一种多层级门禁管理系统的研究和设计

高燕 管天宇 张园 顾斌

摘要

为了实现门禁系统的高效管理，满足高安全性和可靠性的需求，实现对重要场所进出人员的数字化管理，本文设计了一种多层级门禁管理系统，系统由语音聊天器和门禁服务器组成，前者用于实现用户的语音指令识别，并通过无线通信技术将数据传输至门禁服务器，以控制门禁锁的开闭。后者提供了与智能终端设备的交互以及对不同权限用户管理的界面。实测表明，该系统融入语音识别技术，结构简单，可操作性强，可以实现对管理员、内部人员和陌生人等多层级人员的门禁权限控制和用户信息管理。

【关键词】语音识别 多层级权限管理 ARM9嵌入式 Linux

随着物联网设备的迅速发展，设备逐渐地智能化和广泛使用，给人们的生活带来便利的同时，使人们对楼宇智能化管理和财产的安全监控提出了更高的要求。作为安防技术领域中的重要组成部分，门禁系统有效解决了对重要场所进出人员的数字化管理。普通的机械钥匙、智能卡等存在着不便于携带、容易丢失和损坏、用户密码易被盗用等隐患，其实时性和安全性无法得到保障。近年来，模式识别技术广泛应用于智能门禁系统，该技术集合了电子、计算机、通信技术、人工智能等诸多学科，为实现安全、高效、易于管理的智能化门禁系统提供了可能性。此外，智能手机和手表等设备的发展和兴起，促使用户需要利用移动设备获得更好的开门体验。

基于语音识别技术的多层级门禁管理系统，具有交互性强、可拓展、易于维护等优势，可以实现对高度机密性场所的安保防护，可实时监控人员的进出情况，查询出入记录，方便的同时也保证了人身安全。鉴于多层级门禁管理系统的技术优势及良好的应用前景，目前已引起了国内外众多学者的关注。原巍春所提出的基于RED的门禁控制系统，将射频识别技术应用于门禁系统。房向荣、杨乐所提出的基于ARM微处理器的门禁管理系统，可提供三种不同权限的门禁卡，满足了实验中心的实际管理需求。赵思蕊等提出的一種移动智能终端门禁系统，可实现数据库中的用户身份认证、注册和开门功能。李明等人提出的基于ARM9与Linux的门禁监控系统，可以通过刷卡出入门禁，在客户端浏览器进行日志访问和人员信息管理。但上述研究不具备智能识别功能。

本文立足于目前门禁系统功能性单一、可靠性低等现状，针对己有门禁系统价格昂贵、结构复杂等问题，研究设计了一种基于ARM9+Linux的多层级门禁管理系统。该系统融入语音识别技术，结构简单，可操作性强。多层级门禁管理系统具备语音识别、多层级权限控制（管理员、内部人员和陌生人三个层级）及数据库管理等功能，这些功能要求系统的硬件具备较高的性能，由此，该项目选用了TQ2440开发板作为系统的控制中心，运行嵌入式Linux系统来管理开发板的软硬件资源，利用无线传输技术将识别结果传输至控制终端，待其进行正确识别和分析后控制门禁的开启，并以图形化界面显示用户信息。

1 系统整体架构

以无线通信技术、嵌入式技术、模式识别技术等多种技术为支撑，多层级门禁管理系统由门禁服务器和语音聊天器构成。其中，供电模块为整个系统的运行提供能源，门禁服务器实现对门禁的控制、与智能终端设备的交互以及对不同层级用户的管理，主要负责接收语音聊天器发送来的语音指令、实现智能手机终端的网页登录、完成对门禁的开关控制、显示用户信息等任务。语音聊天器实现了与用户的信息交互及与门禁服务器的信息传输，包括语音识别模块、51单片机和无线通信模块。系统整体架构如图1所示。

2 主要功能模块介绍

2.1 供电模块

由于门禁系统的各个模块电路对电源电压的需求不同，这就要使用不同的电源电路提供不同的电压，考虑采用蓄电池和降压模块组合供电的方式。本设计中选用12V的蓄电池作为直流电源，直接供给H桥双路直流电机驱动模块使用;使用LM2596S DC-DC可调降压模块将+12V电压转为+5V，用于满足ARM9开发板、语音识别模块和电机驱动模块的供电;由于nRF24L01的供电需求为+3.3V，可利用AMS1117稳压芯片降压得到，保证门禁系统稳定可靠的动力供应。

2.2 ARM微处理器

嵌入式系统硬件平台是门禁系统中的核心环节，对整个系统的性能起决定性作用。本设计中选用天嵌科技公司生产的TQ2440开发板，基于ARM9处理器系列中的ARM920T内核，核心处理器芯片采用三星公司生产的S3C2440，结合外围扩展丰富的模块资源搭建系统的硬件平台，以提供门禁系统的数据存储、信号传输等需求。根据门禁系统的具体功能和实际需要，搭建硬件平台的开发板，即核心板和底板两个部分，核心板具备集成有CPU、SDRAM、Nand Flash等资源的六层结构。底板包括两层接口：各种常用的外设接口如LCD显示接口、USB接口等，以及与PC机通信的接口如串行数据通信接口RS-232，网络接口等。本设计中，选用的S3C2440处理器主频为400MHz，储存器为64MB SDRAM和256MB Nand Flash，这使得它可以支撑起Linux服务器的运行。nRF24L01射频模块通过SPI接口和AT89C52相连，AT89C52再由串口与S3C2440连接，门禁锁控制电路与IO接口相连，摄像头和Wi-Fi模块连接USB接口。

