基于單片機的智能門控系統

戴智鑫

摘要：隨著經濟和各行各業的快速發展，隨著電子行業的發展，如今自動門經常出現在日常生活中，如機場、醫院、超市、商務樓等公共場所中，或是作為智能家居進入人們的生活，根據不同的需求，在自動開關門功能的基礎上能添加各種其他功能，例如防夾手功能、時鐘溫度顯示、語音提示功能、人臉識別功能等等。智能家居已經逐步進入人們的生活，但是智能家居門控制系統面世的卻很少。本論文設計一種基于單片機控制器的智能門系統，該系統安裝方便，可以應用于一般居家生活門中。選用IAP15F2K61S2單片機作為主控芯片，通過繼電器的開關模擬家居門的開和關;安裝超聲波的發射接收模塊在門正上方用于測量人體距離，利用各種傳感器將開關門信號和夾手信號傳輸給主控芯片。在白天與夜晚自動進入密碼鎖模式，更加智能安全。該智能系統適用在多種場景，如公司、商場、家居等。

關鍵詞：門控系統;遠程遙控;視頻監控;防盜報警

引言

伴隨著樓宇自動化的發展，門控系統在現代樓宇自動化系統中的應用十分廣泛，它提高了住宅區的生活質量和人們生活的安全性。門控系統是在傳統的門鎖基礎上發展而來的，在出入較多的通道中，傳統門鎖的管理會特別麻煩。為了解決這樣的問題，出現了電子密碼鎖，這種鎖的出現從一定程度上提高了人們對出入口通道的管理效率，使通道管理進入了電子時代。綜合市場上的樓宇對講系統和電子密碼鎖，本文設計出集合兩種功能并且自帶防盜報警的多功能門控系統。通過對門禁系統的硬件設計和軟件調試，基本實現了一般的高層住宅小區應用的需要，住戶通過密碼輸入能夠順利的進入，住戶或外來客人還能通過門號呼叫及對講的方式進入，如果遇到異常如非法入侵、超時未關門等情況時就啟動報警。與市場上在銷售的門禁系統相比，價格上有很大的優惠，所以還是有很大的推廣前景的。同時，在降低成本的基礎上還考慮采用其它的技術對門控系統進行優化和升級，達到智能化的水平。

1門控系統設計的思路

目前市場上已經在銷售的門控系統主要有三大類：密碼門控系統、刷卡門控系統和生物識別門控系統。隨著電子信息技術的高速發展，門控系統的識別更為先進，設計更加合理，控制器與識別儀分體設計，在安全性方面有很大的提高，系統的可靠性、管理和使用的方便性等方面也有很大的進步。本文所設計的門控系統主要是應用于一般的高層住宅小區，而目前市場上已經在銷售的門控系統的價格比較高，而一般的高層住宅小區如果使用現有的門控系統，就增加了一定的成本。綜合考慮到實際應用的需要，希望設計出一種具備以下功能的門控系統：通過密碼輸入進入大門、門號呼叫及對講、異常報警等功能，并且能夠大大的降低成本。

2硬件電路設計

2.1超聲波測距模塊

由于超聲波方向性好、易控制、經濟耐用、易于編程的特點，故選用超聲波測距來測量與路人的距離，代為判斷人員的通過。本系統通過超聲波發射器從開發板向上方發射超聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在傳播途中碰到障礙物就會立即返回來，通過超聲波接收器檢查是否收到反射波，收到后就立即停止計時，記錄計時器的時間t，最后利用聲波傳播的時間差與傳播速度來進行測距計算。超聲波作為聲波，根據聲音在15攝氏度的空氣中的傳播速度為340m/s，算上來回，便可得出超聲波發射器至障礙物的距離L=360t/2。若沒有收到反射波或時間t過大，變判定為超出超聲波的量程。實現步驟：（1）通過超聲波發射模塊產生8個40KHz的超聲波信號，通過TX引腳發射出去。在平臺CT107D中，超聲波模塊的TX引腳接到單片機的P1.0端口，RX引腳接到單片機的P1.1端口。（2）啟動定時器，計算計數脈沖。定時器采用方式0，13位計數器，最大8192個計數單位。（3）等待超聲波信號返回，如果沒有超聲波回來的時候，接收端就是RX=0，就在等待;如果接收到反射回來的信號，RX引腳變為低電平。（4）停止定時器，讀取脈沖個數，即獲得時間T。（5）根據公式，L=V*T/2m，進行距離的計算。利用超聲波進行距離測量，要求精度一般都不高，取20攝氏度時候的聲速344M/S進行計算，再進行適當的補償就可以。所以，其計算公式為：距離L=344M/S*T/2=172M/S*T。設計程序，進行超聲波測距，最大測量范圍約140cm。

