基于PC/104平臺和人臉識別的門(mén)禁系統設計

一、引言

近年來(lái)，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，作為一種新型的現代化安全管理技術(shù)的門(mén)禁系統得到了快速的發(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別式，門(mén)禁系統的功能和安全性都有了較大的提高。目前門(mén)禁系統正朝著(zhù)數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化的方向發(fā)展。

常用的門(mén)禁系統主要由信息采集單元、傳輸單元、信息辨識單元等3個(gè)部分組成。按照信息通信與處理方式可以分為單機型門(mén)禁系統和網(wǎng)絡(luò )型門(mén)禁系統。其中單機型的信息處理與采集單元合成在一起，兩者之間不需要遠距離的信息傳輸，常用于小系統或安裝位置較為集中的系統;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(xiàn)等實(shí)現信息傳輸，常用于大系統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)現異地監控，雖然目前出現了一些可以進(jìn)行生物特征識別的單機型門(mén)禁系統，但其后臺往往需要一臺微型計算機常年運行，可靠性較低;后者技術(shù)含量高，可以進(jìn)行生物特征識別，安全性較高，易于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )控制和異地監控，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。

筆者針對上述兩種門(mén)禁系統的缺點(diǎn)，提出了一種基于PC/104嵌入式平臺和人臉識別技術(shù)的單元門(mén)禁系統設計方案，可以進(jìn)一步實(shí)現集分布識別、集中管理于一體的分布型門(mén)禁系統，既提高了單機型門(mén)禁系統的信息處理能力和安全性，又克服了因為網(wǎng)絡(luò )原因造成的網(wǎng)絡(luò )型門(mén)禁系統癱瘓的問(wèn)題。

二、系統結構設計

1、智能小區門(mén)禁系統結構

根據居民小區規模和用戶(hù)的需求，筆者所設計的門(mén)禁系統結構框圖如圖1所示。

由圖1可知，整個(gè)小區的門(mén)禁系統主要由各單元門(mén)禁系統和門(mén)禁管理系統組成;其中各單元門(mén)禁系統由主控制器、圖像采集、電控鎖、室內分機組成，并且每個(gè)單元門(mén)的門(mén)禁系統通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與門(mén)禁管理系統相連接。在該結構下，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)禁系統控制的實(shí)時(shí)性。

2、門(mén)禁控制單元硬件結構

考慮到對主控制器的體積小巧和開(kāi)發(fā)方便的要求，設計中采用PC/104嵌入式系統作為系統主控制器的開(kāi)發(fā)平臺。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)域的堅固的、可靠的及高性?xún)r(jià)比的嵌入式系統解決方案。成熟的桌面PC技術(shù)、豐富的PC軟件資源使得PC/104嵌入式平臺成為嵌入式開(kāi)發(fā)最理想的選擇之一。作為一種與傳統PC兼容的系統，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設計者提供了一整套低成本、高可靠性、能迅速配置成產(chǎn)品的結構化模塊。利用這些模塊構建的系統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，設計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650MHz，帶有256MB表貼內存、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同時(shí)從兩路圖像采集設備采集圖像，擴大了系統適用人群，使其不僅適用于成人，還可適用于身高較低的兒童。

(3)數據模塊板。選用DM7530HR-8型數據模塊板，該模塊支持8路差分模擬信號輸入，2通道模擬信號輸出，16路帶緩存的數字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其余模塊提供穩定的電源保障。其余模塊則可以根據需要選擇一些成熟產(chǎn)品，如存儲模塊可以選擇IBM公司生產(chǎn)的IC25N030ATCS04型6315mmEIDE硬盤(pán)，用于存儲開(kāi)發(fā)的程序、采集到的用戶(hù)進(jìn)出圖像等;鍵盤(pán)則可以根據需要自行設計。

三、系統軟件流程設計

在上述硬件的基礎上，筆者所設計的單元門(mén)禁系統主要完成以下功能：將單元內各用戶(hù)的信息分戶(hù)(或分部門(mén))存儲，并生成用戶(hù)人臉的數學(xué)模型;系統在收到用戶(hù)呼叫請求后，實(shí)現圖像采集、人臉圖像自動(dòng)檢測，并根據呼叫號碼對采集到的訪(fǎng)問(wèn)者人臉圖像進(jìn)行識別，在確認用戶(hù)身份后執行開(kāi)門(mén)動(dòng)作，或向室內人員提示，在接收到室內人員的開(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，則本次呼叫結束。為實(shí)現該功能，制定軟件流程如圖3所示。

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

其中，人臉檢測與識別是軟件系統的核心，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;然后采用基于主成分分析和支持向量機的方法將采集和檢測到的人臉圖像與審核過(guò)的用戶(hù)人臉庫中的圖像進(jìn)行比較和識別。

四、系統特點(diǎn)

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

1、小巧靈活：由于筆者設計的單元門(mén)禁系統是在PC/104嵌入式平臺上開(kāi)發(fā)的，這種堆棧型的PC本身體積很小，根據PC/104規范定義的板卡標準尺寸只有96mm(長(cháng))×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IDAN，該系統所具備的鋁合金結構，在密封系統的同時(shí)，還起到散熱作用，可以保證系統在-40~85℃之間正常工作。

3、擴展性好：由于本設計中所采用的模塊板，均可同時(shí)支持PC/104總線(xiàn)和PC/104+總線(xiàn)，因此具備較好的擴展能力，如可在其上繼續添加GPRS通信模塊，為系統增加遠程控制功能等。

4、易于維護：所設計系統與普通PC兼容，利用一些已有的桌面PC系統軟件、開(kāi)發(fā)軟件，所設計的人臉檢測與辨識軟件的升級、調試與更改都十分容易進(jìn)行。

五、結束語(yǔ)

針對目前一些單元門(mén)禁系統存在的占用空間大、維護成本高、穩定性較低等問(wèn)題，提出了一種基于PC/104嵌入式平臺和人臉識別技術(shù)的門(mén)禁系統設計方案。相比于一些已有的基于DSP或單片機的門(mén)禁系統開(kāi)發(fā)方案，該設計方案具有開(kāi)發(fā)周期短、性能穩定、安全性高、擴展性好等優(yōu)點(diǎn)，應用前景較為廣闊。