智慧校園人臉識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邱城銓，羅回彬，陳汕，李宇棟，蘇敬雄，呂翔

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，珠海519000）

0 引言

傳統(tǒng)校園宿舍出入的記錄與分析工作大多數(shù)由宿管與輔導(dǎo)員手工記錄分析，其費(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易錯(cuò)漏。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，筆者深受當(dāng)下技術(shù)領(lǐng)域與人員流量管理的啟發(fā)，嘗試整合分布式Web 后臺(tái)框架、GPS定位系統(tǒng)、人臉識(shí)別技術(shù)的成果，設(shè)計(jì)一款可支撐高峰期并發(fā)量的分布式智慧校園人臉識(shí)別系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要應(yīng)用人臉識(shí)別與GPS 定位來(lái)解決校園中學(xué)生人員流動(dòng)的記錄與分析，可以較好的輔助學(xué)校宿管員和輔導(dǎo)員進(jìn)行在線審批、記錄和數(shù)據(jù)分析，可以解放一部分勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合，較好地應(yīng)用到校園生活中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在智慧校園人臉識(shí)別系統(tǒng)研發(fā)的過(guò)程中，突破了傳統(tǒng)Web 后臺(tái)的開(kāi)發(fā)和架構(gòu)模式，應(yīng)用了最新流行的分布式架構(gòu)搭建后臺(tái)系統(tǒng)，前后端分離開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

本系統(tǒng)架構(gòu)屬于可集成多個(gè)Web 項(xiàng)目的分布式框架體系，本項(xiàng)目中以微信小程序作為用戶交互入口，后臺(tái)交互采用Web 瀏覽器端讓系統(tǒng)管理員進(jìn)行基礎(chǔ)信息的增刪改查，以Spring Cloud Gateway 作為API 網(wǎng)關(guān)入口，應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，存儲(chǔ)與報(bào)表統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)持久化至MySQL 服務(wù)器，中間可穿插Redis 緩存，采用Eureka 負(fù)責(zé)服務(wù)的注冊(cè)于發(fā)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)功能點(diǎn)劃分層次分明，智慧校園人臉識(shí)別系統(tǒng)用戶入口為微信小程序，后臺(tái)管理為瀏覽器端，各個(gè)功能模塊如圖2 所示。

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

用戶注冊(cè)進(jìn)入系統(tǒng)，注冊(cè)人臉數(shù)據(jù)，將人臉信息注冊(cè)至人臉識(shí)別系統(tǒng)，便可以參與正常的業(yè)務(wù)流程。智慧校園人臉識(shí)別系統(tǒng)采用微信小程序用戶進(jìn)行GPS 定位+人臉識(shí)別兩種鑒別方式監(jiān)控學(xué)生宿舍歸校人數(shù)統(tǒng)計(jì)，晚歸記錄，請(qǐng)假表申請(qǐng)審批，統(tǒng)計(jì)校內(nèi)人口流量情況，并集成短信推送系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的消息服務(wù)。

圖2 智慧校園人臉識(shí)別系統(tǒng)功能模塊

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智慧校園人臉識(shí)別系統(tǒng)在微信小程序端可分為三個(gè)角色入口：學(xué)生、輔導(dǎo)員和宿管，每個(gè)角色都有各自的職責(zé)與交互流程，活動(dòng)信息持久化至MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)SMS 接口進(jìn)行消息提醒推送，使用戶隨時(shí)接收活動(dòng)最新消息。Web 后臺(tái)瀏覽器端通過(guò)管理員負(fù)責(zé)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出，信息維護(hù)。

2.1 人臉識(shí)別

人臉識(shí)別系統(tǒng)的集成與實(shí)踐是本系統(tǒng)突出的第一大特色，使微信小程序前端、后臺(tái)Web 服務(wù)、人臉識(shí)別服務(wù)實(shí)現(xiàn)交互。其中，人臉注冊(cè)根據(jù)樓棟號(hào)來(lái)進(jìn)行信息注冊(cè)，并且可以自己規(guī)定圖像屬性，在注冊(cè)時(shí)將學(xué)號(hào)進(jìn)行映射，以此完成學(xué)生信息注冊(cè)；人臉識(shí)別的具體流程發(fā)生在學(xué)生進(jìn)行簽到/晚歸的時(shí)候，通過(guò)識(shí)別攝像頭前的用戶和服務(wù)器上用戶注冊(cè)的圖片進(jìn)行特征點(diǎn)比對(duì)。具體人臉識(shí)別流程如圖4 所示。

