第27卷第6期江苏理工学院学报
JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vo l.27，No.6Dec.，2021
2021年12月
当前，一场突如其来的新冠疫情打破了人们的正常生活节奏。新冠病毒主要是通过飞沫和接触传播的[1]，而商务楼宇等公共场所大多采用刷卡、人脸识别或者指纹识别等门禁管理方式，这无疑增加了病毒传播风险；因此，亟需开发设计新的门禁系统。 近年来，智能门禁技术发展迅猛。朱得旭等人[2]以智慧安防为背景，介绍了门禁技术的应用与发展；张玮[3]充分利用物联网、大数据等技术，设计了一套学生公寓门禁系统；江鹏等人[4]综合An-droid、二维码以及人脸识别技术设计了新型门禁系统；胡锋等人[5]以STM32F103RCT6单片机作为主控模块，将QR 二维码应用到公司访客门禁管理系统中；景光铮等人[6]基于Linux 嵌入式系统的树莓派，以二维码图像作为身份信息载体，设计了一套适用于远距离授权的门禁系统。 本文基于LabVIEW 环境、STM32微处理器以及二维码图像识别技术，设计了一套非接触式的门禁系统。该系统开发成本低、操作方便、功能稳定且易于推广，能够适用于小型公共场所。
1系统总体设计
系统分为上位机和下位机两大部分，上位机、
下位机之间采用串口通信方式，实现协调运作。如图1所示，为系统总体框图。其中：上位机选用NI LabVIEW 软件，它负责采集、识别用户二维码图像，检测用户信息的合法性，并将识别结果发送至下位机；下位机主要由STM32微处理器、继电器、LCD 显示屏以及语音播报模块等组成，它依据上位机对二维码图像的识别结果，控制液晶屏的显示、门禁系统的开关状态，并语音播报相应提示语。 基于二维码识别的门禁系统设计
蔡俊，张玉新，朱家兵
（淮南师范学院电子工程学院，安徽淮南232000）
收稿日期：2021-08-26
基金项目：安徽省2020年省级教学示范课“多媒体信息处理技术”（2020SJJXSFK2263）；淮南师范学院2020年度校级质
量工程项目“OBE 理念下‘理实一体化’教学方法研究与实践——以‘数字图像处理’课程为例”（2020hsjyxm17）；教育部2021年第一批产学合作协同育人项目“新工科背景下电子信息类专业‘数字图像处理’课程教学改革与实践”（202101391004）；安徽省2020年科技重大专项项目“单片BDS/GPS/GALILEO 多模导航SOC 芯片研发与应用”（202003a05020031）
作者简介：蔡俊，讲师，硕士，主要研究方向为计算机图形图像处理。通讯作者：朱家兵，教授，博士，主要研究方向为信号与信息处理。
摘要：为减少病毒接触性传播，满足疫情防控所需，设计了一套适用于公共场所的非接触式门禁系统。以嵌入
式技术、二维码图像识别技术为基础，系统主要由下位机和LabVIEW 上位机两部分组成。上位机结合视觉开发模块IMAQ Vision，主要实现二维码图像的获取和识别功能，通过串口将识别结果发送至下位机；经STM32分析处理后，下位机进一步实现继电器开关的控制、液晶屏的显示以及语音播报功能。测试结果表明，系统运行稳定可靠，能有效实现二维码识别及门禁系统控制。关键词：STM32；LabVIEW；二维码；门禁系统中图分类号：TP274
文献标识码：A
文章编号：2095-7394（2021）06-0042-08
2系统硬件设计定向扬声器
2.1MCU模块
设计中，选用STM32F103RCT6作为门禁控制系统的微控制器芯片。STM32首先对串口发送过来的数据进行解析，判断是否为合法系统用户；再由其根据解析结果控制继电器状态、LCD显示以及语音播报功能。
2.2继电器控制电路
在门禁控制系统中，选用光耦隔离继电器作为动作执行元件，它根据控制系统的要求产生响应。当下位机STM32接收到的信息为合法系统用户时，控制继电器IO口为高电平，触发继电器吸合，门禁系统开；若信息为非系统用户时，则维持IO口低电平继电器释放，门禁系统关。
2.3LCD显示电路
选用由薄膜晶体管组成的TFT-LCD作为门禁控制系统的显示屏。TFT具有使用寿命长、分辨率高等特点，其采用16位的并行方式与外部电路连接，通过运用STM32芯片IO口模拟8080总线控制液晶屏的显示内容。在设计中，LCD屏用于显示用户身份以及是否允许通行等信息。
2.4语音播报模块
在门禁控制系统中，通过UNV6288语音模块播报相关提示语。该模块体积小巧、价格低廉、使用方便，可实现中文、英文及数字的语音合成。
3系统软件设计
3.1上位机LabVIEW设计
LabVIEW被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件[7]，它提供了大量的驱动程序和控件，可兼容大多数的硬件接口，从而为门禁系统功能的实现带来方便。系统LabVIEW界面主要包括二维码图像采集区域、操作区域及识别结果显示区域。在图像采集区域，可先后显示由笔记本摄像头拍摄到的原始图像、灰度化及滤波处理后的二维码图像；操作区域主要完成通信串口、相机设备的选择以及上位机系统功能的退出。如图2所示，为上位机VI设计。右侧为识别结果区域，当识别到二维码图像信息时，指示灯处于常亮状态，同时显示用户身份信息。
3.2二维码识别功能设计
上位机二维码图像识别功能的设计调用了NI IMAQ Vision视觉开发工具包[8]，该工具包可应用于图像处理、特征匹配、目标检测以及目标分类等多个方面。二维码识别功能包含图像采集、灰度化处理、滤波处理以及图像识别四个步骤。
