基于单片机的智能门控系统

戴智鑫

摘要：随着经济和各行各业的快速发展，随着电子行业的发展，如今自动门经常出现在日常生活中，如机场、医院、超市、商务楼等公共场所中，或是作为智能家居进入人们的生活，根据不同的需求，在自动开关门功能的基础上能添加各种其他功能，例如防夹手功能、时钟温度显示、语音提示功能、人脸识别功能等等。智能家居已经逐步进入人们的生活，但是智能家居门控制系统面世的却很少。本论文设计一种基于单片机控制器的智能门系统，该系统安装方便，可以应用于一般居家生活门中。选用IAP15F2K61S2单片机作为主控芯片，通过继电器的开关模拟家居门的开和关;安装超声波的发射接收模块在门正上方用于测量人体距离，利用各种传感器将开关门信号和夹手信号传输给主控芯片。在白天与夜晚自动进入密码锁模式，更加智能安全。该智能系统适用在多种场景，如公司、商场、家居等。

关键词：门控系统;远程遥控;视频监控;防盗报警

引言

伴随着楼宇自动化的发展，门控系统在现代楼宇自动化系统中的应用十分广泛，它提高了住宅区的生活质量和人们生活的安全性。门控系统是在传统的门锁基础上发展而来的，在出入较多的通道中，传统门锁的管理会特别麻烦。为了解决这样的问题，出现了电子密码锁，这种锁的出现从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理效率，使通道管理进入了电子时代。综合市场上的楼宇对讲系统和电子密码锁，本文设计出集合两种功能并且自带防盗报警的多功能门控系统。通过对门禁系统的硬件设计和软件调试，基本实现了一般的高层住宅小区应用的需要，住户通过密码输入能够顺利的进入，住户或外来客人还能通过门号呼叫及对讲的方式进入，如果遇到异常如非法入侵、超时未关门等情况时就启动报警。与市场上在销售的门禁系统相比，价格上有很大的优惠，所以还是有很大的推广前景的。同时，在降低成本的基础上还考虑采用其它的技术对门控系统进行优化和升级，达到智能化的水平。

1门控系统设计的思路

目前市场上已经在销售的门控系统主要有三大类：密码门控系统、刷卡门控系统和生物识别门控系统。随着电子信息技术的高速发展，门控系统的识别更为先进，设计更加合理，控制器与识别仪分体设计，在安全性方面有很大的提高，系统的可靠性、管理和使用的方便性等方面也有很大的进步。本文所设计的门控系统主要是应用于一般的高层住宅小区，而目前市场上已经在销售的门控系统的价格比较高，而一般的高层住宅小区如果使用现有的门控系统，就增加了一定的成本。综合考虑到实际应用的需要，希望设计出一种具备以下功能的门控系统：通过密码输入进入大门、门号呼叫及对讲、异常报警等功能，并且能够大大的降低成本。

2硬件电路设计

2.1超声波测距模块

由于超声波方向性好、易控制、经济耐用、易于编程的特点，故选用超声波测距来测量与路人的距离，代为判断人员的通过。本系统通过超声波发射器从开发板向上方发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在传播途中碰到障碍物就会立即返回来，通过超声波接收器检查是否收到反射波，收到后就立即停止計时，记录计时器的时间t，最后利用声波传播的时间差与传播速度来进行测距计算。超声波作为声波，根据声音在15摄氏度的空气中的传播速度为340m/s，算上来回，便可得出超声波发射器至障碍物的距离L=360t/2。若没有收到反射波或时间t过大，变判定为超出超声波的量程。实现步骤：（1）通过超声波发射模块产生8个40KHz的超声波信号，通过TX引脚发射出去。在平台CT107D中，超声波模块的TX引脚接到单片机的P1.0端口，RX引脚接到单片机的P1.1端口。（2）启动定时器，计算计数脉冲。定时器采用方式0，13位计数器，最大8192个计数单位。（3）等待超声波信号返回，如果没有超声波回来的时候，接收端就是RX=0，就在等待;如果接收到反射回来的信号，RX引脚变为低电平。（4）停止定时器，读取脉冲个数，即获得时间T。（5）根据公式，L=V*T/2m，进行距离的计算。利用超声波进行距离测量，要求精度一般都不高，取20摄氏度时候的声速344M/S进行计算，再进行适当的补偿就可以。所以，其计算公式为：距离L=344M/S*T/2=172M/S*T。设计程序，进行超声波测距，最大测量范围约140cm。

2.2访客行为识别系统

当访客来访时，表现出的行为体现在对门的敲击和按压门铃。利用这些特征设计访客行为识别系统，门铃的引脚与单片机的I/O口通过电路相接，门铃按下时通过按键电路产生低电平信号，单片机采用扫描法读取到低电平，控制蜂鸣器响的同时给用户发送来访信息，告知用户有人来访;采用SW-420振动开关搭建的振动传感器模块，当有人敲门时带动传感器内弹簧震动输出低电平，把敲击门的振动转换成电平的变化。此外，系统还使用了HC-SR501人体红外感应模块来确保振动是由人体活动所引起的，人体感应模块感应角度最大可达100°锥角，识别范围最大7米，能够识别用户门前所有大型生命体的存在，如果在检测范围内有人出现，人体感应模块将会输出低电平信号。当且仅当振动传感器与人体感应模块同时发生电平变化时才向单片机发出请求信号。传感器模拟信号输出与LM393集成运放相连，将模拟输入量放大作为ADC0809芯片的输入。

