[嵌入式]（毕设3）基于esp32-cam单片机门禁系统设计（附源码，PPT演示视频）

一、绪论

（一）研究的目的及意义

（二）国内外研究现状

（三）研究方法及论文结构

二、关键技术及协议

（一）开发语言

本次设计使用的开发语言是micropython, micropython是小型的python语言编译器，它支持python语言在嵌入式设备上运行，micropython与python的语法一致，支持常用的python语法。micropython是计算机工程师和物理学家 Damien George 在2013年创建。micropython的程序无需编译就可以直接在开发板运行。通过干净、简单的Python代码来控制硬件，使用者不用使用像c或c++十分复杂的底层语言控制硬件控制硬件。

（二）通信协议

1.IEEE 802.11协议

本文中的esp32-cam与esp8266使用的网络为wifi网络，wifi协议是ieee802.11协议的一个组成部分，用于无线局域网络的数据传输，弥补无线局域网络传输数据的不足，工作频段分为2.4Ghz和5Ghz，帧结构相对复杂。

2.MQTT协议

MQTT是IBM设计，是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议[11]，esp8266与node-red使用该协议，这个协议以TCP/IP协议为基石，易于实现，简单，使用比较少的代码和比较有限的带宽。

MQTT使用发布与订阅消息模式，一个发送者可以使多个消息者接受，使应用程序更加灵活，实现了对负载内容屏蔽的消息传输。消息的发布者、代理服务器、消息的订阅者是完成mqtt通信的三个组成部分。[8]主题和负载是是消息的两个部分。Mqtt通信模型如图 2-1?mqtt通信模型

图?2-2?mqtt通信模型

3.IIC协议

esp32-cam与oled显示屏使用IIC协议，IIC协议使用两根信号线即可实现主设备和从设备的通信,开发板仅需要两个普通的输入输出引脚即可向oled屏传输消息，IIC协议分为数据帧和地址帧，IIC主要有硬件实现和软件实现两种方式，本次设计使用的是软件实现，软件IIC是程序控制SCL,SDA线输出高低电平，模拟i2c协议的时序。软件实现IIC一般较硬件实现IIC稳定。

4.UART协议

esp8266与as608指纹传感器通信使用UART协议，Uart协议可以实现全双工传输和接收数据，是一个通用的通用串行数据总线，它的基本结构有六种比较常用的寄存器。

5.HTTP协议

esp32-cam单片机与与巴法云平台通信,微信小程序与巴法云平台通信使用此协议，HTTP的中文名字叫超文本传输协议，它是基于TCP协议来传输网页和图片文件的协议，端口是80，HTTP比较常见的请求方法为GET和POST。文中esp32-cam使用post方法传输图片到云平台，微信小程序使用post方法请求云平台中的图片来给用户展示。

6.Socket协议

esp32-cam单片机与esp8266单片机通信使用Socket协议。Socket借助TCP协议实现，它是一个的中间软件抽象层。Socket其实就是一个通信模式，它能够简化通信，可以把复杂的通信协议变得简单，Socket相当于一个接口，用户只需要使用这个接口，而不需要考虑这个接口后面的东西是什么，只负责组织计算机双方的数据的传输。

（三）软件

1.Pycharm

PyCharm是python的集成开发环境,功能比较强大，是一个比较不错的软件。另外，pycharm还有一些高级的功能，比如版本控制、自动搭建web开发框架等。Pycharm在项目中用来运行人脸验证的服务端。

2.Upycraft

uPyCraft是一个用于micropython开发的IDE工具，支持比较主流操作系统。，uPyCraft在windows系列系统上都采用点击exe文件即可使用的方法。uPyCraft在项目中用来为单片机烧录micropython的固件，其较传统的固件烧录更加简单。

3.Thonny

Thonny是一个用于micropython开发的IDE工具，支持比较主流操作系统。它里面有一个类似pip的工具包，对于下载一些库很友好，不用专门到官方网站里面下载，它是用tkinter开发出来的python ide，有一些不错的功能等功能，Thonny在项目中负责编写esp32-cam和esp8266单片机的程序，并且上传至单片机中。

