疫情下的门禁系统硬件部分的设计与实现——系统硬件设计
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基于Python+OpenCV+树莓派设计开发了疫情下的门禁系统，主要实现：GUI交互界面、人脸识别、口罩检测、无接触体温测量、电机开关门和语音提醒等多功能智能门禁软硬件系统。本系统包含硬件和软件两部分内容较多，初步预计3~4篇文章完成全部内容介绍。
本文是该系统设计的第2篇文章，主要介绍各个功能硬件部分的设计。
软件部分设计，请点击下方链接阅读
https://blog.csdn.net/meenr/article/details/121963608
1. 总体方案框图
本系统的硬件方案框图如图1所示。由图像采集模块作为主要的输入模块完成对人体面部图像的采集；温度测量模块完成对人体温度的无接触测量；交互模块完成人机交互功能，如系统流程控制、输入被采集者姓名，同时显示温度测量、身份识别与口罩检测的结果；报警模块对温度不符和检测结果不符的情况进行报警提示；门禁锁模块对人员流动进行通行的管理。
图1 系统方案框图
2. 开发平台选择
本系统的主控制器也是处理器，选用的是树莓派4B。树莓派不仅能够像PC机那样使用操作系统，同时其扩展的40针脚的GPIO口，也能像单片机那样完成相同的功能。可谓是小小的身材上搭载了多多的资源，能实现大量的功能。全球的树莓派爱好者和开发者组成了开源完善的社区生态，为学习、交流树莓派开发经验和分享资料提供了平台，性价比较高。最新版的树莓派4B于2019年6月发布，它的外观与板载资源分布情况如图2所示。
图2 树莓派4B
本系统使用的树莓派4B开发板的硬件信息：核心处理器型号是：博通BCM2711（四核1.5GHz），LPDDR4内存8G，可以通过5V/3A USB-C和GPIO5V这两种方式来供电。支持双频Wi-Fi、蓝牙5.0、拥有2个MicroHDMI2.0接口（4K60FPS）、1个千兆以太网网口、1个MIPIDSI接口、1个MIPICSI相机接口、1个3.5mm立体声音频接口、USB3.0和USB2.0各有2个，扩展接口是40针GPIO。
3. 图像采集模块选择
常见的图像采集传感器中，可以搭配树莓派使用的有USB摄像头和CSI摄像头这两种。虽然CSI摄像头有不足之处，但是CSI摄像头可以调节帧率，而这是USB摄像头不具备的。而USB摄像头通过USB接口与树莓派连接，即插即用无需安装驱动，成像画质较好。
图3 CSI和USB摄像头
综合对比了上述两种摄像头模块，最终选取了像素值500万、帧率30fps的工业USB摄像头作为本系统的图像采集模块，图3右图。
4. 温度传感器选择
所有温度高于绝对零度（0K，约为-273.15℃）的物体都会向周围空间环境中以红外辐射的形式发射能量。红外辐射出的能量的大小和波长的分布情况与物体表面温度的高低有关。根据仪器中的算法和目标发射率，经放大器和信号处理电路校正后，将电信号再进一步转换为被测目标的开尔文温度值。
本系统使用的是以MLX90614ESF-BCC为传感器的GY906-BCC红外测温模块，该模块实物图如图4所示。GY906-BCC模块的核心传感器是MLX90614。
MLX90614温度计将测温的精度和测温的分辨率达到了兼顾的层次。该温度计出厂前已经过校准，通常可通过SMBus通信与上位机通信，将测量的温度输出。
图4 GY906-BCC实物图
GY906-BCC红外测温模块共4个引脚，其中SDA（数据线）和SCL（时钟线），连接树莓派4B的I2C通信接口。
5. 语音报警电路设计
通过音频转接线、数字音响功放和扬声器组成的语音提示报警模块。音频功放的模块的核心芯片是PAM8403，该IC是双通道的，3W，D类音频放大器，其谐波的失真率较低，噪声串扰小的特点，使其对声音的重放能够得到较理想的音质[22]。
树莓派的3.5mm音频输出口需要3.5mm音频转接线才能连接到功放模块，如图5所示，分别将分出的左声道、右声道和地三个引脚接到功放模块输入端。
图5 音频转接线与功放模块
功放模块的输出端连接到4Ω3W的扬声器，构成一个完成的音频报警模块，可实现播放音频。
6. 显示模块选择
交互模块选用7寸高清IPS液晶屏。该模块操作简单方便，外观轻小，携带方便，超薄全视角高亮高清、亮度400流明、1024×600PX的物理分辨率、可与树莓派通过HDMI接口连接，连接示意图如图6所示。
图6 显示屏与树莓派连接示意图
7. 门禁执行电路设计
本系统的门禁锁模块，设计使用SG90伺服电机，又叫舵机。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，主要用于需要输出某一控制角度的场合。它主要是由外壳、连接线、电机、电位器与位置检测元件等元件构成[23]。通过树莓派4B控制SG90舵机的旋转角度不同来驱动门禁，达到开关门和管理限制人员通行的效果。
图7 SG90舵机实物图
8. 系统调试
软件部分的大部分功能可以在电脑上完成，少量的需要搭配硬件的测试，只能在树莓派上完成。
所有软硬件资料（设计代码、电路模块资料、设计报告等），有需要的可私信
在努力持续更新中。
可以一键三连催更哦。
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软件部分设计内容地址
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