2.2訪客行為識別系統

當訪客來訪時，表現出的行為體現在對門的敲擊和按壓門鈴。利用這些特征設計訪客行為識別系統，門鈴的引腳與單片機的I/O口通過電路相接，門鈴按下時通過按鍵電路產生低電平信號，單片機采用掃描法讀取到低電平，控制蜂鳴器響的同時給用戶發送來訪信息，告知用戶有人來訪;采用SW-420振動開關搭建的振動傳感器模塊，當有人敲門時帶動傳感器內彈簧震動輸出低電平，把敲擊門的振動轉換成電平的變化。此外，系統還使用了HC-SR501人體紅外感應模塊來確保振動是由人體活動所引起的，人體感應模塊感應角度最大可達100°錐角，識別范圍最大7米，能夠識別用戶門前所有大型生命體的存在，如果在檢測范圍內有人出現，人體感應模塊將會輸出低電平信號。當且僅當振動傳感器與人體感應模塊同時發生電平變化時才向單片機發出請求信號。傳感器模擬信號輸出與LM393集成運放相連，將模擬輸入量放大作為ADC0809芯片的輸入。

2.3電源電路

單片機和傳感器的工作電壓均為5V電壓，最常見的電源管理芯片是LM7805。供電系統將220V交流電變壓到9V，經過二極管全波整流、電解電容濾波，再經一只正輸出穩壓器LM7805，為了緩沖負載突變，改善瞬態響應，輸出端又采用了一個電容，最后得到+5V的直流工作電源，用于給單片機系統及其它外圍電路的VCC端供電。同時，該系統還用到了集成運放，其供電的電壓為+5V。

2.4按鍵模塊

因1*4的獨立鍵盤的4個按鍵無法滿足密碼輸入修改與模式切換的需求，本系統的按鍵選用CT107D開發板自帶的4*4矩陣鍵盤。矩陣鍵盤有三種掃描方法：行列掃描法，反轉法，狀態機法。在學習矩陣鍵盤的前兩種掃描方法后，發現其本質都是進行循環查詢，會大量占用MCU的時間，效率比較低。而狀態機法，它是結合定時器中斷的，與其說是“狀態機法”倒不如說是“狀態機+線反轉法”，相比于前兩種采用延時函數的方法，大大提高了MCU的效率。因此本系統才用了狀態機法進行矩陣鍵盤的掃描。

2.5電控鎖

電控鎖的內部結構主要由電磁機構組成。用戶只要按下分機上的電鎖鍵就能使電磁線圈通電，從而使電磁機構帶動連桿動作來控制大門的打開。當用戶輸入正確的密碼時，單片機AT89C51便輸出高電平信號，晶體管飽和導通，繼電器吸合，驅動電動小馬達運作，電子鎖打開;而當輸入錯誤的密碼時，單片機輸出低電平，晶體管截止，繼電器不能吸合，馬達不運作。

2.6CPU核心電路

SPCE061A高性能16位單片機的工作電壓范圍為2.6～5.5V，系統工作頻率為0.375～49.152MHz。在片內集成有32位可編程的多功能I/O端口、兩個16位定時器/計數器、7通道10位電壓模-數轉換器（ADC）、自動增益控制功能的麥克風輸入方式、雙通道10位DAC方式的音頻輸出功能及看門狗定時器。中斷控制器可處理3種FIQ中斷和11種IRQ中斷，以及一個由指令BREAK控制的軟中斷。提供豐富的C函數庫和語音處理函數庫，因此非常適合數字聲音和語音識別產品的開發。使得設計電路簡單化，大大降低了硬件成本。