3.2.1图像采集
图像信息的获取是二维码识别功能的第一步，如图3（a）所示为图像采集流程。
如图3（b）所示，为二维码图像采集程序。在LabVIEW中调用打开摄像头vi，选择笔记本自带摄像头cam0；打开摄像头后，调用IMAQdx Con-figure Grab.vi配置开始连续采集图像，通过IMAQdx Grab.vi获取输出当前帧图像；在IMAQdx Grab.vi的入口参数image in选择IMAQ Create.vi 为图像创建一个临时的存储单元，获取外部采集的图像；最后，通过IMAQdx Close Camera VI停止图像的获取，释放获取图像所占用的资源，关闭相机。
3.2.2图像灰度化处理
由摄像头采集到的二维码图像默认为RGB 彩
图1系统总体框图语音播报模块
蔡俊，等：基于二维码识别的门禁系统设计
第6期43
图像，为方便后续对二维码的定位、识别处理，需要利用IMAQ dx ExtractSingColorPlane VI 将原始
彩图像转换为8bit 灰度图像，以突出图像中的重要信息。如图4所示，
为图像灰度化处理程序。
图2上位机
VI
（a ）图像采集流程
（b ）图像采集程序图3
二维码图像采集
图4灰度化处理程序
江苏理工学院学报44第27卷
扬长机3.2.3图像滤波处理
摄像头采集到的二维码图像往往会受到周围环境噪声的干扰，导致图像质量下降，影响识别结果，这就需要进一步滤波处理以达到降噪的目的。在设计中，调用IMAQ Convolute VI设置中值滤波处理，在降噪的同时尽可能保护图像的边缘。如图5所示，为图像滤波处理
程序。
（a）IMAQ Convolute VI说明（b）中值滤波程序
图5图像滤波处理
3.2.4二维码定位与识别
摄像头采集的图像中往往包含多余背景图
像，进一步调用Vision and Motion中的IMAQ Read
QR code函数可实现二维码区域的定位与识别。
依据二维码3个角的定位标志，判断所处的二维坐
标，以此识别二维码区域，即感兴趣区域ROI。
如图6（a）所示，IMAQ Read QR code函数的
QR Code Report端子是一个簇，包含了QR码描述
选项。利用按名称解除捆绑函数把簇的3个子项
单独显示：Data项显示二维码所蕴含的信息；
Found项连接一个指示灯，识别到二维码信息后显
示灯亮，否则灯灭；Bounding Box是包含二维码的
最小矩形。如图6（b）所示，为二维码定位与识别
单片机编程器
程序。
家用沼气池
图6二维码定位与识别
（a）IMAQ Read QR code函数说明（b）二维码定位与识别程序表面微弧氧化处理
3.3串口通信功能设计
3.3.1串口发送
上位机LabVIEW使用VISA函数实现与下位
机的串口通信功能，将二维码图像识别结果通过
串口发送给下位机STM32。如表1所示，为串口通
信协议帧结构。
利用VISA配置串口控件来配置串口波特
率、数据位等参数，串口通信参数必须与下位
机保持一致，否则无法正常通信。采用条件
结构语句，为每个合法系统用户、非系统用户
对应写入唯一的Data字符，通过字符串连接
函数连接包头包尾，打包成数据包由VISA写
入控件写入串口。如图7所示，为串口发送数
据程序。
传输方向
上位机到下位机
包头
0x5A
数据值
Data
单齿辊破碎机
包尾
0xAA
备注
Data中存储用户身份信息
表1串口通信协议帧结构
蔡俊，等：基于二维码识别的门禁系统设计
第6期45
图7串口发送数据程序
3.3.2串口接收
在下位机串口通信接收程序中，需要配置串口参数，并保证波特率、数据位等参数与上位机保持一致。STM32打开串口，接收上位机发送的数据包，按照表1串口通信协议帧结构对数据包进行解析。
3.4下位机门禁控制功能总体设计
下位机STM32通过串口接收上位机发送的二维码识别结果后，判断是否为系统用户。若为系统用户，控制继电器吸合，门禁开启，LCD 显示用户信息，语音播报欢迎您；若非系统用户，控制继电器断开，门禁不开启，LCD 显示非法用户。如图8所示，为门禁控制功能工作流程。
图8显示，下位机STM32从串口接收数据，判断是否为系统用户，运用光耦隔离继电器模块来模拟门禁的开关。若是系统用户，STM32控制继电器IO 口为高电平，触发继电器吸合，STM32向UNV6288模块发送指令，进行语音合成播报欢迎您；若不是系统用户，维持IO 低电平继电器释放。
4系统测试及数据分析
系统测试主要包含上位机LabVIEW 功能测试，以及门禁控制系统中继电器状态、LCD 液晶屏和语音播报模块的受控情况。
4.1系统功能测试
如图9所示，当识别的二维码信息为系统用户时，上位机显示用户姓名，下位机STM32控制继电器吸合，LCD 显示具体用户信息，语音模块播报欢迎您。
如图10所示，当识别的二维码信息为非系统用户时，上位机显示姓名，下位机STM32控制继电器闭合，LCD 显示非法用户。
4.2数据分析
为验证系统有效性，在光照强度充足、二维
码图像保持垂直且与摄像头间距为20cm 左右的条件下，分别对30组系统用户和非系统用户的二维码图像进行功能测试，结果如表2所示。测试结果表明：在光照充足、二维码图像保持垂直且与摄像头间距为20cm 左右的情况下，系统基本能够正确识别二维码，控制门禁开关，整体
功能测试稳定。
图8门禁控制功能工作流程
江苏理工学院学报46第27卷
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