圖4 人臉識(shí)別流程

2.2 GPS定位

GPS 定位系統(tǒng)的集成與應(yīng)用是本系統(tǒng)突出的第二特色，通過(guò)GPS 進(jìn)行進(jìn)一步的定位鑒定，可有效防止學(xué)生異地簽到/認(rèn)證。

該GPS 定位系統(tǒng)采用的是騰訊地圖微信小程序JavaScript SDK 位置服務(wù)，根據(jù)官方文檔，需要申請(qǐng)密鑰，還需要下載微信小程序JavaScript SDK，在微信開(kāi)發(fā)者工具中要添加request 合法域名（https：//apis.map.qq.com）。

（1）小程序中引入sdk 核心類：（即js 文件）

例：var QQMapWX = require（'../../libs/qqmap-wxjssdk.js'）;

（2）實(shí)例化api 核心類

qqmapsdk=new QQMapWX（{

key：'申請(qǐng)的key'

}）;

（3）使用api 提供的方法來(lái)獲取當(dāng)前位置的經(jīng)緯度

qqmapsdk.reverseGeocoder（{

success：function（res）{

var res=res.result;

}

}）

（4）小程序中獲取樓棟經(jīng)緯度和簽到范圍，然后調(diào)用API 提供的接口，計(jì)算當(dāng)前位置經(jīng)緯度和樓棟經(jīng)緯度的距離是否在簽到范圍內(nèi)（本項(xiàng)目中，在Web 后臺(tái)頁(yè)面中，設(shè)置了學(xué)生樓棟的經(jīng)緯度、考勤范圍），來(lái)判斷該學(xué)生是否在他所在的樓棟。

wx.request（{

url：’https：//apis.map.qq.com/ws/distance/v1/?mode=driving&from=’+當(dāng)前位置經(jīng)緯度+‘‘&to=’+樓棟經(jīng)緯度+’&key=’+你申請(qǐng)的密鑰

success：（res=>{

res.data.result.elements[0].distance//就是兩點(diǎn)之間的距離

}）

}）

2.3 SMS通知模塊的集成

SMS 模塊的集成是本系統(tǒng)的第三大特色，在用戶交互的過(guò)程中可能出現(xiàn)重要的通知業(yè)務(wù)，本系統(tǒng)集成了SMS 模塊，通過(guò)自定義短信通知，將重大系統(tǒng)通知推送給用戶對(duì)應(yīng)的手機(jī)號(hào)。本項(xiàng)目中觸發(fā)SMS 調(diào)用的流程如下：在輔導(dǎo)員發(fā)布?xì)w校簽到活動(dòng)之后，系統(tǒng)根據(jù)輔導(dǎo)員管理的班級(jí)，獲取所有班級(jí)的學(xué)生信息，再根據(jù)對(duì)應(yīng)學(xué)生的基本信息生成content，最后調(diào)用短信接口，逐條發(fā)送短信。

（1）SMS 消息推送模板如下：

A. header：【宿簽】

B. content（內(nèi)容）

（2）SMS 接口的定義如下：

public static void sendSms（String tel，String content）;

其中，tel 表示待發(fā)送的手機(jī)號(hào)，content 表示內(nèi)容。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)的時(shí)候會(huì)在每個(gè)content 前面加上對(duì)應(yīng)的header。當(dāng)消息推送失敗的時(shí)候系統(tǒng)會(huì)記錄對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤日志。推送內(nèi)容的定義如下：

content=header+content;

log.info（"短信推送：{} 內(nèi)容：{}"，tel，content）;

（3）使用JDK8 中的流處理進(jìn)行短信推送的調(diào)用流程如下：

studentIdChargeByCounselor

.forEach（id->{

Student student=studentService.selectById（id）;

Counselor counselor = studentService.getCounselor（id）;

String content = "您的輔導(dǎo)員" + counselor.getName（）

+"發(fā)布了歸宿簽到活動(dòng)，請(qǐng)前往App 查看詳

情";

SmsUtil.sendSms（student.getTel（），content）;

}）;

