基于MM32F5的IOT智慧門禁系統(tǒng)設(shè)計案例

項目簡介

隨著技術(shù)的進一步發(fā)展和需求的增長，社會對于安全與便捷的需求也在不斷上升。在這個快節(jié)奏的時代，人們對于門禁系統(tǒng)的要求不再局限于簡單的出入管理，更加注重系統(tǒng)的智能化、高效性以及與其他系統(tǒng)的整合能力?，F(xiàn)代社會門禁系統(tǒng)早已不再只是傳統(tǒng)的鑰匙和鎖的簡單代替，而是結(jié)合了生物識別、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能等先進技術(shù)，實現(xiàn)了全新的功能和應(yīng)用。

智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計旨在解決傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)存在的諸多問題，提供更高效、安全和便捷的門禁控制方案，具有巨大潛力和廣泛需求。門禁系統(tǒng)作為一種高級門禁控制解決方案，滿足了各行各業(yè)對安全性、訪問控制、數(shù)據(jù)管理和便捷性的需求。近年來，智能門禁系統(tǒng)在技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用拓展方面取得了巨大的進步。從教育、商業(yè)到社區(qū)，智能門禁系統(tǒng)正逐步改變著我們生活和工作的方式，為我們帶來更智能、高效、安全的生活環(huán)境。

本項目使用的控制板是靈動微電子公司的MM32F5270開發(fā)板。MM32F5270是一款搭載了安謀科技Arm China STAR-MC1內(nèi)核的MCU產(chǎn)品，其工作頻率可達120MHz，內(nèi)置多達256KB Flash和192KB RAM，配置浮點運算單元（Floating Point Unit,FPU）、數(shù)字信號處理單元（Digital Signal Processing，DSP）、信號間互聯(lián)矩陣MindSwitch、可配置邏輯單元CLU、三角函數(shù)加速單元CORDIC等算法加速單元，并集成了豐富的外設(shè)模塊和充足的I/O端口。MM32F5270相較于現(xiàn)有產(chǎn)品全面提升了性能、存儲容量、總線架構(gòu)和外設(shè)配置。

特色與創(chuàng)新

IoT技術(shù)應(yīng)用

1 云平臺連接

借助ESP32無線WIFI模塊，智能門禁系統(tǒng)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制功能。用戶可以通過WIFI模塊連接至服務(wù)器，從而控制小程序顯示以及云平臺的移動設(shè)備，隨時隨地實時監(jiān)視門禁系統(tǒng)的狀態(tài)和活動。無論身處何地，用戶都能輕松地查看誰進出了門禁區(qū)域，并能根據(jù)實時上報的時間迅速采取必要的行動。這種便利性使得門禁系統(tǒng)的安全性和可管理性得到了大幅提升。

傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)通常是基于本地服務(wù)器或控制器進行管理，而本創(chuàng)新將門禁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和功能集中到了云平臺上，并實時將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫。這種連接方式極大地提高了系統(tǒng)的可訪問性和可管理性，用戶可以通過任何連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備隨時隨地遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制門禁系統(tǒng)。

2 通信和交互

本作品WiFi模塊采用TCP透傳的方式，通過云平臺和云服務(wù)器作為數(shù)據(jù)接口，使得用戶與門禁系統(tǒng)之間能建立快速、穩(wěn)定的實時通信通道。從而摒棄了繁瑣的AT指令，解決了大數(shù)據(jù)傳輸慢，單次數(shù)據(jù)量傳輸少的缺陷。這意味著用戶可以立即接收到有關(guān)門禁系統(tǒng)的關(guān)鍵信息，如門禁狀態(tài)、報警信息等。同時，用戶還可以通過移動設(shè)備與門禁系統(tǒng)進行實時交互，例如利用小程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程開鎖、遠(yuǎn)程監(jiān)控門禁狀態(tài)等。這種實時通信和交互的能力大大提高了門禁系統(tǒng)的操作靈活性和便捷性。

3 數(shù)據(jù)集中管理

通過將門禁系統(tǒng)與云平臺和數(shù)據(jù)庫連接，所有的門禁數(shù)據(jù)得以集中管理。云平臺可以存儲和處理大量的門禁記錄，包括用戶進出門禁區(qū)域的時間、監(jiān)控圖片以及門禁狀態(tài)等。用戶可以通過這些數(shù)據(jù)更好地了解門禁系統(tǒng)的使用情況，判斷是否有可疑人員出入，并作出相應(yīng)的決策和改進。

