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(哈爾濱理工大學 榮成學院，山東 榮成 264300)

0 引言

隨著全球信息化進程的飛速發(fā)展，人類社會正逐步蛻變?yōu)橐灾橇Y源為首要依托的智能型社會[1]。人們生活水平的提高，生活品質的追求更是推動了科學技術的迅速發(fā)展，各種類型的智能產品應運而生。門控系統(tǒng)作為方便人類生活的環(huán)節(jié)之一，也開始踏上多樣化、智能化的道路，其運用以計算機技術為核心，包括通訊技術、電子技術在內的信息技術與現(xiàn)代建筑技術相結合，為人們多方位提供自動化應用功能的服務。

為滿足人們對產品的需求，市場上出現(xiàn)了一些遙控開門的裝置[1]，但遙控信號傳輸不穩(wěn)定，且無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，給用戶的實際使用帶來了諸多不便。此研究系統(tǒng)利用Openwrt可以掛載攝像頭這一功能，不僅能夠做到實時監(jiān)測，實現(xiàn)了居家防盜的目的，而且還具有短信通知與控制功能[1]，不僅實現(xiàn)了程控開門，同時可及時回饋當前狀態(tài)。與市面上同類產品相比，降低了使用難度，方便用戶的使用，節(jié)省了用戶的時間成本，具有一定的現(xiàn)實價值。

1 系統(tǒng)的總體設計

系統(tǒng)以STC公司的12系列單片機作為主控制器。此系統(tǒng)主要由訪客識別系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)、防盜報警系統(tǒng)以及電機驅動系統(tǒng)四大部分組成：訪客識別系統(tǒng)由振動傳感器、人體感應模塊、按鍵電路構成；圖像傳輸模塊由HG255D路由器、USB攝像頭組成；防盜報警系統(tǒng)獨立于主進程，作為系統(tǒng)的第二模式，由ESP8288作為控制核心，外設連接振動與紅外傳感器。在主進程運行時，訪客控制系統(tǒng)識別到訪客請求便向單片機發(fā)送信號同時驅動蜂鳴器，然后單片機控制SIM900A模塊向用戶發(fā)送通知短信。用戶接收短信后打開用花生殼設置好的網頁可以對門外情況進行實時查看，之后可以以短信的形式向單片機回送開門指令，接收指令后單片機通過驅動板驅動直流電機轉動，為訪客開門。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

圖像傳輸系統(tǒng)采用HG255D路由器刷取其固件，固件里至少要包括兩個與攝像頭相關內核kmod-video-core,kmod-video-u-vc，以及mjpeg-streamer軟件，應用Linux的開源版本的特性，實現(xiàn)圖像的遠程傳輸。此研究中搭載了實現(xiàn)視頻傳輸?shù)膍jpeg-streamer軟件，用于將mjpeg格式的文件變成流媒體輸出，由于其自帶web網頁且支持用戶密碼登陸，所以用戶可以用瀏覽器來查看攝像頭的圖像，安全性也較高。為了實現(xiàn)外網訪問攝像頭，可以使用花生殼進行內網穿透。此外在攝像頭的選擇上，采用了微軟的HD3000 720P高清攝像頭，因為其免驅并支持MJPEG，去除了HD5000里作用不大的自動對焦功能，同時價格比HD5000更加親民。

2 系統(tǒng)的硬件設計

門禁系統(tǒng)以STC12單片機的最小系統(tǒng)為主體，HG255D路由器與最小系統(tǒng)并行工作。在單片機的I/O接口連接獨立按鍵、蜂鳴器、SW-420傳感器、人體感應模塊、直流電機驅動板。單片機最小系統(tǒng)由單片機芯片，時鐘電路、復位電路[2]和電源構成。

2.1 訪客行為識別系統(tǒng)

