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文章编号： 2095-2163（2018）03-0079-05中图分类号： 文献标志码： A
摘要： 关键词： remote intelligent gating system based on Raspberry Pi
（School of Computer， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China）
Abstract： Compared with the traditional mechanical lock control， intelligent lock control has the features such as the electronic control modes and diverse unlocking methods， which have been applied in some occasions. But because of high product prices， it has encountered greater resistance in the home market. As a cheap solution to intelligent gating， this paper designs and implements a remote intelligent gating system based on open source hardware （Raspberry Pi）. The idea is to set up an embedded gated server on Raspberry Pi， integrate camera and ultrasonic sensors to achieve the front door monitoring， remote lock control， lock control management and other functions. After that， with the help of QR code technology， a smart key based on the mobile terminal is achieved . The system is highly integrated and has both front and remote lock control capabilities. The fruits is a feature-rich and powerful upgrade of intelligent gating.
Key words：
基金項目： 作者简介：
收稿日期： 引言
随着对家居安全性的重视，现代门锁也在融入电子技术后进入了智能化时代，为人们的家居生活提供了更安全、便捷、功能日趋丰富的用户体验。阻碍智能化门锁应用于普通家庭的主要原因是产品价格高昂，因此本文以住宅门户作为应用对象，在廉价开源的树莓派开发板基础上设计实现了一种融合视频监控、超声波测距、网络遥控和二维码技术的远程智能门控系统。
1门控系统设计
1.1应用场景
远程智能门控系统应用场景如图1所示。
从图1可以看出，门控装置安装在住宅入户门内，其摄像头和超声波传感器固定在入户门外侧，系统将依托住宅内WiFi网络进行数据传输和后台管理。另外，用户在门前可以手机展示二维码的方式实现开门功能。
1.2系统功能设计
树莓派是一款开源的基于ARM的卡片式电脑主板，门控系统以树莓派为基础进行设计，共分5个模块，对其阐释如下：
（1）近距拍照记录。通过超声波检测门外人员与入户门距离，并在一定条件下开启拍照模式，再将照片保存至系统。
（2）远程视频监控。对门前区域进行远程视频监控。
（3）远程协助门控。访客通过触发开关发送开门请求，户主可通过远程视频在确认安全情况下允许为访客开门。
（4）智能门钥。一个运行于Android上的移动应用，可通过展示门钥二维码来指令开门。
（5）系统管理。用户可通过住宅内WiFi网络以Web方式对门控系统进行后台管理、参数设置及生成智能门钥（APK：Android安装包）。
1.3硬件方案和技术路线
系统硬件除树莓派B 板外，还包括HC-SR04超声波测距传感器、USB高清摄像头、32 GB的SD卡、USB无线网卡、继电器和触发开关各一个。各部件连接即如图2所示。
本方案选用的树莓派B 板具有4个USB接口、1个HDMI 接口以及附带40个引脚的GPIO接口。
本方案中，将HC-SR04超声波传感器的5 V供电、TRIGGER、ECHO和GROUND接地4个引脚分别与树莓派的2、16、18和6号引脚连起来；选用的USB摄像头价格低廉，300万像素，即能与已有配置配合实现近距拍照，也能满足远程视频监控和二维码识别的要求。
