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2023年全国大学生物联网设计竞赛已经落下帷幕，下面将为大家分享我们的作品。
团队介绍
参赛单位：河海大学
队伍名称：这个名字已经烂大街了
指导老师：单鸣雷 谢迎娟
参赛队员：朱立超、程仪、林博涵、张环宇
全国总决赛奖项：三等奖
安谋科技企业命题
竞赛题目：IoT智门口道监控系统
竞赛内容：多样开门方式、走廊人员检测、摄像头自动跟随、开门警报记录、云端数据储存等。
项目简介
随着技术的进一步发展和需求的增长，社会对于安全与便捷的需求也在不断上升。在这个快节奏的时代，人们对于门禁系统的要求不再局限于简单的出入管理，更加注重系统的智能化、高效性以及与其他系统的整合能力。现代社会门禁系统早已不再只是传统的钥匙和锁的简单代替，而是结合了生物识别、物联网技术、人工智能等先进技术，实现了全新的功能和应用。
智能门禁系统的设计旨在解决传统门禁系统存在的诸多问题，提供更高效、安全和便捷的门禁控制方案，具有巨大潜力和广泛需求。门禁系统作为一种高级门禁控制解决方案，满足了各行各业对安全性、访问控制、数据管理和便捷性的需求。近年来，智能门禁系统在技术创新和应用拓展方面取得了巨大的进步。从教育、商业到社区，智能门禁系统正逐步改变着我们生活和工作的方式，为我们带来更智能、高效、安全的生活环境。
本项目使用的控制板是灵动微电子公司的MM32F5270开发板。MM32F5270是一款搭载了安谋科技Arm China STAR-MC1内核的MCU产品，其工作频率可达120MHz，内置多达256KB Flash和192KB RAM，配置浮点运算单元（Floating Point Unit,FPU）、数字信号处理单元（Digital Signal Processing，DSP）、信号间互联矩阵MindSwitch、可配置逻辑单元CLU、三角函数加速单元CORDIC等算法加速单元，并集成了丰富的外设模块和充足的I/O端口。MM32F5270相较于现有产品全面提升了性能、存储容量、总线架构和外设配置。
特色与创新
IoT技术应用
1 云平台连接
借助ESP32无线WIFI模块，智能门禁系统实现了远程监控和控制功能。用户可以通过WIFI模块连接至服务器，从而控制小程序显示以及云平台的移动设备，随时随地实时监视门禁系统的状态和活动。无论身处何地，用户都能轻松地查看谁进出了门禁区域，并能根据实时上报的时间迅速采取必要的行动。这种便利性使得门禁系统的安全性和可管理性得到了大幅提升。
传统的门禁系统通常是基于本地服务器或控制器进行管理，而本创新将门禁系统的数据和功能集中到了云平台上，并实时将数据上传到数据库。这种连接方式极大地提高了系统的可访问性和可管理性，用户可以通过任何连接互联网的设备随时随地远程监控和控制门禁系统。
2 通信和交互
本作品WiFi模块采用TCP透传的方式，通过云平台和云服务器作为数据接口，使得用户与门禁系统之间能建立快速、稳定的实时通信通道。从而摒弃了繁琐的AT指令，解决了大数据传输慢，单次数据量传输少的缺陷。这意味着用户可以立即接收到有关门禁系统的关键信息，如门禁状态、报警信息等。同时，用户还可以通过移动设备与门禁系统进行实时交互，例如利用小程序实现远程开锁、远程监控门禁状态等。这种实时通信和交互的能力大大提高了门禁系统的操作灵活性和便捷性。
3 数据集中管理
通过将门禁系统与云平台和数据库连接，所有的门禁数据得以集中管理。云平台可以存储和处理大量的门禁记录，包括用户进出门禁区域的时间、监控图片以及门禁状态等。用户可以通过这些数据更好地了解门禁系统的使用情况，判断是否有可疑人员出入，并作出相应的决策和改进。
微信小程序集成
1 使用体验方便
微信小程序是广泛普及和使用的移动应用平台，几乎每个人都可以轻松地下载和使用。通过将智能门禁系统与微信小程序集成，用户可以直接在微信中打开小程序，实现查看门禁数据、抓拍图片以及遥控开关门等功能，无需额外下载其他应用程序或登录其他平台。这种无缝集成的方式带来了极大的便利性，让用户能够随时随地通过简洁的微信界面来管理门禁系统，使得门禁系统的使用更加便捷和高效。
2 实时数据更新
