基于STM32 的智能门控安防系统设计

张强志，房楚杰，杨永华，张智创，饶皆昌

（嘉应学院 物理与电子工程学院，广东 梅州 514015）

0 引言

入室盗窃类案件给人民的人身财产安全带来极大的损失，扰乱受害者正常的生产、生活秩序，严重威胁到广大人民群众的人身财产安全[1].因此，门控安防作为最广大人民群众所采用的预防入室盗窃的安全措施，对于保护其人身财产安全显得至关重要.然而，传统的机械锁开锁慢，出门时可能忘带钥匙，钥匙可能丢失被盗用，开锁时钥匙可能断掉，不方便不安全.因此，随着电子技术的发展和普及，为了解决传统门控安防存在的种种痛点，出现了众多电子门控安防系统，使得门控安防变得越来越自动化、智能化，更加方便安全.

王乐乐等为应对新冠疫情，设计了一种零接触智能密码锁，以单片机为核心控制器，通过红外遥控技术实现零接触远程密码开锁，降低二次传染的风险.[2]杨朋飞等针对传统门禁系统价格高、安全性低，设计了一种基于STC89C52 单片机的指纹密码锁系统，采用FPM10A 光学指纹识别模块完成指纹录入、识别和清除等操作，并辅以液晶显示、按键输入、开锁控制和指示提醒等模块.[3]叶晨设计了一款基于51 单片机的RFID 门禁系统，该系统可读写标准非接触式射频卡，已注册射频卡可以方便、快速、安全地开启门禁.[4]赵若禺等为提高门禁管理系统的效率和智能化程度，利用人脸识别技术，开发了一种基于人脸识别的智能门禁管理系统，该系统包含上位机和下位机两大部分，具有人脸识别、数据存储与管理、门锁开关控制和休眠等功能.[5]

然而，不管是按键密码、射频卡、人脸识别等开锁方式，各自均存在一些痛点，如停电、忘记密码、忘带射频卡、忘带手机、有来客需要远程开锁等.另外，市面上绝大部分电子门控系统均只有声光报警来简单震慑擅闯人员，而无法即时向用户反馈被闯信息，更无法提供擅闯人员的任何相关信息.因此，本文尝试集各种开锁方式于一体，来互相弥补各自的痛点，并添加抓拍功能和电话报警功能，设计一款基 于STM32 的智能门控安防系统，以同时满足更多用户的门控安防需求.

本文的系统可通过指纹模块、射频卡模块、键盘模块、人脸识别、APP 等实现开锁；当有来客而主人不在家时，可通过手机端APP 生成并发送时效动态验证码，客人可用验证码键盘开锁，或者当客人已来到家门口时，可通过APP 远程一键开锁；当有陌生人尝试开锁并触发警报时，不仅有声光报警，系统还会抓拍陌生人头像并向主人拨打电话即时告警.系统不仅人性化、自动化、智能化，还充分考虑安全性、可扩展性，可满足更多用户的需求，具有更好的市场前景.

1 系统的整体设计

1.1 功能目标

可设置多个密码、指纹、人脸、射频卡，并可添加、删除；APP 远程开门，展示状态信息，远程添加、删除密码，生成并发送验证码给指定手机号码；液晶显示器展示状态信息和提示信息；多次错误触发报警，包括声光报警、抓拍头像、电话告警等；密码、指纹、人脸、射频卡等信息掉电不丢失，验证码设置时效并且掉电丢失.

1.2 整体设计与硬件选型

根据功能需求，智能门控安防系统的整体设计包括电源模块、单片机最小系统、显示模块、键盘模块、指纹模块、射频模块、摄像头模块、GSM 模块、Wi-Fi 模块、报警模块、电子锁模块、电子锁状态监测模块等.

电源模块：12 V 电源适配器（在产品落地时可附带3 节18 650 电池串联供电以防电网停电）通过AMS 1117-5、AMS 1117-3.3 和L 7805 CD 2 T-TR 芯片分别获得5 V 和3.3 V，给各模块供电.

STM 32 F 429 IGT 6 单片机最小系统作为控制核心，具有：高性能Cortex-M4 内核，最大CPU 频率180 MHz，正常工作温度下的工作电压1.8～3.6 V，共260 Kbytes 的SRAM，1 Mbytes 的Flash 存储，176 个引脚，FMC 灵活存储控制器，共14 个定时器，随机数生成器，多种通信接口（SPI、I2C、UART 等），摄像头接口，12 位多路ADC 和DAC，等等.功能强大，功耗小，符合设计需求.

