基于防疫需求的非接触式智能监控门禁系统

叶海彬 李春林 黄永睿 罗梦良 梁翁浦

摘  要：门禁系统作为一种无人值守的通道管理系统，在人员识别、进出通道及安全管理方面起到重要的作用。面对复杂多变的新冠疫情，进出通道安装非接触式智能门禁系统，能够实现公共场所或特定场所人员出入的自动管理控制，达到降低人员交叉感染的风险和筛查体温异常人员的效果。研究和开发非接触式智能监控门禁系统，是适应疫情防控常态化的需求，通过使用该系统进行智能检测，将大大节约人力成本。本文的系统设计方案是以STM32为中心控制芯片，外加OLED作为显示模块、IC卡识别模块、面部识别模块、红外测温模块和门锁控制模块，此系统具有较强的使用性和实用性。

关键词：智能门禁系统;非接触式;口罩识别

1 研究意义

由于疫情防控的需求，非接触实时监控门禁在专业工作管理区，如关口、公司、实验室等，也可应用在公共场合，如商场超市、校园、公园等有着广泛的应用[1]。本文设计的非接触实时监控门禁设计了红外测温、非接触式RFID识别、面部识别等功能，实现对人员身份的智能识别，并且解决了公共场所下疫情防控必须有专门的人员必须佩戴口罩、测温的问题，无需人员看守;在特殊场所，实现人员身份的识别与核验，可以全自动进行检测工作，并控制进出通道门禁的开启关闭，节约人力成本，减少人员交叉感染的风险。

2 系统方案设计

该系统以STM32单片机为控制中心，通过K210摄像头进行口罩识别，GY906红外模块检测人体体温，RC522无线射频模块进行IC卡识别，SR90舵机控制门禁开启与关闭，0.96寸的OLED屏幕进行数据显示，系统供电电压3.3V。模块之间的通信方式主要为串口通信和IIC通信，K210摄像头跟STM32单片机之间的通信方式为串口通信，RC522无线射频模块与单片机之间的通信方式为SPI通信，GY906红外测温模块和OLED显示模块跟STM32单片机之间的通信方式为IIC通信，SR90舵机受STM32单片机输出的PWM脉冲调制信号控制。系统框图如图1所示：

3 系统论证与选取

3.1 主控制器

STM32F103C8T6的优势在于，封装的引脚少，所以体积小，价格相对与同一家族的其他芯片而言比较低廉，与51等8位单片机相比性能更强大，使用STM32系列芯片，性价比较高，后期也有一定的升级空间，而且可以满足我们的项目需求。如果采用STC12C5A60S2芯片作为总控制器。STC12C5A60S2相较于传统的51单片机而言，拥有更快的速度，前者的速度是后者的8-12倍。而且STC12C5A60S2同时还具有低功耗的特点，但是相较于STM32F103C8T6而言功能及性能比较低，后期升级空间相对而言小了很多。STC12C5A60S2系列单片机目前足以满足此设备所有的数据搜集要求。根据实际情况，此系统采用STM32F103C8T6较为合适。

3.2 识别模块

RC522 RFID配合IC卡或者是复旦卡来使用，能够实现非接触式信息验证，且RC522 RFID使用方便，成本低廉。配合上IC卡或复旦卡的小巧体积，也方便用户携带。MAIX Bit K210模块拥有KPU运算芯片，并且其图形运算能力相对STM32而言更强，而且比openMV的价格更加低廉，配合摄像头非常适合做口罩识别功能。密码锁可以采用多种组合方式，在密码位数多的时候安全性较高。但是密码锁的密码是唯一的，为了安全用户可能会经常更换密码，但常换密码的用户可能会出现忘记新密码的情况，且用户家人可能会因没有及时了解新密码而无法进门;或是把密码告诉亲友后可能会引起密码的泄露;有意之人用特殊手段窥视而获取密码等一系列问题。如有以上问题，这锁将会给用户带来麻烦。根据上述分析情况，采用RC522 RFID和MAIX Bit K210模块比较适合本作品设计与实现。

3.3 体温测量模块

GY906红外测温传感器。该模块非常便宜，易于集成，并且支持带有10K上拉电阻的I2C接口。非接触、可以在图像中选取被测目标、可以远距离测量、灵敏度 高、速度快、测温范围广等。DS18B20是常用的数字温度传感器。该传感器具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点，属于接触性测温元件。研究课题要求非接触性测温，所以采用GY906红外测温传感器比较合适。

综合分析与选择，整个作品以STM32F103C8T6芯片为主，利用GY906红外测温传感器测量人体体温，采用STM32F103C8T6芯片作为控制器内部寄存器及扩展口功能，利用RC522 RFID模块、K210摄像头模块、SG90舵机模块、OLED显示模塊、电源组合，可以实现IC卡、口罩识别解锁的功能。

4 功能分析

4.1 RC522 RFID功能分析

RFID射频模块电路采用Philips MFRC522原装芯片设计读卡电路，使用方法简便，性价比高，模块使用的电压相对与5V来讲较低，为3.3V，使用SPI通信协议与单片机进行通信，占用的IO较少[2]。只要供电稳定，并且通讯正常，就可以保证模块稳定可靠的工作，并保证有一定的读卡距离。