當訪客來訪時，表現(xiàn)出的行為體現(xiàn)在對門的敲擊和按壓門鈴。利用這些特征設計訪客行為識別系統(tǒng)，門鈴的引腳與單片機的I/O口通過電路相接，門鈴按下時通過按鍵電路產生低電平信號，單片機采用掃描法讀取到低電平，控制蜂鳴器響的同時給用戶發(fā)送來訪信息，告知用戶有人來訪；采用SW-420振動開關搭建的振動傳感器模塊，當有人敲門時帶動傳感器內彈簧震動輸出低電平，把敲擊門的振動轉換成電平的變化。此外，系統(tǒng)還使用了HC-SR501人體紅外感應模塊來確保振動是由人體活動所引起的，人體感應模塊感應角度最大可達100°錐角，識別范圍最大7米，能夠識別用戶門前所有大型生命體的存在，如果在檢測范圍內有人出現(xiàn)，人體感應模塊將會輸出低電平信號。當且僅當振動傳感器與人體感應模塊同時發(fā)生電平變化時才向單片機發(fā)出請求信號。傳感器模擬信號輸出與LM393集成運放相連，將模擬輸入量放大作為ADC0809芯片的輸入。如圖2所示。

圖2 訪客識別系統(tǒng)電路圖

2.2 主控系統(tǒng)

系統(tǒng)的主控電路以單片機最小系統(tǒng)為核心，采用軟件上電復位。STC12c5a60s2單片機內部含有兩個串口，可同時向手機發(fā)送信息和在PC端進行調試，抗干擾性強，成本較低，比傳統(tǒng)的51系列單片機速度快8-12倍，可以滿足軟實時性下的系統(tǒng)設計。如圖3所示，單片機共40個I/O引腳，選擇P3口推挽輸出，P2口作電機驅動信號輸出，P0口連接傳感器和蜂鳴器，各引腳之間相互獨立。220 V市電經過電源適配器輸入單片機，7805具有穩(wěn)壓和過流保護的作用。外部晶振11.0592 MHz，用于為單片機提供時鐘信號。系統(tǒng)主體電路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主體電路圖

2.3 電機驅動電路

為了滿足電機的功率需求，設計了L298N驅動電路。L298N芯片可以用來驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓可達50V，可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；也可以直接用單片機的IO口提供信號[3]。單片機的P2.6-P2.7引腳控制電機的轉動及方向，直接與驅動芯片的INA、INB連接，當收到開門信號單片機通過這兩個引腳向INA、INB發(fā)送一個PWM波，控制電機轉動。降壓模塊將經過適配器的24 V電壓降至9 V，通過IN+和IN-引腳輸入驅動提供工作電壓[4]。電機驅動電路如圖4所示。

圖4 電機驅動電路圖

3 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的開發(fā)平臺是Keil公司的μvision，采用C語言編程，是面向過程的語言，具有可讀性強的特點。主要針對單片機STC12C5A60S2進行設計，包含主程序、訪客識別程序以及電機控制子程序。

3.1 系統(tǒng)的主程序設計

主程序主要包括系統(tǒng)初始化程序、和對其他子程序的調用。系統(tǒng)的初始化包括定時器、檢測信號的I/O引腳、時鐘、串口的初始化。初始化完成后，進入while死循環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)所需的子函數(shù)，同時等待外部中斷與串行口中斷。根據程序設計，傳感器能感知訪客到來并通過總線向單片機發(fā)出請求，傳感器的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑陆笛貜膯纹瑱C的外部中斷引腳輸入給單片機，該信號被系統(tǒng)檢測到后驅動SIM900A模塊向用戶發(fā)送短信。若傳感器信號無變化，則在循環(huán)內等待[5]。若用戶對系統(tǒng)請求作出回應，單片機則驅動電機做出相應的控制。傳感器的I/O采用的是程序傳送方式，串行口采用的中斷傳輸方式。程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 訪客識別的軟件設計

由于傳感器采用電平觸發(fā)方式[6]，訪客行為會在短時間內向單片機發(fā)出多次信號，單片機向用戶連續(xù)多次發(fā)出來訪通知。這種情形既占用了單片機線程資源又給用戶帶來了困擾，針對這一問題，添加了一個標志位cmdd，設計出了訪客行為識別算法，算法框圖如圖6所示。

圖6 訪客行為識別流程圖

系統(tǒng)上電之后，在主程序里對訪客識別所需的軟硬件進行初始化，將軟件里的標志位cmdd初始化為0。初始化完畢后，程序設定對與傳感器相連的I/O口進行輪詢，只有在兩個傳感器都向單片機發(fā)出高電平信號，單片機才控制sim900A模塊向用戶發(fā)送信息，并將cmdd置1，否則就將一直對I/O進行檢測。當用戶收到短信并給系統(tǒng)以開門的指令系統(tǒng)將設定的標志位cmdd置0，否則就保持標志位不變[7]。這樣，即便訪客連續(xù)多次觸發(fā)傳感器與按鍵，系統(tǒng)也只在短時間內向用戶通知一次，避免了一次來訪行為向用戶發(fā)送多次短信。