微信小程序集成

1 使用體驗方便

微信小程序是廣泛普及和使用的移動應(yīng)用平臺，幾乎每個人都可以輕松地下載和使用。通過將智能門禁系統(tǒng)與微信小程序集成，用戶可以直接在微信中打開小程序，實現(xiàn)查看門禁數(shù)據(jù)、抓拍圖片以及遙控開關(guān)門等功能，無需額外下載其他應(yīng)用程序或登錄其他平臺。這種無縫集成的方式帶來了極大的便利性，讓用戶能夠隨時隨地通過簡潔的微信界面來管理門禁系統(tǒng)，使得門禁系統(tǒng)的使用更加便捷和高效。

2 實時數(shù)據(jù)更新

微信小程序集成為智能門禁系統(tǒng)帶來了實時數(shù)據(jù)更新的優(yōu)勢。通過與云平臺的連接，智能門禁系統(tǒng)可以將門禁數(shù)據(jù)實時同步到微信小程序中。當(dāng)有人員進出門禁區(qū)域或發(fā)生其他門禁事件時，相關(guān)的數(shù)據(jù)會立即更新并顯示在微信小程序的界面上。這種實時數(shù)據(jù)更新的功能使用戶能夠及時獲取最新的門禁信息，如進出記錄、警報事件等，保持對門禁系統(tǒng)的實時感知。

通過微信小程序?qū)崟r數(shù)據(jù)更新的優(yōu)勢，用戶可以快速了解門禁系統(tǒng)的狀態(tài)和活動。他們可以實時查看誰進出了門禁區(qū)域、何時進出，甚至可以獲取到具體的門禁記錄。這種實時數(shù)據(jù)更新的功能對于安全性管理和活動追蹤非常重要。用戶可以即時檢查門禁系統(tǒng)的運行情況，確保未經(jīng)授權(quán)的人員無法進入受限區(qū)域，并能及時采取必要的措施。

3 數(shù)據(jù)記錄與分析

小程序不僅僅是一個簡單的門禁控制工具，更是一款集報警記錄、數(shù)據(jù)分析和可視化呈現(xiàn)于一體的多功能應(yīng)用。其具有歷史報警記錄和數(shù)據(jù)分析功能，以及通過曲線圖直觀展示的方式，為用戶提供了更深入的安全信息和洞察力。無論是門禁系統(tǒng)的異常事件、訪客記錄，還是其他可能引起警報的情況，小程序都會將這些信息進行準(zhǔn)確的記錄，并將照片作為實物證據(jù)加以保存。這為用戶提供了一種方便而可靠的方法，用以了解門禁系統(tǒng)的安全情況，并在需要時進行查證和回溯。它能夠自動地分析近30次報警記錄，從中挖掘出潛在的模式、趨勢和異常。通過這一功能，用戶可以更好地理解報警事件之間的關(guān)聯(lián)，識別可能的風(fēng)險因素，并針對性地制定安全改進計劃。這種視覺化呈現(xiàn)方式不僅提供了直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，還能夠幫助用戶更容易地識別出可能的周期性或突發(fā)性事件。

人臉識別技術(shù)

1 身份驗證高效性

人臉識別技術(shù)通過采集門禁區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)并進行人臉識別，實現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的身份驗證。用戶只需在攝像頭前進行簡單的人臉掃描，系統(tǒng)即可迅速將其與事先存儲的授權(quán)用戶的人臉數(shù)據(jù)進行比對。這種身份驗證的高效性使得門禁系統(tǒng)能夠快速確認(rèn)用戶的身份，從而減少了傳統(tǒng)的密碼或卡片驗證方式所帶來的麻煩和繁瑣。

2 高安全性保障

引入人臉識別技術(shù)為智能門禁系統(tǒng)帶來了更高的安全性保障。傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)往往依賴于密碼或卡片，但這些驗證方式存在著泄露、遺失或被盜用的風(fēng)險。而人臉識別技術(shù)基于個體的唯一生物特征，難以偽造或冒用，大大降低了非法闖入的可能性。只有經(jīng)過身份驗證的用戶才能進行開鎖操作，確保門禁區(qū)域的安全性得到有效的保護。

