邢 丹，劉欣欣，崔榮梅

（河北傳媒學(xué)院 信息技術(shù)與文化管理學(xué)院，河北 石家莊 051430）

0 引 言

隨著高校硬件設(shè)施的不斷發(fā)展，各類教室數(shù)量不斷增多，教室鑰匙使用的頻次和范圍也同步增大。當(dāng)前教室的鑰匙主要是串在鑰匙盤上或鑰匙串上，使用者使用時(shí)需要拿走整個(gè)鑰匙盤或鑰匙串，抑或從鑰匙盤或鑰匙串上取下所需的鑰匙，由鑰匙管理員手工記錄使用者、使用時(shí)間、是否歸還等信息。該借用過程看似簡(jiǎn)單，但在執(zhí)行過程中存在諸多問題[1-2]。

（1）鑰匙繁多，查找困難

對(duì)于鑰匙管理員而言，一般需管理諸如公共機(jī)房、階梯教室等，在繁多的鑰匙串中快速準(zhǔn)確地找到需要使用的鑰匙耗時(shí)耗力。即使利用貼標(biāo)簽、做標(biāo)記等方法區(qū)分不同教室的鑰匙，但若不熟悉鑰匙標(biāo)記，仍然難以快速、準(zhǔn)確地找到所需鑰匙[3]。

（2）手工記錄，極易出錯(cuò)

為了使用安全，使用時(shí)需做詳細(xì)的使用登記工作，記錄使用者、使用時(shí)間、是否歸還等信息，歸還時(shí)要逐個(gè)按照記錄進(jìn)行核對(duì)，稍不留神就容易出錯(cuò)，甚至出現(xiàn)漏記或不記的情況。同時(shí)也增加了鑰匙管理員的工作量，降低了鑰匙使用者的使用體驗(yàn)[4]。

（3）追溯困難

在手工記錄的過程中，有可能填寫虛假信息，無法保證信息的真實(shí)性，存在安全隱患。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

為解決上述問題，文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能化教室鑰匙管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用情景識(shí)別技術(shù)中的部分主流技術(shù)：圖像識(shí)別技術(shù)和嵌入式開發(fā)技術(shù)，使用者通過人機(jī)交互界面錄入個(gè)人信息和鑰匙使用信息后，由圖像采集設(shè)備采集、識(shí)別人臉圖像，將拍攝的鑰匙使用者的照片存儲(chǔ)在Micro SD卡中，同時(shí)顯示在LCD 屏上進(jìn)行確認(rèn)，然后控制存放該鑰匙的鑰匙儲(chǔ)物柜柜門打開，使用者拿取對(duì)應(yīng)教室的鑰匙。此外，通過嵌入式文件存儲(chǔ)技術(shù)將鑰匙使用者的個(gè)人信息和鑰匙使用信息等保存到SD 卡中[5-6]。根據(jù)以上分析，具體的功能設(shè)計(jì)如下：

（1）拍照：考慮到系統(tǒng)需要保存鑰匙使用者的人臉信息作為重要的個(gè)人信息，所以需要對(duì)使用者進(jìn)行拍照操作，獲取的使用者人臉圖像也需要在LCD 屏上顯示，并考慮拍照動(dòng)作的觸發(fā)條件。

（2）打開鑰匙開關(guān)：每個(gè)教室的鑰匙都被一個(gè)開關(guān)控制，方便獨(dú)立管理。

（3）存儲(chǔ)使用情況：將使用者的照片、姓名、專業(yè)、所取鑰匙的教室門牌號(hào)、是否已歸還等信息存儲(chǔ)到SD 卡中。

（4）人機(jī)交互：使用者通過人機(jī)交互界面錄入個(gè)人信息等，并選定需要的教室門牌號(hào)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高校教室鑰匙管理系統(tǒng)主要由兩大部分組成：主控端和圖像采集端。主控端通過串口與圖像采集端連接，實(shí)現(xiàn)信息交互。

主控端包括STM32 主控、顯示觸摸屏、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、多路繼電器和鑰匙控制開關(guān)等，鑰匙使用者根據(jù)人機(jī)交互界面提示信息完成相關(guān)操作后，繼電器控制電磁鎖打開，取到鑰匙，然后主控端生成關(guān)于當(dāng)前鑰匙使用者的相關(guān)信息并保存到相應(yīng)存儲(chǔ)設(shè)備中[7]。

圖像采集端主要完成人臉信息的采集及識(shí)別，當(dāng)接收到主控端發(fā)來的觸發(fā)采集信號(hào)后，會(huì)將采集的圖像顯示在圖像顯示屏上，鑰匙使用者根據(jù)顯示屏上的成像來調(diào)整面部位置進(jìn)行人臉識(shí)別。人臉識(shí)別成功后，拍攝當(dāng)前鑰匙使用者的面部信息，將面部信息以照片的形式并按一定的順序保存到圖像存儲(chǔ)設(shè)備中，并向主控端發(fā)送照片的序號(hào)信息[8]。

