一种多层级嵌入式门禁系统的设计与实现

一种多层级嵌入式门禁系统的设计与实现

随着物联网设备的快速发展，设备逐渐智能且广泛使用，给人们的生活带来了舒适，也给人们带来了基于智能楼的管理和对财产的安全监控要求。作为安防技术领域中的重要组成部分,门禁系统有效解决了对重要场所进出人员的数字化管理。普通的机械钥匙、智能卡等存在着不便于携带、容易丢失和损坏、用户密码易被盗用等隐患,其实时性和安全性无法得到保障。近年来,模式识别技术广泛应用于智能门禁系统,该技术集合了电子、计算机、通信技术、人工智能等诸多学科,为实现安全、高效、易于管理的智能化门禁系统提供了可能性。此外,智能手机和手表等设备的发展和兴起,促使用户需要利用移动设备获得更好的开门体验。基于语音识别技术的多层级门禁管理系统,具有交互性强、可拓展、易于维护等优势,可以实现对高度机密性场所的安保防护,可实时监控人员的进出情况,查询出入记录,方便的同时也保证了人身安全。鉴于多层级门禁管理系统的技术优势及良好的应用前景,目前已引起了国内外众多学者的关注。原巍春所提出的基于RFID的门禁控制系统,将射频识别技术应用于门禁系统。房向荣、杨乐所提出的基于ARM微处理器的门禁管理系统,可提供三种不同权限的门禁卡,满足了实验中心的实际管理需求。赵思蕊等提出的一种移动智能终端门禁系统,可实现数据库中的用户身份认证、注册和开门功能。李明等人提出的基于ARM9与Linux的门禁监控系统,可以通过刷卡出入门禁,在客户端浏览器进行日志访问和人员信息管理。但上述研究不具备智能识别功能。本文立足于目前门禁系统功能性单一、可靠性低等现状,针对已有门禁系统价格昂贵、结构复杂等问题,研究设计了一种基于ARM9+Linux的多层级门禁管理系统。该系统融入语音识别技术,结构简单,可操作性强。多层级门禁管理系统具备语音识别、多层级权限控制(管理员、内部人员和陌生人三个层级)及数据库管理等功能,这些功能要求系统的硬件具备较高的性能,由此,该项目选用了TQ2440开发板作为系统的控制中心,运行嵌入式Linux系统来管理开发板的软硬件资源,利用无线传输技术将识别结果传输至控制终端,待其进行正确识别和分析后控制门禁的开启,并以图形化界面显示用户信息。1供电和语音办公以无线通信技术、嵌入式技术、模式识别技术等多种技术为支撑,多层级门禁管理系统由门禁服务器和语音聊天器构成。其中,供电模块为整个系统的运行提供能源,门禁服务器实现对门禁的控制、与智能终端设备的交互以及对不同层级用户的管理,主要负责接收语音聊天器发送来的语音指令、实现智能手机终端的网页登录、完成对门禁的开关控制、显示用户信息等任务。语音聊天器实现了与用户的信息交互及与门禁服务器的信息传输,包括语音识别模块、51单片机和无线通信模块。系统整体架构如图1所示。2主要功能模块的介绍2.1h桥双路直流电机驱动模块的应用由于门禁系统的各个模块电路对电源电压的需求不同,这就要使用不同的电源电路提供不同的电压,考虑采用蓄电池和降压模块组合供电的方式。本设计中选用12V的蓄电池作为直流电源,直接供给H桥双路直流电机驱动模块使用;使用LM2596SDC-DC可调降压模块将+12V电压转为+5V,用于满足ARM9开发板、语音识别模块和电机驱动模块的供电;由于nRF24L01的供电需求为+3.3V,可利用AMS1117稳压芯片降压得到,保证门禁系统稳定可靠的动力供应。2.2门禁系统的开发板设计嵌入式系统硬件平台是门禁系统中的核心环节,对整个系统的性能起决定性作用。本设计中选用天嵌科技公司生产的TQ2440开发板,基于ARM9处理器系列中的ARM920T内核,核心处理器芯片采用三星公司生产的S3C2440,结合外围扩展丰富的模块资源搭建系统的硬件平台,以提供门禁系统的数据存储、信号传输等需求。根据门禁系统的具体功能和实际需要,搭建硬件平台的开发板,即核心板和底板两个部分,核心板具备集成有CPU、SDRAM、NandFlash等资源的六层结构。底板包括两层接口:各种常用的外设接口如LCD显示接口、USB接口等,以及与PC机通信的接口如串行数据通信接口RS-232、网络接口等。本设计中,选用的S3C2440处理器主频为400MHz,储存器为64MBSDRAM和256MBNandFlash,这使得它可以支撑起Linux服务器的运行。