4.Activemq

Apache ActiveMQ是一个消息服务器。这个服务器可以使用C，Python，java等程序等连接。它是由java开发的，开源，支持多协议，可以使用STOMP通过websocket在Web应用程序之间交换消息，本文使用它作为mqtt服务器转发消息，node-red web端的mqtt消息通过它转发给esp8266单片机。

5.Node-red

Node-red 是由IBM开发，是一种简化物联网开发的一种基于流的可视化编程平台编程工具，目前是OpenJS 基金会的成员之一。

Node-red的编程环境是在网页中，用户运行Node-red服务器，通过浏览器登录开发平台，现将已经写好node节点拉到工作区并用线连接节点创建数据流来实现一些功能。用户通过部署即可运行。创建的这个程序以JSON字符串的格式保存，用户可以分享、修改这个程序。

6.Face Recognition

Face_recognition是一个人脸识别python库，由于这个项目开源可以免费使用，这个人脸识别库目前用的人比较多，国内教程比较多。用一些国外的人脸数据集进行测试，它的准确率很高，这个项目的配置运行有两种方式，pip和conda,pip下载十分复杂，conda下载类似linux中的yum下载，十分友好，因此采用conda下载该项目。

7.微信开发者工具

用于开发微信小程序和公众号网页开发，项目中主要用它完成监控画面的获取并在手机上展示。方便用户查看。

（四）硬件

1.esp32-cam

esp32-cam是一个带有摄像头模块的单片机，可以在上面运行c或者micropython程序，可以作为一个系统进行独立的工作，它的正常供电电压在5v,它的电流最低为6mA。它在各种物联网场合都能使用，价格便宜，可用于很多物联网解决方案中。Esp32-cam的管脚定义，如图 2-2管脚定义

?

图?2-2管脚定义

esp32-cam的最小系统图，如图 2-3 esp32-cam最小系统图

?

图 2-3 esp32-cam最小系统图

2.esp8266

nodeMcu是一个esp8266开发板，工作电压为5v,有两个模拟输入引脚，10个pwm引脚，两个串行端口，有软件模拟的I2C端口，没有硬件I2C端口，4个spi端口，可以运行C，micropython程序，使用简单容易上手。引脚对应关系如图 2-4 ?esp8266引脚对应关系

?

图?2-4 ?esp8266引脚对应关系

nodemcu模型图，如图 2-5 nodemcu模型图

图?2-5 ?nodemcu模型图

3.Ly-01电磁锁

Ly-01电磁锁的供电电压是12v，在介绍电磁锁的原理之前需要介绍一下电生磁的现象，一条通电的直导线空间会产生圆形磁场。这条导线中的电流越大，那么其产生的磁场越强。该导线产生的磁场是圆形，会围绕导线周围。

电磁锁的原理是电磁锁通电时，电磁锁的电磁线圈产生电磁力会把锁芯吸入锁内，即锁打开，通电结束，电磁力消失，弹簧把锁芯弹出，即锁关上。

4.as608指纹传感器

As608指纹传感器有两个通信总线，分别为uart和usb,由于usb实现比较复杂，故本文采用uart通信总线与esp8266单片机进行通信，as608指纹传感器芯片是由杭州晟元芯片技术有限公司设计，它有8个控制接口，可以进行二次开发，指纹识别是一对多，指纹验证是一对一，一般它的控制指令一般分三种，包括指令包，数据包和结束包，实现指纹验证的思路一般先把指纹的图像录入进去，然后对录入的这个图像生成一些特征，然后根据这个特征做指纹的验证或者注册，或者删除。

5.mfrc522非接触式读写卡芯片

mfrc522芯片是一个非接触的读写卡的芯片，质量高，价格便宜。它和s50卡常用于门禁系统，水卡系统，饭卡系统，它有uart,iic,spi三种通信接口，通信速率可以达到13.56MHz,本文使用mfrc522芯片通过uart协议与esp32-cam单片机进行数据的交互，可以实现RFID射频系统识别开锁。Mfrc522芯片原理图如图2-6 mfrc522芯片原理。

?

