基于STM32的人脸识别智能门禁系统设计

基于STM32的人脸识别智能门禁系统设
计
摘要
宿舍的门禁系统在门禁终端和管理平台的互动中发挥了重要作用，既保证了
学生的安全，又保证了校园和社会的安全。

目前，大学主要使用机械和电子门禁，随着计算机技术、通信技术、电子科学技术含量的发展，宿舍的智能门禁系统也
越来越完善。

智能系统使用各种智能控制策略来确保门禁设备的安全。

这种有用
的模式可以大大保护宿舍管理平台和门禁设备的安全，因此，开发一个易于使用、稳定可靠、符合宿舍门禁要求的嵌入式系统成为本研究的目的。

通过该系统，设
计并实现了一种带有STM32控制核心的便携式智能门禁控制器，通过计算机和控
制平台，以STM32微控制器为控制核心，完成通信、数据信息管理等功能。

并且
该控制器选择STM32系列的低功耗、高性能微控制器。

体积小，成本低，便于携带；采用ARM内核的STM32单片机实现数据处理功能，同时采用LwIP协议，传
输系统从计算机端接收图像信息，系统从计算机端接收软件，在相应的主机上安装，最终实现图像采集、显示、存储、传输和控制功能。

关键词：智能门禁；STM32嵌入式系统；视频传输；
I
吉林建筑科技学院电气信息工程学院
一、系统整体方案设计
在本文中，硬件配置主要分为四类：采集模块、处理模块、存储模块和数据
传输模块。

第一个图像采集模块用于初始化整个系统，其任务是采集原始图像。

第二个模块是主要的图像采集模块，其主要任务是全面分析和处理采集的图像数
据，并获取和传输图像。

第三个存储器是暂时储存从图像处理模块传输来的图像数据的地方。

第四传输系统的主要任务是与主系统进行通信，将采集到的图像数据传输到主计算机进行显示和存储；STM32控制器用于智能访问控制，使用各种通信协议实现外部控制。

显示器在屏幕上显示系统时间，同时提供屏幕上的系统菜单，供用户紧急配置。

记录功能：主要是存储用户的开启密码和开启日志，以便日后查阅文件。

外部开放模块主要是一个业务终端，从包括面部识别模块、读卡器模块和键盘模块。

该系统的组成部分如图2所示：
图2 整体方案实现框图
（一）操作可行性分析
第一个步骤：启动装置，开启内部和外部的断路接线；
第二个步骤：当系统发现有键盘输入命令的时候，就会启动 CPU和移动摄像机的数据传输；
第三个步骤：开启 CPU与 TFT LCD的连接，此时摄像机捕捉到的图像将被即时地投影到 LCD屏幕上；
第四个步骤：在 SD卡里把相片以 JPEG的形式保存下来。

图2-1显示了在启动时将执行上述步骤的运行过程。

图2-1 试验流程
（二）图像处理控制器选择
作为整个控制系统的心脏和核心，控制器是整个嵌入式系统中最重要的环节，整个系统的性能和平稳运行直接取决于其控制机制，目前市场上有各种各样的控
制器芯片，ARM的性能复杂、成本高、功耗大，在各种应用中使用ARM作为主控
制器是普遍的做法。

它们也是完全不同的。

新开发的控制器芯片是项目的核心，
提供图像控制、视频信息和视频数据传输，操纵，在为每个模块选择组件时，必
须充分考虑整体性能和功耗。

最后，必须评估该系统的可扩展性，所以在本文中，STM32F407ZGT6被用来作为图像控制器。

除了良好的器件配置外，本文所选择的STM32F407还包含了许多必要的信息：STM32F407具有广泛的功能，本文只对其
中最重要的功能进行描述。

与传统的单片机芯片（如STC89C52）相比，它的计算速度有了很大的提高。

该芯片基
于32位RISC Cortex-M4微控制器架构，工作速度高达168 MHz，并有一个浮点运算模块[1]。

引脚图见图2-2。

图2-2 引脚图
具体来说，首先，它具有绝对的数量优势，如两个主要的FPU和DSP功能，192K SRAM板载存储器，1024KB闪存和两个定时器，都是32位的。

此外，共有
六个其他接口，包括三个SPI，12位ADC和IC，12位DAC，两个CAN，DMA控制
器（共16个通道），三个串行接口（DCMI，SDIO和FSMC）和112个常规I/O接
口它还具有一个外部以太网MAC控制器，用于10/100 M以太网通信。