nRF24L01射频模块通过SPI接口和AT89C52相连,AT89C52再由串口与S3C2440连接,门禁锁控制电路与IO接口相连,摄像头和Wi-Fi模块连接USB接口。2.3i-fi模块本系统中的通信过程由两个部分组成:一部分是局域网通信,用于智能终端设备访问门禁服务器,本设计中选用MW150UHUSB无线网卡作为Wi-Fi模块,实现智能手机与门禁服务器之间的通信;另一部分是短距离无线通信,用于语音聊天器发送指令到门禁服务器,本系统中使用nRF24L01射频模块,将要发送的语音指令送入单片机中,由AT89C52控制nRF24L01无线发射模块将数据信息发送出去,再由nRF24L01无线接收模块接收来自无线发射模块的数据,送给门禁服务器处理后执行相应的门禁控制命令。如图2所示为通信模块与其它模块的连接示意图。2.4门禁锁控制装置组合本设计中使用的门禁锁选用MY-03小型自动式电控锁,工作电压为12V,电控门锁的工作原理是利用电平信号的高低来控制门锁的开闭,当电控锁接收到由ARM9开发板发出的低电平信号时,断开电磁铁的通电,电控锁锁舌伸出(门上锁),反之通电时锁舌缩入(门开启),锁舌方向可根据所需方向进行调换。作为门禁锁的执行单元,门锁控制电路是门禁系统中的重要组成部分。本设计中的门禁锁控制电路采用L298N电机驱动板模块和H桥双路直流电机驱动模块组合方式,H桥双路直流电机驱动模块支持电压7V~24V、PWM调速、正反转控制及欠压保护功能。利用ARM9开发板的GPIO输出3.3V控制5V输出的L298N电机驱动板模块,再用5V来控制12V输出的H桥双路直流电机驱动模块,从而控制12V的电控锁。通过这样两级电压电路控制的方式,成功地实现了门锁的控制问题。如图3所示为门禁锁控制电路组成框图:2.5语音合成模块本文的门禁系统采用WEGASUN-M6语音识别模块实现人机对话的功能,它是一款集语音识别、语音合成、语音(MP3)点播、RF(射频)功能、红外功能于一体的多功能模块。具有简易操作、优越的语音识别和语音合成性能,应用领域十分广泛。该模块可独立运行,能直接与MCU相连。通过设置识别词条、返回值、反馈语文本和MP3语音文件的方式实现人机对话、语音播报、播放音乐和控制智能家居的功能。本设计中,51单片机和WEGASUN-M6模块通过串口进行连接,单片机完成语音指令发送和数据接收的功能。3arm监控系统硬件设计本文所设计的多层级门禁系统及其实物测试图如图4所示。门禁系统利用Wi-Fi、点对点无线通信模块、电控锁、摄像头和LCD液晶屏可以实现对出入人员进行管理和监控;利用语音识别模块可实现人机对话。为实现这些功能,首先需对Wi-Fi模块、点对点无线通信模块、电控锁、语音识别模块、摄像头和LCD液晶屏等进行调试,使整个系统中的功能模块正常工作。以下将对图5所示的调试框图中各模块功能加以说明:(1)电控锁及其控制电路。ARM的GPIO输出电压为3.3V,而电控锁的驱动板所需的控制电压为5V,因此,首先需设计电路并将ARM的GPIO输出电压作为输入电压,再经过电路输出5V的电压,以控制电控锁。(2)语音识别模块。门禁利用语音识别模块实现人机交流,需要先设置好应答的语音指令并识别后发送到门禁服务器。(3)点对点无线通信模块。无线通信模块通过串口接收到语音指令,继而将其转换成无线射频信号,由接收端接收并转换为数字信号发送到ARM中处理。(4)Wi-Fi模块。移植对应Wi-Fi的驱动和应用程序,设置连接到路由器,通过路由器和智能终端设备进行数据交互。(5)摄像头。通过图像采集设备将采集的光学图像进行处理,经过A/D模数转换电路转为数字图像信号,送到DSP数字信号处理芯片中加工处理,再通过USB接口传输到ARM中储存。在对系统的软硬件做连通性和功能性测试后,验证了本门禁管理系统的实时性和有效性,该功能可以实现对门禁出入人员的有效管理,实现语音指令识别和网页端门禁控制,支持LCD显示屏显示和网页查看监控两种方式,从而对不同层级人员加以区分。在提高便捷性的同时增强了系统的安全性。测试结果表明,本系统语音识别准确率可达90%以上,对图像和语音信息的响应时间短,网络时延小,抗干扰能力强且性能基本趋于稳定。4智能门禁系统的特征本文基于