LCD 12864 液晶显示模块：显示分辨率128υ64 点，正常工作温度下的工作电压3.0～5.5 V，内置汉字字库，可并行或串行通信，可完成图形显示，功耗低，使用起来灵活、简单、方便.

4υ4 矩阵键盘模块：密码输入和指令输入.

AS608 光学指纹模块：正常工作电压3～3.6 V，可选USART 或USB 接口，内置DSP 运算单元和指纹识别算法，一个指纹处理时间不到0.4 s，速度快，拒真率低于1%、认假率低于0.001%，识别率非常高[6].

RFID-RC522 射频读卡模块：13.56 MHz 非接触式通信，正常工作电压2.5～3.3 V，可选SPI、I2C、UART接口，读卡范围5 cm.

ATK-OV5640 摄像头模块：高性能500 万高清摄像头模块，正常工作电压3.3 V，可自动对焦，采用标准的SCCB 接口（兼容I2C 接口），支持图像压缩（JPEG），支持按QSXGA 比例缩小到其他任何尺寸，自带嵌入式微处理器，自带有源晶振，功耗低.

TC35i GSM 模块：支持中文短信息的工业级GSM 模块，正常工作电压3.3～4.8 V，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM 卡读卡器和天线，支持双向传输语音和数据，可选波特率300 b/s～115 kb/s，自动波特率1.2 kb/s～115 kb/s，体积小、重量轻、功耗低、便于集成.

ESP8266-01s Wi-Fi 模块：正常工作电压3.3～5 V，8 M 的Flash 存储（足够烧录固件），支持多种IEEE 802.11 无线标准，支持三种Wi-Fi 工作模式，支持多种无线安全机制和加密类型，支持多种配置方式（AT+指令集、Web 页面、Android/iOS 等），串口波特率110～4 608 000 b/s（默认波特率115 200 b/s），内置TCP/IP协议栈，支持TCP 透传，丢包现象不严重，体积小、功耗低、价格低；结合中国移动OneNET 物联网开放平台提供包括MQTT、TCP 透传、HTTP 等的多协议接入能力和全云端在线应用构建能力（支持图形化应用开发），可将ESP8266-01 s 作为Wi-Fi 客户端连接到指定路由器，然后接入OneNET 物联网平台（平台提供支持ESP8266 的MQTT 协议固件，帮助快速接入），并开发云上应用（APP）管理数据，从而快速实现“设备-平台-应用”的三端通信[7].

声光报警模块：三极管驱动有源蜂鸣器（额定工作电压5 V），结合红色发光二极管（LED）.

电子锁模块：工作电压5 V，ULN 2003 A 芯片驱动4 相5 线步进电机控制锁舌，实现电子锁开关.

电子锁状态监测模块：常开磁性接近开关（探头靠近磁铁时开关闭合）嵌入到锁体中，磁铁固定在门框上，实现电子锁开关状态的监测.

2 系统的硬件结构

系统的硬件结构如图1 所示，主要包括：电源模块（AMS1117-5、AMS1117-3.3 和L7805CD2T-TR）、单片机最小系统（STM32F429IGT6）、显示模块（LCD12864）、键盘模块（4υ4 矩阵键盘）、指纹模块（AS608）、射频模块（RFID-RC522）、摄像头模块（ATK-OV5640）、GSM 模块（TC35i）、Wi-Fi 模块（ESP8266-01s）、报警模块（蜂鸣器和LED）、电子锁模块（ULN2003A、步进电机和锁舌）、电子锁状态监测模块（磁性开关）.

图1 系统的硬件结构

3 系统的软件设计

3.1 主程序

系统的主程序如图2 所示.

图2 系统的主程序流程图

开机初始化：包括串口、显示模块、功能模块的初始化设置，如连接OneNET.

按键获取：一直等待直到有按键被按下，如果是“0#”则根据提示输入管理员密码进入管理员模式，此模式可以对密码（包括数字、指纹、射频卡、人脸等）进行管理（包括添加、删除等）；如果是“1#”则进入指纹验证；如果是“2#”则进入密码验证；如果是“3#”则进入射频验证；如果是“4#”则进入人脸验证；默认是密码验证，以“*”结尾.

异常操作：次数累计超过5 次（成功开锁则清零）则触发报警，驱动摄像头进行抓拍（留下追查线索），蜂鸣器和LED 声光报警，并拨打预留的主人电话（最多可留5 个手机号码）进行告警，直到有人接听（包括拒接）则停止拨打，主人看到是安防系统的电话号码，则可知有陌生人擅闯.