STM32F407
的帧率（如2600 W像素/芯片）明显优于FM32F407 F4系列。

只需几秒钟。

（三）储存组件选取
我们看到的图像是光的闪烁，但在实际捕捉图像时却没有这么快，传感器只
是在捕捉图像。

它必须是一个不仅能读取和传输图像的缓冲器，而且在整个图像
捕获后还能充当传输缓冲器，只记录整个图像的开始和结束。

否则，数据就会杂
乱无章，无法实现流畅的图像采集和传输。

目前，有几种类型的存储芯片，每个
晶体管都有自己的目的和用途，它们被集成并内置在控制器中，使得这一个项目
可以使用多个存储芯片。

(1)SDRAM存储器。

SDRAM是一种同步的动态随机存取存储器，也叫内存，对操作进行编码。

在执行程序之前，操作系统将程序加载到内存中，然后由CPU按顺序访问、解码和编程。

嵌入式SDRAM是一个带有数据芯片的内存阵列[2]。

要访问这个块，首先要设置两个主地址，
一个列地址和一个行地址，以快速定位所需的块；SDARM的编码器。

(2)SD存储器。

这是著名的SD存储器，用于便携式设备，如手机和MP3,4,5等。

这种存储器使用高速存储器，具有许多优点。

它体积小，便于携带，速度极快，可以存储大量的数据。

SD存储器和SPI存储器也是可用的。

因此，它们在工业领域发展迅速。

在过去，工业存储的接口是ATA，通常是2.5硬盘或PC （TureIDE系统），有时是CF或DOM。

而ATA卡和SD卡之间有很大区别。

（四）人体红外检测选取
本装置采用了一种用于对人体进行感应的红外热释电感测器。

到达人体后，利用微处理器驱动摄像机进行图像的获取和传输从而降低了系统的功率消耗。

本课题所选择的红外线探测模组为小型SR602型人体电感模组，该模组具有高的敏感度、快速的反应能力和静态功率消耗体积小，体积小。

该模组工作于3.3至15 V，具有完全的自动式感测功能。

在感知到人类身体的时候，高电平，可以进行
重置。

复合触发器；集成电路放置在铁外壳中，具有很好的抗干扰性和低 EMI。

以数字方式打开的模组关量的输出， OUT的输出可以与单片机的公用 I/O接口
进行直接的接口。

（五）话音提示选取
本装置选用了XFS5152CE的声音综合芯片来完成该系统的工作状态提示，例如：在启动时，“人脸身份”的入口控制系统已经启动。

在完成了面部解锁的情况下，提示“门已打开”。

用来调节声音的钥匙。

XFS5152CE是一种高集成的声音综合芯片可进行中文和英文的语音综合；它还具有语音编码解码功能，可实现使用者的录制及回放；此外，它还创造性的整合了轻型汽车。

级别的声音辨识能力，可识别30个指令，同时也能为使用者提供支援自定义要求的指令。

它能提
供 UART,I2C, SPI三种通信模式，UART串行接口可提供4种通信速率：4800比特/秒，9600比特/秒，每秒57600比特，每秒115200比特。

该系统使用了一种串行通讯方式。

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二、智能化门禁管理体系的设计和实施
当前，市面上有很多以脸部为基础的智能控制系统，但是大部分都是功能比较单一的，识别率低，容易受到外部环境的干扰，怎样在具体情况下，按照现实需要设具有较强的性能，本论文所涉及到的是一个嵌入式的系统，为了确保该系统能够正确地完成相关的工作，必须对其进行硬件电路的设计。

（一）主机控制系统设计
该系统使用
了基于意法半导
体Cortex-M4架
构的STM32F407
微控制器，具有
1MB的内部存储
器和192KB的
RAM，采用LQFP
封装。

微处理器
的主要用途是存储图像数据和定义具体的应用，特别是使用OV7725图像传感器进行手写图像处理 OV7725提供的图像数据可以通过以太网接口传输到主机，或者存储在SD卡的SRAM存储器中。

由于连接到微处理器的外部设备不同，硬件设计也大不相同。

下方图3-1是一个微处理器的原理图：
图3-1 微控制器STM32F407原理图
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（二）开始方式设定界面
STM32F407的驱动方式多种多样，在选择的时候，可以通过BOOT0和BOOT1两个函数来设置相应的参数。

更多细节在下面的表格3-1中展示了有关的开始方式。

表3-2 STM32启动模式说明
开始方式解释
从使用者闪存的存
储器中开始
从FLASH开始
从系统的存储器开始
本方案用于串口的下载
从SRAM开始本方案用于在SRAM
中调改
如上图所示，要从串行界面中下载程式，您需要将 BOOTO设定为1,BOOT1设定为0，按「重新启动」按钮即可看到 MCU工作。