4.2 口罩识别功能分析

口罩识别是通过K210模块内部所存储的人脸口罩佩戴特征信息和正在进行口罩识别的人的脸部特征信息进行比较，如果特征信息重合度大于一定的数值，则口罩识别通过。识别的过程为：首先判断摄像头抓取的像素中是否存在人脸，如果识别到人脸，在此基础上识别是否佩戴口罩，人脸保持在摄像头抓取的范围内想要尝试进行识别，则识别出脸部特征在存储在设备中的模型进行比对，并且确定对比度大小，从而实现口罩识别的功能[3]。

4.3 体温检测功能分析

GY906红外测温传感器测温原理是通过对物体自身红外辐射的测量，能准确地确定其表面温度，红外测温就是利用这一原理测量温度的。涉及到光学系统和信号放大处理等技术。GY906传感器通过汇聚视场内的目标红外辐射能量的大小，通过模数转换和信号处理，将采集到的温度值输出，以IIC通信方式交给STM32主控处理并显示在OLED屏幕上。测温模块是整个系统最重要的部分之一，承担着筛查体温异常人员的重要职责，只有体温正常才能进行口罩识别和IC卡识别，否则体温异常系统会通过蜂鸣器报警，及时通知相关人员，妥善处理和加强防疫措施。10EEEAFC-BE65-487A-91BC-2EEE043309D6

5 系统设计与实现

5.1 主控电路设计

主控制器采用STM32F103C8T6单片机来控制，主要运用单片机的中断、定时器、IO口来实现基本功能。为给单片机提供稳定的输入电压，在主控电路中需要设计稳压电路，使输入电压稳定在3.3V。K210口罩识别模块是通过STM32单片机内部的UART进行通信的，UART通信属于串行通信的一种，采用全双工异步通信，所需通信线少，通信效率可靠，在进行数据交换过程中通信双方必须要求波特率相等。RFID IC卡识别模块使用的是SPI全双工通信方式，这种通信方式操作简单，而且通信效率比较高。STM32单片机拥有很多外设功能，在速度上也是性价比较高的一款控制芯片，在进行测温和显示功能时，采用的是双总线通信方式，所以在主控电路设计中引出了40个引脚提供IIC模块使用。

5.2 K210模块电路的设计

K210模块具有独立性，有独立的图像处理能力，可通过串口将处理结果传输给单片机，缓解单片机CPU压力，使得整个系统运行效率大大提高。此次作品使用的是Maix Bit开发板，这个开发板使用了RISC-V内核的AI芯片K210，该芯片带有独立FPU的双核处理器和独立的64位CPU。实现口罩识别功能，需要在maixHub平台训练口罩识别模型，再下载道模块中。摄像头将采集到的一帧一帧图像传到模块中的图像处理器，然后跟模型中的数据进行对比，对比的相似度通过计算显示在LCD屏幕上。如果相似度大于65%，模块会通过串口向单片机发送检测到佩戴口罩的信息，单片机接收到信息后输出相应的PWM信号控制舵机开启门禁。

5.3 RC522 RFID模块电路的设计

RFID无线射频模块跟单片机通信使用的是SPI全双工通信方式，射频IC卡拥有8kbit的存储容量，内部存储的密码和控制指令是分开的，在向射频卡写入密码时，需要用到读写器，单片机与读写器通过SPI通信控制射频IC卡的读写操作。

5.4 系统流程

此作品应用于公共场所的出入口，这些场合需要对进出人员佩戴口罩进行识别，前提是在测量体温正常情况下。在体温过高的情况下，无论是有无佩戴口罩，蜂鸣器都会发出警报，并且在信息显示器上显示“体温过高”，且无法开启门禁。在正常体温情况下，进入口罩识别判断，识别到没有佩戴口罩，在信息显示器上显示“未佩戴口罩”，门禁不开启;如果识别到已经佩戴口罩，在信息显示器上显示“已佩戴口罩”，则会开启门禁。RFID IC卡识别为整个系统的稳定性和可靠性提供了保障，首先使用IC卡识别可以快速且无接触进出通道，一般给管理工作人员使用，其次在口罩识别功能出现故障时，可采用IC卡识别临时代替，避免进出通道人员密集，影像通道通过效率。

6 结论

利用STM32f103C8T6、K210摄像头模块、RC522 RFID、SG90舵机、OLED显示屏等，实现并完善了一种非接触性智能门禁系统，该系统注重时需、功耗低、且能够顺畅的运行。为了保证系统稳定性和安全性，使用双识别验证模式，可以使用口罩识别，也可以使用RFID IC卡识别，适用于不同的场合和管控需求。

参考文献

[1]张晓明.数字监控和门禁系统的网络应用[J].数字化用户，2017，23（040）：5.

[2]张开宇，高国伟.基于IAP15F2K61S2的门禁控制系统的设计与实现[J].传感器世界，2019，25（09）：19-23.DOI：10.16204/j.cnki.sw.2019.09.003.

[3]杨博涵.浅谈人脸识别技术及其应用[J].科技与创新，2018（16）：158- 159.DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2018.16.158.

作者简介：葉海彬（1997.12），男 ，汉族，广西梧州，百色学院本科在读，研究方向：物联网工程专业。

基金项目：百色学院2021年广西自治区级大学生创新创业训练计划项目：基于防疫需求的非接触式智能监控门禁系统（项目编号：202110609132）10EEEAFC-BE65-487A-91BC-2EEE043309D6