新型门控系统的设计

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(哈尔滨理工大学 荣成学院，山东 荣成 264300)

0 引言

随着全球信息化进程的飞速发展，人类社会正逐步蜕变为以智力资源为首要依托的智能型社会[1]。人们生活水平的提高，生活品质的追求更是推动了科学技术的迅速发展，各种类型的智能产品应运而生。门控系统作为方便人类生活的环节之一，也开始踏上多样化、智能化的道路，其运用以计算机技术为核心，包括通讯技术、电子技术在内的信息技术与现代建筑技术相结合，为人们多方位提供自动化应用功能的服务。

为满足人们对产品的需求，市场上出现了一些遥控开门的装置[1]，但遥控信号传输不稳定，且无法实现实时监测，给用户的实际使用带来了诸多不便。此研究系统利用Openwrt可以挂载摄像头这一功能，不仅能够做到实时监测，实现了居家防盗的目的，而且还具有短信通知与控制功能[1]，不仅实现了程控开门，同时可及时回馈当前状态。与市面上同类产品相比，降低了使用难度，方便用户的使用，节省了用户的时间成本，具有一定的现实价值。

1 系统的总体设计

系统以STC公司的12系列单片机作为主控制器。此系统主要由访客识别系统、图像传输系统、防盗报警系统以及电机驱动系统四大部分组成：访客识别系统由振动传感器、人体感应模块、按键电路构成；图像传输模块由HG255D路由器、USB摄像头组成；防盗报警系统独立于主进程，作为系统的第二模式，由ESP8288作为控制核心，外设连接振动与红外传感器。在主进程运行时，访客控制系统识别到访客请求便向单片机发送信号同时驱动蜂鸣器，然后单片机控制SIM900A模块向用户发送通知短信。用户接收短信后打开用花生壳设置好的网页可以对门外情况进行实时查看，之后可以以短信的形式向单片机回送开门指令，接收指令后单片机通过驱动板驱动直流电机转动，为访客开门。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构框图

图像传输系统采用HG255D路由器刷取其固件，固件里至少要包括两个与摄像头相关内核kmod-video-core,kmod-video-u-vc，以及mjpeg-streamer软件，应用Linux的开源版本的特性，实现图像的远程传输。此研究中搭载了实现视频传输的mjpeg-streamer软件，用于将mjpeg格式的文件变成流媒体输出，由于其自带web网页且支持用户密码登陆，所以用户可以用浏览器来查看摄像头的图像，安全性也较高。为了实现外网访问摄像头，可以使用花生壳进行内网穿透。此外在摄像头的选择上，采用了微软的HD3000 720P高清摄像头，因为其免驱并支持MJPEG，去除了HD5000里作用不大的自动对焦功能，同时价格比HD5000更加亲民。

2 系统的硬件设计

门禁系统以STC12单片机的最小系统为主体，HG255D路由器与最小系统并行工作。在单片机的I/O接口连接独立按键、蜂鸣器、SW-420传感器、人体感应模块、直流电机驱动板。单片机最小系统由单片机芯片，时钟电路、复位电路[2]和电源构成。

2.1 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。如图2所示。

图2 访客识别系统电路图

2.2 主控系统

系统的主控电路以单片机最小系统为核心，采用软件上电复位。STC12c5a60s2单片机内部含有两个串口，可同时向手机发送信息和在PC端进行调试，抗干扰性强，成本较低，比传统的51系列单片机速度快8-12倍，可以满足软实时性下的系统设计。如图3所示，单片机共40个I/O引脚，选择P3口推挽输出，P2口作电机驱动信号输出，P0口连接传感器和蜂鸣器，各引脚之间相互独立。220 V市电经过电源适配器输入单片机，7805具有稳压和过流保护的作用。外部晶振11.0592 MHz，用于为单片机提供时钟信号。系统主体电路如图3所示。

