多系統融合的智能感知門禁服務系統淺析

【關鍵詞】嵌入式Linux；智能門禁系統；多系統融合

引言

門禁行業從古發展至今，大致可將其劃分為三個階段，人工核驗階段，數字化階段，智能化階段。

人工核驗階段，在門禁發展史當中是存在最久的一個階段，久到要從遠古的部落說起。在遠古的部落時期就有站崗放哨的人，以此來提前發現危險，并解決或者躲避危險，可見在人類歷史當中，門禁一直充當著預防危險、保護己方的角色。例如古代門廳的侍衛、關卡的盤查、近代一些重要場所進出需要進行登記等，這些都屬于人工核驗，可見數字化網絡崛起之前，都屬于人工核驗階段[1]。其中最大的原因就是人工核驗是最容易實現的，而且價格更為低廉，但它的缺點也很明顯，一旦人流量變大，人工核驗的效率就會變得很低，再者就是一些特殊情況下會增加工作人員與通行人員的接觸率，無法保障工作人員的身心健康，因此在數字化門禁系統出現之后，人工核驗很快被淘汰。

網絡時代的到來將門禁行業推向了數字化階段，通過網絡連接，攝像頭等設備即可實時監控各個出口的進出人員情況，并將數據上傳記錄，隨時可以查詢各個出口的進出記錄，同時還可以通過網絡控制每個系統的運行狀況，極大節省了人工成本，提高了通行效率，也減少了工作人員與通行人員的接觸率，保障了工作人員的身心健康。但其運行依舊離不開人為監視，并沒有達到完全的自動化。

隨著網絡的繼續發展，“互聯網+”的出現推動了智能化的熱潮，例如智慧家居等眾多智能產品的出現，標志著人工智能時代的到來，而門禁系統在智能化的浪潮中也迎來了自己的蛻變[2]。一系列智能門禁系統相繼出現，人員通行不再依賴于人為監視，可以自主監視通行人員是否存在異常狀態或行為，一經發現，將會立即發出警報，進行警示或驅趕，實現了完全的自動化[3]。現如今，智能門禁系統雖得到了一定的推廣，但依舊存在著成本過高的缺點，因此我們融合實現了一種改進的智能感知門禁服務系統。在該系統中，將電力載波通信技術（PLC技術）應用于現有門禁服務系統中，利用PLC的信息傳遞功能，降低系統成本，提高系統普及率，以實現門禁系統的智能感知功能。

一、研究內容

我們所研制的這一款智能感知門禁服務系統，系統可以實現目前門禁系統的所有基本功能，如通行監測，身份識別等；除此之外，我們還將對體溫檢測、二維碼、人臉識別等模塊進行技術研究與功能融合，不僅可以適應多種環境，還適當降低系統成本以及系統的普及難度。

在智能感知門禁服務系統實際開發當中，首先是利用嵌入式Linux系統構建門禁系統主體；然后根據門禁功能分別對人臉識別、體溫檢測、二維碼識別三個模塊進行程序開發、燒錄程序并調試數據；第三步，將PLC技術應用到系統中，通過該技術實現人臉、體溫、二維碼等模塊的信息傳遞；最后，在嵌入式系統中將這三個模塊的數據進行技術處理，實現產品的各項功能融合，形成基礎的智能感知門禁服務系統。若本次的研究內容能夠實現，則意味著將指紋、虹膜等生物識別技術進行融合也是能夠實現的，這部分將會在后續的研究中進行。

二、環境配置

（一）系統硬件設計

本系統硬件部分包括：具有計算機功能的基礎模塊ROCKCHIP，其包含Quad core A55+G52 GPU；核心模塊RK3566；具有USB攝像頭模組和指紋識別的識別模塊；測溫模塊MLX90614ESF（DCI）；讀卡模塊；顯示模塊；電源模塊；采用Intellon公司開發的SSC P200芯片作為通信模塊。

硬件主要擔負著溫度采集、人臉識別、指紋信息采集、讀卡以及將這些數據和人員編號上傳儲存和分析的作用。

表1 核心模塊（RK3566）的主要參數

（二）系統軟件設計

1.門禁終端軟件（識別與信號輸出）

門禁終端軟件分為軟件操作系統及應用軟件。軟件操作系統主要采用嵌入式Linux實現，而系統應用軟件主要使用圖像用戶界面QT庫+計算機視覺庫OpenCV實現。

2.嵌入式Linux系統

嵌入式Linux是一個多用戶、多任務的操作系統，以靈活、高效著稱。其主要功能包括存儲管理、進程管理、文件系統、網絡通信、多媒體功能，不僅運行穩定、功能強大、性能優異，而且其能夠免費使用、獲取整個操作系統的源碼并支持用戶自行修改[4]。

3.基于OpenCV應用開發軟件

OpenCV是計算機視覺中經典的專用庫，其支持多語言、跨平臺，功能強大。OpenCV可以在Windows、Android、Maemo、FreeBSD、OpenBSD、iOS、Linux 和Mac OS等平臺上運行。使用OpenCV進行軟件開發，不但方便快捷，還可以滿足不同用戶的需求，可以被廣泛使用。

三、人臉識別

人臉學習和識別過程由OpenCV進行實現。首先由人臉識別模塊分析畫面中是否存在人臉，若不存在，則獲取畫面中的人臉，進行灰度處理，獲取該人臉相關數據，上傳至核心模塊的CPU當中；當攝像頭的畫面中再次出現該人臉之后，將會在顯示模塊上顯示出該用戶的名字，如果是陌生人則會在顯示模塊上顯示出unknow，然后蜂鳴器會響起進行報警。