锁开关状态监测：当检测到门被关上（即磁性开关闭合），则驱动步进电机关锁.

云连接状态监测：与云平台进行通信前，要保证云连接，断开则重连.

云上数据接收、处理、上报：如接收到APP 端的开锁指令，则立马开锁；如接收到指令“add 新密码”则添加新密码；如接收到指令“del 旧密码”则删除旧密码；如接收到指令“gen 手机号码”则生成6位随机验证码（时效1 小时且掉电丢失，为节省定时器资源最多生成3 个）发送给指定的手机号码，客人可用验证码键盘开锁；上报处理结果给云平台，并同步展示到APP 端；如有抓拍图像则压缩后上传至云端.

云上数据的上报、下发采用MQTT 协议：ISO 标准下基于发布/订阅范式的消息协议，工作在TCP/IP协议族上，为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况而设计，具有轻量、简单、开放、易于实现等特点.[8]

3.2 手机APP

OneNET Studio 是中国移动OneNET 物联网开放平台的一个核心产品，其定位于新一代物联网中台，向下可接入设备，向上可承载应用；不仅提供统一设备接入（提供MQTT、CoAP和泛协议标准接入SDK）和运维监控，还提供一站式开发，面向不同行业场景，提供项目管理与应用开发工具，可实现跨用户跨产品的资源整合，加速项目集成.[9]

本文主要在OneNET Studio 进行云平台配置，供设备接入并进行图形化拖拽式应用开发，按开发文档的流程操作即可，简单、便捷.开发的APP 界面如图3 所示，“锁开关”实现电子锁的开关控制，“密码个数”表示当前已添加密码个数，“max表示最多添加多少个密码，“设置结果”表示命令框指令的执行结果，“命令框”可输入指令管理密码、发送验证码等.

图3 APP 界面

3.3 人脸识别

系统采用的是建立在LBPH 基础之上的人脸识别算法.[10]首先以每个像素为中心，判断与周围像素灰度值大小关系，对其进行二进制编码，从而获得整幅图像的LBP 编码图像；再将LBP 图像划分为x*y 块区域，获取每个区域的LBP 编码直方图，继而得到整幅图像的LBP 编码直方图.为节省存储空间，将人脸图像的LBP 编码直方图存入Flash 作为人脸密码，而不是存入整幅图像，然后 比较不同人脸图像的LBP编码直方图即可实现人脸识别的功能.

4 开发与测试

4.1 开发

开发设备：Proteus 设计原理图和PCB 图，TrueSTUDIO 结合Proteus 进行C 语言控制程序的开发、编译、调试，FlyMcu 烧录程序，然后制作电路板，最后进行元器件焊接安装.

配置云平台：按照OneNET Studio 的开发文档，创建一个MQTT 协议产品，定义功能，添加设备，设置数据流.

创建手机APP：按照OneNET Studio 的开发文档，新增应用，添加设备，图形化设置界面编辑应用，关联数据流，下载后交付使用.

4.2 测试

测试内容和结果包括：可设置多个密码、指纹、人脸、射频卡，并可添加、删除；APP 可远程开锁，可远程添加、删除密码，可生成并发送验证码给指定手机号码；不同验证方式均可成功开锁；液晶显示器可展示状态信息和提示信息；5 次异常操作可触发报警，包括摄像头抓拍、声光报警、电话告警；密码、指纹、人脸、射频卡等信息掉电不会丢失，验证码过时会失效且掉电会丢失.设备部分测试如图4 所示，分别为指纹开锁和射频卡开锁；APP 部分测试界面如图5 所示，分别为远程开锁和远程添加、删除密码.

图4 设备部分测试图

图5 APP 部分测试界面

5 总结与展望

门控安防对于保护人身财产安全至关重要 .针对传统门控安防系统的不足，本文设计了一款基 于STM32 单片机，融合物联网技术和人工智能技术的智能门控安防系统.该系统实现摄像头抓拍、时效动态验证码开门、智能向用户电话告警、人脸识别解锁、APP 远程控制等既定功能.实物测试结果表明，系统运行良好稳定，能很好地保证用户的人身财产安全.系统以较低的成本实现丰富的功能，并具有良好的可扩展性，更加智能化，可以满足更多用户的需求，具有更好的市场前景.

另外，还可对功能进行扩展，比如：添加语音录放设备进行语音报警和语音提示；添加拨打电话和语音对讲功能；添加语音识别功能；APP 添加图像展示功能；等等.还可对系统进行优化，比如：人脸识别的准确率和速度；对APP 界面进行优化；简化按键操作；等等.