基于防疫需求的非接觸式智能監控門禁系統

葉海彬 李春林 黃永睿 羅夢良 梁翁浦

摘? 要：門禁系統作為一種無人值守的通道管理系統，在人員識別、進出通道及安全管理方面起到重要的作用。面對復雜多變的新冠疫情，進出通道安裝非接觸式智能門禁系統，能夠實現公共場所或特定場所人員出入的自動管理控制，達到降低人員交叉感染的風險和篩查體溫異常人員的效果。研究和開發非接觸式智能監控門禁系統，是適應疫情防控常態化的需求，通過使用該系統進行智能檢測，將大大節約人力成本。本文的系統設計方案是以STM32為中心控制芯片，外加OLED作為顯示模塊、IC卡識別模塊、面部識別模塊、紅外測溫模塊和門鎖控制模塊，此系統具有較強的使用性和實用性。

關鍵詞：智能門禁系統;非接觸式;口罩識別

1 研究意義

由于疫情防控的需求，非接觸實時監控門禁在專業工作管理區，如關口、公司、實驗室等，也可應用在公共場合，如商場超市、校園、公園等有著廣泛的應用[1]。本文設計的非接觸實時監控門禁設計了紅外測溫、非接觸式RFID識別、面部識別等功能，實現對人員身份的智能識別，并且解決了公共場所下疫情防控必須有專門的人員必須佩戴口罩、測溫的問題，無需人員看守;在特殊場所，實現人員身份的識別與核驗，可以全自動進行檢測工作，并控制進出通道門禁的開啟關閉，節約人力成本，減少人員交叉感染的風險。

2 系統方案設計

該系統以STM32單片機為控制中心，通過K210攝像頭進行口罩識別，GY906紅外模塊檢測人體體溫，RC522無線射頻模塊進行IC卡識別，SR90舵機控制門禁開啟與關閉，0.96寸的OLED屏幕進行數據顯示，系統供電電壓3.3V。模塊之間的通信方式主要為串口通信和IIC通信，K210攝像頭跟STM32單片機之間的通信方式為串口通信，RC522無線射頻模塊與單片機之間的通信方式為SPI通信，GY906紅外測溫模塊和OLED顯示模塊跟STM32單片機之間的通信方式為IIC通信，SR90舵機受STM32單片機輸出的PWM脈沖調制信號控制。系統框圖如圖1所示：

3 系統論證與選取

3.1 主控制器

STM32F103C8T6的優勢在于，封裝的引腳少，所以體積小，價格相對與同一家族的其他芯片而言比較低廉，與51等8位單片機相比性能更強大，使用STM32系列芯片，性價比較高，后期也有一定的升級空間，而且可以滿足我們的項目需求。如果采用STC12C5A60S2芯片作為總控制器。STC12C5A60S2相較于傳統的51單片機而言，擁有更快的速度，前者的速度是后者的8-12倍。而且STC12C5A60S2同時還具有低功耗的特點，但是相較于STM32F103C8T6而言功能及性能比較低，后期升級空間相對而言小了很多。STC12C5A60S2系列單片機目前足以滿足此設備所有的數據搜集要求。根據實際情況，此系統采用STM32F103C8T6較為合適。

3.2 識別模塊

RC522 RFID配合IC卡或者是復旦卡來使用，能夠實現非接觸式信息驗證，且RC522 RFID使用方便，成本低廉。配合上IC卡或復旦卡的小巧體積，也方便用戶攜帶。MAIX Bit K210模塊擁有KPU運算芯片，并且其圖形運算能力相對STM32而言更強，而且比openMV的價格更加低廉，配合攝像頭非常適合做口罩識別功能。密碼鎖可以采用多種組合方式，在密碼位數多的時候安全性較高。但是密碼鎖的密碼是唯一的，為了安全用戶可能會經常更換密碼，但常換密碼的用戶可能會出現忘記新密碼的情況，且用戶家人可能會因沒有及時了解新密碼而無法進門;或是把密碼告訴親友后可能會引起密碼的泄露;有意之人用特殊手段窺視而獲取密碼等一系列問題。如有以上問題，這鎖將會給用戶帶來麻煩。根據上述分析情況，采用RC522 RFID和MAIX Bit K210模塊比較適合本作品設計與實現。

3.3 體溫測量模塊

GY906紅外測溫傳感器。該模塊非常便宜，易于集成，并且支持帶有10K上拉電阻的I2C接口。非接觸、可以在圖像中選取被測目標、可以遠距離測量、靈敏度 高、速度快、測溫范圍廣等。DS18B20是常用的數字溫度傳感器。該傳感器具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點，屬于接觸性測溫元件。研究課題要求非接觸性測溫，所以采用GY906紅外測溫傳感器比較合適。

綜合分析與選擇，整個作品以STM32F103C8T6芯片為主，利用GY906紅外測溫傳感器測量人體體溫，采用STM32F103C8T6芯片作為控制器內部寄存器及擴展口功能，利用RC522 RFID模塊、K210攝像頭模塊、SG90舵機模塊、OLED顯示模塊、電源組合，可以實現IC卡、口罩識別解鎖的功能。

4 功能分析

4.1 RC522 RFID功能分析

RFID射頻模塊電路采用Philips MFRC522原裝芯片設計讀卡電路，使用方法簡便，性價比高，模塊使用的電壓相對與5V來講較低，為3.3V，使用SPI通信協議與單片機進行通信，占用的IO較少[2]。只要供電穩定，并且通訊正常，就可以保證模塊穩定可靠的工作，并保證有一定的讀卡距離。