图?2-6 ?mfrc522芯片原理

6.oled显示屏

oled是一种显示屏，其发光过程共分为4种，其功耗比较低，显示效果比led好，接线数量少于lcd屏，可以减少单片机端口的占用，本文采用oled显示屏代替lcd屏连接esp32-cam单片机用于显示相关信息。

7.Pir传感器

热释电传感器PIR可以检测是否有人，常用于监控领域，PIR传感器里面的材料压电陶瓷类电介质存在自发极化特性，当这个材料表面受到人体红外辐射温度会升高，上面的电荷减少，减少的电荷经过一些特殊处理会变成电压信号输出，单片机收到这个信号会根据内部的逻辑作出相应的处理，当红外辐射消失，电荷则会恢复，电压消失。热释电原理如图2-7热释电原理图

?

图?2-7?热释电原理图

8.继电器

继电器是一个低电流控制高电流的电子元器件，常由于各种物联网项目开发，当输入的电流达到一定阀值时，会将电路进行转换，本文使用esp8266的3.3v电压引脚输出电流，用来控制12v电压给电磁锁供电，当esp8266单片机收到开锁指令后，3.3v引脚输出电流，继电器收到小电流，控制12v外部电源给与电磁锁供电，锁开，其本质是用小的电流去控制大的电流运作的一种开关，起到自动调节、安全保护、转换电路的作用[4]。

三、门禁的系统设计

（一）系统架构

门禁系统设计共分为四个子系统，分别为人脸识别系统，射频识别系统，网页控制系统以及指纹识别系统，本文重点探讨人脸识别系统和射频识别系统的设计与实现。人脸识别系统主要通过验证人脸开锁，射频系统主要通过验证卡开锁。

系统架构图如下，如图 3-1 ?门禁系统架构图

?

图?3-1??门禁系统架构图

（二）实现思路

1.人脸识别系统

验证人脸，验证成功锁开，具体实现：人靠近房门，热释电传感器PIR向esp3-cam单片机发送指令，开始拍照，照片通过wlan传送后端windows服务器（采用socket协议），由后端python程序进行人脸识别，识别成功将开门指令返回esp32-cam，收到开门指令后，esp32-cam向esp8266发送开门指令， esp8266连接继电器模块，继电器模块外接电磁锁和12v电源，[6]esp8266收到指令，发送指令给由继电器模块，继电器模块控制电源模块向电磁锁供电，锁开，人进入后，红外感应装置失去目标，程序恢复等待状态。esp8266与esp32-cam同处一个wlan网络中，工作频段为2.4Ghz,IEEE 802.11g通讯协议，为了保证安全性，在esp8266与esp32-cam中设置认证字段，在发送指令前需进行认证，在esp32-cam向服务器发送照片的同时也将照片通过http协议发送至巴法云平台，开发微信小程序对接巴法云平台展示图片，实现监控功能。

2.网页控制系统

登录网页系统，打开开关按钮，即可实现电磁锁的开与关。具体实现：esp8266连接继电器，继电器连接电磁锁和12v电源，网页向esp8266收到指令，发送指令给继电器模块，继电器控制电源模块向电磁锁供电，锁开或锁关，网页与esp8266使用mqtt协议进行通信，mqtt服务器使用activemq,网页开发使用node-red，运行node-red服务器进入可视化编程平台，对接mqtt服务器，添加按钮，设置发送的消息内容，完成之后对接activemq,在esp8266连接activemq,设置连接密码，订阅主题，根据回调函数收到的指令做出电磁锁相应的操作。