图3 系统主体电路图

2.3 电机驱动电路

为了满足电机的功率需求，设计了L298N驱动电路。L298N芯片可以用来驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；也可以直接用单片机的IO口提供信号[3]。单片机的P2.6-P2.7引脚控制电机的转动及方向，直接与驱动芯片的INA、INB连接，当收到开门信号单片机通过这两个引脚向INA、INB发送一个PWM波，控制电机转动。降压模块将经过适配器的24 V电压降至9 V，通过IN+和IN-引脚输入驱动提供工作电压[4]。电机驱动电路如图4所示。

图4 电机驱动电路图

3 系统的软件设计

系统的开发平台是Keil公司的μvision，采用C语言编程，是面向过程的语言，具有可读性强的特点。主要针对单片机STC12C5A60S2进行设计，包含主程序、访客识别程序以及电机控制子程序。

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[5]。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。程序流程如图5所示。

图5 系统软件流程图

3.2 访客识别的软件设计

由于传感器采用电平触发方式[6]，访客行为会在短时间内向单片机发出多次信号，单片机向用户连续多次发出来访通知。这种情形既占用了单片机线程资源又给用户带来了困扰，针对这一问题，添加了一个标志位cmdd，设计出了访客行为识别算法，算法框图如图6所示。

图6 访客行为识别流程图

系统上电之后，在主程序里对访客识别所需的软硬件进行初始化，将软件里的标志位cmdd初始化为0。初始化完毕后，程序设定对与传感器相连的I/O口进行轮询，只有在两个传感器都向单片机发出高电平信号，单片机才控制sim900A模块向用户发送信息，并将cmdd置1，否则就将一直对I/O进行检测。当用户收到短信并给系统以开门的指令系统将设定的标志位cmdd置0，否则就保持标志位不变[7]。这样，即便访客连续多次触发传感器与按键，系统也只在短时间内向用户通知一次，避免了一次来访行为向用户发送多次短信。

3.3 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[8]，并用2个光电传感器配合完成门的开启。电机控制相关程序的流程如图7所示。

图7 电机控制流程图

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P2.6和P2.7引脚向电机驱动芯片L298N发出PWM波[9]，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。

4 实验结果与分析

系统的实用性是首要的，为了定量衡量系统的实用性[10]，进行对照实验，比较完成一次开门动作系统所需时间与人工所需时间。实验组对象是新型开门系统，对照组是大学校园里5名年龄在20～22岁的志愿者，其中，男性志愿者3名，女性志愿者两名。实验组对系统进行100次整机测试，采集了如下几类信息：1)识别访客时间(从访客敲门至系统检测到有人来访所需时间)；2)短信发送到用户手机的时间；3)开门信息发出到达用系统开门的时间差。考虑到实验组在测试过程中外界环境的影响与信道中噪声的干扰，对采集到的数据用三次立方法进行去噪，然后采用KS检验筛选出满足一致性检验的数据，将满足假设检验的数据进行算术平均作为系统稳定性的指标。稳定性相关数据如表1所示。

表1 整机测试相关参数 s

对照组模拟正常情况下访客来访时屋里的人员从离开当前所在位置到在门前确定完门外情况给访客开门的整套动作。我们选用的实验场地是面积约为25平方米的正方形，测试者与门连线恰为场地的对角线。每个测试者进行5次测试，用秒表分别测量测试者从接收到来访信号到启动的时间(称之为反应时间)、从起始位置到达门前的时间(称之为运动时间)以及确认门外情况所用时间(称之为确认时间)。测试结果如表2所示。

对测试得到数据进行分析，可以直观的看到，开门系统完成一次操作所需时间平均为11.42 s,远低于测试者亲自完成为访客开门所用时间(25.5 s)。虽然实验选取的测试者年龄没有明显的分层，场地大小固定，但是，由于青年人的运动速度明显快于其他年龄段的人，故实验可以证明系统有较高的实际效用，确实能够大大节省用户的时间成本。

表2 志愿者测试相关参数 s

5 结束语

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。