智能门控安防系统

发布时间：2020-06-17

　　摘 要 本文介绍了一款基于STM32F429IGT6单片机，融合物联网技术和人工智能技术，集成指纹模块、摄像头模块、GSM模块、Wi-Fi模块、非接触射频模块、键盘等模块的智能门控安防系统的设计。此系统主要解决被盗时无法及时向用户报警等安全隐患问题及实现多方式安全开门，具有摄像头抓拍、时效动态验证码开门、智能向用户电话报警、语音报警、人脸识别解锁、人脸数据对比、APP远程控制等功能。

　　关键词 物联网; 人工智能; 门控安防; 报警; 远程控制

　　0 引言

　　相关数据表明，近几年来，入室盗窃犯罪案件急剧增多。入室盗窃案发率高，给国家、集体和公民的财产带来了重大损失，扰乱了公民正常的生活、生产秩序，威胁到了人民群众的财产安全。但目前家庭住宅的传统门控安防存在诸多不足之处：家庭住宅的大门一般安置有内锁，夜间晚归人员通常会让家人起床开内置门锁。这样的开门方式显得繁琐、不安全且容易影响家人作息。而安装有门禁卡模式的门控系统却大部分缺乏有效的安全防御，比如：面对陌生人员或是不良分子入侵时不能作出识别、预警以及及时反馈。这与广大住户追求的安全住宿环境存在矛盾。

　　相关期刊推荐：《安防科技》(月刊)创刊于2001年，是经国家科技部和国家新闻出版署批准，由陕西省贸促会主管的一本国家级综合性安全科技期刊。办刊内容在坚持关注视频监控、入侵/防火探测报警、门禁控制等安全防范技术发展与应用的同时，更从大安全的角度出发，将刊物内容扩展至对工业设施和作业场所的电气防护、防雷、防静电、防火防爆、危险气体探测、监控报警与联锁保护技术和对工作场所人员的个体防护、职业危害防护技术，以及为落实本质安全而进行的各种安全检测和评价技术等内容的关注，致力于为各类建设项目的危险和危害因素的识别、评价、防范与风险管理提供全方位的借鉴和参考。

　　针对上述不足之处，本文的智能门控安防系统实现了APP远程开门、时效动态验证码开门、人脸识别、智能抓拍不良分子、向用户报警、及时震慑不法分子、多方式开门防钥匙丢失无法进入住宅等人性化、智能化功能。

　　本系统通过指纹模块、射频卡模块、键盘模块实现开锁，用户可自行选择指纹、密码、射频IC卡等任意一种开锁方式通过第一层验证[1]，之后进行人脸识别即可打开门控系统进入住宅，告别了传统钥匙开锁方式的繁琐。如有来访者而用户不在家，用户可使用手机获得动态时效验证码并告知来访者通过键盘开锁，或者当来访者到达住宅门口，用户可通过APP一键开锁。本系统的各个模块互不影响，开锁方式多样且方便、可靠性好、安全性高。采用人性化的设计，不仅能防止陌生人开锁并能及时报警，且APP远程一键开锁能给用户带来极大的方便，可以避免来访者已到达用户住宅门口时的无聊等待。

　　1 系统的整体设计

　　智能门控安防系统的整体结构如图1所示，采用STM32F429IGT6单片机作为主控芯片，融合物联网技术和人工智能技术，使用指纹模块、摄像头模块、GSM模块、Wi-Fi模块、射频卡模块、键盘模块等实现智能向用户电话报警、摄像头抓拍不法分子、时效动态验证码开门、人脸识别解锁、人脸数据对比、APP远程控制等功能。

　　本系统硬件设计思路如图2所示，以STM32F429IGT6微处理器作为智能门控安防系统的控制核心，通过协调ATK-OV5640摄像头、GSM模块、非接触式射频模块、指纹模块等工作共同构成系统的硬件结构。

　　2.1 硬件功能模块

　　STM32F429IGT6单片机：STM32F429IGT6单片机的内核采用Cortex-M4，总线大多采用矩阵结构，最高工作频率180MHz，单周期乘法和硬件除法，能达到1M的FLASH，SRAM存储器存储字节多种，内部集成多个定时器、多路模数与数模转换和串口等。具有大空间的片上存储、多种的外设资源、工作功率损耗小等优点。选择STM32F429IGT6单片机基本满足本设计的参数要求[2]。

　　图像上传：信息验证不断失败，标记为异常次数不断累加。当累计的异常次数高于一定阈值时，由STM32F429芯片操控ATK-OV5640摄像头进行图像抓拍，之后在系统空闲时再通过Wi-Fi发送图像至Web服务器，用户可使用APP从Web服务器中提取上传的图像，并进行显示查看[3]。

　　摄像头(ATK-OV5640)：ATK-OV5640是一款采用SCCB接口且能与IIC总线兼用、像素为500W的高清摄像头，可通过设置寄存器的字节来控制摄像头，如图片格式、图片字节大小和对焦时间，可实现拍摄图片、逐行视频等功能。自动对焦可令摄像头拍摄的图片的清晰度提高[4]。

