可远程控制的人脸识别智能宿舍门锁的设计

2020-12-07南京工程学院信息与通信工程学院刘廷泰王斌唐蕾刘攀锋金择真

河北农机 2020年11期

南京工程学院信息与通信工程学院刘廷泰王斌唐蕾刘攀锋金择真

引言

如今，在学校宿舍中，很容易出现学生忘带钥匙的情况，在此情况下，如果宿舍没有人，需要找宿管才可开门，不是很方便。同时，学生间相互串宿舍也是很常见的现象，但是如果宿舍里的人都离门比较远，且在手头都有事情做的情况下，跑去门边开门不仅会浪费时间，还有可能会打断当前所在进行的工作。伴随着时代技术的发展，人脸识别技术的进一步成熟，针对以上的问题，设计出一种可远程控制的人脸识别门锁。通过人脸识别开启门锁，非接触式、基于生物识别的解锁方式无须携带钥匙，可以使生活更方便、快捷；同时，在宿舍内不移动的情况下通过开关远程控制门锁开启，可以免去生活中的一些烦琐，在带来便捷性的时候能够提高生活质量[1]。

1 系统总体设计

本门锁由三个主要控制模块组成，分别是低电压控制设备、高电压受控设备和上机位控制端。其中，低电压控制设备模块包括树莓派摄像头和树莓派4B 组成；高电压受控设备由电磁锁组成；上机位控制端模块由控制按键、STC89C52 单片机和LCD1602 显示屏组成。其中由低电压控制设备和高电压受控设备组合成门锁的本体，通过继电器来连接；低电压控制设备与上机位控制端以ZigBee 串口通信模块连接[2]。

图1 总体设计图

在该设计中，人脸识别用于从室外开启门锁，宿舍舍员可以通过刷脸的方式打开门锁，同时可在室内上机位的LCD1602 显示器上读出开启门锁的人员信息；当有别的宿舍人需要进门的时候，宿舍里面的人员可以通过室内上机位的控制按键来开启门锁[3]。此设计方案可以很好地解决“开门”问题，宿舍内的人员开门不再需要钥匙了，可以使生活更方便；当有别的宿舍的需要进入，也不需要室内的人跑到门边开门了。

2 门锁的设计

门锁本体由低电压控制设备和高电压受控设备组成。门锁主要由摄像头、树莓派4B 开发板、继电器、电磁锁、ZigBee 串口通信模块及两个电源（一个为DC5V3A，另一个为DC24V）构成。其电路连接图如下：

图2 门锁电路连接图

摄像头和树莓派4B 开发板间通过树莓派CIS 视频接口连接；继电器的IN 端与树莓派开发板的GPIO17 口连接；继电器的COM端连接DC24V 电源的正极，NO 端连接电磁锁的正极；Zig-Bee 串口通信模块通过UART 接口与树莓派开发板连接；电磁锁的负极与DC24V 电源的负极相连。

本设计中的门锁需要预先通过摄像头采集宿舍人员的脸部图像，并将图像传送给微处理器分析、提取数据，并保存在数据库中；当宿舍人员需要开门时，摄像头会自动采集人员脸部图片，在提取、分析数据后，与数据库中数据进行对比，当数据置信度达到阈值75%时，身份验证成功，此时树莓派4B 的GPIO17口会给继电器一个高电平触发信号，继电器收到信号后，会连接COM端和NO 端，让电磁锁通路，从而使电磁锁舌被磁力吸引，门锁开启，成功开门，同时，当人脸数据与数据库对比后，树莓派会把开启门锁的人员姓名及时间通过ZigBee 串口通信模块发送到上机位；两秒后，树莓派向继电器发送的信号会恢复成低电平信号，继电器收到信号后，会断开COM端和NO 端的连接，电磁锁被断路，电磁锁舌在失去电磁力吸引的情况下弹出，门锁再次锁上。

3 室内控制器的设计

为了方便在室内控制开启门锁，我们还设计了门锁对应的上机位——室内控制器。该控制器由STC89C52 单片机、控制按键、LCD1602 显示屏、ZigBee 串口通信模块和DC5V 电源组成。

图3 上机位电路连接图

当有宿舍的人通过刷脸开门时，室内控制器会通过ZigBee串口通信模块接收从门锁发送过来的人员信息和开锁时间，并在LCD1602 显示器上显示出来；当有其他宿舍的人串门时，室内人员可按下室内控制器上的控制按键，此时单片机通过ZigBee串口通信模块向树莓派发送开锁信号，从而开门。

4 软件设计

系统软件分为树莓派上的人脸识别门锁程序和上机位室内控制器单片机程序两部分。人脸识别门锁程序由Python 编写，需要配置OpenCV 环境；单片机程序由C 语言编写。

当系统启动，门锁会自动检测控制器是否发送开锁的信号。如果有开锁信号，就会直接打开门锁，同时室内控制器的显示屏上会显示开锁成功。如果没有开锁信号，门锁会自动检测是否有用户，当用户出现，会通过人脸检测采集人脸图像并进行特征提取，然后将特征数据与数据库中数据进行特征对比，由此判断身份，如果身份验证成功，门锁会打开，并且人员信息会发送给室内控制端，并在显示器上显示出来；如果身份验证失败，则无法打开门锁。