基于情景识别技术的高校教室钥匙管理系统

2023-12-20刘欣欣崔荣梅

物联网技术 2023年12期

邢丹，刘欣欣，崔荣梅

（河北传媒学院信息技术与文化管理学院，河北石家庄 051430）

0 引言

随着高校硬件设施的不断发展，各类教室数量不断增多，教室钥匙使用的频次和范围也同步增大。当前教室的钥匙主要是串在钥匙盘上或钥匙串上，使用者使用时需要拿走整个钥匙盘或钥匙串，抑或从钥匙盘或钥匙串上取下所需的钥匙，由钥匙管理员手工记录使用者、使用时间、是否归还等信息。该借用过程看似简单，但在执行过程中存在诸多问题[1-2]。

（1）钥匙繁多，查找困难

对于钥匙管理员而言，一般需管理诸如公共机房、阶梯教室等，在繁多的钥匙串中快速准确地找到需要使用的钥匙耗时耗力。即使利用贴标签、做标记等方法区分不同教室的钥匙，但若不熟悉钥匙标记，仍然难以快速、准确地找到所需钥匙[3]。

（2）手工记录，极易出错

为了使用安全，使用时需做详细的使用登记工作，记录使用者、使用时间、是否归还等信息，归还时要逐个按照记录进行核对，稍不留神就容易出错，甚至出现漏记或不记的情况。同时也增加了钥匙管理员的工作量，降低了钥匙使用者的使用体验[4]。

（3）追溯困难

在手工记录的过程中，有可能填写虚假信息，无法保证信息的真实性，存在安全隐患。

1 总体设计

1.1 需求分析

为解决上述问题，文中设计并实现了智能化教室钥匙管理系统，该系统主要采用情景识别技术中的部分主流技术：图像识别技术和嵌入式开发技术，使用者通过人机交互界面录入个人信息和钥匙使用信息后，由图像采集设备采集、识别人脸图像，将拍摄的钥匙使用者的照片存储在Micro SD卡中，同时显示在LCD 屏上进行确认，然后控制存放该钥匙的钥匙储物柜柜门打开，使用者拿取对应教室的钥匙。此外，通过嵌入式文件存储技术将钥匙使用者的个人信息和钥匙使用信息等保存到SD 卡中[5-6]。根据以上分析，具体的功能设计如下：

（1）拍照：考虑到系统需要保存钥匙使用者的人脸信息作为重要的个人信息，所以需要对使用者进行拍照操作，获取的使用者人脸图像也需要在LCD 屏上显示，并考虑拍照动作的触发条件。

（2）打开钥匙开关：每个教室的钥匙都被一个开关控制，方便独立管理。

（3）存储使用情况：将使用者的照片、姓名、专业、所取钥匙的教室门牌号、是否已归还等信息存储到SD 卡中。

（4）人机交互：使用者通过人机交互界面录入个人信息等，并选定需要的教室门牌号。

1.2 系统结构

高校教室钥匙管理系统主要由两大部分组成：主控端和图像采集端。主控端通过串口与图像采集端连接，实现信息交互。

主控端包括STM32 主控、显示触摸屏、数据存储设备、多路继电器和钥匙控制开关等，钥匙使用者根据人机交互界面提示信息完成相关操作后，继电器控制电磁锁打开，取到钥匙，然后主控端生成关于当前钥匙使用者的相关信息并保存到相应存储设备中[7]。

图像采集端主要完成人脸信息的采集及识别，当接收到主控端发来的触发采集信号后，会将采集的图像显示在图像显示屏上，钥匙使用者根据显示屏上的成像来调整面部位置进行人脸识别。人脸识别成功后，拍摄当前钥匙使用者的面部信息，将面部信息以照片的形式并按一定的顺序保存到图像存储设备中，并向主控端发送照片的序号信息[8]。

系统框图如图1 所示。

图1 系统框图

2 硬件设计

主控端以STM32F103ZET6 为主控，4.3 寸RGB 电容式LCD 触摸显示屏通过16 位8080 并口与主控相连，可获取触摸屏输入的信息，并显示教室门牌号等。SD 卡通过SDIO接口与STM32 主控相连，可将钥匙使用者的个人信息、钥匙使用信息、归还状态等存入SD 卡。继电器通过GPIO 口与MCU 相连，实现MCU 对继电器的控制，以及对钥匙开关部件电磁锁的控制[9]。

图像采集端选用OpenMV H7R1 模块，图像显示屏通过I2C 接口与OpenMV 控制芯片相连，整个模块通过与主控MCU 的USART3（异步串口通信）交叉相连，实现与主控端的信息交换。

3 软件设计

软件部分是功能实现的核心，其主要分为两方面的软件设计。

3.1 图像采集端软件设计

当图像采集端接收到单片机发来的“取钥匙”信号后，开始查找人脸信息，摄像头将拍摄画面中的人脸用矩形框标示，取钥匙者可以根据LCD 显示屏中的图像来调整人脸位置，人脸识别成功后，摄像头会对取钥匙者进行拍照，并将拍摄的照片按一定的次序保存到图像采集端的Micro SD 卡中，后将照片保存的序号通过串口发送到STM32 主控端。

这里主要进行的是人脸检测与识别，利用OpenMV 中丰富的特征库和算法库，首先加载人脸检测HaarCascadek库；利用find_features（）方法每10 帧检测一次人脸对象，与HaarCascade 内置的人脸模型进行比对识别。默认情况下，HaarCascade 的所有阶段都被加载，但可以调整相应的数量来提升处理速度，但此举须以准确性为代价[10]。

3.2 主控端软件设计

控制端采用嵌入式操作系统μC/OS-III 设计，主要分为触摸屏界面GUI 的设计与实现，LCD 输入法的实现，FatFs文件系统存储功能的设计与实现，最终实现对取钥匙者进行信息采集、保存及生成记录的功能。

钥匙使用者可以通过触摸屏输入姓名、专业，选择教室门牌号，不同的教室门牌号控制不同的电磁锁开关，最后将使用者的照片、姓名、专业、所取钥匙的教室门牌号、钥匙是否归还等信息存储到SD 卡中。钥匙使用者录入界面如图2 所示。

图2 钥匙使用者录入界面

在触摸屏界面GUI 的设计方面，主要采用STemWin 进行界面设计。利用GUIBulider 工具主要完成存取钥匙界面、专业选择界面、信息录入界面、门牌号选择等设计。

在LCD 输入法设计方面，首先设计好键盘的使用规则，对35 个功能按钮设置好大小并进行合理布局，然后挂载中文字库，利用文本框点击消息机制实现汉字的选择，而后实现汉字检索翻页功能，把检索到的中文字符串分组，每组9 个汉字，每一组对应一个指针并将指针存于pbuffPY[]数组中，最后自动弹出键盘，文本框点击消息用WM_ShowWindow（）函数显示键盘，并在“Esc”按键点击消息时用WM_HideWindow（）函数隐藏键盘。

在FatFs 文件系统存储方面，首先为FatFs 相关变量申请内存，挂载SD 卡与FLASH。接下来使用f_open（）函数创建并打开高校教室钥匙存取记录表，使用sprintf（）函数将使用时间、人脸识别序号、专业、姓名、门牌号、钥匙归还情况等信息格式化为字符串输出到指定的字符串数组，作为记录表的表头。当需要保存过程数据时，使用f_lseek（&fil，f_size（&fil））函数，移位到有效存储位置，将新数据刷新到文件中，最后关闭文件，数据保存成功，完成一次过程数据存储。存取记录表部分内容截图如图3 所示。