微信小程序集成为智能门禁系统带来了实时数据更新的优势。通过与云平台的连接，智能门禁系统可以将门禁数据实时同步到微信小程序中。当有人员进出门禁区域或发生其他门禁事件时，相关的数据会立即更新并显示在微信小程序的界面上。这种实时数据更新的功能使用户能够及时获取最新的门禁信息，如进出记录、警报事件等，保持对门禁系统的实时感知。
通过微信小程序实时数据更新的优势，用户可以快速了解门禁系统的状态和活动。他们可以实时查看谁进出了门禁区域、何时进出，甚至可以获取到具体的门禁记录。这种实时数据更新的功能对于安全性管理和活动追踪非常重要。用户可以即时检查门禁系统的运行情况，确保未经授权的人员无法进入受限区域，并能及时采取必要的措施。
3 数据记录与分析
小程序不仅仅是一个简单的门禁控制工具，更是一款集报警记录、数据分析和可视化呈现于一体的多功能应用。其具有历史报警记录和数据分析功能，以及通过曲线图直观展示的方式，为用户提供了更深入的安全信息和洞察力。无论是门禁系统的异常事件、访客记录，还是其他可能引起警报的情况，小程序都会将这些信息进行准确的记录，并将照片作为实物证据加以保存。这为用户提供了一种方便而可靠的方法，用以了解门禁系统的安全情况，并在需要时进行查证和回溯。它能够自动地分析近30次报警记录，从中挖掘出潜在的模式、趋势和异常。通过这一功能，用户可以更好地理解报警事件之间的关联，识别可能的风险因素，并针对性地制定安全改进计划。这种视觉化呈现方式不仅提供了直观的数据呈现，还能够帮助用户更容易地识别出可能的周期性或突发性事件。
图1 微信小程序界面图
人脸识别技术
1 身份验证高效性
人脸识别技术通过采集门禁区域的图像数据并进行人脸识别，实现了快速、准确的身份验证。用户只需在摄像头前进行简单的人脸扫描，系统即可迅速将其与事先存储的授权用户的人脸数据进行比对。这种身份验证的高效性使得门禁系统能够快速确认用户的身份，从而减少了传统的密码或卡片验证方式所带来的麻烦和繁琐。
2 高安全性保障
引入人脸识别技术为智能门禁系统带来了更高的安全性保障。传统的门禁系统往往依赖于密码或卡片，但这些验证方式存在着泄露、遗失或被盗用的风险。而人脸识别技术基于个体的唯一生物特征，难以伪造或冒用，大大降低了非法闯入的可能性。只有经过身份验证的用户才能进行开锁操作，确保门禁区域的安全性得到有效的保护。
3 提升使用便捷性
相比传统的身份验证方式，人脸识别技术在使用上更加便捷。用户只需站在门禁区域的摄像头前，无需携带额外的卡片或记住复杂的密码。这种无感知的身份验证方式使得用户可以快速进出门禁区域，提升了使用的便捷性和效率。
居家安全监控
1 儿童居家异常报警
智能门禁系统设置了儿童锁，当儿童或者老人独自在家中，发现门外异常时，按下报警键，门禁系统自动亮红光警示驱逐并向监护人发送报警信息，此时，无论是密码开门，还是刷卡开门，都无法打开。儿童锁功能是一项综合性的安全措施，以创新的方式回应家庭中的特殊需求。通过紧急报警、自动化警示和及时通知的组合，它在儿童和老人独自在家时，为家庭成员的安全保驾护航。这一功能的引入，不仅仅展示了技术在安全领域的前沿应用，更凸显了对家庭幸福的关切与呵护。
2 消防关联报警
摄像头部分部署有烟雾识别的算法，能够识别检测火情，当楼道内识别到烟雾判断为火灾隐患则会向用户发送报警信息，拍摄照片紧急联系户主。
通过以上技术创新点，本作品实现了IoT技术的应用、微信小程序的集成、人脸识别和居家安全监控的应用，这些技术的应用以及功能创新使得智能门禁系统更加智能、安全、便捷、高效，满足了不断发展的安全管理需求，并为用户提供了更优质的门禁管理体验。
系统设计
总体结构设计
本作品的感知层包括摄像头模块、密码按键以及NFC卡读取器，主要功能是与用户进行交互并获取必要的输入数据。
MM32F5270开发板是整个产品的核心主控部分，作为控制核心的功能，他进行了处理传感器数据和控制门禁设备以及与云端进行数据交互的任务。并且各个状态下都会有相应的语音播报。
传输层利用WIFI模块实现云端数据交互。WIFI模块负责与服务器进行透传，将采集到的图像数据、家电状态、紧急报警信息等传输到云服务器。云服务器再将数据传送到小程序，最后再由小程序将数据发送给单片机进行超控。
图2 总体结构设计示意图
机械结构搭建