3 提升使用便捷性

相比傳統(tǒng)的身份驗證方式，人臉識別技術(shù)在使用上更加便捷。用戶只需站在門禁區(qū)域的攝像頭前，無需攜帶額外的卡片或記住復(fù)雜的密碼。這種無感知的身份驗證方式使得用戶可以快速進出門禁區(qū)域，提升了使用的便捷性和效率。

居家安全監(jiān)控

1 兒童居家異常報警

智能門禁系統(tǒng)設(shè)置了兒童鎖，當(dāng)兒童或者老人獨自在家中，發(fā)現(xiàn)門外異常時，按下報警鍵，門禁系統(tǒng)自動亮紅光警示驅(qū)逐并向監(jiān)護人發(fā)送報警信息，此時，無論是密碼開門，還是刷卡開門，都無法打開。兒童鎖功能是一項綜合性的安全措施，以創(chuàng)新的方式回應(yīng)家庭中的特殊需求。通過緊急報警、自動化警示和及時通知的組合，它在兒童和老人獨自在家時，為家庭成員的安全保駕護航。這一功能的引入，不僅僅展示了技術(shù)在安全領(lǐng)域的前沿應(yīng)用，更凸顯了對家庭幸福的關(guān)切與呵護。

2 消防關(guān)聯(lián)報警

攝像頭部分部署有煙霧識別的算法，能夠識別檢測火情，當(dāng)樓道內(nèi)識別到煙霧判斷為火災(zāi)隱患則會向用戶發(fā)送報警信息，拍攝照片緊急聯(lián)系戶主。

通過以上技術(shù)創(chuàng)新點，本作品實現(xiàn)了IoT技術(shù)的應(yīng)用、微信小程序的集成、人臉識別和居家安全監(jiān)控的應(yīng)用，這些技術(shù)的應(yīng)用以及功能創(chuàng)新使得智能門禁系統(tǒng)更加智能、安全、便捷、高效，滿足了不斷發(fā)展的安全管理需求，并為用戶提供了更優(yōu)質(zhì)的門禁管理體驗。

系統(tǒng)設(shè)計

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本作品的感知層包括攝像頭模塊、密碼按鍵以及NFC卡讀取器，主要功能是與用戶進行交互并獲取必要的輸入數(shù)據(jù)。

MM32F5270開發(fā)板是整個產(chǎn)品的核心主控部分，作為控制核心的功能，他進行了處理傳感器數(shù)據(jù)和控制門禁設(shè)備以及與云端進行數(shù)據(jù)交互的任務(wù)。并且各個狀態(tài)下都會有相應(yīng)的語音播報。

傳輸層利用WIFI模塊實現(xiàn)云端數(shù)據(jù)交互。WIFI模塊負(fù)責(zé)與服務(wù)器進行透傳，將采集到的圖像數(shù)據(jù)、家電狀態(tài)、緊急報警信息等傳輸?shù)皆品?wù)器。云服務(wù)器再將數(shù)據(jù)傳送到小程序，最后再由小程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送給單片機進行超控。

機械結(jié)構(gòu)搭建

本作品通過控制電機轉(zhuǎn)動控制門的開關(guān)，攝像頭搭載在二維云臺上，主控核心與攝像頭之間沒有進行任何有線連接，而是使用無線串口實現(xiàn)了分離式的設(shè)計，并且給攝像頭增加了一個云臺，通過深度學(xué)習(xí)算法，可以實現(xiàn)無死角自動追蹤人體。

控制電路設(shè)計

本作品采用了攝像頭模塊、密碼鍵盤、語音播報模塊以及NFC卡進行感知層技術(shù)的實現(xiàn)，利用esp32物聯(lián)網(wǎng)模塊實現(xiàn)傳輸層技術(shù)，使用MM32F5270作為控制核心，通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)交互和遠(yuǎn)程控制。通過軟件開發(fā)技術(shù)和云應(yīng)用，實現(xiàn)了門禁系統(tǒng)的功能和云端管理。并且，通過數(shù)據(jù)挖掘和可視化應(yīng)用，對門禁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行分析和展示，提供更加全面和直觀的信息。