3.指纹识别系统

验证指纹，验证成功锁开，具体实现：该系统无需使用esp32-cam,使用esp8266连接继电器模块，继电器外接电磁锁和12v电源，esp8266连接as608指纹识别模块，通信协议采用UART,手指按压传感器，指纹识别成功则锁开，不成功则锁不开，若指纹识系统实现增加指纹，删除指纹功能与清空指纹功能则需要与网页控制系统做联动，通信协议为MQTT。

4.RFID射频识别系统

验证IC卡，验证成功锁开，具体实现：esp8266连接mfrc522非接触读写卡芯片，共占有单片机7个引脚，通过uart协议进行通信，该系统可以读写s50卡，先写s50卡，写完后当再次读取到这个s50卡后会向esp8266发送开锁指令，如果读取到的不是写过的s50卡，则不会发送开锁指令给继电器。

（三）流程图及电路设计

1.流程图

人脸识别流程，如图 3-2 人脸识别流程图

?

图?3-2 人脸识别流程图

鉴于另外三个方案流程图类似，略过。

2.电路设计

esp32-cam 引脚2连红外传感器，引脚6，7连接oled显示屏。

esp8266 引脚5连继电器，继电器连电源，电磁锁，引脚1,3连as608指纹传感器，引脚14, 12, 13, 15, 2连mrff522读写卡。

四、门禁的软硬件实现

（一）人脸识别系统

软件：thonny,pycharm,micropython，微信小程序开发工具，巴法云平台。

硬件：红外传感器，oled屏，电源模块，数据线，esp32-cam单片机，esp8266单片机，路由器，继电器，电磁锁。

人脸识别子系统使用micropython语言开发，云平台主要负责接受esp32-cam发来的图片，微信小程序开发工具主要负责开发微信小程序，展示从云平台获得的图片，数据线用来烧录代码，oled屏用来展示认证是否成功的消息，红外传感器主要负责检测是否有人，有人的话唤醒esp32-cam单片机拍照，路由器充当网关，负责传输无线数据，电源模块用来给esp8266单片机供电。esp8266负责连接继电器与电磁锁。

部分关键代码：

人脸验证部分

if len(unknown_face_encodings) > 0:

????????#在以存在的人脸库搜索特征码，匹配上则认证成功，匹配不上则验证失败

????????for face_who in face_list:

????????????match_results = compare_faces(

????????????????[face_who[0]], unknown_face_encodings[0])

????????????if match_results[0]:

????????????????is_name = face_who[1]

图像监控部分

#api接口，云平台的接口

API='http://images.bemfa.com/upload/v1/upimages.php'

#密钥，用于和云平台做认证

uid="ecedeb645ec8090652704f0608dad074"

#主题，相当于MQTT中的主题

topic= "123456"

#构造http的请求头

headers={"ContentType":"image/jpg","Authtopic":topic,"Authorization":uid}

#初始化相机参数,捕捉图片的大小，格式等

camera.init(0, format=camera.JPEG)

camera.framesize(camera.FRAME_SVGA)

camera.speffect(camera.EFFECT_NONE)

camera.whitebalance(camera.WB_NONE)

#连接wifi，门禁系统设计底层网络为wlan

def connectWifi(ssid,passwd):

????global wlan

????wlan=network.WLAN(network.STA_IF)

????wlan.active(True)

????wlan.disconnect()

????wlan.connect(ssid,passwd)

????while(wlan.ifconfig()[0]=='0.0.0.0'):

????????time.sleep(1)

connectWifi(SSID,PASSWORD)

#调用micropython的urequest库向云平台以http协议发送图像

def do_camera():

???buf = camera.capture()

???response = urequests.post(API, data=buf,headers = headers)

???print(response.text)

???print(response.json())

???time.sleep(40)

#不间断发送，实际应该检测到pir传感器的信号时在进行发送，为了简化展示此代码处略过。

while True:

????do_camera()