2.3 通信模块

本系统中的通信过程由两个部分组成：一部分是局域网通信，用于智能终端设备访问门禁服务器，本设计中选用MW150UH USB无线网卡作为Wi-Fi模块，实现智能手机与门禁服务器之间的通信;另一部分是短距离无线通信，用于语音聊天器发送指令到门禁服务器，本系统中使用nRF24L01射频模块，将要发送的语音指令送入单片机中，由AT89C52控制nRF24L01无线发射模块将数据信息发送出去，再由nRF24L01无线接收模块接收来自无线发射模块的数据，送给门禁服务器处理后执行相应的门禁控制命令。如图2所示为通信模块与其它模块的连接示意图。

2.4 控制模块

本设计中使用的门禁锁选用MY-03小型自动式电控锁，工作电压为12V，电控门锁的工作原理是利用电平信号的高低来控制门锁的开闭，当电控锁接收到由ARM9开发板发出的低电平信号时，断开电磁铁的通电，电控锁锁舌伸出（门上锁），反之通电时锁舌缩入（门开启），锁舌方向可根据所需方向进行调换。

作为门禁锁的执行单元，门锁控制电路是门禁系统中的重要组成部分。本设计中的门禁锁控制电路采用L298N电机驱动板模块和H桥双路直流电机驱动模块组合方式，H桥双路直流电机驱动模块支持电压7V～24V、PWM调速、正反转控制及欠压保护功能。利用ARM9开发板的GPIO输出3.3V控制5V输出的L298N电机驱动板模块，再用5V来控制12V输出的H桥双路直流电机驱动模块，从而控制12V的电控锁。通过这样两级电压电路控制的方式，成功地实现了门锁的控制问题。如图3所示为门禁锁控制电路组成框图：

2.5 语音识别模块

本文的门禁系统采用WEGASUN-M6语音识别模块实现人机对话的功能，它是一款集语音识别、语音合成、语音（MP3）点播、RF（射频）功能、红外功能于一体的多功能模块。具有简易操作、优越的语音识别和语音合成性能，应用领域十分广泛。该模块可独立运行，能直接与MCU相连。通过设置识别词条、返回值、反馈语文本和MP3语音文件的方式实现人机对话、语音播报、播放音乐和控制智能家居的功能。本设计中，51单片机和WEGASUN-M6模块通过串口进行连接，单片机完成语音指令发送和数据接收的功能。

3 测试及结果分析

本文所设计的多层级门禁系统及其实物测试图如图4所示。门禁系统利用Wi-Fi、点对点无线通信模块、电控锁、摄像头和LCD液晶屏可以实现对出入人员进行管理和监控;利用语音识别模块可实现人机对话。为实现这些功能，首先需对Wi-Fi模块、点对点无线通信模块、电控锁、语音识别模块、摄像头和LCD液晶屏等进行调试，使整个系统中的功能模块正常工作。以下将对图5所示的调试框图中各模块功能加以说明：

（1）电控锁及其控制电路。ARM的GPIO输出电压为3.3V，而电控锁的驱动板所需的控制电压为5V，因此，首先需设计电路并将ARM的GPIO输出电压作為输入电压，再经过电路输出5V的电压，以控制电控锁。

（2）语音识别模块。门禁利用语音识别模块实现人机交流，需要先设置好应答的语音指令并识别后发送到门禁服务器。

（3）点对点无线通信模块。无线通信模块通过串口接收到语音指令，继而将其转换成无线射频信号，由接收端接收并转换为数字信号发送到ARM中处理。

（4）Wi-Fi模块。移植对应Wi-Fi的驱动和应用程序，设置连接到路由器，通过路由器和智能终端设备进行数据交互。

（5）摄像头。通过图像采集设备将采集的光学图像进行处理，经过A/D模数转换电路转为数字图像信号，送到DSP数字信号处理芯片中加工处理，再通过USB接口传输到ARM中储存。

在对系统的软硬件做连通性和功能性测试后，验证了本门禁管理系统的实时性和有效性，该功能可以实现对门禁出入人员的有效管理，实现语音指令识别和网页端门禁控制，支持LCD显示屏显示和网页查看监控两种方式，从而对不同层级人员加以区分。在提高便捷性的同时增强了系统的安全性。测试结果表明，本系统语音识别准确率可达90%以上，对图像和语音信息的响应时间短，网络时延小，抗干扰能力强且性能基本趋于稳定。

4 结语

本文基于物联网技术、无线通信技术等相关技术，设计了一种多层级门禁管理系统。系统具有小型化、低成本、智能化的特点，可以实现对门禁系统的多权限控制，并在LCD显示屏和网页端显示用户信息。既满足了实时性和功能性的要求，同时也消除了用户对人力成本高昂的顾虑。论文的研究对门禁系统设计领域有着重大的促进作用，在降低人力、财力的同时提高了监控和管理效率，对于保护住宅和安保级别高的场所具有重要意义。

参考文献

[1]原巍春.基于RFID技术的门禁系统的研究和设计[D].哈尔滨工业大学，2015.

[2]房向荣，杨乐.实验中心管理信息系统与门禁系统开发[J].西安邮电大学学报，2009，14（05）：121-124.

[3]赵思蕊，吴亚东，杨文超等.ARM-Linux与Wi-Fi的移动智能终端门禁系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2015（06）：30-33.

[4]李明，夏靖波.基于ARM9与Linux的门禁监控系统软件设计[J].电子设计工程，2011，19（03）：163-165.