圖5 作品功能結(jié)構(gòu)框圖

1 感知層技術(shù)

1.1攝像頭模塊

OpenMV是一種基于MicroPython的開源計算機視覺平臺，專門設(shè)計用于嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。它具有小巧、高效的特點，并且集成了圖像傳感器、處理器和運行MicroPython的環(huán)境。通過OpenMV模塊，門禁系統(tǒng)可以獲取門禁區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，并進行以下功能：

1、 圖像處理：OpenMV模塊內(nèi)置了圖像處理庫，可以進行常見的圖像處理操作，如圖像濾波、邊緣檢測、二值化等。這樣可以對門禁區(qū)域的圖像進行處理，提取有用的信息，為后續(xù)的人臉識別和人體感應(yīng)功能提供支持。
2、人臉識別：OpenMV模塊支持人臉識別算法，并提供了相應(yīng)的API和庫。通過采集門禁區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，可以對人臉進行識別和驗證，判斷用戶的身份是否合法。這樣可以增強門禁系統(tǒng)的安全性，只有經(jīng)過身份驗證的用戶才能進行開鎖操作。
3、人體感應(yīng)：OpenMV模塊集成了紅外傳感器和圖像傳感器，可以進行人體感應(yīng)功能。通過檢測門禁區(qū)域是否有人存在，可以觸發(fā)門禁系統(tǒng)的相應(yīng)操作，如自動開門或警報。同時，當(dāng)門外無人時，系統(tǒng)可以進入休眠狀態(tài)，以減少能量消耗。

綜上所述，OpenMV模塊作為感知層的一部分，在門禁系統(tǒng)中具備圖像處理、人臉識別和人體感應(yīng)等功能，為系統(tǒng)提供了感知能力，以支持門禁系統(tǒng)的正常運行和安全性增強。

1.2密碼按鍵

密碼按鍵為四個按鍵，用戶可以通過按下E0、E1、E2三個按鍵來輸入密碼。在門禁系統(tǒng)中，當(dāng)確認(rèn)密碼按鍵（E3）被觸發(fā)時，系統(tǒng)將讀取用戶輸入的密碼。
通過密碼按鍵的使用，門禁系統(tǒng)可以提供一種傳統(tǒng)的身份驗證方式，以補充圖像處理和人臉識別的功能。用戶可以選擇使用密碼按鍵進行開門，以增加門禁系統(tǒng)的靈活性和安全性。

1.3刷卡開門

NFC（Near Field Communication，近場通信）卡是一種無線通信技術(shù)，它可以與門禁系統(tǒng)進行近距離通信。以下是NFC卡在門禁系統(tǒng)中的使用方式：
NFC卡可以作為一種方便、快速的身份驗證方式。用戶只需將NFC卡靠近讀取器，就能進行快速的身份驗證，無需手動輸入密碼。此外，用戶可以將NFC卡保存在手機上，使用手機的NFC功能進行刷卡開門。

通過結(jié)合OpenMV模塊、密碼按鍵和NFC卡，門禁系統(tǒng)可以提供多種身份驗證方式，增加靈活性和安全性。用戶可以根據(jù)自己的需求和偏好選擇合適的身份驗證方式來開啟門禁系統(tǒng)。

2 傳輸層技術(shù)

2.1TCP透傳技術(shù)

TCP協(xié)議是智能門禁系統(tǒng)傳輸層的基礎(chǔ)。它是互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的核心協(xié)議，具有可靠性和穩(wěn)定性。TCP (Transmission Control Protocol) 負(fù)責(zé)在傳輸過程中進行數(shù)據(jù)分包、傳輸、重傳等操作，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。Wifi模塊開啟透傳模式后，可以不再拘束于特定的AT指令，可以快速準(zhǔn)確地傳輸大量數(shù)據(jù)，且避免了數(shù)據(jù)類型或格式不同所帶來的不便。

2.2WiFi技術(shù)

智能門禁系統(tǒng)常使用WiFi技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。WiFi技術(shù)提供了高速、穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)傳輸能力，適用于對數(shù)據(jù)實時性要求較高的場景，為實時顯示圖像和時間數(shù)據(jù)等提供了技術(shù)支持。通過WiFi模塊，門禁設(shè)備可以與云平臺或其他管理終端建立網(wǎng)絡(luò)連接，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速上傳和傳輸。