本作品通过控制电机转动控制门的开关，摄像头搭载在二维云台上，主控核心与摄像头之间没有进行任何有线连接，而是使用无线串口实现了分离式的设计，并且给摄像头增加了一个云台，通过深度学习算法，可以实现无死角自动追踪人体。
图3 作品结构搭建图
图4 二维云台
控制电路设计
本作品采用了摄像头模块、密码键盘、语音播报模块以及NFC卡进行感知层技术的实现，利用esp32物联网模块实现传输层技术，使用MM32F5270作为控制核心，通过阿里云物联网平台进行数据交互和远程控制。通过软件开发技术和云应用，实现了门禁系统的功能和云端管理。并且，通过数据挖掘和可视化应用，对门禁系统的数据进行分析和展示，提供更加全面和直观的信息。
图5 作品功能结构框图
1 感知层技术
1.1摄像头模块
OpenMV是一种基于MicroPython的开源计算机视觉平台，专门设计用于嵌入式系统和物联网应用。它具有小巧、高效的特点，并且集成了图像传感器、处理器和运行MicroPython的环境。通过OpenMV模块，门禁系统可以获取门禁区域的图像数据，并进行以下功能：
1、 图像处理：OpenMV模块内置了图像处理库，可以进行常见的图像处理操作，如图像滤波、边缘检测、二值化等。这样可以对门禁区域的图像进行处理，提取有用的信息，为后续的人脸识别和人体感应功能提供支持。
2、人脸识别：OpenMV模块支持人脸识别算法，并提供了相应的API和库。通过采集门禁区域的图像数据，可以对人脸进行识别和验证，判断用户的身份是否合法。这样可以增强门禁系统的安全性，只有经过身份验证的用户才能进行开锁操作。
3、人体感应：OpenMV模块集成了红外传感器和图像传感器，可以进行人体感应功能。通过检测门禁区域是否有人存在，可以触发门禁系统的相应操作，如自动开门或警报。同时，当门外无人时，系统可以进入休眠状态，以减少能量消耗。
综上所述，OpenMV模块作为感知层的一部分，在门禁系统中具备图像处理、人脸识别和人体感应等功能，为系统提供了感知能力，以支持门禁系统的正常运行和安全性增强。
图6 摄像头模块
1.2密码按键
密码按键为四个按键，用户可以通过按下E0、E1、E2三个按键来输入密码。在门禁系统中，当确认密码按键（E3）被触发时，系统将读取用户输入的密码。
通过密码按键的使用，门禁系统可以提供一种传统的身份验证方式，以补充图像处理和人脸识别的功能。用户可以选择使用密码按键进行开门，以增加门禁系统的灵活性和安全性。
1.3刷卡开门
NFC（Near Field Communication，近场通信）卡是一种无线通信技术，它可以与门禁系统进行近距离通信。以下是NFC卡在门禁系统中的使用方式：
NFC卡可以作为一种方便、快速的身份验证方式。用户只需将NFC卡靠近读取器，就能进行快速的身份验证，无需手动输入密码。此外，用户可以将NFC卡保存在手机上，使用手机的NFC功能进行刷卡开门。
通过结合OpenMV模块、密码按键和NFC卡，门禁系统可以提供多种身份验证方式，增加灵活性和安全性。用户可以根据自己的需求和偏好选择合适的身份验证方式来开启门禁系统。
图7 NFC卡读取模块
2 传输层技术
2.1TCP透传技术
TCP协议是智能门禁系统传输层的基础。它是互联网传输数据的核心协议，具有可靠性和稳定性。TCP (Transmission Control Protocol) 负责在传输过程中进行数据分包、传输、重传等操作，确保数据的完整性和准确性。Wifi模块开启透传模式后，可以不再拘束于特定的AT指令，可以快速准确地传输大量数据，且避免了数据类型或格式不同所带来的不便。
2.2WiFi技术
智能门禁系统常使用WiFi技术进行数据传输。WiFi技术提供了高速、稳定的无线数据传输能力，适用于对数据实时性要求较高的场景，为实时显示图像和时间数据等提供了技术支持。通过WiFi模块，门禁设备可以与云平台或其他管理终端建立网络连接，并实现数据的快速上传和传输。
2.3HTTP传输技术
云端服务器和微信小程序使用HTTP协议进行数据传输，这是一种常见的应用层协议，广泛用于互联网通信。HTTP协议是一种无状态的、基于请求与响应模式的协议，它使用URL作为定位网络资源的标识，并通过请求方法（如GET、POST等）来表明对资源的操作。微信小程序与云端服务器通信，以及WiFi模块与服务器配网通信时，使用JSON格式来传输数据，因为JSON格式具有简洁、轻量且易于解析的特点。
