針對目前一些單元門禁系統(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)的門禁系統(tǒng)開發(fā)方案，該設(shè)計(jì)方案具有開發(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。
一、引言
常用的門禁系統(tǒng)主要由信息采集單元、傳輸單元、信息辨識單元等3個部分組成。按照信息通信與處理方式可以分為單機(jī)型門禁系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)型門禁系統(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合。前者的投資小，安裝方便，但信息處理功能簡單，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)行生物特征識別的單機(jī)型門禁系統(tǒng)，但其后臺往往需要一臺微型計(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)出的場合。
筆者針對上述兩種門禁系統(tǒng)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)的單元門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)集分布識別、集中管理于一體的分布型門禁系統(tǒng)，既提高了單機(jī)型門禁系統(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)型門禁系統(tǒng)癱瘓的問題。
二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、智能小區(qū)門禁系統(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)的門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
由圖1可知，整個小區(qū)的門禁系統(tǒng)主要由各單元門禁系統(tǒng)和門禁管理系統(tǒng)組成;其中各單元門禁系統(tǒng)由主控制器、圖像采集、電控鎖、室內(nèi)分機(jī)組成，并且每個單元門的門禁系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)與門禁管理系統(tǒng)相連接。在該結(jié)構(gòu)下，每個單元門分別在主控制器的控制下工作，克服了由于網(wǎng)絡(luò)滯后帶來的控制延時問題，提高了門禁系統(tǒng)控制的實(shí)時性。
2、門禁控制單元硬件結(jié)構(gòu)
考慮到對主控制器的體積小巧和開發(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(jiān)固的、可靠的及高性價比的嵌入式系統(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嵌入式平臺成為嵌入式開發(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，該模塊時鐘頻率可達(dá)650MHz，帶有256MB表貼內(nèi)存、2個RS232端口、2個USB端口、1個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捕獲，帶MPEG硬件壓縮，利用雙通道可以使系統(tǒng)同時從兩路圖像采集設(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路差分模擬信號輸入，2通道模擬信號輸出，16路帶緩存的數(shù)字I/O。通過該模塊主控制器可以控制電控鎖的開啟與關(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，如存儲模塊可以選擇IBM公司生產(chǎn)的IC25N030ATCS04型6315mmEIDE硬盤，用于存儲開發(fā)的程序、采集到的用戶進(jìn)出圖像等;鍵盤則可以根據(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)存儲，并生成用戶人臉的數(shù)學(xué)模型;系統(tǒng)在收到用戶呼叫請求后，實(shí)現(xiàn)圖像采集、人臉圖像自動檢測，并根據(jù)呼叫號碼對采集到的訪問者人臉圖像進(jìn)行識別，在確認(rèn)用戶身份后執(zhí)行開門動作，或向室內(nèi)人員提示，在接收到室內(nèi)人員的開門指令后開門，否則進(jìn)入等待循環(huán)，如果超過等待時間，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，如果有人臉，則進(jìn)行人臉辨識，否則通過語音提示用戶;如果用戶通過身份審核則開門，否則通過語音或聲音，提示室內(nèi)人員并等待室內(nèi)人員響應(yīng)，如果超過等待時間，則本次呼叫結(jié)束;主控制器在作出開門指令后，電控鎖打開，等待用戶通過后關(guān)門，并根據(jù)安全級別，開啟尾隨檢測設(shè)備，如果存在尾隨，則發(fā)出語音報(bào)警信號并關(guān)門。
其中，人臉檢測與識別是軟件系統(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;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到的人臉圖像與審核過的用戶人臉庫中的圖像進(jìn)行比較和識別。
四、系統(tǒng)特點(diǎn)
由上述分析可知，利用PC/104嵌入式平臺開發(fā)的單元門禁系統(tǒng)，具有如下特點(diǎn)：
1、擴(kuò)展性好：由于本設(shè)計(jì)中所采用的模塊板，均可同時支持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。
2、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、開發(fā)軟件，所設(shè)計(jì)的人臉檢測與辨識軟件的升級、調(diào)試與更改都十分容易進(jìn)行。
3、小巧靈活：由于筆者設(shè)計(jì)的單元門禁系統(tǒng)是在PC/104嵌入式平臺上開發(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)×90mm(寬)，易于安裝至狹小空間。
4、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，還起到散熱作用，可以保證系統(tǒng)在-40~85℃之間正常工作。
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