基于PC/104平臺(tái)和人臉識(shí)別的門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，作為一種新型的現(xiàn)代化安全管理技術(shù)的門(mén)禁系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展與完善。從起初的密碼式，發(fā)展到今天的卡片式和生物特征識(shí)別式，門(mén)禁系統(tǒng)的功能和安全性都有了較大的提高。目前門(mén)禁系統(tǒng)正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。

常用的門(mén)禁系統(tǒng)主要由信息采集單元、傳輸單元、信息辨識(shí)單元等3個(gè)部分組成。按照信息通信與處理方式可以分為單機(jī)型門(mén)禁系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)型門(mén)禁系統(tǒng)。其中單機(jī)型的信息處理與采集單元合成在一起，兩者之間不需要遠(yuǎn)距離的信息傳輸，常用于小系統(tǒng)或安裝位置較為集中的系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)型的信息處理與采集單元之間往往不在一起，兩者之間通過(guò)光纖、雙絞線等實(shí)現(xiàn)信息傳輸，常用于大系統(tǒng)或安裝位置較為分散的場(chǎng)合。前者的投資小，安裝方便，但信息處理功能簡(jiǎn)單，安全性較低，不能實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控，雖然目前出現(xiàn)了一些可以進(jìn)行生物特征識(shí)別的單機(jī)型門(mén)禁系統(tǒng)，但其后臺(tái)往往需要一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)常年運(yùn)行，可靠性較低;后者技術(shù)含量高，可以進(jìn)行生物特征識(shí)別，安全性較高，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和異地監(jiān)控，但由于受到網(wǎng)絡(luò)性能的影響，不易適用于人員頻繁進(jìn)出的場(chǎng)合。

筆者針對(duì)上述兩種門(mén)禁系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提出了一種基于PC/104嵌入式平臺(tái)和人臉識(shí)別技術(shù)的單元門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)集分布識(shí)別、集中管理于一體的分布型門(mén)禁系統(tǒng)，既提高了單機(jī)型門(mén)禁系統(tǒng)的信息處理能力和安全性，又克服了因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)原因造成的網(wǎng)絡(luò)型門(mén)禁系統(tǒng)癱瘓的問(wèn)題。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、智能小區(qū)門(mén)禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)居民小區(qū)規(guī)模和用戶的需求，筆者所設(shè)計(jì)的門(mén)禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

由圖1可知，整個(gè)小區(qū)的門(mén)禁系統(tǒng)主要由各單元門(mén)禁系統(tǒng)和門(mén)禁管理系統(tǒng)組成;其中各單元門(mén)禁系統(tǒng)由主控制器、圖像采集、電控鎖、室內(nèi)分機(jī)組成，并且每個(gè)單元門(mén)的門(mén)禁系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與門(mén)禁管理系統(tǒng)相連接。在該結(jié)構(gòu)下，每個(gè)單元門(mén)分別在主控制器的控制下工作，克服了由于網(wǎng)絡(luò)滯后帶來(lái)的控制延時(shí)問(wèn)題，提高了門(mén)禁系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性。

2、門(mén)禁控制單元硬件結(jié)構(gòu)

考慮到對(duì)主控制器的體積小巧和開(kāi)發(fā)方便的要求，設(shè)計(jì)中采用PC/104嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)主控制器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。PC/104作為一種“堆棧型PC”已經(jīng)被證明是一種能夠廣泛用于商業(yè)、工業(yè)以及軍用領(lǐng)域的堅(jiān)固的、可靠的及高性價(jià)比的嵌入式系統(tǒng)解決方案。成熟的桌面PC技術(shù)、豐富的PC軟件資源使得PC/104嵌入式平臺(tái)成為嵌入式開(kāi)發(fā)最理想的選擇之一。作為一種與傳統(tǒng)PC兼容的系統(tǒng)，PC/104具有尺寸小巧、開(kāi)放性好、可靠性高、功耗低、靈活方便的特點(diǎn)。

PC/104嵌入式模塊系列為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了一整套低成本、高可靠性、能迅速配置成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化模塊。利用這些模塊構(gòu)建的系統(tǒng)主控制器的框圖如圖2所示。

考慮到主控制器各模塊之間的兼容性，設(shè)計(jì)中各主要功能模塊全部選用RTD公司生產(chǎn)的PC/104模塊板，其中：

(1)CPU模塊板。選用CME47786ER型CPU模塊板，該模塊時(shí)鐘頻率可達(dá)650MHz，帶有256MB表貼內(nèi)存、2個(gè)RS232端口、2個(gè)USB端口、1個(gè)10/100Base-T以太網(wǎng)口、EIDE控制器，支持TFT顯示，最大功耗9W。

(2)視頻捕獲模塊板。選用VFG7350ER型視頻捕獲板，該模塊支持雙通道同時(shí)捕獲，帶MPEG硬件壓縮，利用雙通道可以使系統(tǒng)同時(shí)從兩路圖像采集設(shè)備采集圖像，擴(kuò)大了系統(tǒng)適用人群，使其不僅適用于成人，還可適用于身高較低的兒童。

(3)數(shù)據(jù)模塊板。選用DM7530HR-8型數(shù)據(jù)模塊板，該模塊支持8路差分模擬信號(hào)輸入，2通道模擬信號(hào)輸出，16路帶緩存的數(shù)字I/O。通過(guò)該模塊主控制器可以控制電控鎖的開(kāi)啟與關(guān)閉。