4.2 口罩識別功能分析

口罩識別是通過K210模塊內部所存儲的人臉口罩佩戴特征信息和正在進行口罩識別的人的臉部特征信息進行比較，如果特征信息重合度大于一定的數值，則口罩識別通過。識別的過程為：首先判斷攝像頭抓取的像素中是否存在人臉，如果識別到人臉，在此基礎上識別是否佩戴口罩，人臉保持在攝像頭抓取的范圍內想要嘗試進行識別，則識別出臉部特征在存儲在設備中的模型進行比對，并且確定對比度大小，從而實現口罩識別的功能[3]。

4.3 體溫檢測功能分析

GY906紅外測溫傳感器測溫原理是通過對物體自身紅外輻射的測量，能準確地確定其表面溫度，紅外測溫就是利用這一原理測量溫度的。涉及到光學系統和信號放大處理等技術。GY906傳感器通過匯聚視場內的目標紅外輻射能量的大小，通過模數轉換和信號處理，將采集到的溫度值輸出，以IIC通信方式交給STM32主控處理并顯示在OLED屏幕上。測溫模塊是整個系統最重要的部分之一，承擔著篩查體溫異常人員的重要職責，只有體溫正常才能進行口罩識別和IC卡識別，否則體溫異常系統會通過蜂鳴器報警，及時通知相關人員，妥善處理和加強防疫措施。10EEEAFC-BE65-487A-91BC-2EEE043309D6

5 系統設計與實現

5.1 主控電路設計

主控制器采用STM32F103C8T6單片機來控制，主要運用單片機的中斷、定時器、IO口來實現基本功能。為給單片機提供穩定的輸入電壓，在主控電路中需要設計穩壓電路，使輸入電壓穩定在3.3V。K210口罩識別模塊是通過STM32單片機內部的UART進行通信的，UART通信屬于串行通信的一種，采用全雙工異步通信，所需通信線少，通信效率可靠，在進行數據交換過程中通信雙方必須要求波特率相等。RFID IC卡識別模塊使用的是SPI全雙工通信方式，這種通信方式操作簡單，而且通信效率比較高。STM32單片機擁有很多外設功能，在速度上也是性價比較高的一款控制芯片，在進行測溫和顯示功能時，采用的是雙總線通信方式，所以在主控電路設計中引出了40個引腳提供IIC模塊使用。

5.2 K210模塊電路的設計

K210模塊具有獨立性，有獨立的圖像處理能力，可通過串口將處理結果傳輸給單片機，緩解單片機CPU壓力，使得整個系統運行效率大大提高。此次作品使用的是Maix Bit開發板，這個開發板使用了RISC-V內核的AI芯片K210，該芯片帶有獨立FPU的雙核處理器和獨立的64位CPU。實現口罩識別功能，需要在maixHub平臺訓練口罩識別模型，再下載道模塊中。攝像頭將采集到的一幀一幀圖像傳到模塊中的圖像處理器，然后跟模型中的數據進行對比，對比的相似度通過計算顯示在LCD屏幕上。如果相似度大于65%，模塊會通過串口向單片機發送檢測到佩戴口罩的信息，單片機接收到信息后輸出相應的PWM信號控制舵機開啟門禁。

5.3 RC522 RFID模塊電路的設計

RFID無線射頻模塊跟單片機通信使用的是SPI全雙工通信方式，射頻IC卡擁有8kbit的存儲容量，內部存儲的密碼和控制指令是分開的，在向射頻卡寫入密碼時，需要用到讀寫器，單片機與讀寫器通過SPI通信控制射頻IC卡的讀寫操作。

5.4 系統流程

此作品應用于公共場所的出入口，這些場合需要對進出人員佩戴口罩進行識別，前提是在測量體溫正常情況下。在體溫過高的情況下，無論是有無佩戴口罩，蜂鳴器都會發出警報，并且在信息顯示器上顯示“體溫過高”，且無法開啟門禁。在正常體溫情況下，進入口罩識別判斷，識別到沒有佩戴口罩，在信息顯示器上顯示“未佩戴口罩”，門禁不開啟;如果識別到已經佩戴口罩，在信息顯示器上顯示“已佩戴口罩”，則會開啟門禁。RFID IC卡識別為整個系統的穩定性和可靠性提供了保障，首先使用IC卡識別可以快速且無接觸進出通道，一般給管理工作人員使用，其次在口罩識別功能出現故障時，可采用IC卡識別臨時代替，避免進出通道人員密集，影像通道通過效率。

6 結論

利用STM32f103C8T6、K210攝像頭模塊、RC522 RFID、SG90舵機、OLED顯示屏等，實現并完善了一種非接觸性智能門禁系統，該系統注重時需、功耗低、且能夠順暢的運行。為了保證系統穩定性和安全性，使用雙識別驗證模式，可以使用口罩識別，也可以使用RFID IC卡識別，適用于不同的場合和管控需求。

參考文獻

[1]張曉明.數字監控和門禁系統的網絡應用[J].數字化用戶，2017，23（040）：5.

[2]張開宇，高國偉.基于IAP15F2K61S2的門禁控制系統的設計與實現[J].傳感器世界，2019，25（09）：19-23.DOI：10.16204/j.cnki.sw.2019.09.003.

[3]楊博涵.淺談人臉識別技術及其應用[J].科技與創新，2018（16）：158- 159.DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2018.16.158.

作者簡介：葉海彬（1997.12），男 ，漢族，廣西梧州，百色學院本科在讀，研究方向：物聯網工程專業。

基金項目：百色學院2021年廣西自治區級大學生創新創業訓練計劃項目：基于防疫需求的非接觸式智能監控門禁系統（項目編號：202110609132）10EEEAFC-BE65-487A-91BC-2EEE043309D6