，而Wi-Fi 模塊和單片機(jī)同樣通過(guò)串口和單片機(jī)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和手機(jī)對(duì)門(mén)禁系統(tǒng)的控制。

系統(tǒng)總體框架如圖1 所示，其中WEL-406 光學(xué)指紋識(shí)別模塊配合單片機(jī)可以完成指紋登記、指紋采集、指紋比對(duì)(1∶1)和指紋搜索(1∶N)功能［5-9］。上位機(jī)或手機(jī)通過(guò)Wi-Fi［10-11］攝像頭以及串口和單片機(jī)進(jìn)行通信，指紋比對(duì)結(jié)果也通過(guò)串口傳給HT66FU50 單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)接收到的信息，通過(guò)軟件編程對(duì)外接電路的指示燈進(jìn)行控制，當(dāng)有異常發(fā)生時(shí)，報(bào)警器報(bào)警，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)串口將結(jié)果通過(guò)GSM［12-13］無(wú)線傳輸模塊傳送給用戶。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)及電路

硬件電路主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路、指紋模塊接口電路、指紋模塊手指感應(yīng)輸入電壓電路、GSM模塊接口電路、Wi-Fi 模塊接口電路，以及電控鎖、蜂鳴器、指紋模塊的開(kāi)關(guān)電路。

2.1 控制模塊

本系統(tǒng)的控制模塊采用臺(tái)灣盛群公司的HT66FU50 單片機(jī)。HT66FU50 是一款具有AD 功能并且支持串口通信的8 位高性能精簡(jiǎn)指令集Flash 單片機(jī)，可以多次燒寫(xiě)，并且具有PWM 功能，能滿足本系統(tǒng)的要求。通用異步接受/發(fā)送器(UART)與指紋模塊進(jìn)行通信。此外，系統(tǒng)用軟件另外模擬一個(gè)串口:模擬串口的發(fā)送端連接無(wú)線模塊的接收端，向無(wú)線模塊發(fā)送報(bào)警的AT 指令;模擬串口的接收端通過(guò)USB 接口連接Wi-Fi 模塊的發(fā)送端，接收手機(jī)或PC 機(jī)控制端通過(guò)Wi-Fi 發(fā)送的指令，用來(lái)控制攝像頭上、下、左、右四個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)。

2.2 指紋采集模塊

系統(tǒng)采用WEL_406 作為指紋采集模塊。其主頻為120 MHz，通訊時(shí)，為半雙工異步通訊，默認(rèn)波特率為57.6 kb/s，傳送的幀格式為10 位，一位0 起始位，8位數(shù)據(jù)(低位在前)和一位停止位，無(wú)校檢位。指紋模塊具有如下功能:

(1)指紋登記。采集3 次指紋特征，合成指紋模版，登記到指紋庫(kù)中。

(2)指紋比對(duì)與搜索?？梢赃M(jìn)行指紋比對(duì)和指紋搜索。

(3)緩沖區(qū)與指紋庫(kù)。芯片內(nèi)設(shè)有2 個(gè)512 bytes大小的特征文件緩沖區(qū)，既可以用于存放普通特征文件也可以用于存放模板特征文件。指紋庫(kù)容為512 枚指紋，如有需要可擴(kuò)展到1 024 枚。

(4)特征與模版。指紋特征文件大小為256 B，包含特征點(diǎn)信息與總體信息;模板大小為256 B，是2個(gè)相同指紋特征合成。

WEL-406 與單片機(jī)接口電路如圖2 所示，其中管腳5 為手指感應(yīng)輸入，要求電壓為3.3 V 左右，所以采用紅色發(fā)光二極管，其壓價(jià)為2.0 ～2.2 V。

圖2 WEL-406 與單片機(jī)接口電路

通過(guò)串口接收和發(fā)送固定的16 進(jìn)制數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)登記、錄入和搜索、清空指紋的功能。