2.7特征提取

本系統采用了不同說話人的分散程度與各說話人自身的分散程度之間的對比值作為特征參數的評價方法。其基本思想是：對同一說話人的一段語音提取一組特征參數，相當于把該段語音映射到多維空間上的一個點。同一說話人的不同語音會在特征空間產生不同的點，其分布可用多變量概率密度函數來描述。對同一個說話人的不相同單次的發音，這些點比較集中;而不同說話人的發音分布相距較遠，則所選擇的這組特征參數就能夠有效的描述說話人的個性特征。根據這一原則，對單個參數而言，可以取兩種分布參數的方差比（稱為F比）作為有效的度量準則。F比反映了不同說話人的分散程度與各說話人自身的分散程度之間的對比關系。某一特征參數的F比越大，說明對于本特征，平均而言前者要大于后者。因此，說話人識別系統中采用F比較大的，這樣系統會得到較好的性能。

3系統的軟件設計

3.1系統的主程序設計

主程序主要包括系統初始化程序、和對其他子程序的調用。系統的初始化包括定時器、檢測信號的I/O引腳、時鐘、串口的初始化。初始化完成后，進入while死循環執行系統所需的子函數，同時等待外部中斷與串行口中斷。根據程序設計，傳感器能感知訪客到來并通過總線向單片機發出請求，傳感器的輸出由高電平變為低電平，下降沿從單片機的外部中斷引腳輸入給單片機，該信號被系統檢測到后驅動SIM900A模塊向用戶發送短信。若傳感器信號無變化，則在循環內等待。若用戶對系統請求作出回應，單片機則驅動電機做出相應的控制。傳感器的I/O采用的是程序傳送方式，串行口采用的中斷傳輸方式。

3.2電機控制的軟件設計

當系統接收到用戶的開門指令，就要控制電機完成開門的動作。開門動作主要分為兩大部分，一部分是將門把手下拉，另一部分是將下拉的門把手復位，使用PWM波控制電機的轉動，并用2個光電傳感器配合完成門的開啟。兩個光電傳感器分別位于門把手移動位置的上限與下限。單片機通過引腳向電機驅動芯片L298N發出PWM波，控制直流電機轉動，帶動門把手下移，當把手下移至光電傳感器1的位置，光電傳感器1輸出低電平給單片機，此時系統延時等待5S（多次測試得出），給訪客充足的開門的時間，隨后輸出反相的PWM波，控制電機反轉，將門把手復位，當把手上移至光電傳感器2所處的位置，光電傳感器2輸出低電平給單片機，隨后，單片機停止對電機的控制，電機停轉，整個開門動作完成。

3.3視頻采集

本文選用的V4L2接口支持兩種方式采集視頻圖像信息：mmap（內存映射方式）和read（直接讀取方式）。內存映射方式主要用于采集連續的視頻數據，直接讀取方式則用于采集靜態的圖片數據，因此該系統的應用程序使用前者的采集方式進行視頻采集，采集視頻數據的具體步驟如下（1）通過V4L2接口進行視頻采集參數的初始化，其中包括設置采集窗口大小、采集點陣大小和采集幀率等;（2）申請幀緩沖區存放視頻數據，以解決采集連續幀數據的問題;（3）將上一步申請到的幀緩沖區輸入隊列排隊;（4）視頻采集開始;（5）驅動程序采集數據輸出到視頻采集輸出隊列中，應用程序取出輸出列隊中的緩沖區進行處理，然后再把緩存區放入視頻采集輸入隊列中;（6）視頻采集結束，釋放幀緩沖區。