　　2.2 信息验证

　　信息验证是通过键盘、射频IC卡模块和指纹模块采集开门者的生理特征，并将采集的信息与系统内部预先录入的数据进行比对，如比对一致则进行人脸识别，否则记为一次异常行为，异常行为次数超过一定阈值将会触发警报[5]。

　　远程控制系统：当有认识的人来访，而人脸数据库中尚未录入其人脸数据，此时用户不在家，但是用户想让来访者进入住宅，用户可通过APP远程控制系统状态。

　　第一种情况：当来访者还在路上时，用户可以通过手机APP生成一个具有时效性、使用次数为1次的密码，并将临时验证密码告知来访者，来访者通过键盘输入此密码即可进入住宅。

　　第二种情况：当来访者已到达住宅门口时，用户可通过APP远程开门。

　　电话报警：系统在验证开门人的信息过程中累计的异常次数超过一定阈值时，会由STM32F429芯片控制GSM模块主动拨打预留在系统的用户手机号码[6][7][8]。

　　3 系统软件设计

　　当系统开始工作时，首先对系统所用的外设和模块进行初始化。完成系统初始化后，进入工作模式，通过协调各模块的功能实现系统的既定功能。每次进行信息验证后，要对使用者进行人脸识别。当信息验证不通过或人脸识别不通过时，系统会通过GSM模块拨打预留的联系电话进行报警，并抓拍人脸图像传输到用户APP。如果是临时使用，还可以通过现场的GSM模块拨打电话，与用户进行联系并告知缘由。用户可以通过手机APP实现远程开锁，或者随机生成一个6字符的动态密码并设置动态密码的有效时长。

　　3.1 信息验证程序设计

　　信息验证程序主要由三部分组成，分别是密码输入、IC卡检测、指纹检测，如图3所示。

　　(1)系统会扫描键盘按下的键值，当输入的密码中包含有连续的正确密码时，则正常进行人脸识别;如果输入错误达到5次，则系统会将此次异常操作告知用户。

　　(2)IC卡检测采用的是权限管理模式，正常使用时系统判断是否有具备权限的使用者刷卡，如果有则正常进行人脸识别;如果刷卡错误达到5次，则系统会将此次异常操作告知用户。当需要更新数据库中IC卡的ID时，可以通过管理员卡将普通卡录入系统的数据库中并作为普通用户使用。

　　(3)指纹输入采用权限管理模式，正常使用时如果使用者指纹正确，则进行人脸识别;如果错误次数达到5次，则系统会将此次异常操作告知用户。另外，系统允许录入新用户的指纹。

　　3.2 摄像头及Wi-Fi程序设计

　　系统实时监测信息验证，当有人通过信息验证之后立即打开摄像头，摄像头开始自动对焦抓拍使用者的面部信息，并与数据库中的人脸信息进行匹配。同时，将采集到的图片信息处理后存进系统缓冲区，关闭摄像头。在系统空闲时将缓冲区信息通过Wi-Fi模块发送给服务器，以供用户随时通过APP进行查看[9]。

　　3.3 通话程序及远程控制程序设计

　　当来访者需要通过门控系统，而又没有权限时，可以直接与用户进行通话。在系统上有一个拨号键，按下时可直接拨打号码至用户手机进行通话[8][10]。如果用户同意其进入，可使用手机APP随机地生成一个动态码，同时设置动态码的有效时长和默许通过人脸识别。当有多个来访者需要通过门控系统时，用户可以生成多个动态码并分别设置不同的有效时长。

　　3.4 人脸识别

　　当摄像头采集到进行信息验证的用户的面部信息时，会将采集到的信息与数据库中人脸数据进行比对，若比对失败并超过一定次数，则会通过系统的GSM模块通知屋主。若屋主已采用了远程控制模式，则不将采集的面部信息与数据库进行比对。

　　系统采用的是建立在LBPH基础之上的人脸识别算法。首先以每个像素为中心，判断与周围像素灰度值大小关系，对其进行二进制编码，从而获得整幅图像的LBP编码图像;再将LBP图像划分为x*y块区域，获取每个区域的LBP编码直方图，继而得到整幅图像的LBP编码直方图[11]。比较不同人脸图像的LBP编码直方图即可实现人脸识别的功能。

　　4 实验结果

　　采用上述设计制作成品后，经过多次实验表明，智能门控安防系统的指纹开锁功能、射频卡开锁功能、键盘输入密码开锁功能均能正常工作。摄像头抓拍成功率约为95%，GSM报警功能成功率100%，人脸识别开门成功率约98%，APP控制开门成功率100%，时效验证码成功率100%。由于MCU的处理能力对于人脸识别还不是特别够，所以系统存在延迟情况。

　　5 结束语

　　实验表明智能门控安防系统满足设计的需求，基本上实现了既定功能目标，可为家庭的门控安防带来较好保障的同时也提供了较大的扩展空间，与传统门控系统相比，其开门方式多样化、安全性更高、更加人性化与智能化，具有更好的市场前景。——论文作者：张强志 房楚杰 杨永华 张智创 饶皆昌