本方案中，还需要在树莓派的SD卡槽插入一个32 G的SD存储卡，用来安装操作系统、应用软件和存储数据。
选用的USB无线网卡传输速率150 Mpbs，覆盖范围≥50 m，兼容性好，能满足与WiFi网络连接的需要（最新的树莓派3上已集成了无线网卡，无需再配）。
继电器用来模拟开门动作。在本方案中，将继电器的GND 引脚、输入引脚分别与树莓派的GND 引脚和19号引脚连接起来，控制继电器的开闭。
触发开关装在入户门外，用于发出远程协助请求。
B 板可以搭载Raspbian、Debian、NOOBS等Linux类操作系统，在其上可安装Apache、Nginx等作为嵌入式服务器来支持通过Web方式对门控系统进行访问。
Raspbian不仅占用SD卡空间少，而且内置了较完整的Python开发环境，还包含了很多树莓派相关的功能库，即方便实现树莓派硬件与嵌入式Web服务器（Apache）的深度集成，又可以简化开发难度，缩短开发周期。因此选用Raspbian作为树莓派的操作系统。
另外，智能门钥是基于流行的QR码研发创建，采用开源的ZXing和ZBar来设计推出生成和识读功能。其中，ZXing是一套得到广泛应用的开源条形码工具软件包（包括QR码），ZBar则是一款Linux下的开源二维码工具，可识读QR码，在树莓派Raspbian系统中配置使用简单，将其引入到智能门钥识别过程中，可有效降低智能门钥的开发难度。
2功能模块实现
2.1近距拍照记录
在系统设定的门前近距范围内，当超声波传感器连续N次测距、且均发现有人或物体存在时，近距拍照记录功能将会启动并将所拍照片存到门控装置中供用户查询访问。
超声波测距是通过对发射的超声波进行反射回波计时来推导求得的，距离计算公式为：d=17150×（t2-t1）（1）其中，t1为超声波发射时间；t2为回波收到时间；d为发射点到物体的距离，单位为cm。
在硬件上虽然已将超声波测距传感器的4个引脚与树莓派GPIO的4个引脚连接起来，但超声波传感器此时还不能工作，还需要在树莓派上编写软件来驱动传感器发射超声波、接收回波时间将按照公式（1）来计算距离，这需要首先利用软件设置GPIO的BCM模式。
在GPIO的BCM模式下，TRIGGER（触发）引脚就是树莓派的输出引脚（GPIO23），也是传感器的输入引脚；ECHO（回波）引脚则是树莓派的输入引脚（GPIO24）。通过触发引脚发送超声波脉冲后，回波引脚会从传感器收到响应，从而取得回波时间。关键代码如下：
摘要： 关键词： remote intelligent gating system based on Raspberry Pi
（School of Computer， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China）
Abstract： Compared with the traditional mechanical lock control， intelligent lock control has the features such as the electronic control modes and diverse unlocking methods， which have been applied in some occasions. But because of high product prices， it has encountered greater resistance in the home market. As a cheap solution to intelligent gating， this paper designs and implements a remote intelligent gating system based on open source hardware （Raspberry Pi）. The idea is to set up an embedded gated server on Raspberry Pi， integrate camera and ultrasonic sensors to achieve the front door monitoring， remote lock control， lock control management and other functions. After that， with the help of QR code technology， a smart key based on the mobile terminal is achieved . The system is highly integrated and has both front and remote lock control capabilities. The fruits is a feature-rich and powerful upgrade of intelligent gating.