2.3电源电路

单片机和传感器的工作电压均为5V电压，最常见的电源管理芯片是LM7805。供电系统将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容滤波，再经一只正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端又采用了一个电容，最后得到+5V的直流工作电源，用于给单片机系统及其它外围电路的VCC端供电。同时，该系统还用到了集成运放，其供电的电压为+5V。

2.4按键模块

因1*4的独立键盘的4个按键无法满足密码输入修改与模式切换的需求，本系统的按键选用CT107D开发板自带的4*4矩阵键盘。矩阵键盘有三种扫描方法：行列扫描法，反转法，状态机法。在学习矩阵键盘的前两种扫描方法后，发现其本质都是进行循环查询，会大量占用MCU的时间，效率比较低。而状态机法，它是结合定时器中断的，与其说是“状态机法”倒不如说是“状态机+线反转法”，相比于前两种采用延时函数的方法，大大提高了MCU的效率。因此本系统才用了状态机法进行矩阵键盘的扫描。

2.5电控锁

电控锁的内部结构主要由电磁机构组成。用户只要按下分机上的电锁键就能使电磁线圈通电，从而使电磁机构带动连杆动作来控制大门的打开。当用户输入正确的密码时，单片机AT89C51便输出高电平信号，晶体管饱和导通，继电器吸合，驱动电动小马达运作，电子锁打开;而当输入错误的密码时，单片机输出低电平，晶体管截止，继电器不能吸合，马达不运作。

2.6CPU核心电路

SPCE061A高性能16位单片机的工作电压范围为2.6～5.5V，系统工作频率为0.375～49.152MHz。在片内集成有32位可编程的多功能I/O端口、两个16位定时器/计数器、7通道10位电压模-数转换器（ADC）、自动增益控制功能的麦克风输入方式、双通道10位DAC方式的音频输出功能及看门狗定时器。中断控制器可处理3种FIQ中断和11种IRQ中断，以及一个由指令BREAK控制的软中断。提供丰富的C函数库和语音处理函数库，因此非常适合数字声音和语音识别产品的开发。使得设计电路简单化，大大降低了硬件成本。

2.7特征提取

本系统采用了不同说话人的分散程度与各说话人自身的分散程度之间的对比值作为特征参数的评价方法。其基本思想是：对同一说话人的一段语音提取一组特征参数，相当于把该段语音映射到多维空间上的一个点。同一说话人的不同语音会在特征空间产生不同的点，其分布可用多变量概率密度函数来描述。对同一个说话人的不相同单次的发音，这些点比较集中;而不同说话人的发音分布相距较远，则所选择的这组特征参数就能够有效的描述说话人的个性特征。根据这一原则，对单个参数而言，可以取两种分布参数的方差比（称为F比）作为有效的度量准则。F比反映了不同说话人的分散程度与各说话人自身的分散程度之间的对比关系。某一特征参数的F比越大，说明对于本特征，平均而言前者要大于后者。因此，說话人识别系统中采用F比较大的，这样系统会得到较好的性能。

3系统的软件设计

3.1系统的主程序设计

主程序主要包括系统初始化程序、和对其他子程序的调用。系统的初始化包括定时器、检测信号的I/O引脚、时钟、串口的初始化。初始化完成后，进入while死循环执行系统所需的子函数，同时等待外部中断与串行口中断。根据程序设计，传感器能感知访客到来并通过总线向单片机发出请求，传感器的输出由高电平变为低电平，下降沿从单片机的外部中断引脚输入给单片机，该信号被系统检测到后驱动SIM900A模块向用户发送短信。若传感器信号无变化，则在循环内等待。若用户对系统请求作出回应，单片机则驱动电机做出相应的控制。传感器的I/O采用的是程序传送方式，串行口采用的中断传输方式。

3.2电机控制的软件设计

当系统接收到用户的开门指令，就要控制电机完成开门的动作。开门动作主要分为两大部分，一部分是将门把手下拉，另一部分是将下拉的门把手复位，使用PWM波控制电机的转动，并用2个光电传感器配合完成门的开启。两个光电传感器分别位于门把手移动位置的上限与下限。单片机通过引脚向电机驱动芯片L298N发出PWM波，控制直流电机转动，带动门把手下移，当把手下移至光电传感器1的位置，光电传感器1输出低电平给单片机，此时系统延时等待5S（多次测试得出），给访客充足的开门的时间，随后输出反相的PWM波，控制电机反转，将门把手复位，当把手上移至光电传感器2所处的位置，光电传感器2输出低电平给单片机，随后，单片机停止对电机的控制，电机停转，整个开门动作完成。