（二）RFID射频识别系统

软件：thonny,pycharm,micropython。

硬件：s50卡，mfrc522非接触式读写卡芯片，电源模块，数据线，esp32-cam单片机，esp8266单片机，继电器，电磁锁。

RFID子系统使用microython语言开发，Thonny负责编写esp32-cam,esp8266端代码，mfrc522非接触式读写卡芯片主要负责读写s50卡，s50卡用来存储读写卡芯片写的信息。路由器充当二层网关，负责esp32-cam与esp8266的通信，数据线用来烧录代码，esp8266负责连接继电器与电磁锁。

部分关键代码：

读卡

def do_read():

????rdr = mfrc522.MFRC522(14, 12, 13, 15, 2)?###连接单片机的pin引脚

????index = True ?###用于标记是否读到卡片

????try:

????????while True:

????????????(stat, tag_type) = rdr.request(rdr.REQIDL)

????????????if stat == rdr.OK:

????????????????(stat, raw_uid) = rdr.anticoll()

????????????????if stat == rdr.OK:

????????????????????index = False

????????????????????if rdr.select_tag(raw_uid) == rdr.OK:

????????????????????????key = [0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF]

????????????????????????if rdr.auth(rdr.AUTHENT1A, 8, key, raw_uid) == rdr.OK:

????????????????????????????rdr.stop_crypto1()

????????????????????????????return 1??####读取到已认证的id卡返回数字1，后续开锁函数开锁的条件值

????????????????????????else:

????????????????????????????print("Authentication error")

五、系统功能测试及部分展示

为了验证系统的正常运行，本文做了人脸识别系统，射频识别系统，网页控制系统以及指纹识别系统的测试，下面是具体的结果以及部分截图展示。

（一）人脸识别系统

esp32-cam连接wifi网络，正常。

esp32-cam获取ip地址，正常。

服务端人脸身份验证，正常。

esp32-cam与人脸认证服务端通信，正常。

服务端人脸身份验证，正常。

Pir红外传感器检测到人唤醒esp32-cam，正常。

esp32-cam 拍照上传云平台，正常。

微信小程序展示监控图片，正常。

esp32-cam与esp8266通信，正常。

esp32-cam与oled屏通信，正常。

face_recognition库调用，正常。

微信小程序监控画面展示，如图 5-1小程序端监控查看

?

图 5-1小程序端监控查看

（二）网页控制系统

esp8266连接wifi网络，正常。

esp8266获取IP地址，正常。

Activemq转发MQTT数据，正常。

esp8266连接activemq服务器，正常。

Node-red连接activemq服务器，正常。

Node-red部署web项目，正常。

用户登录web网页，正常。

Web网页与esp8266通信，正常。

Node-red web后端如图5-2 node-red web后端

?

图5-2 node-red web后端

（三）指纹识别系统

As608指纹传感器与esp8266单片机连线，正常。

esp8266单片机与As608指纹传感器通信，正常。

esp8266单片机控制As608指纹传感器注册，删除，验证指纹，正常。

as608指纹传感器读取指纹，如图 5-3??指纹读取

?

图?5-3 指纹读取

（四）RFID射频识别系统

esp32-cam连接wifi网络，正常。

esp32-cam获取ip地址，正常。

esp32-cam与mfrc522读写卡通信，正常。

mrff522读写卡读，写s50卡，正常。

mrff522读取s50卡，如图 5-4 ?mrff522射频芯片读取s50卡片信息

?

图 5-4 ?mrff522射频芯片读取s50卡片信息

六、总结

本文门禁系统设计共有4个子系统。通过借助esp8266单片机，esp32-cam单片机，红外传感器，继电器，电磁锁等硬件以及micropython, face_recognition，node-red，微信小程序等软件之间的相互配合实现了人脸识别系统、射频识别系统、网页控制系统以及指纹识别系统这四个子系统的设计。本文重点设计并实现人脸识别门禁系统和射频识别门禁系统。本系统存在一定的缺点，单片机并没有实现多进程多线程处理任务的功能，处理多个进程或线程任务时不够友好，后续需要进一步提高该系统的性能。

七、源代码，PPT及演示视频

链接：https://pan.baidu.com/s/1emct2jyJMb8tcZvm1G4XDg?
提取码：h2zy