(4)電源模塊板。選用HPWR104HR-75W型電源模塊板，該模塊最大可提供75W的輸出功率，利用該模塊可以為系統(tǒng)其余模塊提供穩(wěn)定的電源保障。其余模塊則可以根據(jù)需要選擇一些成熟產(chǎn)品，如存儲(chǔ)模塊可以選擇IBM公司生產(chǎn)的IC25N030ATCS04型6315mmEIDE硬盤(pán)，用于存儲(chǔ)開(kāi)發(fā)的程序、采集到的用戶進(jìn)出圖像等;鍵盤(pán)則可以根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)。

三、系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

在上述硬件的基礎(chǔ)上，筆者所設(shè)計(jì)的單元門(mén)禁系統(tǒng)主要完成以下功能：將單元內(nèi)各用戶的信息分戶(或分部門(mén))存儲(chǔ)，并生成用戶人臉的數(shù)學(xué)模型;系統(tǒng)在收到用戶呼叫請(qǐng)求后，實(shí)現(xiàn)圖像采集、人臉圖像自動(dòng)檢測(cè)，并根據(jù)呼叫號(hào)碼對(duì)采集到的訪問(wèn)者人臉圖像進(jìn)行識(shí)別，在確認(rèn)用戶身份后執(zhí)行開(kāi)門(mén)動(dòng)作，或向室內(nèi)人員提示，在接收到室內(nèi)人員的開(kāi)門(mén)指令后開(kāi)門(mén)，否則進(jìn)入等待循環(huán)，如果超過(guò)等待時(shí)間，則本次呼叫結(jié)束。為實(shí)現(xiàn)該功能，制定軟件流程如圖3所示。

由圖3可知，系統(tǒng)在接收到用戶呼叫后，采集圖像信息并進(jìn)行人臉檢測(cè)，如果有人臉，則進(jìn)行人臉辨識(shí)，否則通過(guò)語(yǔ)音提示用戶;如果用戶通過(guò)身份審核則開(kāi)門(mén)，否則通過(guò)語(yǔ)音或聲音，提示室內(nèi)人員并等待室內(nèi)人員響應(yīng)，如果超過(guò)等待時(shí)間，則本次呼叫結(jié)束;主控制器在作出開(kāi)門(mén)指令后，電控鎖打開(kāi)，等待用戶通過(guò)后關(guān)門(mén)，并根據(jù)安全級(jí)別，開(kāi)啟尾隨檢測(cè)設(shè)備，如果存在尾隨，則發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)并關(guān)門(mén)。

其中，人臉檢測(cè)與識(shí)別是軟件系統(tǒng)的核心，在本軟件中，采用基于Gabor特征與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，進(jìn)行人臉檢測(cè);然后采用基于主成分分析和支持向量機(jī)的方法將采集和檢測(cè)到的人臉圖像與審核過(guò)的用戶人臉庫(kù)中的圖像進(jìn)行比較和識(shí)別。

四、系統(tǒng)特點(diǎn)

由上述分析可知，利用PC/104嵌入式平臺(tái)開(kāi)發(fā)的單元門(mén)禁系統(tǒng)，具有如下特點(diǎn)：

1、小巧靈活：由于筆者設(shè)計(jì)的單元門(mén)禁系統(tǒng)是在PC/104嵌入式平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的，這種堆棧型的PC本身體積很小，根據(jù)PC/104規(guī)范定義的板卡標(biāo)準(zhǔn)尺寸只有96mm(長(zhǎng))×90mm(寬)，易于安裝至狹小空間。

2、可靠性高：PC/104板卡在電氣特性和機(jī)械特性上可靠性極高，功耗低，散熱少，板卡與板卡之間通過(guò)堆棧連接，抗震性好。如環(huán)境更為惡劣，還可考慮使用PC/104加固型系統(tǒng)IDAN，該系統(tǒng)所具備的鋁合金結(jié)構(gòu)，在密封系統(tǒng)的同時(shí)，還起到散熱作用，可以保證系統(tǒng)在-40~85℃之間正常工作。

3、擴(kuò)展性好：由于本設(shè)計(jì)中所采用的模塊板，均可同時(shí)支持PC/104總線和PC/104+總線，因此具備較好的擴(kuò)展能力，如可在其上繼續(xù)添加GPRS通信模塊，為系統(tǒng)增加遠(yuǎn)程控制功能等。

4、易于維護(hù)：所設(shè)計(jì)系統(tǒng)與普通PC兼容，利用一些已有的桌面PC系統(tǒng)軟件、開(kāi)發(fā)軟件，所設(shè)計(jì)的人臉檢測(cè)與辨識(shí)軟件的升級(jí)、調(diào)試與更改都十分容易進(jìn)行。

五、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前一些單元門(mén)禁系統(tǒng)存在的占用空間大、維護(hù)成本高、穩(wěn)定性較低等問(wèn)題，提出了一種基于PC/104嵌入式平臺(tái)和人臉識(shí)別技術(shù)的門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。相比于一些已有的基于DSP或單片機(jī)的門(mén)禁系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案，該設(shè)計(jì)方案具有開(kāi)發(fā)周期短、性能穩(wěn)定、安全性高、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景較為廣闊。