2.3HTTP傳輸技術(shù)

云端服務(wù)器和微信小程序使用HTTP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，這是一種常見的應(yīng)用層協(xié)議，廣泛用于互聯(lián)網(wǎng)通信。HTTP協(xié)議是一種無狀態(tài)的、基于請求與響應(yīng)模式的協(xié)議，它使用URL作為定位網(wǎng)絡(luò)資源的標(biāo)識，并通過請求方法（如GET、POST等）來表明對資源的操作。微信小程序與云端服務(wù)器通信，以及WiFi模塊與服務(wù)器配網(wǎng)通信時，使用JSON格式來傳輸數(shù)據(jù)，因為JSON格式具有簡潔、輕量且易于解析的特點。

圖8 傳輸層示意圖

3 控制層技術(shù)

MM32F5270作為控制核心的功能包括處理傳感器數(shù)據(jù)和控制門禁設(shè)備。同時，它與esp32模塊進行通信，接收來自云平臺的指令，并判斷開鎖請求的合法性，最終發(fā)送開鎖指令給門禁設(shè)備。

3.1傳感器數(shù)據(jù)處理

MM32F5270負(fù)責(zé)接收和處理從感知層（如OpenMV模塊和NFC讀取器）傳來的傳感器數(shù)據(jù)。它可以對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行處理、進行人臉識別算法的運算，或者獲取NFC卡的信息。通過處理這些傳感器數(shù)據(jù)，MM32F5270可以提取關(guān)鍵信息，進行身份驗證或者判斷門禁系統(tǒng)的狀態(tài)。

3.2控制門禁設(shè)備

MM32F5270通過與門禁設(shè)備的通信接口，控制門禁設(shè)備的開鎖操作。它可以發(fā)送開鎖指令給門禁設(shè)備，使其解除鎖定狀態(tài)，從而允許合法用戶進入。

3.3與esp32模塊的通信

MM32F5270與esp32模塊進行通信，以實現(xiàn)與云平臺的連接。它負(fù)責(zé)接收從esp32模塊傳來的數(shù)據(jù)，如云平臺的指令或者門禁狀態(tài)信息。同時，MM32F5270將處理后的傳感器數(shù)據(jù)或門禁狀態(tài)信息發(fā)送給esp32模塊，以便通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_。

3.4判斷開鎖請求的合法性

當(dāng)MM32F5270接收到來自云平臺的開鎖請求指令時，它會對請求進行合法性判斷。通過對用戶身份驗證的結(jié)果、密碼輸入、NFC卡信息等進行比對，MM32F5270可以確定請求是否合法，并決定是否執(zhí)行開鎖操作。

4 云應(yīng)用

4.1技術(shù)概覽

本作品采用阿里云云服務(wù)器作為云端應(yīng)用，用于門禁設(shè)備的數(shù)據(jù)交互和存儲。同時，結(jié)合微信小程序作為用戶交互頁面，用戶可以通過小程序從云服務(wù)器獲取門禁設(shè)備的各類數(shù)據(jù)和信息，并通過與門禁設(shè)備建立tcp連接來實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4.2 技術(shù)細(xì)節(jié)

在云應(yīng)用方面，使用阿里云云服務(wù)器作為云端應(yīng)用平臺，通過云服務(wù)器提供的高可用性和容錯機制，使用springboot技術(shù)框架保證門禁系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。門禁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和管理采用MySQL和Redis等數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)的快速存儲和查詢。

在小程序方面，通過與阿里云云服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互，支持用戶遠(yuǎn)程訪問和控制門禁系統(tǒng)。用戶可以通過微信小程序獲取門禁系統(tǒng)的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、開門記錄、警報信息等，同時可以通過小程序遠(yuǎn)程控制門禁系統(tǒng)的開關(guān)、密碼設(shè)置、查看可疑人員警報等功能。

在門禁設(shè)備方面，通過與阿里云云服務(wù)器建立TCP連接，實現(xiàn)門禁設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸。門禁設(shè)備可以將監(jiān)控數(shù)據(jù)、報警信息等實時上傳到云服務(wù)器，同時可以接收來自云服務(wù)器的遠(yuǎn)程控制指令，實現(xiàn)開門、報警等操作。