系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

主控端以STM32F103ZET6 為主控，4.3 寸RGB 電容式LCD 觸摸顯示屏通過16 位8080 并口與主控相連，可獲取觸摸屏輸入的信息，并顯示教室門牌號(hào)等。SD 卡通過SDIO接口與STM32 主控相連，可將鑰匙使用者的個(gè)人信息、鑰匙使用信息、歸還狀態(tài)等存入SD 卡。繼電器通過GPIO 口與MCU 相連，實(shí)現(xiàn)MCU 對(duì)繼電器的控制，以及對(duì)鑰匙開關(guān)部件電磁鎖的控制[9]。

圖像采集端選用OpenMV H7R1 模塊，圖像顯示屏通過I2C 接口與OpenMV 控制芯片相連，整個(gè)模塊通過與主控MCU 的USART3（異步串口通信）交叉相連，實(shí)現(xiàn)與主控端的信息交換。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是功能實(shí)現(xiàn)的核心，其主要分為兩方面的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 圖像采集端軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)圖像采集端接收到單片機(jī)發(fā)來的“取鑰匙”信號(hào)后，開始查找人臉信息，攝像頭將拍攝畫面中的人臉用矩形框標(biāo)示，取鑰匙者可以根據(jù)LCD 顯示屏中的圖像來調(diào)整人臉位置，人臉識(shí)別成功后，攝像頭會(huì)對(duì)取鑰匙者進(jìn)行拍照，并將拍攝的照片按一定的次序保存到圖像采集端的Micro SD 卡中，后將照片保存的序號(hào)通過串口發(fā)送到STM32 主控端。

這里主要進(jìn)行的是人臉檢測(cè)與識(shí)別，利用OpenMV 中豐富的特征庫和算法庫，首先加載人臉檢測(cè)HaarCascadek庫；利用find_features（）方法每10 幀檢測(cè)一次人臉對(duì)象，與HaarCascade 內(nèi)置的人臉模型進(jìn)行比對(duì)識(shí)別。默認(rèn)情況下，HaarCascade 的所有階段都被加載，但可以調(diào)整相應(yīng)的數(shù)量來提升處理速度，但此舉須以準(zhǔn)確性為代價(jià)[10]。

3.2 主控端軟件設(shè)計(jì)

控制端采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-III 設(shè)計(jì)，主要分為觸摸屏界面GUI 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，LCD 輸入法的實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)atFs文件系統(tǒng)存儲(chǔ)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)取鑰匙者進(jìn)行信息采集、保存及生成記錄的功能。

鑰匙使用者可以通過觸摸屏輸入姓名、專業(yè)，選擇教室門牌號(hào)，不同的教室門牌號(hào)控制不同的電磁鎖開關(guān)，最后將使用者的照片、姓名、專業(yè)、所取鑰匙的教室門牌號(hào)、鑰匙是否歸還等信息存儲(chǔ)到SD 卡中。鑰匙使用者錄入界面如圖2 所示。

圖2 鑰匙使用者錄入界面

在觸摸屏界面GUI 的設(shè)計(jì)方面，主要采用STemWin 進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。利用GUIBulider 工具主要完成存取鑰匙界面、專業(yè)選擇界面、信息錄入界面、門牌號(hào)選擇等設(shè)計(jì)。

在LCD 輸入法設(shè)計(jì)方面，首先設(shè)計(jì)好鍵盤的使用規(guī)則，對(duì)35 個(gè)功能按鈕設(shè)置好大小并進(jìn)行合理布局，然后掛載中文字庫，利用文本框點(diǎn)擊消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)漢字的選擇，而后實(shí)現(xiàn)漢字檢索翻頁功能，把檢索到的中文字符串分組，每組9 個(gè)漢字，每一組對(duì)應(yīng)一個(gè)指針并將指針存于pbuffPY[]數(shù)組中，最后自動(dòng)彈出鍵盤，文本框點(diǎn)擊消息用WM_ShowWindow（）函數(shù)顯示鍵盤，并在“Esc”按鍵點(diǎn)擊消息時(shí)用WM_HideWindow（）函數(shù)隱藏鍵盤。

在FatFs 文件系統(tǒng)存儲(chǔ)方面，首先為FatFs 相關(guān)變量申請(qǐng)內(nèi)存，掛載SD 卡與FLASH。接下來使用f_open（）函數(shù)創(chuàng)建并打開高校教室鑰匙存取記錄表，使用sprintf（）函數(shù)將使用時(shí)間、人臉識(shí)別序號(hào)、專業(yè)、姓名、門牌號(hào)、鑰匙歸還情況等信息格式化為字符串輸出到指定的字符串?dāng)?shù)組，作為記錄表的表頭。當(dāng)需要保存過程數(shù)據(jù)時(shí)，使用f_lseek（&fil，f_size（&fil））函數(shù)，移位到有效存儲(chǔ)位置，將新數(shù)據(jù)刷新到文件中，最后關(guān)閉文件，數(shù)據(jù)保存成功，完成一次過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。存取記錄表部分內(nèi)容截圖如圖3 所示。

圖3 存取記錄表（部分）

4 結(jié) 語

本文通過將情景識(shí)別技術(shù)、嵌入式技術(shù)等進(jìn)行綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高校教室鑰匙存取、使用者拍照、使用記錄存儲(chǔ)等功能，很大程度上節(jié)省了人力物力，同時(shí)也簡(jiǎn)化了使用流程，滿足了安全、便捷、智能化的校園生活需求。