3.3 電機控制的軟件設計

當系統(tǒng)接收到用戶的開門指令，就要控制電機完成開門的動作。開門動作主要分為兩大部分，一部分是將門把手下拉，另一部分是將下拉的門把手復位，使用PWM波控制電機的轉動[8]，并用2個光電傳感器配合完成門的開啟。電機控制相關程序的流程如圖7所示。

圖7 電機控制流程圖

兩個光電傳感器分別位于門把手移動位置的上限與下限。單片機通過P2.6和P2.7引腳向電機驅動芯片L298N發(fā)出PWM波[9]，控制直流電機轉動，帶動門把手下移，當把手下移至光電傳感器1的位置，光電傳感器1輸出低電平給單片機，此時系統(tǒng)延時等待5S(多次測試得出)，給訪客充足的開門的時間，隨后輸出反相的PWM波，控制電機反轉，將門把手復位，當把手上移至光電傳感器2所處的位置，光電傳感器2輸出低電平給單片機，隨后，單片機停止對電機的控制，電機停轉，整個開門動作完成。

4 實驗結果與分析

系統(tǒng)的實用性是首要的，為了定量衡量系統(tǒng)的實用性[10]，進行對照實驗，比較完成一次開門動作系統(tǒng)所需時間與人工所需時間。實驗組對象是新型開門系統(tǒng)，對照組是大學校園里5名年齡在20～22歲的志愿者，其中，男性志愿者3名，女性志愿者兩名。實驗組對系統(tǒng)進行100次整機測試，采集了如下幾類信息：1)識別訪客時間(從訪客敲門至系統(tǒng)檢測到有人來訪所需時間)；2)短信發(fā)送到用戶手機的時間；3)開門信息發(fā)出到達用系統(tǒng)開門的時間差?？紤]到實驗組在測試過程中外界環(huán)境的影響與信道中噪聲的干擾，對采集到的數(shù)據用三次立方法進行去噪，然后采用KS檢驗篩選出滿足一致性檢驗的數(shù)據，將滿足假設檢驗的數(shù)據進行算術平均作為系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標。穩(wěn)定性相關數(shù)據如表1所示。

表1 整機測試相關參數(shù) s

對照組模擬正常情況下訪客來訪時屋里的人員從離開當前所在位置到在門前確定完門外情況給訪客開門的整套動作。我們選用的實驗場地是面積約為25平方米的正方形，測試者與門連線恰為場地的對角線。每個測試者進行5次測試，用秒表分別測量測試者從接收到來訪信號到啟動的時間(稱之為反應時間)、從起始位置到達門前的時間(稱之為運動時間)以及確認門外情況所用時間(稱之為確認時間)。測試結果如表2所示。

對測試得到數(shù)據進行分析，可以直觀的看到，開門系統(tǒng)完成一次操作所需時間平均為11.42 s,遠低于測試者親自完成為訪客開門所用時間(25.5 s)。雖然實驗選取的測試者年齡沒有明顯的分層，場地大小固定，但是，由于青年人的運動速度明顯快于其他年齡段的人，故實驗可以證明系統(tǒng)有較高的實際效用，確實能夠大大節(jié)省用戶的時間成本。

表2 志愿者測試相關參數(shù) s

5 結束語

新型門控系統(tǒng)，采用智能化、模塊化的設計，實現(xiàn)了遠程控制和實時監(jiān)測功能。本系統(tǒng)利用單片機作為主控制器，使整個控制系統(tǒng)更加簡潔。同時通過手機短信控制系統(tǒng)的運行，當遇到異常情況時就向用戶發(fā)送報警短信，提高系統(tǒng)的安全性，由于短信控制的操作簡單，適合各年齡段人群使用，所以實用性、靈活性更強。此外本研究加入的視頻傳輸功能，使用戶可以實時看到家里的情況，安全性、有效性得到了進一步的提升。本設計匯聚當下炙手可熱的安全、智能等話題，不僅符合大眾對智能生活的追求，其人性化的設計，網絡化的服務更為人們提供了不一樣的生活品質，同時也為智能家居的發(fā)展做出了一定的貢獻，具有一定的市場價值與實用價值。