圖2所連接設備是一個簡易的人臉識別裝置。人臉識別模塊事先要對一張人臉進行數據分析并保存數據，將用來識別人臉的程序與已學習的人臉數據燒錄到主控板后，當該人臉再次出現在攝像頭前，只需搜索已保存的數據中是否有該人臉數據即可。為了讓顯示過程更加直白，用RGB燈亮綠燈表示識別到已學習過的是指定人臉，舵機會從設定的 10°旋轉到 100°，實現自動開門的效果。若之前沒有學習過該人臉，則表示為陌生人，此時舵機不會轉動，RGB燈顯示紅燈。

四、體溫檢測

在體溫檢測部分的模塊中我們采用紅外測溫器測溫，其優勢在于最大程度減少誤差的同時增大接觸距離[5-6]。在進行測溫的過程當中，首先由測溫模塊MLX90614ESF（DCI）進行體溫采集，并獲取當前被測溫對象與體溫監測器之間的距離，然后將采集到的數據上傳至CPU當中，在已測體溫的基礎上根據距離進行溫度補償，從而得到被測對象的體溫。若體溫高于37.2℃，RGB會亮紅燈；若體溫低于37.2℃，RGB會亮綠燈。

五、二維碼識別

在門禁行業當中目前二維碼的識別功能應用廣泛，例如某些貨物存儲的柜子需要對應的二維碼打開，再比如地鐵二維碼乘車等，本系統也應用了二維碼的識別功能，可以對電子身份證的二維碼進行識別。

我們的二維碼識別功能采用QT+OpenCV進行程序編寫。要進行二維碼的識別，首先要判斷圖片是否含有二維碼，若含有二維碼，則需要對二維碼進行定位。定位之后將原圖片中的二維碼部分進行裁剪，識別其中的信息，確認其身份是否有異常。

為防止有人用事先準備好的二維碼的截圖進行識別，需要進行時間校驗。在檢查二維碼是否正常之前，將當前網絡時間與二維碼上的時間戳作比較，若時間差大于兩分鐘，則會顯示“二維碼過期”，無法通過。

六、實現方案

（一）電力載波通信技術

系統的構建部分，將使用電力載波通信技術（PLC技術）進行數據信息的傳遞。借用現有社區、醫院、工業園等既有電力線施工條件（現有門禁系統供電線路），即可實現自身功能[7-9]。用戶量增大之后，系統的模塊融合將會產生龐大的數據信息。采用PLC技術進行數據信息傳遞，既可以起到降低成本的作用，又可以提高數據處理的速度。另外，PLC技術在信息安全與信息傳遞方面更加安全，更加快速，杜絕了滲透攻擊，信息泄露[10]。在實際應用當中，智能感知門禁服務系統，還會連接網絡、連接大數據，實現“掃臉知碼”。

（二）模塊融合

我們的門禁終端采用平臺化的模塊設計思路。根據不同場所要求進行靈活組合，可以形成多種組合產品；還可植入現有的社區門禁、車輛門禁等系統，無需額外施工或增加額外費用及成本，功能融合，集成度更高（體溫、人臉身份識別（+熱成像）、數據傳輸、融合二維碼）。

我們以人臉識別、體溫檢測、二維碼識別三個模塊的融合為例。通過核心模塊RK3566將其他幾個模塊連接、程序燒錄到RK3566模塊的四核64位Cortex-A55 CPU后，系統設備運行將會如下：首先由攝像頭進行畫面中人臉的檢測，若畫面中出現用戶人臉，則會同時由攝像頭與MLX90614ESF體溫檢測模塊對畫面中用戶的人臉信息與體溫進行采集，采集完成之后將數據通過RK3566自帶的外圍接口傳輸到CPU當中與已存在的人臉信息與正常的體溫范圍進行信息比對，判定結果將會通過RK3566自帶的音頻接口傳輸到tft-lcd顯示模塊并顯示出來，若當前的人臉信息在CPU當中已錄入過，則系統會通過大數據獲取該用戶的二維碼信息，識別其身份，同樣該用戶的二維碼信息及判定結果將會通過RK3566自帶的Audio接口傳輸到tft-lcd顯示模塊并顯示出來，若不存在則不會進行顯示。如果以上判定結果都正常，則會通過外圍接口由CPU傳達出開門的指令，若有一項不符合條件，則會發出警告提示工作人員該用戶信息存在問題。

以上為人臉識別、體溫檢測、二維碼識別三個模塊融合后系統的運行方式，該系統的成功運行實現了本系統對門禁的基本要求，既能在和平時期承擔起門禁系統的基本責任，又能在特殊時期發揮出自己的重要作用，同時也說明了其他的系統功能進行融合是完全可行的。

部分代碼如下：

門禁終端也可以根據實際應用需求，增加高性能圖像及數據處理模塊，在圖像識別、身份認證等方面通過網絡邊緣處理大量臨時數據，由創享邊緣計算盒子門禁終端進行數據處理之后，再傳輸到管理系統或服務器云端，減輕網絡帶寬和數據中心的壓力。

結語

本文所論述的以嵌入式Linux為核心的智能感知門禁服務系統，該系統應用電力載波技術，對生物識別、體溫檢測、二維碼信息等若干功能模塊進行數據融合，形成一種具有強拓展性的集成數據處理平臺，其最大特點就是綜合性強、成本低。針對不同的工作環境，可選擇不同的功能進行組合，以滿足不同環境的不同需求，使用戶簡便快速通行，真正做到惠民便民。就目前進行的編程試驗來看，系統功能的實現是完全可行的，而且相信這款能夠自由組合的智能門禁服務系統，無論是在平時，還是在出現意外的特殊情況下，都能夠滿足所有客戶的需求。