将BOOT0设置为0,BOOT1可以任意设置。

系统采取的是前一种方式。

在这种方法中，BOOT0和BOOT1通过 DTR 和 RTS的 DTR和 RTS在串口上的 RTS和 DTR的数据，因此无需手动切换即可方便地进行。

（三）摄像电路系统设置
使用STM32F429对SCCB进行了初始化，并对DCMI进行了初步的初始化。

设定DCMI界面作为帧间中断，然后SCCB的工作参数数字可进行结构化，包含影像的输出形式、输出尺寸等。

系统启动并设定好了初始化的条件，DCMI会自动打开面部图像资料一样，最终由微处理机将OV5640所拍摄的图像DMA图像资料传送至资料缓冲区域，在每次取得影像资料时，会发生中OFF，在DCMI中加入一个中断的Service功能，接着缓存区的一帧影像资料传输，完成一幅影像的摄取与传
送。

该系统的内部通讯采用I2C，LWIP是一种轻量化的开放源码IP，仅需少数RAM及ROM即可执行，无需操作者，可以说这是一个内置的操作系统，是使用最佳的TCP或IP来执行该协定的方法。

三、软件设计
经过以上的剖析，我们对整个影像采集的流程和关键线路的选取进行了明确的整理。

本章主要介绍了在图象处理中，怎样选择和设计相应的相应的软件。

图像获取的质量直接影响到系统的硬件质量。

在本节中，我们讨论了一个特定的软件开发环境，以及获取资源的方法，以及图像处理、获取和传输。

下面的附图4-1给出了具体的主程序软件的设计流程。

图4-1主程序系统流程图
（一）软件开发环境简介
本系统的软件主要包括两个方面：上位机程序和单片机程序。

本系统的一些程序，包括系统主程序、底层驱动程序和模块模块程序，所有程序都是用C语言单独编制的。

在完成软件和软件的设置之后，对系统进行初始化，以保证整个软
件的正常工作，在感应器区域发现人体时，开启照相机进行图像收集，并将其通过WIFI传输到主机，主机将采集到的面部数据与数据库中存储的面部数据进行比对，然后将数据传输到MCU,MCU对相关元件进行操作。

（二）上位机系统初始
上位机系统的主要功能是实现面部的识别，并能实现基于计算机的计算机系统进行开发，为开发者提供合适的软件平台，方便又节约了研发的周期。

本文选择了 Linux和OpenCV的开源电脑视觉知识库来进行系统的软体的设计OpenCV程序有很多的体系，具有很高的可移植能力，并且大多数的库功能都是C函数的，其公开性强，里面有许多的图象加工和计算机视觉，而且这些代码基本上是自由的，因此非常适合开发者使用。

（三）图像传输组件程序
本系统选用OpenWRT，WIFI接口，实现图像的传输和图像的实时间的展示和传送，MySQL的MySQL存储储存使用者资料及开启纪录。

OpenWRT具有很强的模块性和动态性。

集成了强有力的网络界面和非常强的内嵌Linux系统[3]。

该系统采用高通AR9331作为主控单元，并将其作为整体。

MIPS24K内核，1个5口百兆Ethernet交换机，高速串口，USB2.0主机/设备接口[4]，400 MHz的最高主频率和64MB的板载DDR2内存，8 MB Flash，支持无线传送率的IEEE802.11b/g/n最高150Mbps,100米的无线传送。

STM32单片机WIFI模块本设备的接口，采用串行接口，WIFI接口RXD接口，STM32为TXD,TXD为STM32。

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参考文献
[1] STMicroelectronics group of companies. STM32F405xx
STM32F407xx Data [Z]. 2011, (11): 1一10.
[2] Liu Y, Liang Y, Cheng Y. Design and implementation of image acquisition system based on ARM and Linux[C]//Electronics and
Optoelectronics (ICEOE),2011,International Conference on. IEEE, 2011，3:V3-49-V3-52.
[3] 张浩.基于WIFI可视化门禁系统的设计与实现.信息技术与信息化方案与应用,2018(4).
[4] 张萍,等. 基于Android平台的 WIFI遥控智能小车的设计. 计算机测量与控制,2018,26(6).
2022年大学生创新训练项目“智能便捷宿舍门禁控制器设计”国家级一般项目，项目编号202213604035
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