2.3 GSM 模塊

系統(tǒng)采用MC39i 完成無(wú)線報(bào)警，其也采用串口通信，而單片機(jī)只有一個(gè)串口，所以需要用軟件模擬一個(gè)串口，系統(tǒng)中GSM 模塊只需要接收單片機(jī)發(fā)送的指令，因此只連接模擬串口RX。另外GSM 模塊采用RS-232 電平，需用MAX232 芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，接口電路如圖3 所示。

圖3 GSM 模塊與單片機(jī)接口電路

2.4 Wi-Fi 攝像頭模塊

系統(tǒng)所用的Wi-Fi 模塊參數(shù)如下:輸入電壓為5V/1A，采用IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，具有1 個(gè)10/100 Mb/s LAN/WAN 復(fù)用網(wǎng)絡(luò)接口、1 個(gè)USB2.0 接口(用于連接攝像頭)、1 個(gè)TTL 串口和內(nèi)置天線。

Wi-Fi 模塊可以通過(guò)USB 接口連接攝像頭，另外通過(guò)串口和單片機(jī)進(jìn)行通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)部分

下位機(jī)軟件部分包括指紋處理程序、按鍵掃描和指紋感應(yīng)程序、無(wú)線報(bào)警程序，上位機(jī)和手機(jī)通過(guò)Wi-Fi 向單片機(jī)模擬串口發(fā)送控制命令的程序，PWM 輸出控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向的程序。此外，還有聲光報(bào)警等外圍設(shè)備的控制程序。其流程圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 指紋登記和清空軟件流程圖

3.2 Android 手機(jī)控制端

Android 系統(tǒng)［14］內(nèi)核是Linux，是一款開(kāi)源的手機(jī)操作系統(tǒng)。Android 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)性、高兼容性的特點(diǎn)使其成為近年來(lái)主流的手機(jī)操作系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，使用Android 手機(jī)作為遙控器對(duì)門(mén)禁系統(tǒng)中攝像頭的方向進(jìn)行控制，是操作更為簡(jiǎn)便。

圖5 指紋開(kāi)門(mén)軟件流程圖

首先搭建 Android 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境eclipse［15-16］，利用Java 語(yǔ)言進(jìn)行手機(jī)控制端軟件開(kāi)發(fā)。

3.3 PC 機(jī)控制端

PC 機(jī)的控制端采用C#語(yǔ)言進(jìn)行編程，由于PC 機(jī)的硬盤(pán)容量較大，可以保存較大的圖片和視頻，因此比Android 手機(jī)控制端多了拍照和錄制視頻功能，將圖片和視頻以時(shí)間格式命名，保存在本地文件夾中。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種基于指紋識(shí)別和圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控的多門(mén)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由指紋處理部分、無(wú)線報(bào)警部分、攝像頭舵機(jī)控制部分、Android 手機(jī)端控制部分和PC 機(jī)端控制部分組成。整個(gè)系統(tǒng)采用Wi-Fi 技術(shù)、指紋識(shí)別技術(shù)、圖像采集技術(shù)、Android 應(yīng)用開(kāi)發(fā)等控制方法，使得門(mén)禁系統(tǒng)更加安全可靠，也更加智能化、人性化。系統(tǒng)特色:

(1)安全可靠性高，指紋具有唯一、穩(wěn)定性高、便于采集、不易復(fù)制、安全性高的特點(diǎn)，GSM 無(wú)線通信技術(shù)的使用可以使用戶及時(shí)了解發(fā)生的狀況，同時(shí)添加圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，使得該門(mén)禁系統(tǒng)更為安全可靠。

(2)設(shè)計(jì)更為人性化，指紋和按鍵的結(jié)合使用使操作更為便捷。

(3)多門(mén)控制開(kāi)發(fā)不僅僅限于家居應(yīng)用，也可應(yīng)用于小區(qū)、辦公、學(xué)校等場(chǎng)所。

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