Key words：
基金項目： 作者简介：
收稿日期： 引言
随着对家居安全性的重视，现代门锁也在融入电子技术后进入了智能化时代，为人们的家居生活提供了更安全、便捷、功能日趋丰富的用户体验。阻碍智能化门锁应用于普通家庭的主要原因是产品价格高昂，因此本文以住宅门户作为应用对象，在廉价开源的树莓派开发板基础上设计实现了一种融合视频监控、超声波测距、网络遥控和二维码技术的远程智能门控系统。
1门控系统设计
1.1应用场景
远程智能门控系统应用场景如图1所示。
从图1可以看出，门控装置安装在住宅入户门内，其摄像头和超声波传感器固定在入户门外侧，系统将依托住宅内WiFi网络进行数据传输和后台管理。另外，用户在门前可以手机展示二维码的方式实现开门功能。
1.2系统功能设计
树莓派是一款开源的基于ARM的卡片式电脑主板，门控系统以树莓派为基础进行设计，共分5个模块，对其阐释如下：
（1）近距拍照记录。通过超声波检测门外人员与入户门距离，并在一定条件下开启拍照模式，再将照片保存至系统。
（2）远程视频监控。对门前区域进行远程视频监控。
（3）远程协助门控。访客通过触发开关发送开门请求，户主可通过远程视频在确认安全情况下允许为访客开门。
（4）智能门钥。一个运行于Android上的移动应用，可通过展示门钥二维码来指令开门。
（5）系统管理。用户可通过住宅内WiFi网络以Web方式对门控系统进行后台管理、参数设置及生成智能门钥（APK：Android安装包）。
1.3硬件方案和技术路线
系统硬件除树莓派B 板外，还包括HC-SR04超声波测距传感器、USB高清摄像头、32 GB的SD卡、USB无线网卡、继电器和触发开关各一个。各部件连接即如图2所示。
本方案选用的树莓派B 板具有4个USB接口、1个HDMI 接口以及附带40个引脚的GPIO接口。
本方案中，将HC-SR04超声波传感器的5 V供电、TRIGGER、ECHO和GROUND接地4个引脚分别与树莓派的2、16、18和6号引脚连起来；选用的USB摄像头价格低廉，300万像素，即能与已有配置配合实现近距拍照，也能满足远程视频监控和二维码识别的要求。
本方案中，还需要在树莓派的SD卡槽插入一个32 G的SD存储卡，用来安装操作系统、应用软件和存储数据。
选用的USB无线网卡传输速率150 Mpbs，覆盖范围≥50 m，兼容性好，能满足与WiFi网络连接的需要（最新的树莓派3上已集成了无线网卡，无需再配）。
继电器用来模拟开门动作。在本方案中，将继电器的GND 引脚、输入引脚分别与树莓派的GND 引脚和19号引脚连接起来，控制继电器的开闭。
触发开关装在入户门外，用于发出远程协助请求。
B 板可以搭载Raspbian、Debian、NOOBS等Linux类操作系统，在其上可安装Apache、Nginx等作为嵌入式服务器来支持通过Web方式对门控系统进行访问。
Raspbian不仅占用SD卡空间少，而且内置了较完整的Python开发环境，还包含了很多树莓派相关的功能库，即方便实现树莓派硬件与嵌入式Web服务器（Apache）的深度集成，又可以简化开发难度，缩短开发周期。因此选用Raspbian作为树莓派的操作系统。
另外，智能门钥是基于流行的QR码研发创建，采用开源的ZXing和ZBar来设计推出生成和识读功能。其中，ZXing是一套得到广泛应用的开源条形码工具软件包（包括QR码），ZBar则是一款Linux下的开源二维码工具，可识读QR码，在树莓派Raspbian系统中配置使用简单，将其引入到智能门钥识别过程中，可有效降低智能门钥的开发难度。
2功能模块实现
2.1近距拍照记录
在系统设定的门前近距范围内，当超声波传感器连续N次测距、且均发现有人或物体存在时，近距拍照记录功能将会启动并将所拍照片存到门控装置中供用户查询访问。
超声波测距是通过对发射的超声波进行反射回波计时来推导求得的，距离计算公式为：d=17150×（t2-t1）（1）其中，t1为超声波发射时间；t2为回波收到时间；d为发射点到物体的距离，单位为cm。
在硬件上虽然已将超声波测距传感器的4个引脚与树莓派GPIO的4个引脚连接起来，但超声波传感器此时还不能工作，还需要在树莓派上编写软件来驱动传感器发射超声波、接收回波时间将按照公式（1）来计算距离，这需要首先利用软件设置GPIO的BCM模式。
在GPIO的BCM模式下，TRIGGER（触发）引脚就是树莓派的输出引脚（GPIO23），也是传感器的输入引脚；ECHO（回波）引脚则是树莓派的输入引脚（GPIO24）。通过触发引脚发送超声波脉冲后，回波引脚会从传感器收到响应，从而取得回波时间。关键代码如下：