多门控制及图像实时采集系统的设计

田志宏， 王 莹， 王 杰， 陈 浩， 赵永光

(天津科技大学 电子信息与自动化学院，天津300222)

0 引 言

在数字技术、网络技术飞速发展的今天，门禁技术得到了迅猛的发展。门禁系统早已超越了单纯的门道及钥匙管理，它已经逐渐发展成为一套完整的出入管理系统。它在工作环境安全、人事考勤管理等行政管理工作中发挥着巨大的作用。然而传统门禁系统越来越不能满足现代商业活动的需求，毕竟无论是钥匙、电子磁卡锁还是电子密码锁都有信息被复制的可能，安全系数很低［1］。

生物识别技术和网络技术的发展，使门禁系统得到了飞跃式的进步。市场上开始出现感应卡式门禁系统、指纹门禁系统、面部识别门禁系统，它们在安全性、方便性及易管理性等方面各有所长。其中指纹识别技术因其具有唯一、稳定、不可复制的特点而越来越多地被应用于门禁及考勤系统［2-3］。

数字图像技术的发展同样推动着门禁系统的现代化，越来越多的摄像头、电子眼等图像采集装置开始应用在门禁系统中。图像和视频的实时采集技术应用于门禁系统将使其更为安全、可靠。

1 系统总体设计方案

系统以HT66FU50 单片机［4］作为核心控制器，通过串口连接WEL-406 指纹识别模块，模拟串口连接无线传输模块，外接指示灯、报警器、独立按键，同时手机或上位机可以通过Wi-Fi 无线技术连接到摄像头，完成视频和图像的采集工作，而Wi-Fi 模块和单片机同样通过串口和单片机进行通信，从而实现上位机和手机对门禁系统的控制。

系统总体框架如图1 所示，其中WEL-406 光学指纹识别模块配合单片机可以完成指纹登记、指纹采集、指纹比对(1∶1)和指纹搜索(1∶N)功能［5-9］。上位机或手机通过Wi-Fi［10-11］摄像头以及串口和单片机进行通信，指纹比对结果也通过串口传给HT66FU50 单片机。单片机根据接收到的信息，通过软件编程对外接电路的指示灯进行控制，当有异常发生时，报警器报警，同时单片机通过串口将结果通过GSM［12-13］无线传输模块传送给用户。

图1 系统总体框图

2 硬件设计及电路

硬件电路主要包括单片机最小系统的电路、指纹模块接口电路、指纹模块手指感应输入电压电路、GSM模块接口电路、Wi-Fi 模块接口电路，以及电控锁、蜂鸣器、指纹模块的开关电路。

2.1 控制模块

本系统的控制模块采用台湾盛群公司的HT66FU50 单片机。HT66FU50 是一款具有AD 功能并且支持串口通信的8 位高性能精简指令集Flash 单片机，可以多次烧写，并且具有PWM 功能，能满足本系统的要求。通用异步接受/发送器(UART)与指纹模块进行通信。此外，系统用软件另外模拟一个串口:模拟串口的发送端连接无线模块的接收端，向无线模块发送报警的AT 指令;模拟串口的接收端通过USB 接口连接Wi-Fi 模块的发送端，接收手机或PC 机控制端通过Wi-Fi 发送的指令，用来控制摄像头上、下、左、右四个方向的旋转。

2.2 指纹采集模块

系统采用WEL_406 作为指纹采集模块。其主频为120 MHz，通讯时，为半双工异步通讯，默认波特率为57.6 kb/s，传送的帧格式为10 位，一位0 起始位，8位数据(低位在前)和一位停止位，无校检位。指纹模块具有如下功能:

(1)指纹登记。采集3 次指纹特征，合成指纹模版，登记到指纹库中。

(2)指纹比对与搜索。可以进行指纹比对和指纹搜索。

(3)缓冲区与指纹库。芯片内设有2 个512 bytes大小的特征文件缓冲区，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。指纹库容为512 枚指纹，如有需要可扩展到1 024 枚。

(4)特征与模版。指纹特征文件大小为256 B，包含特征点信息与总体信息;模板大小为256 B，是2个相同指纹特征合成。

WEL-406 与单片机接口电路如图2 所示，其中管脚5 为手指感应输入，要求电压为3.3 V 左右，所以采用红色发光二极管，其压价为2.0 ～2.2 V。

图2 WEL-406 与单片机接口电路

通过串口接收和发送固定的16 进制数据，实现登记、录入和搜索、清空指纹的功能。

2.3 GSM 模块

系统采用MC39i 完成无线报警，其也采用串口通信，而单片机只有一个串口，所以需要用软件模拟一个串口，系统中GSM 模块只需要接收单片机发送的指令，因此只连接模拟串口RX。另外GSM 模块采用RS-232 电平，需用MAX232 芯片进行电平转换，接口电路如图3 所示。

图3 GSM 模块与单片机接口电路

2.4 Wi-Fi 摄像头模块

系统所用的Wi-Fi 模块参数如下:输入电压为5V/1A，采用IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b 无线标准，具有1 个10/100 Mb/s LAN/WAN 复用网络接口、1 个USB2.0 接口(用于连接摄像头)、1 个TTL 串口和内置天线。

Wi-Fi 模块可以通过USB 接口连接摄像头，另外通过串口和单片机进行通信。

3 软件设计

3.1 下位机部分

下位机软件部分包括指纹处理程序、按键扫描和指纹感应程序、无线报警程序，上位机和手机通过Wi-Fi 向单片机模拟串口发送控制命令的程序，PWM 输出控制舵机转向的程序。此外，还有声光报警等外围设备的控制程序。其流程图如图4 和图5 所示。

图4 指纹登记和清空软件流程图

3.2 Android 手机控制端

Android 系统［14］内核是Linux，是一款开源的手机操作系统。Android 系统的开发性、高兼容性的特点使其成为近年来主流的手机操作系统。在本系统中，使用Android 手机作为遥控器对门禁系统中摄像头的方向进行控制，是操作更为简便。

图5 指纹开门软件流程图

首先搭建 Android 应用程序开发环境eclipse［15-16］，利用Java 语言进行手机控制端软件开发。

3.3 PC 机控制端

PC 机的控制端采用C#语言进行编程，由于PC 机的硬盘容量较大，可以保存较大的图片和视频，因此比Android 手机控制端多了拍照和录制视频功能，将图片和视频以时间格式命名，保存在本地文件夹中。

4 结 语

本文介绍了一种基于指纹识别和图像实时监控的多门控制系统的设计。系统主要由指纹处理部分、无线报警部分、摄像头舵机控制部分、Android 手机端控制部分和PC 机端控制部分组成。整个系统采用Wi-Fi 技术、指纹识别技术、图像采集技术、Android 应用开发等控制方法，使得门禁系统更加安全可靠，也更加智能化、人性化。系统特色:

(1)安全可靠性高，指纹具有唯一、稳定性高、便于采集、不易复制、安全性高的特点，GSM 无线通信技术的使用可以使用户及时了解发生的状况，同时添加图像实时监控功能，使得该门禁系统更为安全可靠。

(2)设计更为人性化，指纹和按键的结合使用使操作更为便捷。

(3)多门控制开发不仅仅限于家居应用，也可应用于小区、办公、学校等场所。

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