南京工程學(xué)院信息與通信工程學(xué)院 劉廷泰 王斌 唐蕾 劉攀鋒 金擇真

引言

如今，在學(xué)校宿舍中，很容易出現(xiàn)學(xué)生忘帶鑰匙的情況，在此情況下，如果宿舍沒有人，需要找宿管才可開門，不是很方便。同時，學(xué)生間相互串宿舍也是很常見的現(xiàn)象，但是如果宿舍里的人都離門比較遠(yuǎn)，且在手頭都有事情做的情況下，跑去門邊開門不僅會浪費時間，還有可能會打斷當(dāng)前所在進(jìn)行的工作。伴隨著時代技術(shù)的發(fā)展，人臉識別技術(shù)的進(jìn)一步成熟，針對以上的問題，設(shè)計出一種可遠(yuǎn)程控制的人臉識別門鎖。通過人臉識別開啟門鎖，非接觸式、基于生物識別的解鎖方式無須攜帶鑰匙，可以使生活更方便、快捷；同時，在宿舍內(nèi)不移動的情況下通過開關(guān)遠(yuǎn)程控制門鎖開啟，可以免去生活中的一些煩瑣，在帶來便捷性的時候能夠提高生活質(zhì)量[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本門鎖由三個主要控制模塊組成，分別是低電壓控制設(shè)備、高電壓受控設(shè)備和上機位控制端。其中，低電壓控制設(shè)備模塊包括樹莓派攝像頭和樹莓派4B 組成；高電壓受控設(shè)備由電磁鎖組成； 上機位控制端模塊由控制按鍵、STC89C52 單片機和LCD1602 顯示屏組成。其中由低電壓控制設(shè)備和高電壓受控設(shè)備組合成門鎖的本體，通過繼電器來連接；低電壓控制設(shè)備與上機位控制端以ZigBee 串口通信模塊連接[2]。

圖1 總體設(shè)計圖

在該設(shè)計中，人臉識別用于從室外開啟門鎖，宿舍舍員可以通過刷臉的方式打開門鎖，同時可在室內(nèi)上機位的LCD1602 顯示器上讀出開啟門鎖的人員信息；當(dāng)有別的宿舍人需要進(jìn)門的時候，宿舍里面的人員可以通過室內(nèi)上機位的控制按鍵來開啟門鎖[3]。此設(shè)計方案可以很好地解決“開門”問題，宿舍內(nèi)的人員開門不再需要鑰匙了，可以使生活更方便；當(dāng)有別的宿舍的需要進(jìn)入，也不需要室內(nèi)的人跑到門邊開門了。

2 門鎖的設(shè)計

門鎖本體由低電壓控制設(shè)備和高電壓受控設(shè)備組成。門鎖主要由攝像頭、樹莓派4B 開發(fā)板、繼電器、電磁鎖、ZigBee 串口通信模塊及兩個電源（一個為DC5V3A，另一個為DC24V）構(gòu)成。其電路連接圖如下：

圖2 門鎖電路連接圖

攝像頭和樹莓派4B 開發(fā)板間通過樹莓派CIS 視頻接口連接；繼電器的IN 端與樹莓派開發(fā)板的GPIO17 口連接；繼電器的COM端連接DC24V 電源的正極，NO 端連接電磁鎖的正極；Zig-Bee 串口通信模塊通過UART 接口與樹莓派開發(fā)板連接；電磁鎖的負(fù)極與DC24V 電源的負(fù)極相連。

本設(shè)計中的門鎖需要預(yù)先通過攝像頭采集宿舍人員的臉部圖像，并將圖像傳送給微處理器分析、提取數(shù)據(jù)，并保存在數(shù)據(jù)庫中；當(dāng)宿舍人員需要開門時，攝像頭會自動采集人員臉部圖片，在提取、分析數(shù)據(jù)后，與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，當(dāng)數(shù)據(jù)置信度達(dá)到閾值75%時，身份驗證成功，此時樹莓派4B 的GPIO17口會給繼電器一個高電平觸發(fā)信號，繼電器收到信號后，會連接COM端和NO 端，讓電磁鎖通路，從而使電磁鎖舌被磁力吸引，門鎖開啟，成功開門，同時，當(dāng)人臉數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫對比后，樹莓派會把開啟門鎖的人員姓名及時間通過ZigBee 串口通信模塊發(fā)送到上機位；兩秒后，樹莓派向繼電器發(fā)送的信號會恢復(fù)成低電平信號，繼電器收到信號后，會斷開COM端和NO 端的連接，電磁鎖被斷路，電磁鎖舌在失去電磁力吸引的情況下彈出，門鎖再次鎖上。

3 室內(nèi)控制器的設(shè)計

為了方便在室內(nèi)控制開啟門鎖，我們還設(shè)計了門鎖對應(yīng)的上機位——室內(nèi)控制器。該控制器由STC89C52 單片機、控制按鍵、LCD1602 顯示屏、ZigBee 串口通信模塊和DC5V 電源組成。

圖3 上機位電路連接圖

當(dāng)有宿舍的人通過刷臉開門時，室內(nèi)控制器會通過ZigBee串口通信模塊接收從門鎖發(fā)送過來的人員信息和開鎖時間，并在LCD1602 顯示器上顯示出來；當(dāng)有其他宿舍的人串門時，室內(nèi)人員可按下室內(nèi)控制器上的控制按鍵，此時單片機通過ZigBee串口通信模塊向樹莓派發(fā)送開鎖信號，從而開門。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件分為樹莓派上的人臉識別門鎖程序和上機位室內(nèi)控制器單片機程序兩部分。人臉識別門鎖程序由Python 編寫，需要配置OpenCV 環(huán)境；單片機程序由C 語言編寫。

當(dāng)系統(tǒng)啟動，門鎖會自動檢測控制器是否發(fā)送開鎖的信號。如果有開鎖信號，就會直接打開門鎖，同時室內(nèi)控制器的顯示屏上會顯示開鎖成功。如果沒有開鎖信號，門鎖會自動檢測是否有用戶，當(dāng)用戶出現(xiàn)，會通過人臉檢測采集人臉圖像并進(jìn)行特征提取，然后將特征數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行特征對比，由此判斷身份，如果身份驗證成功，門鎖會打開，并且人員信息會發(fā)送給室內(nèi)控制端，并在顯示器上顯示出來；如果身份驗證失敗，則無法打開門鎖。

圖4 軟件工作流程圖

5 結(jié)語

隨著科技發(fā)展，人臉識別技術(shù)日趨成熟，人臉識別門鎖的安全性得到了一定的保證。同時相對傳統(tǒng)的鑰匙開鎖，人臉識別門鎖無須攜帶鑰匙，使得生活變得更加簡單，也更符合時代潮流的發(fā)展。在人臉識別門鎖中加入遠(yuǎn)程控制的功能，能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步方便宿舍生活，解決了跑去門邊開鎖的煩瑣過程，可以大大提高宿舍生活的質(zhì)量。