图8 传输层示意图
3 控制层技术
MM32F5270作为控制核心的功能包括处理传感器数据和控制门禁设备。同时，它与esp32模块进行通信，接收来自云平台的指令，并判断开锁请求的合法性，最终发送开锁指令给门禁设备。
3.1传感器数据处理
MM32F5270负责接收和处理从感知层（如OpenMV模块和NFC读取器）传来的传感器数据。它可以对采集到的图像数据进行处理、进行人脸识别算法的运算，或者获取NFC卡的信息。通过处理这些传感器数据，MM32F5270可以提取关键信息，进行身份验证或者判断门禁系统的状态。
3.2控制门禁设备
MM32F5270通过与门禁设备的通信接口，控制门禁设备的开锁操作。它可以发送开锁指令给门禁设备，使其解除锁定状态，从而允许合法用户进入。
3.3与esp32模块的通信
MM32F5270与esp32模块进行通信，以实现与云平台的连接。它负责接收从esp32模块传来的数据，如云平台的指令或者门禁状态信息。同时，MM32F5270将处理后的传感器数据或门禁状态信息发送给esp32模块，以便通过互联网传输到云平台。
3.4判断开锁请求的合法性
当MM32F5270接收到来自云平台的开锁请求指令时，它会对请求进行合法性判断。通过对用户身份验证的结果、密码输入、NFC卡信息等进行比对，MM32F5270可以确定请求是否合法，并决定是否执行开锁操作。
4 云应用
4.1技术概览
本作品采用阿里云云服务器作为云端应用，用于门禁设备的数据交互和存储。同时，结合微信小程序作为用户交互页面，用户可以通过小程序从云服务器获取门禁设备的各类数据和信息，并通过与门禁设备建立tcp连接来实现远程控制。
4.2 技术细节
在云应用方面，使用阿里云云服务器作为云端应用平台，通过云服务器提供的高可用性和容错机制，使用springboot技术框架保证门禁系统的稳定性和可靠性。门禁系统的数据存储和管理采用MySQL和Redis等数据库，实现对门禁系统数据的快速存储和查询。
在小程序方面，通过与阿里云云服务器进行数据交互，支持用户远程访问和控制门禁系统。用户可以通过微信小程序获取门禁系统的实时监控数据、开门记录、警报信息等，同时可以通过小程序远程控制门禁系统的开关、密码设置、查看可疑人员警报等功能。
在门禁设备方面，通过与阿里云云服务器建立TCP连接，实现门禁设备的远程控制和数据传输。门禁设备可以将监控数据、报警信息等实时上传到云服务器，同时可以接收来自云服务器的远程控制指令，实现开门、报警等操作。
参赛心得
参加全国大学生物联网设计竞赛并获得全国三等奖是我大学生涯中的一次宝贵经历，也是我不断学习和成长的见证。这次竞赛是一次全新的挑战，要求我们将理论知识与实际应用相结合。从选题到设计、开发再到最终的展示，我都亲身经历了整个项目的生命周期。这个过程不仅让我深入了解了物联网技术和智能系统的原理，还培养了我团队协作、解决问题和项目管理的能力。
首先，我要由衷地感谢赞助企业安谋科技。他们的支持对我们的竞赛之旅起到了至关重要的作用。他们向我们提供了宝贵的开发板资源，这为我们的项目提供了坚实的技术基础。他们提供的参赛材料为我们的项目提供了关键的硬件和软件支持，使我们能够将想法转化为实际的产品。此外，他们提供的竞赛平台为我们提供了一个展示作品的机会，让我们的努力得以展现给更广泛的观众。
其次，我要衷心感谢我们的指导老师单鸣雷老师。他在整个竞赛过程中都不遗余力地指导和鼓励我们。他分享了丰富的经验和知识，帮助我们克服了困难，指引了我们在项目中的方向。他的耐心教导和无私奉献让我们受益匪浅。
此外，竞赛也让我更好地理解了团队合作的价值。与队友一起工作，我们能够共同克服困难、分享知识、互相鼓励，最终将一个理念变成了一个完整的项目。这种协作精神将在未来的职场中变得至关重要。
比赛已落下帷幕，过程中仍留存有遗憾，好的作品需要长时间的打磨沉淀，更需要创新特色来点缀。这次竞赛不仅让我取得较为满意的结果，还激发了我对物联网技术和智能系统的更深兴趣。我相信，这个领域将会持续发展，我期待着在未来的职业生涯中继续深入研究和应用相关知识。
视频展示
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