基于識別功能的自動門禁系統的設計與實現

黃志宏

摘 要：隨著現代社會的飛速發展，無論是公共空間還是私人空間，人們對于安全系數的要求越來越高。智能化程度的提升為我們的生活提供了更多可能性的同時，也提供了更多的安全保障和便利條件。當前科技下的自動門禁系統作為智能建筑中的重要一環，已經逐步更新換代，擺脫了原有的機械門鎖和刷卡門禁等近距離貼身識別方式，開始用個人的生物信息進行識別、驗證，起到了門禁、安全的作用。本文通過對目前應用較廣的人臉識別功能的自動門禁系統進行闡述、設計，來實現安全通行，起到門禁的作用。

關鍵詞：識別功能；門禁系統；設計；自動

引言：

從當前的科技發展來看，目前生物識別技術已經逐漸成熟，并且已經應用到部分的領域，方便著大家的生活。生物識別技術顧名思義，是采集、匯總和分析個體的生物特征的信息，從而進行識別和驗證，這種識別方式利用了生物個體特征的獨一無二的特性來驗證信息，由于不可逆轉性和不可替代性，具有較高的安全性能，能夠廣泛應用到公共領域或是住宅、辦公等領域。生物識別技術主要可以依據個人的指紋、聲音、虹膜、筆跡等特征來進行識別判斷，其中，人臉識別技術是當下應用較為廣泛的，也是識別性能較好、安全系數較高的識別技術。本文對人臉識別技術進行設計與實現具有一定的現實意義和借鑒意義，也是十分有必要的。

1.人臉識別技術發展現狀

人臉識別技術作為生物識別系統中的一部分，起著非常重要的作用，是目前身份驗證系統中應用較廣的，相較于聲音識別、虹膜識別、指紋識別以及筆記識別等識別技術，人臉識別技術運用較為穩定，操作簡便，設備投入成本低、效果好，較為符合人類習慣，簡單快捷，是理想的門禁系統識別方式。目前發展來看，人臉識別系統主要應用于證件驗證、門禁控制以及刑偵案件的破獲等等，人臉識別系統減少了住宅、單位或私人住所入門時繁瑣的檢查程序，只需要“刷”一下臉就可以完成，這種門禁高效、便捷、安全系數高。

此外，目前的人臉識別設備已經不再由傳統的服務器進行檢測和運算、處理，而是選擇嵌入式技術，擺脫了原有體積大、成本高、運算慢的系統，將嵌入式設計融入人臉識別技術，使設計入口更加智能、小巧。本系統的設計與實現就選擇嵌入式的人臉識別系統，可以應用在住宅、停車場等多種領域中，實現自動門禁控制功能。這種系統綜合了多種技術手段，具有一定的應用性和推廣性。

2.人臉識別系統的總體設計

人臉識別系統由人臉采集系統、預處理系統、人臉定位系統、特征提取系統、人臉識別系統組成。系統中組成如下圖所示。

人臉識別技術下的自動門禁系統是將硬件和軟件相結合，并在Linus操作平臺上完成的。系統可以分為人臉識別系統以及自動門禁系統，人臉識別系統主要是人臉信息的采集、信息特征的提取及比對、驗證，將最后的結果輸出給門禁系統進行驅動實施。在基于人臉識別的整個門禁系統中，硬件包含攝像頭、計算機硬件以及操作軟件等，硬件與軟件相互配合，共同組成了人臉識別的門禁系統。整個系統的從開始人臉的信息采集到最后門的開合，可以大致分為6個模塊，使系統能夠正常運行。

2.1人臉檢測模塊

人臉檢測模塊是最起始的模塊設計，主要作用是判斷攝像頭一定的范圍內是否有人像出現，是否需要進行人臉采集定位，是后續過程的開端與前提。

2.2人像識別模塊

人像識別模塊主要是在攝像頭范圍內檢測到人臉后，對人臉進行定位、提取和比對，將信息進行匯總后，得出輸出的最后結果。

2.3人臉注冊模塊

人臉注冊模塊是將成功錄入的人臉信息進行記錄、儲存，注冊成功的人臉信息可以在以后的識別時自動通過。這個模塊相當于管理員的作用，需要相關的管理員才能進行注冊，要有一定的權限設置。

2.4人臉辨別模塊

識別模塊主要是讓系統對人臉數據庫中的各類人臉圖像進行識別訓練，讓系統提取人臉特征，儲存特征，能夠將特征進行分組，用于人臉識別。這個模塊可以用于系統投入使用之前，進行初始的訓練，提高識別的準確率，提高門禁系統的安全系數，也可以在系統運行一段時間時候，作為對系統的校正、重置。

2.5門禁驅動模塊

門禁驅動模塊主要是根據人臉識別系統輸出的信號指令，進行相應的操作，是門禁系統的動力裝置。

2.6門禁控制模塊

門禁控制模塊主要是根據識別結果做出相應的開合動作，一個方面是接受識別的信號，另一方面是在驅動系統的配合下完成電子門的開合。

3.人臉識別系統的硬件設計

人臉識別門禁系統的硬件設計是軟件運行的平臺與基礎，只有有了硬件系統才能將軟件系統加入其中，組成完整的系統。系統主要包括復位信號電路、Flash儲存、電源和時鐘的嵌入式系統，也包括USB接口、以太網卡、LCD接口和按鍵等外圍擴展設備。