2.4 Redis緩存

使用Redis 緩存進(jìn)行緩存數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)高并發(fā)情況下的重復(fù)請(qǐng)求，是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的第四大特色，在沒(méi)有使用Redis 緩存之前，所有數(shù)據(jù)庫(kù)請(qǐng)求都需要在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行SQL 解析處理，并返回對(duì)應(yīng)SQL 語(yǔ)句內(nèi)容，在高并發(fā)情況下數(shù)據(jù)庫(kù)壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致用戶體驗(yàn)感低下。統(tǒng)一緩存接口類以及方法的定義如下：

（1）cacheable（）方法先判斷是否存在緩存，存在則直接返回緩存數(shù)據(jù)，不存在則獲取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，再調(diào)用set（）方法添加緩存數(shù)據(jù)；

（2）set（）方法添加緩存數(shù)據(jù)，其中重載的方法有一個(gè)TimeUint 字段用來(lái)設(shè)置緩存失效時(shí)間；

（3）delete（）方法刪除緩存數(shù)據(jù)，其中重載的方法可以刪除多條或者刪除一條；

（4）get（）方法根據(jù)key 獲取對(duì)應(yīng)的緩存數(shù)據(jù)。

其中，緩存在系統(tǒng)業(yè)務(wù)中的查詢流程如圖5 所示。

圖5 緩存查詢業(yè)務(wù)

Redis 緩存在系統(tǒng)中主要借鑒了AOP（面向切面）設(shè)計(jì)思想，在不修改原本業(yè)務(wù)邏輯代碼的前提下，使用切面代碼，對(duì)業(yè)務(wù)前后進(jìn)行處理，例舉添加用戶的緩存設(shè)計(jì)，在添加用戶的業(yè)務(wù)方法返回之后，將返回?cái)?shù)據(jù)添加到Redis 緩存中，具體方法步驟如下所示。

（1）設(shè)計(jì)切入點(diǎn)

@Pointcut（"execution（*com.qcq.wecheck.service.UserService.insert（..））&&args（user）"）

public void insert（User user）{}

（2）實(shí)現(xiàn)切入邏輯，判斷業(yè)務(wù)方法是否成功執(zhí)行，成功執(zhí)行則設(shè)置對(duì)應(yīng)緩存數(shù)據(jù)。具體AOP 實(shí)現(xiàn)如下所示：

@AfterReturning（value="insert（user）"，argNames="user，success"，returning="success"）

public void afterInsert（User user，boolean success）{

if（success）{

String key = parseKey（USER，user.getOpenId

（））;

cacheSupport.set（key，user）;

}

}

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，持久化框架采用MyBatis Plus，利用MyBatis Plus 的快速開(kāi)發(fā)特性，將系統(tǒng)所有的交互數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)表主要有：學(xué)生表、輔導(dǎo)員表、宿管表、樓棟表、設(shè)備表、活動(dòng)表、活動(dòng)記錄表、學(xué)院表、年級(jí)表、專業(yè)表、班級(jí)表、基礎(chǔ)信息表、管理員表，如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系圖

2.6 實(shí)現(xiàn)效果

本項(xiàng)目小程序端實(shí)現(xiàn)效果如圖7 所示，人臉識(shí)別界面，主要用于晚歸登記；用戶的主頁(yè)面，顯示角色對(duì)應(yīng)活動(dòng)；即時(shí)通訊界面，接收歷史消息記錄。此外，Web 前端管理員頁(yè)面如圖8 所示，主要包括學(xué)生、宿管員、輔導(dǎo)員基本信息管理頁(yè)面和宿舍樓棟位置信息管理頁(yè)面等。

圖7 小程序端主要界面

圖8 Web端頁(yè)面

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)人臉識(shí)別與GPS 定位記錄學(xué)生歸校簽到行為，記錄學(xué)生晚歸次數(shù)等操作節(jié)省了宿管與輔導(dǎo)員的工作量和提高了他們的管理效率。此外，通過(guò)智慧校園人臉識(shí)別系統(tǒng)的工作方式，可以將這些學(xué)校人員出入的記錄很好地保存在保障性強(qiáng)、容錯(cuò)率高、可追溯性強(qiáng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。本項(xiàng)目是智慧校園建設(shè)的重要組成部分，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存在阿里云上的MySQL 服務(wù)器上，用戶活動(dòng)報(bào)表等進(jìn)階文檔也可以存儲(chǔ)至阿里云OSS 平臺(tái)進(jìn)行永久性維護(hù)，對(duì)今后的智慧校園開(kāi)發(fā)有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。