4系統整體框架

本系統設計以S3C6410微處理器為核心的開發板和操作系統作為互聯網智能門控系統服務器端的硬件、軟件平臺，以基于安卓系統的移動智能設備作為遠程控制和遠程視頻監控的移動客戶端?？刂埔曨l監控的主要過程是通過攝像頭采集視頻數據，并傳輸給S3C6410的硬件編碼模塊進行編碼和封包，最后通過無線網絡模塊傳輸給移動客戶端解壓播放。遠程控制實現的主要流程：服務器端捕捉到到訪者按壓門鈴的信號，并向移動端發送信息，提醒戶主有客人到訪，戶主可通過遠程視頻監控系統查看到訪者并選擇是否遠程解鎖。

5系統測試

此系統使用Proteus軟件繪制電路原理，用KeiluVision4軟件通過C語言進行相關程序的編程，再使用stc-isp燒錄軟件進行燒錄測試，從而確定系統的各項功能。開始系統的實現：摁下電源鍵，開機默認時間為23：59：50，為模式二夜間模式，當前系統為密碼門狀態。按下輸入密碼界面功能鍵，他會提示讓你輸入密碼（初始密碼為123456）。輸入正確密碼后，再按下確定鍵，繼電器打開（門開啟），5秒后超聲波檢測是否還有人（測距），檢測沒人則關閉繼電器（門關閉）。若密碼連續輸入錯誤三次則會開啟蜂鳴器報警系統。按下時鐘設置功能鍵，我們將時間改置為7：00，系統進入模式一白天模式，門禁系統開始自動門模式，一但感應到有人員靠近，繼電器將自動打開（門開啟）。系統測試時通過在超聲波測距模塊前放置遮擋物來模擬人員靠近。

62MFC編碼

S3C6410的硬件編碼的第一步需要設置好關于MFC的初始化參數傳遞到內核的驅動程序中，使得驅動程序能夠根據我們提供的這些參數對設備進行相應的初始化工作。初始化及編碼的具體步驟如下：（1）打開設備節點;（2）進行內存到應用的內存映射;（3）提供相對應的參數去初始化關于MFC設備的機構體;（4）給MFC跟深層次的結構體傳輸_MFCLIB_H264_ENC參數;（5）通過ioctl函數把這些參數傳入到內核當中;（6）得到輸入圖像的地址buffer;（7）進行編碼（首次編碼需要傳入配置參數）;（8）得到輸出的圖片數據和相關圖片信息。2.2.3RTP數據封裝。RTP全名為實時傳輸協議，主要對多媒體數據提供實時的傳輸服務，而RTP數據封裝就是為了滿足RTP協議的功能需求。根據本系統使用的H.264編碼及傳輸要求，這里采用了RTP數據封裝的單包封裝，故只需要將原始的NALU單元的起始碼前綴替換成RTP起始碼和RTP頭部即可。

結語

新型門控系統，采用智能化、模塊化的設計，實現了遠程控制和實時監測功能。本系統利用單片機作為主控制器，使整個控制系統更加簡潔。同時通過手機短信控制系統的運行，當遇到異常情況時就向用戶發送報警短信，提高系統的安全性，由于短信控制的操作簡單，適合各年齡段人群使用，所以實用性、靈活性更強。此外本研究加入的視頻傳輸功能，使用戶可以實時看到家里的情況，安全性、有效性得到了進一步的提升。本設計匯聚當下炙手可熱的安全、智能等話題，不僅符合大眾對智能生活的追求，其人性化的設計，網絡化的服務更為人們提供了不一樣的生活品質，同時也為智能家居的發展做出了一定的貢獻，具有一定的市場價值與實用價值。本次研究設計了一種基于單片機門禁系統，主要設計流程如下。設計了門禁系統的顯示模塊，可通過時鐘設置與溫度檢測，經數碼管顯示;設計了門禁系統的自動門系統?？赏ㄟ^超聲波測距，具有感應人員靠近，具有自動開關門，防夾手的功能;設計了門禁系統的密碼門系統?？赏ㄟ^矩陣鍵盤輸入正確的密碼來開啟門禁，其具有修改密碼，斷電記憶，錯誤報警功能等。對系統進行調試檢測后，確認此次設計的門禁系統符合設計要求。

參考文獻

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【基金項目】廣西職業教育專業發展研究基地——電氣技術應用專業群發展研究基地（桂教職成2018 ?37號）