智能人臉識別門鎖控制系統(tǒng)設(shè)計

文/郭向星 田斐

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、云計算、5G等技術(shù)的不斷完善，人臉識別精度越來越高，識別速度越來越快，從“刷臉進(jìn)站”、“刷臉簽到”到“刷臉付款”，生活中的方方面面都可以看到人臉識別技術(shù)的應(yīng)用。本設(shè)計創(chuàng)新地將人臉設(shè)別技術(shù)應(yīng)用到門鎖上，設(shè)計了智能人臉識別門鎖控制系統(tǒng)。

2 智能人臉識別門鎖控制系統(tǒng)總體設(shè)計

智能人臉識別門鎖控制系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計分為兩部分，首先在PC機上訓(xùn)練人臉識別模型，之后將訓(xùn)練好的模型導(dǎo)入到樹莓派中。采集模塊采集人臉照片后，樹莓派調(diào)用訓(xùn)練好的模型進(jìn)行判斷，樹莓派識別成功之后向繼電器模塊發(fā)出命令，樹莓派通過控制繼電器的吸合來控制電磁鎖的開關(guān)，同時指示模塊提醒門鎖開否。

3 人臉識別模型的設(shè)計

3.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案

本設(shè)計采用的人臉識別模型是通過Tensorflow搭建的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來實現(xiàn)的，所使用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括：輸入層、卷積層、池化層、全連接層和輸出層，具體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2 各層設(shè)計

（1）輸入層為訓(xùn)練或者判斷輸入的人臉圖像，經(jīng)過采集模塊的照片被裁剪為64×64之后輸入到輸入層中，該層的輸出為64×64大小的二維張量。

（2）卷積層就是輸入數(shù)據(jù)和卷積核進(jìn)行內(nèi)積運算操作的層。在該層中，輸入的張量與卷積核進(jìn)行卷積運算，卷積核提取張量的特征。

（3）池化層又稱為下采樣，就是為了減少卷積層產(chǎn)生的特征圖的尺寸而存在的，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)、提高運算速度和防止過擬合。

（4）全連接層放在卷積層的末端，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前端提取的特征通過權(quán)值矩陣重新拼接成一個新的向量，在整個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，全連接層起到分類器的作用。

（5）輸出層輸出為兩單元，使用似然函數(shù)計算每個單元的似然概率，輸出最大的概率作為判斷結(jié)果。

圖3：主程序流程圖

4 系統(tǒng)各單元軟件設(shè)計

4.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)上電之后，檢測攝像頭、觸摸開關(guān)、繼電器、記錄模塊是否正常，若所有模塊均正常則讓指示燈閃爍兩次后關(guān)閉。若所有模塊均正常，則當(dāng)按下觸摸開關(guān)時，樹莓派發(fā)出命令，控制指示燈閃爍三次，提示正在采集人臉照片；當(dāng)采集照片之后，調(diào)用識別模型判斷是否為特定人，若識別為特定人，則樹莓派向繼電器發(fā)送指令打開電磁鎖，同時藍(lán)色LED開始閃爍，提示電磁鎖已打開，延遲30秒后關(guān)閉電磁鎖并停止閃爍指示燈，之后把識別成功的人臉照片通過記錄模塊上傳到云服務(wù)器，等待下一次判斷。若識別為非特定人則繼電器不動作，并將采集到的人臉照片上傳到服務(wù)器，指示燈閃爍兩次，等待下一次判斷。主程序流程圖如圖3所示。

圖4：總實物圖

4.2 各子程序設(shè)計

4.2.1 指示燈程序設(shè)計

指示燈有五種工作狀態(tài)，分別是閃爍兩次、閃爍三次、一直閃爍、常亮和常滅。為了簡化程序，將點亮指示燈的操作編寫為閃爍函數(shù)，通過向函數(shù)中傳入不同的數(shù)值來表示指示燈不同的工作狀態(tài)。

4.2.2 采集照片程序設(shè)計

采集照片的程序比較簡單，只需不斷的掃描觸摸開關(guān)是否被按下，若觸摸開關(guān)按下，則樹莓派向攝像頭發(fā)送指令，采集照片保存到本地即可。

4.2.3 繼電器（電磁鎖）程序設(shè)計

電磁鎖需要12V的電源，因此通過繼電器來控制。控制繼電器的程序比較簡單，只需對繼電器的輸入端賦初值高電平即可，當(dāng)需要打開電磁鎖的時候就將繼電器的輸入端賦低電平，當(dāng)需要關(guān)閉電磁鎖的時候?qū)⒗^電器的輸入端賦高電平。

4.2.4 記錄模塊設(shè)定云服務(wù)器的密鑰，人臉識別器識別成功之后，樹莓派發(fā)出命令，調(diào)用上傳傳片函數(shù)向云服務(wù)器上傳識別成功的照片，保存名稱格式為“success20190520131401.jpg”；當(dāng)識別失敗時，保存名稱格式為“fail2019052031402.jpg”。

5 系統(tǒng)調(diào)試

功能測試時，樹莓派上電之后，指示燈閃爍兩次后關(guān)閉，表明系統(tǒng)各個模塊正常。按下觸摸開關(guān)后，指示燈閃爍三次開始采集照片，采集照片之后等待樹莓派調(diào)用模型進(jìn)行判斷，系統(tǒng)能正常識別特定人并且開鎖，實現(xiàn)了智能人臉識別門鎖控制系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)整體圖如圖4所示。但目前本設(shè)計受到樹莓派運算速度的影響人臉識別速度較慢，在未來的設(shè)計中可嘗試使用運算速度更快的控制器來解決識別速度慢的問題。