3.1系統內部模塊

時鐘電路是內部模塊的核心，時鐘源的選擇可以通過OM2以及OM3來進行，時鐘頻率主要有三種，可以結合系統運行情況進行選擇。復位電路主要是用于重新啟動系統，并不是必要電路，是在軟件運行時方便于快速重啟時應用的，尤其是在系統卡頓時能起到很好的作用。Flash 模塊主要有兩種，nor和nand，其中，nor flash的容量較小，有龐大文件儲存的一般應用nand flash。電源電路為整個系統提供電能，CPU、顯示屏以及各類電路均需要電源電路的供電，由于系統內部電壓的供應不同，所以一般采用5V/2A來轉化電源。系統的電源電路如下圖所示。

3.2系統外圍模塊

LCD連接著用戶與系統，是用戶對系統最直接的操作，選用了4.3寸的TFT液晶顯示屏，運行過程是LCD控制器將信息直接發送到緩存區域，而顯示器可以通過緩存區域來讀取數據，下圖是LCD的接口圖。

本次臉部識別的門禁系統設計硬件內件與外件選用ARM11的處置器和S3C6410的板面，系統整體存儲空間為256MB，nand flash為1GB空間，視頻采集器為不同的USB攝像頭，系統的驅動為硬件插銷。整個系統硬件的識別過程是，輸入端為3.3V的電壓，當人臉識別通過后，輸出電壓也為3.3V，由晶閘管導出，插銷吸合。門禁系統中的插銷位于門的上部，當插銷吸合時門打開，當插銷復位時門關閉。運行時為一個動態開合的過程。

4.人臉識別系統的軟件設計

人臉識別門禁系統的軟件就是是硬件能夠自動運轉的“靈魂”，在平臺上，進行軟件開發，同時結合人臉識別算法，最后在設備上運轉。系統應用軟件的基本構架如下圖所示，軟件應用程序的設計主要包括圖像采集、用戶界面、人臉識別的算法、設備的驅動程序等設計。本次系統的設計識別率達到98%以上，同時能夠進行新用戶的注冊登錄，并且在應用時識別的時間在5S以內，顯示屏的高性能能夠實現良好的人機交換。此外，人臉識別既可以進行識別也可以進行識別鍛煉，增加識別的準確率。

設備驅動程序是操作系統與硬件的橋梁，并且現在大部分的驅動都是嵌入式驅動程序，并且已經逐步取代了傳統的單片機硬件。本系統的設備驅動設計主要有電磁門鎖驅動和攝像頭驅動。在嵌入式驅動系統中，分為主設備和次設備，若將主設備找到對應的設備驅動，再經過次設備來具體區分。

4.1電磁門鎖驅動

電磁門鎖的驅動程序編寫時主要包含8個步驟，如下圖所示。首先是驅動初始化，在Linux系統中對宏定義函數進行初始化運行，目的是要完成寄存器的配置任務。接下來要做好設備驅動的注冊，在完成驅動初始化之后，可以在Linux系統中發出注冊申請，申請設備號及函數，映照管理員進行訪問權限的重新設置。

然后打開設備，通過函數來進行驅動，與設備建立聯系，并進行初始化的內存空間配置。然后完成讀寫設備，主要作用是通過讀和寫對進行設備控制，實現應用程序與驅動程序之間的信息連接，其中的復制功能常用的copy to user函數。接下來進行I/O控制，I/O控制是管理運行的通道，能夠傳達文件的標識，傳輸控制的命令，在電子門鎖設計時需要大量的操控系統，都是通過iotcl 函數來實現的。第六個是驅動模塊的關閉設計，關閉設計主要是運行完成后，可以將驅動程序關閉以釋放系統空間，節約系統內存的占用空間。注銷設備主要是通過deregister函數來進行，當進行注銷后，需要重新注冊才能夠再次使用。最后是驅動模塊的卸載，當硬件設備已經沒有利用價值時可以卸載驅動模塊，降低內存空間的占用。

4.2攝像頭驅動

攝像頭采用USB普通攝像頭作為采集設施，能夠提高外部設備的移植性，攝像頭驅動采用的程序設計為V4L2，是一種日常的視頻設備，V4L2驅動對于操作有一定良好的時間要求，要求能夠進行動態的操作驅動，具有一定的時序邏輯性以及對于復雜、高難度的操作有所緩解。在攝像頭驅動設計中，獲取數據源是通過USB接口，在驅動運行時，程序會自動安排自身的傳輸空間，并且將地址映射到用戶區域，在V4L2向地址輸入視頻信息后，有應用的程序，取出地址中的數據視頻。這種傳輸方式將內部與用戶之間緊密相連，提升了數據傳輸效率，也能夠節約系統儲存的空間。

5.結束語

目前，人臉識別系統已經應用在實際生活中，例如，火車站進展端口、住宅區的門禁、單位上班打卡等諸多地方。這些人臉識別門禁系統的設計與實現極大便利了我們的生活，保障了我們的安全，同時也省去了復雜的人工、設備成本，也更加智能和高效，符合現代人的生活理念，科技改變了我們現在的生活。本文闡述了人臉識別下的門禁系統的設計，通過對門禁系統的硬件與軟件的選擇設計和識別、圖像預處理、信息的傳輸以及控制驅動一系列步驟，能夠實現生活中的門禁體系。本文的設計、實現過程對于未來的實踐及應用提供了一定的理論參考，也提供了實踐運行的經驗。

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