3.3视频采集

本文选用的V4L2接口支持两种方式采集视频图像信息：mmap（内存映射方式）和read（直接读取方式）。内存映射方式主要用于采集连续的视频数据，直接读取方式则用于采集静态的图片数据，因此该系统的应用程序使用前者的采集方式进行视频采集，采集视频数据的具体步骤如下（1）通过V4L2接口进行视频采集参数的初始化，其中包括设置采集窗口大小、采集点阵大小和采集帧率等;（2）申请帧缓冲区存放视频数据，以解决采集连续帧数据的问题;（3）将上一步申请到的帧缓冲区输入队列排队;（4）视频采集开始;（5）驱动程序采集数据输出到视频采集输出队列中，应用程序取出输出列队中的缓冲区进行处理，然后再把缓存区放入视频采集输入队列中;（6）视频采集结束，释放帧缓冲区。

4系统整体框架

本系统设计以S3C6410微处理器为核心的开发板和操作系统作为互联网智能门控系统服务器端的硬件、软件平台，以基于安卓系统的移动智能设备作为远程控制和远程视频监控的移动客户端。控制视频监控的主要过程是通过摄像头采集视频数据，并传输给S3C6410的硬件编码模块进行编码和封包，最后通过无线网络模块传输给移动客户端解压播放。远程控制实现的主要流程：服务器端捕捉到到访者按压门铃的信号，并向移动端发送信息，提醒户主有客人到访，户主可通过远程视频监控系统查看到访者并选择是否远程解锁。

5系统测试

此系统使用Proteus软件绘制电路原理，用KeiluVision4软件通过C语言进行相关程序的编程，再使用stc-isp烧录软件进行烧录测试，从而确定系统的各项功能。开始系统的实现：摁下电源键，开机默认时间为23：59：50，为模式二夜间模式，当前系统为密码门状态。按下输入密码界面功能键，他会提示让你输入密码（初始密码为123456）。输入正确密码后，再按下确定键，继电器打开（门开启），5秒后超声波检测是否还有人（测距），检测没人则关闭继电器（门关闭）。若密码连续输入错误三次则会开启蜂鸣器报警系统。按下时钟设置功能键，我们将时间改置为7：00，系统进入模式一白天模式，门禁系统开始自动门模式，一但感应到有人员靠近，继电器将自动打开（门开启）。系统测试时通过在超声波测距模块前放置遮挡物来模拟人员靠近。

62MFC编码

S3C6410的硬件编码的第一步需要设置好关于MFC的初始化参数传递到内核的驱动程序中，使得驱动程序能够根据我们提供的这些参数对设备进行相应的初始化工作。初始化及编码的具体步骤如下：（1）打开设备节点;（2）进行内存到应用的内存映射;（3）提供相对应的参数去初始化关于MFC设备的机构体;（4）给MFC跟深层次的结构体传输_MFCLIB_H264_ENC参数;（5）通过ioctl函数把这些参数传入到内核当中;（6）得到输入图像的地址buffer;（7）进行编码（首次编码需要传入配置参数）;（8）得到输出的图片数据和相关图片信息。2.2.3RTP数据封装。RTP全名为实时传输协议，主要对多媒体数据提供实时的传输服务，而RTP数据封装就是为了满足RTP协议的功能需求。根据本系统使用的H.264编码及传输要求，这里采用了RTP數据封装的单包封装，故只需要将原始的NALU单元的起始码前缀替换成RTP起始码和RTP头部即可。

结语

新型门控系统，采用智能化、模块化的设计，实现了远程控制和实时监测功能。本系统利用单片机作为主控制器，使整个控制系统更加简洁。同时通过手机短信控制系统的运行，当遇到异常情况时就向用户发送报警短信，提高系统的安全性，由于短信控制的操作简单，适合各年龄段人群使用，所以实用性、灵活性更强。此外本研究加入的视频传输功能，使用户可以实时看到家里的情况，安全性、有效性得到了进一步的提升。本设计汇聚当下炙手可热的安全、智能等话题，不仅符合大众对智能生活的追求，其人性化的设计，网络化的服务更为人们提供了不一样的生活品质，同时也为智能家居的发展做出了一定的贡献，具有一定的市场价值与实用价值。本次研究设计了一种基于单片机门禁系统，主要设计流程如下。设计了门禁系统的显示模块，可通过时钟设置与温度检测，经数码管显示;设计了门禁系统的自动门系统。可通过超声波测距，具有感应人员靠近，具有自动开关门，防夹手的功能;设计了门禁系统的密码门系统。可通过矩阵键盘输入正确的密码来开启门禁，其具有修改密码，断电记忆，错误报警功能等。对系统进行调试检测后，确认此次设计的门禁系统符合设计要求。

参考文献

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【基金项目】广西职业教育专业发展研究基地——电气技术应用专业群发展研究基地（桂教职成2018  37号）